Des rochers de l’Arctique offrent de nouveaux indices sur la composition initiale de la Terre
Des chercheurs viennent de découvrir de nouveaux indices sur le passé tourmenté de la Terre. Des preuves géochimiques provenant de roches volcaniques recueillies sur l’île de Baffin, dans l’Arctique canadien, laissent en effet penser que le sous-sol de cette île abrite une zone du manteau terrestre ayant largement échappé aux milliards d’années de fusion et de transformation géologique auxquels le reste de la planète a été soumis. Les chercheurs pensent que cette découverte apporte des indices sur l’évolution chimique précoce de la Terre.
Ce nouveau « réservoir » du manteau, comme il a été baptisé, date d’à peine quelques dizaines de millions d’années après la naissance de la Terre, elle-même fruit de l’agglomération, de la collision et de l’accrétion d’éléments de plus petite taille. Ce réservoir est vraisemblablement représentatif de la composition du manteau peu de temps après la formation du noyau, mais avant les 4,5 milliards d’années de formation et de recyclage de la croûte terrestre qui ont modifié la composition de la quasi-totalité des entrailles de la Terre.
« Il s’agit d’une étape majeure de l’évolution de la Terre, souligne le coauteur de cette recherche, le professeur Richard Carlson, du Département du magnétisme terrestre de l’Institut de recherche scientifique Carnegie. Elle est le point de départ de tous les phénomènes qui ont succédé. Le manteau primitif que nous avons identifié a probablement été la source originelle de tous les magmas et de tous les différents types de roches que nous voyons aujourd’hui sur Terre. »
Richard Carlson, Matthew Jackson (auteur principal de cette étude, ancien chercheur postdoctoral à l’Institut Carnegie, aujourd’hui rattaché à l’Université de Boston) et leurs collègues ont utilisé des échantillons prélevés par Don Francis du Département des sciences de la Terre et des planètes de l’Université McGill, et plus particulièrement des échantillons de roches de l’île de Baffin, qui sont l’expression la plus primitive du point chaud du manteau terrestre - à l’origine des éruptions volcaniques observées en Islande - des études antérieures des isotopes d’hélium présents dans ces roches ayant montré que la proportion d’hélium‑3 rapportée à celle d’hélium‑4 était anormalement élevée. L’hélium‑3 est habituellement très rare sur Terre; la plupart des réserves du manteau terrestre ont été dissipées par les éruptions volcaniques et se sont volatilisées dans l’espace au cours de la longue histoire géologique de la planète. Par contre, les réserves terrestres d’hélium‑4 ont été constamment renouvelées sous l’effet de la désintégration radioactive de l’uranium et du thorium. L’importante densité d’hélium‑3 dans ces échantillons permet de croire que les laves de l’île de Baffin proviennent d’un réservoir logé dans le manteau qui n’a jamais perdu son hélium‑3 d’origine et qui, par conséquent, n’aurait pas été soumis à la différenciation chimique très poussée caractéristique de la majeure partie du manteau terrestre.
Les chercheurs ont validé cette conclusion en analysant les principaux isotopes présents dans les échantillons de lave. Ceux-ci permettent de dater le réservoir entre 4,55 et 4,45 milliards d’années, soit un âge légèrement antérieur à celui de la Terre elle-même. L’âge précoce du réservoir du manteau laisse penser que celui-ci existait avant que la fusion du manteau n’aboutisse à la formation de la mer de magma à l’origine de la croûte terrestre, de même qu’avant que la croûte ne se mélange à nouveau au manteau, sous l’effet de la tectonique des plaques.
De nombreux chercheurs pensaient qu’avant la formation de la croûte continentale, la chimie du manteau était comparable à celle de météorites du nom de chondrites. Ils croient que la formation des continents a altéré cette chimie, la privant de certains éléments (ou éléments incompatibles) extraits avec le magma lors de la fusion dans le manteau. « Nos résultats remettent cette hypothèse en question, indique Richard Carlson. Ils laissent en effet penser qu’avant la naissance des continents et contrairement aux chondrites, le manteau avait déjà perdu ces éléments incompatibles, peut-être en raison d’une différenciation encore plus précoce de la Terre, ou peut-être parce que la Terre était à l’origine formée de blocs privés de ces éléments. »
De ces deux possibilités, Richard Carlson privilégie celle associée au modèle de différenciation précoce, lequel suppose l’existence d’une mer de magma géante sur la Terre primitive. Cette mer de magma a formé une croûte antérieure à la croûte actuelle. « Selon notre modèle, la croûte originelle formée par la solidification de cette mer de magma était extrêmement instable à la surface de la Terre, en raison de sa très haute teneur en fer, explique-t-il. Du fait de cette instabilité, elle a littéralement coulé à la base du manteau, emportant avec elle les éléments incompatibles où ils persistent aujourd’hui. »
Malgré les fortes pressions, certains de ces matériaux situés en profondeur sont restés à l’état liquide. Richard Carlson précise que les études sismologiques du manteau profond ont révélé certaines zones, dont l’une sous le Pacifique Sud et l’autre sous le continent africain, qui semblent en fusion et susceptibles de présenter une composition chimique différente du reste du manteau. « J’espère vraiment que ces zones sismiques seront les compléments compositionnels du manteau primitif "appauvri" que nous avons caractérisé dans les échantillons de lave de l’île de Baffin », indique-t-il.
