Leçon 6 GENESE ET EVOLUTION DE LA CROÛTE PRIMITIVE

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1 Leçon 6 GENESE ET EVOLUTION DE LA CROÛTE PRIMITIVE

2 Leçon 6 QUELLES SONT LES INTERROGATIONS? Les questions: - comment s est solidifié l océan magmatique généralisé? - pourquoi du platine de l or à la surface de la Terre? - comment s est formée la première croûte continentale? - reste-t-il des témoins de cette époque? - à quelle vitesse se sont formés les continents? Le plan de la leçon: la première croûte terrestre le bombardement tardif les traces les plus anciennes de la croûte continentale la formation de la croûte continentale Archéenne la croissance de la croûte continentale: les Greenstone belts la vitesse de croissance de la croûte continentale

3 6.1 LA PREMIERE CROÛTE TERRESTRE - chronologie des événements Hadéen (rappel) - transition solide-liquide dans le manteau 1 profondeur 300 km - transition solide-liquide dans le manteau 2 profondeur 1000 km - transition solide-liquide dans le manteau 3 profondeur 2890 km - olivine et pérovskite - minéralogie du manteau supérieur (actuel) - gradient géothermique élevé: 1 taux de fusion élevé dans le manteau supérier - gradient géothermique élevé: 2 une croûte océanique épaisse - gradient géothermique élevé: 3 formation des komatiites - basaltes et komatiites - la protocroûte océanique: les komatiites - une convection très active dans le manteau - structure de la croûte basaltique à l Hadéen - panaches et subduction à la fin de l Hadéen

4 6.1.1 CHRONOLOGIE DES EVENEMENTS HADEEN (RAPPEL) Ga Hadéen 4,568 Ga 3,85 Ga 90% accrétion de la Terre Formation de la Lune Archéen TTG LHB

5 6.1.2 TRANSITION SOLIDE-LIQUIDE DANS LE MANTEAU 1 - profondeur 300 km Experimental determinations of the solidus and liquidus of garnet peridotite From: McKenzie and Bickle (1988) J. Petrol., 29, Solid Solid + Liquid Liquid

6 Pressure (Gpa) TRANSITION SOLIDE-LIQUIDE DANS LE MANTEAU 2 - profondeur 1000 km Temperature ( C) S+L Liquid Solid Depth (km) gigapascal = 10 kilobars Gradient thermique à l Hadéen PROFONDEUR DE L OCEAN MAGMATIQUE GENERALISE: 1000 km

7 6.1.4 TRANSITION SOLIDE-LIQUIDE DANS LE MANTEAU 3 - profondeur 2890 km : progression de la solidification 1: olivines, pyroxènes, grenats (majorite) 2: pérovskite + magnésiowustite 1 manteau solide manteau solide manteau solide couche D 2 NOYAU NOYAU NOYAU NOYAU Basal Magma Ocean (Labrosse et al., Nature 2007)

8 6.1.5 OLIVINE ET PEROVSKITE La structure actuelle du manteau est acquise depuis la cristallisation de l océan magmatique généralisé. On sait maintenant que la transition entre le manteau inférieur à pérovskite et le noyau a dû rester liquide. Peut-être l est-il encore, partiellement?

9 6.1.6 MINERALOGIE DU MANTEAU SUPERIEUR (ACTUEL) Grenat: Si 3 O 12 Mg 3 Al 2 Majorite: Mg 3 Fe 3+ 2 (SiO 4 ) 3 Pyroxène: SiO 3 Mg Olivine: a-mg 2 SiO 4 Wadsleyite: β-mg 2 SiO 4 Ringwoodite: γ-mg 2 SiO 4 Pérovskite: [Mg,Fe] Si O 3 Polymorphes de haute presion des grenats et de l olivine. 1 gigapascal = 10 kilobars

10 profondeur profondeur GRADIENT GEOTHERMIQUE ELEVE 1- taux de fusion élevé dans le manteau supérieur Aujourd hui température fin de fusion partielle (15%) début de fusion partielle croûte mince Archéen température fin de fusion partielle (50%) croûte épaisse début de fusion Diagrammes de phases d une péridotite mantellique Un manteau plus chaud signifie une croûte océanique plus épaisse: à l archéen précoce, la croûte pouvait atteindre 30 km!

