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Histoire de la Terre et de la vie – Actualités géologiques

Actualité

Un portrait de la Terre primitive basé sur la grande structure d’impact de Sudbury

Affleurement de mélanorite dans le bassin de Sudbury. Photo de Walter Peredery.

Les continents n’ont pas toujours existé sur la Terre car la croûte continentale résulte de processus géologiques longs. Dans sa partie supérieure tout au moins, elle est constituée de roches à faible densité, dites felsiques car comportant une part importante de feldspaths et de silice. La forme cristallisée de cette dernière est le quartz. Les plus connues des roches felsiques sont des granites, affleurant en abondance dans les vieux massifs hercyniens en Bretagne, en Auvergne ainsi que dans les Vosges méridionales. Les feldspaths y sont riches en potassium. Il existe une autre variété de roches continentales, les tonalites, les trondhjémites et les granodiorites, désignées par l’acronyme TTG, qui comportent plutôt des feldspaths riches en calcium et en sodium appelés des plagioclases. Ces roches ont été produites à une époque plus reculée de la Terre, il y a entre 4 et 2,5 milliards d’années. Cet éon est l’Archéen.

Pas de tectonique des plaques, donc pas de roches continentales ?

Quoiqu’ils soient d’origines diverses, les granites sont généralement des produits de la tectonique des plaques. Dans tous les cas, ils se sont solidifiés à quelques kilomètres de profondeur et ont été mis à jour par l’érosion. Ceux du Massif Central, par exemple, résultent de l’orogenèse hercynienne il y a plus de 300 millions d’années, due à la collision de trois plaques lithosphériques. En Guyane, on trouve des TTG âgées de 2,18 à 2,13 milliards d’années, associées à des roches volcano-sédimentaires, qui sont les fruits de la collision de deux plaques.

Si l’on admet que la tectonique des plaques n’existait pas durant les premiers âges de la Terre, pouvait-il exister des roches felsiques ? La réponse est positive, mais il faut imaginer d’autres mécanismes de production. Puisque la lithosphère de la Terre, c’est-à-dire sa partie superficielle dure, n’était pas divisée en plusieurs plaques, elle formait un « couvercle » continu, troué ici et là par des points chauds comme celui de Hawaii et de La Réunion. Ce sont des zones volcaniques qui existent aussi sur Mars, où ils ont créé les plus grandes montagnes du Système solaire. Il ne pouvait pas exister de chaîne de collision comme les Alpes, l’Himalaya et l’ancienne chaîne hercynienne, et pas non plus de cordillère comme celle des Andes. Cette dernière résulte de la subduction (l’enfoncement) de la plaque Pacifique sous celle de l’Amérique du Sud, or c’est également un lieu de production de croûte continentale.

Voir Il n’existait pas de montagnes durant les 700 premiers millions d’années de l’histoire de la Terre

On s’attend à ce que la Terre ait eu peu de reliefs au début de l’Archéen, ainsi que durant l’éon précédent, l’Hadéen, qui s’étend de la naissance de la Terre il y a 4,57 milliards d’années au début de l’Archéen. En revanche, il y avait beaucoup de chutes de météorites. Le bombardement a été particulièrement intense durant une période allant de 3,95 à 3,87 milliards d’années. La Lune a subi le même sort et l’on en voit toujours le résultat, sous forme de cratères et de bassins. On estime que la Terre avait 3 000 cratères de plus de 100 km de diamètre. Elle en était donc recouverte et aurait présenté un visage semblable à celui de la Lune s’il n’avait pas déjà existé des océans au moins dès le début de l’Archéen. Peut-être sont-ils apparus il y a 4,4 milliards d’années.

Les plus anciennes roches de la Terre sont les gneiss d’Idiwhaa dans le complexe d’Acasta au Canada, datés à 4,031 milliards d’années. Il s’agit d’une tonalite qui a été métamorphisée (transformée dans la croûte continentale par la chaleur et la pression). En 2018, Tim Johnson et son équipe ont montré qu’elle a été produite par la chute d’une grosse météorite. Elle a fait partiellement fondre un basalte hydraté à trois kilomètres de profondeur. Le magma ainsi créé s’est solidifié en tonalite. Aujourd’hui, le basalte constitue la partie supérieure de la croûte océanique, et bien évidemment, il est hydraté.

