Une nouvelle étude remet en question la théorie de l’oxydation du manteau

Les scientifiques du Smithsonian mènent de nouvelles recherches sur d’anciennes roches « capsules temporelles », datant d’au moins 2,5 milliards d’années.

Des chercheurs du Musée national d’histoire naturelle de la Smithsonian Institution ont mené une nouvelle analyse de roches qui seraient vieilles d’au moins 2,5 milliards d’années, mettant ainsi en lumière l’histoire chimique du manteau terrestre, la couche située sous la croûte terrestre. Leurs découvertes améliorent notre compréhension des processus géologiques les plus anciens de la Terre et contribuent à un débat scientifique de longue date sur l’histoire géologique de la planète. L’étude fournit notamment la preuve que l’état d’oxydation de la majeure partie du manteau terrestre est resté stable au fil des temps géologiques, remettant en question les affirmations antérieures d’autres chercheurs concernant des transformations majeures.

« Cette étude nous en dit plus sur la façon dont cet endroit spécial dans lequel nous vivons est devenu tel qu’il est aujourd’hui, avec sa surface et son intérieur uniques qui ont permis à la vie et à l’eau liquide d’exister », a déclaré Elizabeth Cottrell, directrice de la division minéralogie du musée. conservateur de la National Rock Collection et co-auteur de l’étude. « Cela fait partie de notre histoire en tant qu’humains parce que nos origines remontent toutes à la façon dont la Terre s’est formée et comment elle a évolué. »

L’étude a été publiée dans la revue nature, se concentre sur un groupe de roches collectées dans le fond marin qui possèdent des propriétés géochimiques inhabituelles. Plus précisément, les roches montrent des signes de dissolution extrême avec de très faibles niveaux d’oxydation ; L’oxydation est quand atome Ou bien une molécule perd un ou plusieurs électrons lors d’une réaction chimique. À l’aide d’analyses et de modélisations supplémentaires, les chercheurs ont utilisé les propriétés uniques de ces roches pour montrer qu’elles remontaient probablement à au moins 2,5 milliards d’années au cours de la période archéenne. De plus, les résultats montrent que le manteau terrestre a généralement maintenu un état d’oxydation stable depuis la formation de ces roches, contrairement à ce que d’autres géologues avaient supposé auparavant.

Une roche ancienne a été extraite des fonds marins et étudiée par l’équipe de recherche. Crédit photo : Tom Kleindienst

« Les roches anciennes que nous avons étudiées sont 10 000 fois moins oxydées que les roches modernes du manteau, et nous apportons la preuve que cela est dû à la fonte profonde dans la Terre au cours de l’ère archéenne, lorsque le manteau était plus chaud qu’il ne l’est aujourd’hui », a déclaré Cottrell. D’autres expliquent les niveaux d’oxydation plus élevés observés aujourd’hui dans les roches du manteau en suggérant qu’un événement d’oxydation ou d’altération s’est produit entre l’Archéen et aujourd’hui. « Nos preuves suggèrent que la différence dans les niveaux d’oxydation peut s’expliquer simplement par le fait que le manteau terrestre s’est refroidi pendant des milliards d’années et n’est plus assez chaud pour produire des roches avec des niveaux d’oxydation aussi faibles. »

Preuves géologiques et méthodologie d’étude

L’équipe de recherche, comprenant l’auteur principal de l’étude Susan Berner, qui a complété une bourse prédoctorale au Musée national d’histoire naturelle et est maintenant professeur adjoint au Berea College du Kentucky, a commencé ses recherches pour comprendre la relation entre le manteau solide de la Terre et les volcanites modernes. rochers sur le fond marin. Les chercheurs ont commencé par étudier un groupe de roches extraites du fond marin au niveau de deux dorsales océaniques où les plaques tectoniques divergent et où le manteau se déplace vers la surface et produit une nouvelle croûte.

Les deux endroits où les roches étudiées ont été collectées, la chaîne de montagnes Jackyll près du pôle Nord et la chaîne du sud-ouest de l’Inde entre l’Afrique et l’Antarctique, comptent parmi les frontières de plaques tectoniques à propagation la plus lente au monde. Le rythme lent de propagation de ces dorsales océaniques signifie qu’elles sont relativement calmes, d’un point de vue volcanique, par rapport aux dorsales volcaniques à propagation plus rapide telles que la dorsale du Pacifique Est. Cela signifie que les roches collectées sur ces crêtes à propagation lente sont probablement des échantillons du manteau lui-même.