11 6.1.8 GRADIENT GEOTHERMIQUE ELEVE 2- croûte océanique épaisse

12 6.1.9 GRADIENT GEOTHERMIQUE ELEVE 3- formation des komatiites basalte komatiite 100 µm 100 µm Olivine automorphe Komatiites: - olivines géantes mais squelettiques - structure spinifex Olivine en fibres

13 BASALTES ET KOMATIITES Péridotite Comparées aux basaltes, les komatiites sont plus riches en MgO. Elles proviennent d une fusion partielle plus étendue du manteau: 50% alors que les MORB n atteignent pas 15%.. Les komatiites ne se forment plus aujourd hui. Komatiites: - fusion du manteau > 50% - haute température (1600 C) - faible viscosité

14 LA PROTOCROÛTE OCEANIQUE: LES KOMATIITES Structure spinifex Arndt et al., 2008 Komatiites Cambridge Books

15 UNE CONVECTION TRES ACTIVE DANS LE MANTEAU HADEEN APRES LE GRAND CHOC DE LA FORMATION DE LA LUNE, LE MANTEAU EST SOUMIS A UN REGIME DE CONVECTION VIGOUREUX CONTRAIREMENT A MARS OU VENUS Preuves actuelles de l existence d un manteau inférieur - isotopes de He - tomographie sismique Le manteau supérieur - cellules de convection plus petites, plus nombreuses et plus rapides qu aujourd hui - il s appauvrit en éléments lithophiles formant la première croûte continentale

16 STRUCTURE DE LA CROÛTE BASALTIQUE A L HADEEN Smith, 1981 Les basaltes komatiitiques émergent au centre des cellules de convection. Les komatiites forment de nombreux filons alimentant les coulées de surface.

17 PANACHES ET SUBDUCTION A LA FIN DE L HADEEN Croûte continentale: mince, peu abondante et partiellement submergée Plateaux volcaniques: grands, épaisses, abondants et partiallement émergés Dorsales océaniques : émergées Subduction peu profonde Panaches : C plus chaud qu aujourd hui Manteau : C plus chaud qu aujourd hui Par rapport à aujourd hui - plateaux volcaniques abondants - croûte océanique plus épaisse (20 à 40 km) - croûte continentale moins abondante et moins épaisse - subduction moins profonde

18 PROTOCROÛTE CONTINENTALE: LES ANORTHOSITES? Question: est-ce que, comme sur la Lune, les anorthosites sont les seules roches de la première croûte sur la Terre? IL EST PROBABLE QUE NON CAR ELLES NE POUVAIENT SE FORMER ET FLOTTER SUR UN MAGMA HYDRATE. anorthosite terrestre anorthosite terrestre croûte anorthositique de la Lune océan magmatique manteau inférieur 1 - Les anorthosites que nous connaissons sur la Terre se sont formées par un autre processus: la fusion d une croûte continentale formée de roches parentes des granites. ( Ashwall, 1993). 2 - Océan magmatique hydraté moins dense: les anorthosites ne se forment pas ou coulent.

19 6.2 LE BOMBARDEMENT TARDIF - les évidences d un bombardement métoritique tardif et très intense - éjection des planétésimaux par migration des orbites des planètes gazeuses - que nous apprend la Lune? - l ampleur du cataclysme - modification de la géochimie de la surface et du manteau supérieur - récapitulatif: les 3 phases de l évolution du système solaire FIN DE L HADEEN

20 6.2.1 LES EVIDENCES D UN BOMBARDEMENT METEORITIQUE TARDIF ET TRES INTENSE Late Heavy Bombardment, LHB MERCURE MINAS (lune de Saturne) La distribution de la taille des cratères à la surface de la Lune montre que le bombardement a été déclenché par la migration des planètes géantes (Storm et al., 2005). Cette migration n a pu être provoquée par les astéroïdes eux-mêmes car ils ne sont pas assez massifs. Elle fut peut-être due à la présence d un disque massif trans-neptunien. Jupiter et Saturne seraient passés dans les zones de résonance du disque.

