Leçon 6 GENESE ET EVOLUTION DE LA CROUTE PRIMITIVE Leçon 6 QUELLES SONT LES INTERROGATIONS? Les questions: - comment s’est solidifié l’océan magmatique généralisé? - pourquoi du fer, du platine, de l’or à la surface de la Terre? - comment s’est formée la première croûte continentale? - y-a-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 CROUTE TERRESTRE - chronologie des événements Hadéen-Archéen - transition solide-liquide dans le manteau: rappel - l’océan magmatique généralisé: rappel - la cristallisation du manteau: rappel (Hadéen) - minéralogie du manteau solide (actuel) - conséquences du gradient géothermique élevé: 1 taux de fusion du manteau élevé - conséquences du gradient géothermique élevé: 2 une croûte océanique épaisse - conséquences du gradient géothermique élevé: 3 formation des komatiites - basaltes et komatiites - la protocroûte océanique: les komatiites - une convection très active dans le manteau - modèle de la croûte basaltique - panaches et subduction à la fin de l ’Hadéen 6.1.1 CHRONOLOGIE DES EVENEMENTS HADEEN-ARCHEEN 3.9-3.8 Ga 4,567 Ga 3,85 Ga Archéen 99% accrétion de la Terre Hadéen Formation de la Lune 40 50-100 TTG LHB 6.1.2 TRANSITION SOLIDE-LIQUIDE DANS LE MANTEAU: RAPPEL 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 L’OCEAN MAGMATIQUE GENERALISE: RAPPEL Temperature (°C) 1400 0 1600 1800 2000 2200 S+L Liquid 300 Solid 20 25 30 100 200 10 15 2600 Depth (km) Pressure (Gpa) 5 2400 600 Gradient thermique à l’Hadéen 700 800 1 gigapascal = 10 kilobars 6.1.4 LA CRISTALLISATION DU MANTEAU: RAPPEL (HADEEN) 1: olivines, pyroxènes 2: pérovskite + magnésiowustite 1 manteau solide manteau solide manteau solide couche D’’ 2 Basal Magma Ocean (Labrosse et al., Nature 2007) 6.1.5 MINERALOGIE DU MANTEAU SOLIDE (ACTUEL) Grenat: Si3O12Mg3Al2 Majorite: Mg3 Fe3+2 (SiO4)3 Pyroxène: SiO3Mg Olivine: SiO4Mg2 Wadsleyite: β-Mg2SiO4 Ringwoodite: γ-Mg2SiO4 Pérovskite: Ca Ti O3 Polymorphes de haute presion des grenats et de l’olivine. 1 gigapascal = 10 kilobars 6.1.6 CONSEQUENCES DU GRADIENT GEOTHERMIQUE ELEVE 1- taux de fusion du manteau élevé 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! 6.1.7 CONSEQUENCES DU GRADIENT GEOTHERMIQUE ELEVE 2- croûte océanique épaisse Croûte moins dense, peu hydratée, sédiments rares HADEEN 6.1.8 CONSEQUENCES DU GRADIENT GEOTHERMIQUE ELEVE 3- formation des komatiites komatiite basalte 100 µm 100 µm Olivine automorphe Komatiites: - olivines géantes mais squelettiques - structure spinifex Olivine en fibres 6.1.9 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 - faible viscosité 6.1.10 LA PROTOCROUTE OCEANIQUE: LES KOMATIITES Structure spinifex 6.1.11 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 Evolution vers un manteau homogène à 1 couche 6.1.12 MODELE DE STRUCTURE DE LA CROUTE BASALTIQUE Les basaltes komatiitiques émergent au centre des cellules de convection. Les komatiites forment de nombreux filons alimentant les coulées de surface. HADEEN 6.1.12 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 : 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 6.1.13 PROTOCROUTE CONTINENTALE: LES ANORTHOSITES? Question: est-ce que, comme sur la Lune, les anorthosites sont les seules roches de la première croûte sur la Terre? Anorthosite terrestre croûte anorthositique de la Lune océan magmatique manteau inférieurLeçon 4: NOUS N’EN SAVONS RIEN! 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 coulent. 