Une gigantesque structure d’impact au Canada

Des travaux de Rais Latypov et trois autres scientifiques publiés dans Nature Communications vont dans le même sens. Leur idée a été d’étudier l’une des plus grandes structures d’impact sur Terre, datée à 1,85 milliard d’années. C’est le bassin de Sudbury au Canada, dans l’Ontario, vestige d’un cratère qui a pu avoir 250 km de diamètre. Il en reste une structure de 62 km de long et 30 km de large, qui est clairement stratifiée. Dans la partie sud, à 5 km de profondeur, se trouve une sous-couche de norite. Il s’agit d’une variété de gabbro, roche présente dans la croûte océanique sous le basalte. Au-dessus, jusqu’à 3 km de profondeur, figure une norite felsique, puis du gabbro à quartz. D’un peu plus de 2 km de profondeur jusqu’à la surface, il y a du granophyre, une roche felsique à cristaux de quartz et de feldspath potassique. Toutes ces roches sont magmatiques : elles résultent du refroidissement d’un magma à très haute température. Il devait avoir entre 1 700 et 2 000 °C. La chute de la météorite a donc créé un grand lac de lave, que des brèches (des débris de roche) sont venues recouvrir. Celles-ci constituent la formation d’Onaping, en bleu clair sur la carte géologique. La composition globale est celui d’une granodiorite, mais on observe une stratification qu’il faut expliquer. L’une des hypothèses est qu’il a existé dès le début deux couches de magmas, l’une provenant du manteau et l’autre de la croûte.

Carte géologique du bassin de Sudbury.

La découverte récente de corps de mélanorite de 10 à 100 m de long a changé la donne. Ils sont enchâssés dans de la norite felsique et du gabbro à quartz. Leur présence ne saute pas au yeux, si bien qu’il faut faire une analyse chimique pour distinguer cette roche. Elle a notamment un taux d’oxyde de magnésium élevé, qui rejoint celui de la sous-couche de norite à la base de la structure. Le terme de mélanorite a été introduit par Rais Latypov pour souligner la quantité importante d’orthopyroxènes : jusqu’à 35 % (contre 6 à 9 % pour une norite felsique). Il s’agit d’une famille de minéraux sombres dont un exemple est l’hypersthène, qui caractérise les norites.

La présence de ces corps de mélanorite ne peut s’expliquer que d’une seule manière. L’impact a créé un lac de lave homogène. Il a commencé à se solidifier par le bas, où le magma était en contact avec les roches du socle rocheux fracturé, plus froides que lui, et par le haut, où une croûte solide s’est constituée, surmontée par les brèches d’Onaping. Des cristaux d’orthopyroxène se sont accumulés, baignant dans un liquide interstitiel riche en plagioclase. Les mélanorites se sont ainsi formées, mais à cause de l’activité tectonique de la région, le toit de cette chambre magmatique s’effondrait de temps en temps. Peut-être y avait-il des tremblements de terre. Ce phénomène a duré durant toute la solidification du magma. Son refroidissement complet a pu prendre jusqu’à 500 000 ans !

Scénario de la formation du bassin de Sudbury.

Le point essentiel est que ce magma homogène, de composition granodioritique, a engendré des couches de roches distinctes : de la mélanorite et de la norite felsique, du gabbro à quartz puis du granophyre. Ce ne peut être que le résultat de la cristallisation fractionnée, ce même processus qui produit des granites dans des chambres magmatiques. Des cristaux se forment en assimilant certains éléments plutôt que d’autres, tombent au fond de la chambre ou restent collés contre les parois. Le liquide résiduel n’a pas la même composition que le liquide originel. C’est ainsi qu’un magma pauvre en silice peut évoluer vers un magma felsique.

Voyage dans le premier éon de la Terre

Qu’est-ce qui se passe quand une météorite frappe une croûte hadéenne ? On ne sait pas à quoi ressemblait la croûte de la Terre durant l’Hadéen mais on en a une idée. Les planètes rocheuses ont un manteau de péridotites, roches composées d’olivines (ou péridots) et de pyroxènes, dont les orthopyroxènes et les clinopyroxènes qui se distinguent par leurs structures cristallines. Les olivines leur confèrent une couleur verte. La fusion partielle d’une telle roche donne un liquide basaltique, qui devient un basalte par solidification rapide ou un gabbro par solidification lente. Voilà pourquoi Vénus et Mars sont recouvertes d’une croûte basaltique. En plus des olivines et des pyroxènes, les basaltes et les gabbros contiennent des feldspaths plagioclases. Comme on l’a vu, les océans terrestres ont également une surface basaltique. Peut-être y avait-il durant l’Hadéen des komatiites, roches à la composition proche de celles du manteau, produite par une fusion à haute température de celui-ci, ne comportant pas ou peu de feldspaths.