21 6.2.2 EJECTION DE PLANETESIMAUX PAR MIGRATION DES ORBITES DES PLANETES GAZEUSES Current theories include the possibility that Jupiter-like planets could migrate inwards, through friction with the solar nebula. Interaction with Jupiter or Saturn kicked in the Oort Cloud Interaction with Uranus or Neptune kicked in the Kuiper belt Asteroid Belt Rappel leçon 3 Comet Disk Gomes et al., 2005: migration des planètes gazeuses vers leur orbites actuelles entre 0,350 et 1,2 Ga après leur formation.

22 6.2.3 QUE NOUS APPREND LA LUNE? LHB: Late Heavy Bombardment mare Copernicus On situe maintenant le début de l Archéen à la fin du LHB: 3,85 Ga. Tycho highlands ARCHEEN LHB HADEEN

23 6.2.4 L AMPLEUR DU CATACLYSME fois plus intense que le bombardement actuel soit la chute d un objet de plus de 1 km de diamètre tous les 20 ans! Durée: 100 à 150 Ma Plus de traces visibles

24 6.2.5 MODIFICATION DE LA GEOCHIMIE DE LA SURFACE ET DU MANTEAU SUPERIEUR Certains éléments chimiques moyennement à fortement sidérophiles (Ni et Cr) sont trop abondants dans un manteau où le fer s est séparé par gravitation. Le rapport isotopique 187 Re/ 187 Os indique une origine chondritique. DONC, BOMBARDEMENT METEORITIQUE POST-DIFFERENCIATION Les plus vieux cratères encore visibles sont trop jeunes! Vredeford, Afrique du Sud, 2,023 Ga, diamètre: 300 km, fortement érodé Sudbury, Ontario, 1,85 Ga diamètre: 250 km fortement tectonisé

25 6.2.6 RECAPITULATIF: LES 3 PHASES DE L EVOLUTION DU SYSTEME SOLAIRE 1 - La phase de l accrétion planétaire - Formation des planètes géantes - Formation des planètes telluriques - Première excitation: dépeuplement de la ceinture des astéroïdes 2 - Une phase quiescente d environ 600 Ma - Une ceinture d astéroïdes 20 fois plus massive que l actuelle - Un disque trans-neptunien massif (35-50 masses solaires) 3 - Le grand bombardement tardif vers Ma après Ga - Déplacement des orbites planétaires - Mise en forme finale des ceintures des astéroïdes et de Kuiper - Capture des Troyens et des satellites irréguliers

26 6.3 LES TRACES LES PLUS ANCIENNES DE LA CROÛTE CONTINENTALE - les plus vieux témoins du monde: les zircons - technique de datation ponctuelle - analyse statistique des datations - la présence de l eau dans la croûte primitive - les roches les plus anciennes de la Terre - les cratons Archéens dans le monde

27 6.3.1 LES PLUS VIEUX TEMOINS DU MONDE: LES ZIRCONS Les zircons détritiques des métaconglomérats de la zone Jack Hills (Australie): 4,4-4,2 Ga ZrSiO 4 (1) Le zircon est abondant seulement dans le granite mais peut se former dans un magma lié à un impact météoritique (Darling et al., 2009). (2) Les zircons des Jack Hills contiennent des inclusions de quartz et de feldspath-k granodiorite (3) Les zircons sont des grains détritiques dans une quartzite de 3.1 Ga (sédiment). 2-10% âges > 4 Ga (les autres entre 3 et 4Ga). Ces zircons ont survécu à la surface de la Terre archéenne plus d un milliard d années!

