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Leçon 6
GENESE ET EVOLUTION DE
LA CROÛTE PRIMITIVE
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:
- 6.1 la première croûte terrestre
- 6.2 le bombardement tardif
- 6.3 les traces les plus anciennes de la croûte continentale
- 6.4 la formation de la croûte continentale Archéenne
- 6.5 la croissance de la croûte continentale: les Greenstone belts
- 6.6 la vitesse de croissance de la croûte continentale
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
6.1.1
CHRONOLOGIE DES EVENEMENTS HADEEN (RAPPEL)
3.95-3.85 Ga
4,568 Ga
3,85 Ga
Archéen
90% accrétion de la Terre
Hadéen
Formation de la Lune
40 50-100
TTG
LHB
6.1.2
TRANSITION SOLIDE-LIQUIDE DANS LE MANTEAU
1 - profondeur 300 km
0
Experimental determinations
of the solidus and liquidus of
garnet peridotite From:
McKenzie and Bickle (1988) J.
Petrol., 29, 625-679
2
4
6
8
Solid
Solid + Liquid
Liquid
6.1.3
TRANSITION SOLIDE-LIQUIDE DANS LE MANTEAU
2 - profondeur 1000 km
Temperature (°C)
1400 1600 1800 2000 2200
0
S+L
Liquid
5
Pressure (Gpa)
100
300
Solid
Depth (km)
20
260
0
200
10
15
2400
600
25
700
30
800
1 gigapascal = 10 kilobars
Gradient thermique à l’Hadéen
PROFONDEUR DE L’OCEAN
MAGMATIQUE GENERALISE: 1000 km
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
Basal Magma Ocean (Labrosse et al., Nature 2007)
NOYAU
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?
6.1.6
MINERALOGIE DU MANTEAU SUPERIEUR (ACTUEL)
Grenat: Si3O12Mg3Al2
Majorite: Mg3Fe3+2 (SiO4)3
Pyroxène: SiO3Mg
Olivine: a-Mg2SiO4
Wadsleyite: β-Mg2SiO4
Ringwoodite: γ-Mg2SiO4
Pérovskite: [Mg,Fe] Si O3
Polymorphes de haute presion
des grenats et de l’olivine.
1 gigapascal = 10 kilobars
6.1.7
GRADIENT GEOTHERMIQUE ELEVE
1- taux de fusion élevé dans le manteau supérieur
Aujourd’hui
Archéen
température
température
fin de fusion partielle (15%)
croûte
mince
profondeur
profondeur
début de fusion partielle
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!
6.1.8
GRADIENT GEOTHERMIQUE ELEVE
2- croûte océanique épaisse
6.1.9
GRADIENT GEOTHERMIQUE ELEVE
3- formation des komatiites
basalte
komatiite
100 µm
100 µm
Olivine automorphe
Olivine en fibres
Komatiites:
- olivines géantes mais squelettiques
- structure spinifex
6.1.10
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
6.1.11
LA PROTOCROÛTE OCEANIQUE: LES KOMATIITES
Structure spinifex
Arndt et al., 2008 Komatiites
Cambridge Books
6.1.12
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
6.1.13
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.
6.1.14
PANACHES ET SUBDUCTION A LA FIN DE L ’HADEEN
Plateaux volcaniques: grands, épaisses, abondants et partiallement émergés
Dorsales océaniques:
Croûte continentale:
émergées
mince, peu abondante et
partiellement submergée
Manteau :
Panaches :
Subduction
peu profonde
400-500°C
plus chaud
qu’aujourd’hui
100-200°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
6.1.15
PROTOCROÛTE CONTINENTALE: LES ANORTHOSITES?
Question: est-ce que, comme
sur la Lune, les anorthosites
IL EST PROBABLE QUE
sont les seules roches de la
NON CAR ELLES NE
première croûte sur la Terre? POUVAIENT SE
FORMER ET FLOTTER
SUR UN MAGMA
HYDRATE.
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.
anorthosite terrestre
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
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.
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.
6.2.3
QUE NOUS APPREND LA LUNE?
mare
LHB: Late Heavy Bombardment
Copernicus
On situe maintenant le début
de l’Archéen à la fin du LHB:
3,85 Ga.
highlands
Tycho
ARCHEEN
LHB
HADEEN
6.2.4
L’AMPLEUR DU CATACLYSME
20 000 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
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
187Re/187Os 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
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 650-700 Ma après 4.567 Ga
- Déplacement des orbites planétaires
- Mise en forme finale des ceintures des astéroïdes et de Kuiper
- Capture des Troyens et des satellites irréguliers
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
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
ZrSiO4
(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!
6.3.2
TECHNIQUES DE DATATION PONCTUELLE
Atom Probe Tomography images
of Y and Pb clusters in the 4.4Gyr-old zircon.
Valley et al., Nature Geoscience, 2014
SHRIMP! (sensitive
high-resolution ion
microprobe)
6.3.3
ANALYSE STATISTIQUE DES DATATIONS
A quoi servent ces zircons:
analyser les isotopes (oxygène
18O et 16O; et d’autres …)
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 d18O des
zircons indiquent qu’ils proviennent d’un
magma où d18O =7-9% soit beaucoup
plus que celui du manteau (d18O =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
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. 2008 Science, 321). Présence précoce de l ’eau LIQUIDE et Terre précocement froide.
2,5
4,6
Archéen
0,5
Protérozoique
0 Ga
Hadéen 4,0
3.85 Ga
Age (Ga)
3.82
3.865
4.03
Formation
Gneiss d'Amistoq
Gneiss d'Isua
Gneiss d'Acasta
Phanérozoique
Pays
Groenland
Groenland
Canada
Roche mère
roche plutonique
roche sédimentaire
Enclave
Acasta gneiss (4,03 Ga)
sédiment métamorphisé
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.
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?
6.4.1
TONALITES, TRONDJHEMITES, GRANODIORITES (TTG)
roches plutoniques riches
en quartz et plagioclase
roches métamorphiques
riches en quartz et
plagioclase (gneiss)
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.
6.4.3
QUELS SONT LES MARQUEURS GEOCHIMIQUES?
Lanthane et Ytterbium (Terres Rares)
57La
70Yb
Martin, 1994a,b
Les traceurs recherchés sont les teneur en lanthane (La) et ytterbium (Yb).
Les teneurs sont normalisées aux teneurs des chondrites CI (N).
6.4.4
LES SOURCES DES TTG: 1 - QUELLE ORIGINE?
La
Yb
éclogite
amphibolite
25% grenat
N
MAGMA
PARENT
DES
TTG
amphibolite
10% grenat
100
La
Yb
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.
75
N
50
100
amphibolite
sans grenat
MAGMA
PARENT
DES
TTG
75
25
basalte tholéitique
0
50
25
0
4
8
manteau
primitif
12
lherzolite 5%spinelle
0
0
4
8
12
16
(Yb)
N
16
(Yb)
N
La fusion du manteau (lherzolite)
ne produit pas une augmentation
du Lanthane. CE N ’EST DONC
PAS LA SOURCE DES TTG.
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
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
6.5.1
GREENSTONE BELTS
CANADA
•
Granite-gneiss complexes
(light green
•
Greenstone belts (dark green)
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
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
6.5.4
LA FORMATION DES GREENSTONE BELTS
6.5.5
UNE PARTICULARITE DE L ’ARCHEEN: LA SAGDUCTION
Tectonique verticale
Le moteur est la différence de densité
Archaean dome-and-keel patterns
(Barberton, South Africa)
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
- eNd et vitesse de croissance continentale
- un modèle possible de croissance continentale
- le recyclage de la croûte continentale
- granitisation progressive de la croûte primitive
6.6.1
147Sm-143Nd: LE CHRONOMETRE DE LA FORMATION DE LA
CROÛTE CONTINENTALE
Sm: Z = 62 Nd: Z = 60
+ a2+
1/2 vie = 1,06 102 Ga
147Sm143Nd
Sm/Nd
chondrites
Sm/Nd
ATTENTION!!!
Ne pas confondre avec le
chronomètre 146Sm-142Nd
(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 143Nd/144Nd augmente dans le manteau supérieur.
6.6.2
LE BILAN GEOCHIMIQUE DE LA DIFFERNCIATION
MANTEAU-CROÛTE

