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La base du manteau supérieur riche en eau, il y a 2,7 milliards d’années

par Natacha Cauchies - 31 mars 2016 ( maj : 14 septembre 2017 )

Les chercheurs de l’Institut des Sciences de la Terre (ISTerre : UGA/CNRS/USMB/IRD/IFSTTAR, OSUG) et du Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques de Nancy (CNRS, Université de Lorraine) ont étudié, en collaboration avec des chercheurs allemands et russes, des komatiites (roches volcaniques particulières) de la ceinture d’Abitibi au Canada, datant de 2,7 milliards d’années. Ils ont obtenu les premières mesures de contenu en eau et en éléments mobiles (Rb, Ba, Cl, Pb, Sr ...) présents dans de petites (quelques microns) inclusions vitreuses de magmas, piégées dans des olivines exceptionnellement riches en magnésium. Ces données permettent de montrer la présence d’eau dans le manteau de l’archéen. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature du 31 mars 2016.

Photos des komatiites dans des lames minces : à gauche en lumière normale ; à droite en lumière polarisée.
Les cristaux incomplets (squelettiques) sont de l’olivine. Ils se situent dans une matrice de verre dévitrifié et de pyroxène.
© SOBOLEV et al. 2016

Depuis des décennies, les géologues s’interrogent sur le fonctionnement géodynamique de la jeune Terre. Entre 4 et 2,5 milliards d’années, à l’archéen, la tectonique des plaques était-elle déjà active ? L’intérieur de notre planète était beaucoup plus chaud et donc beaucoup plus convectif, ce qui selon certains auteurs devait empêcher le développement d’une tectonique des plaques. 

Les komatiites, roches volcaniques de composition anormale, très riches en olivine (minéral magnésien du manteau), résultent de la fusion du manteau terrestre aux températures extrêmes (1600°C), ce qui signifie que celui-ci était encore plus chaud. Ce message est cependant brouillé car il existe une incertitude quant à la teneur en eau des magmas komatiitiques, or la teneur en eau modifie la température de fusion.

Deux écoles de pensée s’affrontent sur cette question. La première propose que les magmas étaient secs (<0,1% d’eau), très chauds (> 1600°C) et produits par des panaches mantelliques venant de la base du manteau. La seconde suggère que les magmas étaient moins chauds et hydratés (jusqu’à 6% d’eau) et produits en contexte de subduction. 

Les komatiites analysées, contiennent 30% d’oxyde de magnésium et 0,6% d’eau. Le magma a commencé à cristalliser à une température relativement basse de 1510°C. La composition chimique du magma et la faible fugacité en oxygène sont incompatibles avec leur formation en contexte de subduction.

Les auteurs proposent que ces magmas aient été générés par fusion partielle à grande profondeur dans un panache mantellique et que l’eau et autres éléments volatiles, en particulier les halogènes (F, Cl), ont été entrainés dans le magma komatiitique lors de son passage à travers la zone de transition entre le manteau supérieur et inférieur, vers 410 km de profondeur. 

Ceci implique l’existence à l’archéen d’un réservoir d’eau à la base du manteau supérieur [1]. Cette eau pourrait s’être accumulée au cours de l’accrétion primordiale de la Terre, ou bien par recyclage de plaques océaniques hydratées entrainées par subduction et piégées dans la zone de transition. Enfin, les auteurs proposent que les panaches mantelliques modernes n’extraient pas d’eau de la zone de transition car ils sont plus froids et ils sont solides par conséquent lorsque ils traversent la zone de transition.

Source :
Komatiites reveal an Archean hydrous deep-mantle reservoir. Sobolev, A.V., Asafov, E.V., Gurenko, A.E., Arndt, N.T., Batanova, V.G., Portnyagin, M.V., Garbe-Schönberg, D., and Krasheninnikov, S.P. - (2016) Nature (in press).

Contacts scientifiques locaux :
- Alexander SOBOLEV, ISTerre-OSUG : alexander.sobolev@ujf-grenoble.fr | 04 76 51 41 08
- Nick ARNDT, ISTerre-OSUG : Nicholas.Arndt@ujf-grenoble.fr | 04 76 63 59 31


[1"Réservoir d’eau", s’entend au sens des géochimistes étudiant la Terre solide ; c’est-à-dire, une zone dans le manteau où il y a quelques centaines de parties par millions d’eau dans des "minéraux nominalement anhydres”. Ces minéraux (wadsleyite, ringwoodite) peuvent incorporer une petite quantité d’eau dans leurs réseaux cristallins.

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