28 6.3.2 TECHNIQUES DE DATATION PONCTUELLE Atom Probe Tomography images of Y and Pb clusters in the 4.4- Gyr-old zircon. SHRIMP! (sensitive high-resolution ion microprobe) Valley et al., Nature Geoscience, 2014

29 6.3.3 ANALYSE STATISTIQUE DES DATATIONS A quoi servent ces zircons: analyser les isotopes (oxygène 18 O et 16 O; et d autres )

30 6.3.4 LA PRESENCE DE L EAU DANS LA CROÛTE PRIMITIVE Au cours de la cristallisation, les isotopes de l oxygène se fractionnent entre phases solide et liquide (cristaux et magmas). Typiquement le d 18 O des zircons indiquent qu ils proviennent d un magma où d 18 O =7-9% soit beaucoup plus que celui du manteau (d 18 O =5.3%). Cela indique que la fusion du manteau qui a généré ces magmas s est faite en présence d eau. L eau liquide était donc stable et abondanteà la surface de la planète. DEUX CONSEQUENCES 1-hypothese 1: LES GRANITOIDES SE SONT FORMES TRES TÔT Hypothèse 2: fabriqué par fusion de roches basiques après chocs météoritiques 2-LES OCEANS ETAIENT DEJA FORMES VERS 4.4 Ga! Wilde et al. Nature 2001

31 6.3.5 LES ROCHES LES PLUS ANCIENNES DE LA TERRE The Nuvvuagittuq greenstone belt, Northern Québec, Datation Sm-Nd: 4,3 Ga. Roche plutoniques métamorphisée (Kerr, R.A Science, 321). Présence précoce de l eau LIQUIDE et Terre précocement froide. 4,6 Archéen Hadéen 4, Ga 2,5 0,5 Protérozoique 0 Ga Phanérozoique Age (Ga) Formation Pays Roche mère 3.82 Gneiss d'amistoq Groenland roche plutonique Gneiss d'isua Groenland roche sédimentaire 4.03 Gneiss d'acasta Canada Enclave Acasta gneiss (4,03 Ga) sédiment métamorphisé

32 6.3.6 LES CRATONS ARCHEENS DANS LE MONDE Les cratons, séparés maintenant par des océans, n étaient pas dans cette position durant l archéen. Ils se sont rassemblés en supercontinents.

33 6.4 LA FORMATION DE LA CROÛTE CONTINENTALE ARCHEENNE - tonalites, trondjhemites, granodiorites (TTG) - composition de la croûte continentale primitive - les sources des TTG: 1- quelle origine? - les sources des TTG: 2- quel processus?

34 6.4.1 TONALITES, TRONDJHEMITES, GRANODIORITES (TTG) roches métamorphiques riches en quartz et plagioclase (gneiss) roches plutoniques riches en quartz et plagioclase

35 6.4.2 COMPOSITION DE LA CROÛTE CONTINENTALE PRIMITIVE Martin, 1994a,b La composition moyenne de la croûte continentale actuelle est granitique. Celle de la croûte archéenne est TTG: moins de fels. K, plus de plagioclases.

36 Les traceurs recherchés sont les teneur en lanthane (La) et ytterbium (Yb). Les teneurs sont normalisées aux teneurs des chondrites CI (N) QUELS SONT LES MARQUEURS GEOCHIMIQUES? Lanthane et Ytterbium (Terres Rares) 57La 70Yb Martin, 1994a,b

37 6.4.4 LES SOURCES DES TTG: 1 - QUELLE ORIGINE? La Yb N MAGMA PARENT DES TTG La Yb N éclogite amphibolite 25% grenat MAGMA PARENT DES TTG amphibolite 10% grenat amphibolite sans grenat basalte tholéitique La fusion DES BASALTES METAMORPHISES EN AMPHIBOLITES OU ECLOGITE conduit à un enrichissement en Lanthane d autant plus important que les grenats sont abondants dans la roche. C EST DONC LA SOURCE DES TTG (Yb) N 25 manteau primitif lherzolite 5%spinelle (Yb) N La fusion du manteau (lherzolite) ne produit pas une augmentation du Lanthane. CE N EST DONC PAS LA SOURCE DES TTG.