e Nd (T )  

T  âge


143

Nd 
Nd /144Nd
143
Nd /144
échantillon (T )
chondrite(T )

 1  10000

croûte
Ocean ridge
Subduction slab
eNd = +10
eNd = 0
manteau appauvri
(source des MORB)
MORB: Mean
Ocean Ridge Basalt
manteau primitif
noyau
Le manteau supérieur s ’appauvrit
constamment des matériaux qui
constituent la croûte continentale. De ce
fait, son rapport 143Nd/144Nd augmente
constamment.
6.6.3
UN MODELE POSSIBLE DE CROISSANCE CONTINENTALE
e
La variation de Nd montre qu’il y a
eu 3 « pics » de croissance:
1 - maximum à 2.5 Ga
2 – 1.7 Ga
3 – 1.0 Ga
6.6.4
LE RECYCLAGE DE LA CROÛTE CONTINENTALE
87Rb87Sr
Rb: Z = 37
Sr: Z = 38
_
+ b + u + Q
1/2 vie: 48,8 Ga
Le rapport isotopique 87Sr/86Sr
augmente avec le taux de
recyclage des sédiments dans la
croûte.
6.6.5
GRANITISATION PROGRESSIVE DE LA CROUTE PRIMITIVE
Granodiorites
Granites
2.90-2.55
2.55-250
2.41Ga
87
86
Sr/ Sr
0.710
ISr =
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.
TTG
0.705
0.700
3.0
2.5
temps Ga
0.50
0.75
1.00
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.
PROCHAINE ET DERNIERE LEÇON
FORMATION DE L ’ATMOSPHERE
ET DE L ’HYDROSPHERE
ORIGINE DE LA VIE