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 MINAS (lune de Saturne) MERCURE La distribution de la taille des cratères à la surface de la Lune montre que le bombardement a été provoqué 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 2 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? LHB: Late Heavy Bombardment mare Copernicus highlands Tycho ARCHEEN 3,9 Ga 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 6.2.5 MODIFICATION DE LA GEOCHIMIE DE LA SURFACE ET DU MANTEAU SUPERIEUR Vredeford, Afrique du Sud, 2,023 Ga, diamètre: 300 km, fortement érodé Sudbury, Ontario, 1,85 Ga diamètre: 250 km fortement tectonisé 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 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 (HIATUS) - 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 CROUTE 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 Slave Lake, Canada 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 Le géologue succède à l ’astrophysicien! 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 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 …) MARS M. Humayun1 et al., 2013, Origin and age of the earliest Martian crust from meteorite NWA7533, 2 8 N O V E M B E R , 5 0 3 | N AT U R E | 5 1 3-516. 6.3.4 LA PRESENCE DE L’EAU DANS LA CROUTE PRIMITIVE Les isotopes de l ’oxygène montrent que ces zircons se sont formés par oxydation en présence d ’eau: - dissolution dès la phase d ’océan magmatique généralisé - introduction d ’eau océanique dans les premières zones de subduction. DEUX CONSEQUENCES: 1-hypothese 1: GRANODIORITES ET 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 ! 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 Hadéen4,0 3.85 Ga Age (Ga) 3.82 3.865 4.03 Formation Gneiss d'Amistoq Gneiss d'Isua Gneiss d'Acasta Phanérozoique Pays Roche mère Groenland roche plutonique Groenland roche sédimentaire Canada Enclave Gneiss: 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. 6.4 LA FORMATION DE LA CROUTE 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? Crust Slab Melting Young (< 30 Myr )& HotMORB Adakite slab (LIL-rich) Lithospheric Mantle Asthenospheric Mantle 23-26 kbar (75-85 km) 700-775 °C Amphibolite= Residual: Garnet (HREE, Al) & Hornblende (Nb) Eclogite= FluidsImage: http://www.harcourtschool.com/activity/pompeii/images/subduction.jpg 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 CROUTE CONTINENTALE PRIMITIVE La composition moyenne de la croûte continentale actuelle est granitique. Celle de la croûte archéenne est TTG: moins de fels. K, plus d ’albite 6.4.3 QUELS SONT LES MARQUEURS GEOCHIMIQUES? Lanthane et Ytterbium 57La 70Yb Le traceur recherché est la teneur en lanthane (La) et en ytterbium (Yb). Les teneurs sont normalisées aux teneurs des chondrites CI. 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 6.5 LA CROISSANCE DE LA CROUTE CONTINENTALE: LES GREENSTONE BELTS Pillow-lavas archéens - 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 • 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 Archaean dome-and-keel patterns (Barberton, South Africa) 6.6 LA VITESSE DE CROISSANCE DE LA CROUTE 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 147Sm143Nd 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-CROUTE 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. e actuel 6.6.3 Nd ET VITESSE DE CROISSANCE CONTINENTALE e des basaltes augmente constamment depuis la formation de la Terre mais pas toujours à la même vitesse. Nd Formation de la Terre 6.6.4 UN MODELE POSSIBLE DE CROISSANCE CONTINENTALE 3 « pics » de croissance: 1 - maximum à 2.5 Ga 2 – 1.7 Ga 3 – 1.0 Ga 6.6.5 LE RECYCLAGE DE LA CROUTE CONTINENTALE 87Rb87Sr 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. 