38 6.4.5 LES SOURCES DES TTG: 2 - QUEL PROCESSUS? Pas de fusion de la plaque océanique Fusion de la plaque océanique Déshydratation de la plaque océanique Martin et al., 2005

39 6.5 LA CROISSANCE DE LA CROÛTE CONTINENTALE: LES GREENSTONE BELTS - Les Greenstone Belts du Canada - Les arcs volcaniques à l Archéen - La formation des microcontinents - La formation des Greenstone Belts - Une particularité de l Archéen: la sagduction

40 6.5.1 GREENSTONE BELTS CANADA Granite-gneiss complexes (light green Greenstone belts (dark green)

41 6.5.2 LES ARCS VOLCANIQUES A L ARCHEEN volcanism and sediment deposition took place as the basins opened Subduction exists yet in archean terrains the greenstone belts formed in back-arc marginal basins Then during closure, the rocks were compressed, deformed, cut by faults, and intruded by rising magma

42 6.5.3 LA FORMATION DES MICRO-CONTINENTS Des arcs volcaniques qui s accolent les uns aux autres. Ainsi se forment les premiers microcontinents. La subduction est rapide à l Archéen. Greenstone belts

43 6.5.4 LA FORMATION DES GREENSTONE BELTS

44 6.5.5 UNE PARTICULARITE DE L ARCHEEN: LA SAGDUCTION Tectonique verticale Archaean dome-and-keel patterns (Barberton, South Africa) Le moteur est la différence de densité

45 6.6 LA VITESSE DE CROISSANCE DE LA CROÛTE CONTINENTALE ARCHEENNE - Sm/Nd: le chronomètre de la formation de la croûte continentale - le bilan géochimique de la différenciation manteau-croûte - e Nd et vitesse de croissance continentale - un modèle possible de croissance continentale - le recyclage de la croûte continentale - granitisation progressive de la croûte primitive

46 Sm- 143 Nd: LE CHRONOMETRE DE LA FORMATION DE LA CROÛTE CONTINENTALE Sm: Z = 62 Nd: Z = Sm 143 Nd + a 2+ Sm/Nd Sm/Nd chondrites 1/2 vie = 1, Ga ATTENTION!!! Ne pas confondre avec le chronomètre 146 Sm- 142 Nd (voir leçon 5: «de l origine de la Terre») Rappel: Sm reste piégé dans les cristaux tandis que Nd préfère les magmas. Donc le rapport Sm/Nd augmente dans le manteau supérieur à mesure qu il s appauvrit (production de magma MORB). En conséquence, le rapport 143 Nd/ 144 Nd augmente dans le manteau supérieur.

47 noyau LE BILAN GEOCHIMIQUE DE LA DIFFERNCIATION MANTEAU-CROÛTE Nd / Nd échantillon ( T ) e Nd ( T ) Nd / Nd chondritet ( ) T âge croûte end = +10 end = 0 Ocean ridge Subduction slab manteau appauvri (source des MORB) MORB: Mean Ocean Ridge Basalt manteau primitif Le manteau supérieur s appauvrit constamment des matériaux qui constituent la croûte continentale. De ce fait, son rapport 143 Nd/ 144 Nd augmente constamment.

48 6.6.3 UN MODELE POSSIBLE DE CROISSANCE CONTINENTALE La variation de e Nd montre qu il y a eu 3 «pics» de croissance: 1 - maximum à 2.5 Ga Ga Ga

49 6.6.4 LE RECYCLAGE DE LA CROÛTE CONTINENTALE 87 Rb 87 Sr + b _ + u + Q Rb: Z = 37 Sr: Z = 38 1/2 vie: 48,8 Ga Le rapport isotopique 87 Sr/ 86 Sr augmente avec le taux de recyclage des sédiments dans la croûte.

50 6.6.5 GRANITISATION PROGRESSIVE DE LA CROUTE PRIMITIVE Progressivement la croûte TTG se recycle (maturation) par deux mécanismes : - 1) fusion directe des TTG par collision continentale donne magma granitique - 2) érosion-sédimentation de la croûte TTG puis métamorphisme (collision continentale) donne magma granitique ISr = Sr/ Sr TTG Granodiorites Granites Ga temps Ga K2O/Na2O La formation du granite est un processus irréversible, sa fusion donne un autre granite. La croûte devient de plus en plus granitique donc de plus en plus potassique.

51 PROCHAINE ET DERNIERE LEÇON FORMATION DE L ATMOSPHERE ET DE L HYDROSPHERE ORIGINE DE LA VIE