Rais Latypov et ses collègues sont partis d’une croûte comportant 60 % en poids d’enstatite (orthopyroxène), 20 % de forstérite (olivine magnésienne) et 20 % d’anorthite (feldspath calcique). Ils ont imaginé qu’une météorite frappait une cette croûte et créait un lac de lave comme celui de Sudbury. La cristallisation fractionnée produit alors de la dunite, roche essentiellement composée d’olivine, une orthopyroxénite surtout composée d’orthopyroxènes, une norite et, par-dessus tout cela, du gabbro à quartz, de la diorite (ressemblant au gabbro mais avec moins de 50 % d’anorthite) et du granite. Eh oui, une chute de météorite produit du granite ! Ces roches sont énumérées de bas en haut, la dunite étant la plus dense avec 3,25 g/cm³ et le granite la moins dense. L’orthopyroxénite devrait avoir une masse volumique de 3,20 g/cm³. C’est plus que cette supposée croûte hadéeenne, qui a 3,12 g/cm³. Par conséquent, la couche inférieure de dunite et d’orthopyroxénite devrait « couler » vers le manteau, processus très lent puisqu’on parle ici de roches solides. Des impacts répétés devraient donner une structure complexe à cette croûte.

Si la démonstration d’une cristallisation fractionnée dans le lac de lave de Sudbury paraît robuste, cette hypothèse sur la croûte hadéenne reste spéculative et ne peut de toute façon qu’en donner une vision très simplifiée. Il existe un indice en sa faveur : quand un magma suffisamment riche en silice se solidifie, de minuscules cristaux de zircon apparaissent avec les autres minéraux. Ils subsistent si la roche est détruite car ils sont quasiment inaltérables. Certains remontent jusqu’à l’Hadéen, il y a 4,4 milliards d’années. Ils prouvent qu’il y avait de l’eau dès cette époque et des roches felsiques dont la nature exacte reste à déterminer. Une démarche prometteuse consiste à extraire des zircons du bassin de Sudbury et à les comparer avec les zircons hadéens. Ils contiennent une petite quantité de titane qui fournit une indication sur leur température de cristallisation. Les chercheurs ont trouvé que les zircons de Sudbury ont cristallisé entre 580 et 815 °C, environ. Ce sont des températures faibles qui correspondent à celles des zircons hadéens, lesquelles tournent autour de 700 °C.

Une planète océan

Tout cela conforte le portrait de la Terre de la fin de l’Hadéen et du début de l’Archéen brossé au début de ce texte : une planète où les seules montagnes étaient des volcans de point chaud. La présence d’un grand océan en faisait des îles. Des météorites tombaient dans cet océan et laissaient des cratères immergés, comportant des roches felsiques. C’est peut-être dans ces cratères que sont nés les zircons hadéens, seuls témoins de cette éon. Actuellement, les roches felsiques sont des constituants importants de la croûte continentale. Comme celle-ci est épaisse et a une densité faible (2,6 g/cm³ pour sa partie supérieure), elle « flotte » aisément sur le manteau, si bien que son altitude est supérieure à celle de la croûte océanique. C’est ce qui nous permet de vivre à l’air libre. L’existence de roches felsiques, et même de granites durant l’Hadéen, n’implique absolument pas l’existence de continents. Ces granites ne faisaient peut-être que reposer dans les profondeurs de cratères eux-mêmes noyés sous des milliers de mètres d’eau.

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Rais Latypov, Sofya Chistyakova, Richard Grieve & Hannu Huhm, Evidence for igneous differentiation in Sudbury Igneous Complex and impact-driven evolution of terrestrial planet proto-crusts, Nature Communications, 31 January 2019.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08467-9

Toutes les figurent sont extraites de cet article, où elles ont été éditées sous licence CC BY 4.0.

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