6.6.6 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 C ’est un événement global qui concerne Mars , Venus, Vesta et peut-être les satellites des planètes géantes. 1000 0 Temperature (°C) 1400 1800 Barb opx All liquid erton 10 atiite kom 2 0 cpx 6 Depth (km) 200 matiite Solid peridotite gt Munro ko 8 10 ol 20 4 MORB Pressure (GPa) 100 30 300 Pillow lavas en coupe dans les ceintures de roches vertes A1 A2 A3 B1 B2 Random spinifex Contestation Rollison H., 2008, Terra Nova, 20, 364-369.: La composition isotopique de ces zircons est compatible avec celle des zircons provenant de trondhjemites. Elles se forment par fusion hydratée partielle d’ophiolites (Oman): gabbros à hornblende sommet de la chambre magmatique. 5.2.3 MINERAUX ET PRESSION DANS LE MANTEAU: LA CELLULE DIAMANT Densification avec la profondeur ZONE DE TRANSITION DISPARITION FORME TETRAEDRIQUE 5.2.2 LES DIAMANTS ET LEURS INCLUSIONS péridotite Sulfures CRATONS ET KIMBERLITES (volcanisme de point chaud sous un craton) Grenat - lithosphère épaisse - la couche diamantifère est plus profonde que 150 km - magmatisme et remontée rapide des xénolites Periclase (Fe,Mg)O 5.4.2 COMPOSITION DE LA CROUTE CONTINENTALE PRIMITIVE K lignée de différenciation calco-alkaline An CA domaine trondjhémitique Q quartz croûte continentale actuelle TTG Archéen tonalite Na Ca granodiorite trondjhémite TTG granite Ab GRANITES A feldspaths alcalins Or TTG P plagioclases La composition moyenne de la croûte continentale actuelle est granitique. Celle de la croûte archéenne est TTG: moins de fels. K, plus d ’albite a croûte de basalte et komatiite TTG grenat manteau supérieur b croûte de basalte et komatiite TTG manteau supérieur grenat c croûte de basalte et komatiite proto-continent TTG manteau supérieur grenat 6.1.4 LA CRISTALLISATION DE L ’OCEAN MAGMATIQUE -1 0 500 80 Profondeur (km) 60 1500 20 1000 40 Pression (GPa) 40 60 1500 80 2000 2000 100 100 solidus 2500 2500 0 Cpx + Gr 120 0 120 Olivine Olb + Gr + Mj 500 20 Perovskite + magnésiowüstite Magnésiowustite et pérovskite s’accumulent près du noyau, ségrégation entre les deux minéraux, une couche limite entre manteau solide et manteau liquide se développe. La convection du manteau est turbulente, de la perovskite cristallise et » coule ». 1500 40 60 80 2000 100 2500 120 Pression (GPa) 1000 Profondeur (km) Profondeur (km) 500 20 1000 0 0 Pression (GPa) 0 6.1.5 LA CRISTALLISATION DE L ’OCEAN MAGMATIQUE - 2 0 0 0 0 Cpx + Gr olivine Olivine 500 grenat - majorite Ol b + Gr + Mj 500 20 20 Perovskite + magnésiowüstite 1000 solidus 80 40 Pression (GPa) 60 1500 Profondeur (km) 40 Pression (GPa) 60 1500 80 2000 2000 100 100 2500 0 2500 0 Cpx + Gr Olivine 120 120 Olb + Gr + Mj 500 20 Perovskite + magnésiowüstite Le manteau supérieur cristallise sous forme de grenat et majorite, d’olivine près de la surface 40 Le manteau est stratifié mais la convection thermique crée des échanges entre couches. 1500 60 80 2000 100 ≈30 Ma 2500 120 Pression (GPa) 1000 Profondeur (km) Profondeur (km) 1000 Two Ways to Create an EDR – EER Pair EER: early enriched reservoir EDR: early depleted reservoir Basal Magma Ocean (Labrosse et al., Nature 2007) Olivine: SiO4Mg2 Grenat: Si3O12Mg3Al2 Pyroxène: SiO3Mg Pérovskite: Ca Ti O3