La poupe du navire de recherche R/V Knorr en mer en 2004. La coque en forme de A contient le seau métallique géant et la chaîne qui sont abaissés à plus de 10 000 pieds sous la surface de l’océan et traînés le long du fond marin pour collecter des échantillons géologiques. Droits d’auteur : Emily Van Ark

Lorsque l’équipe a analysé les roches du manteau collectées sur ces deux crêtes, elle a découvert qu’elles partageaient d’étranges propriétés chimiques. Premièrement, les roches avaient fondu dans une mesure beaucoup plus grande que ce qui est typique des roches du manteau aujourd’hui. Deuxièmement, les roches étaient beaucoup moins oxydées que la plupart des autres échantillons de roches du manteau.

Pour atteindre ce degré élevé de fusion, les chercheurs ont conclu que les roches devaient avoir fondu en profondeur dans le sol à des températures très élevées. La seule période de l’histoire géologique de la Terre connue pour inclure des températures aussi élevées s’est produite il y a entre 2,5 et 4 milliards d’années, au cours de l’éon archéen. Ainsi, les chercheurs ont conclu que ces roches du manteau ont probablement fondu au cours de l’Éon archéen, lorsque la température à l’intérieur de la planète était comprise entre 360 ​​et 540 degrés. F (200-300 degrés ° C) plus chaud qu’aujourd’hui.

Étant hautement solubles, ces roches seraient protégées d’une fusion supplémentaire susceptible de modifier leur signature chimique, leur permettant ainsi de circuler dans le manteau terrestre pendant des milliards d’années sans modifier de manière significative leur chimie.

« Ce fait à lui seul ne prouve rien, mais il ouvre la porte à la possibilité que ces échantillons servent de véritables capsules temporelles géologiques remontant à l’ère archéenne », a déclaré Cottrell.

Explication et connaissances scientifiques

Pour explorer des scénarios géochimiques susceptibles d’expliquer les faibles niveaux d’oxydation des roches collectées à Jackel Ridge et au sud-ouest d’Indian Ridge, l’équipe a appliqué plusieurs modèles à leurs mesures. Les modèles ont révélé que les faibles niveaux d’oxydation mesurés dans leurs échantillons étaient probablement dus à la fonte dans des conditions extrêmement chaudes au plus profond de la Terre.

Les deux éléments de preuve soutiennent l’interprétation selon laquelle les propriétés atypiques des roches représentent une signature chimique résultant de la fusion profonde de la Terre au cours de l’Archéen, lorsque le manteau était capable de produire des températures extrêmement élevées.

Auparavant, certains géologues interprétaient les roches du manteau présentant de faibles niveaux d’oxydation comme la preuve que le manteau archéen était moins oxydé et que, par un mécanisme quelconque, il s’était davantage oxydé au fil du temps. Les mécanismes d’oxydation proposés incluent une augmentation progressive des niveaux d’oxydation due à la perte de gaz dans l’espace, le recyclage de l’ancien fond marin par subduction et l’implication continue du noyau terrestre dans la chimie du manteau. Mais jusqu’à présent, les partisans de ce point de vue ne se sont pas mis d’accord sur une seule explication.

Au lieu de cela, les nouvelles découvertes soutiennent l’idée selon laquelle le niveau d’oxydation dans le manteau terrestre est resté largement constant depuis des milliards d’années et que la faible oxydation observée dans certains échantillons du manteau est apparue dans des conditions géologiques que la Terre ne peut plus produire en raison de son manteau. s’est depuis refroidi. Ainsi, au lieu d’un mécanisme qui rend le manteau terrestre plus oxydé sur des milliards d’années, et la nouvelle étude affirme que les températures élevées de l’ère archéenne ont transformé certaines parties du manteau moins L’atmosphère terrestre s’étant refroidie depuis l’ère archéenne, elle n’est plus en mesure de produire des roches présentant de très faibles niveaux d’oxydation. Cottrell dit que le processus de refroidissement de l’atmosphère terrestre fournit une explication beaucoup plus simple : la Terre ne produit tout simplement plus de roches comme elle le faisait dans le passé.

Cottrell et ses collègues cherchent maintenant à mieux comprendre les processus géochimiques qui ont formé les roches du manteau archéen de la chaîne Jackyll et du sud-ouest de la chaîne indienne en simulant en laboratoire les pressions et les températures extrêmement élevées trouvées dans les archées.

Référence : « Fusion profonde, chaude et ancienne enregistrée par une oxygénation extrêmement faible dans la péridotite » par Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell et Fred A. Davis et Jessica M. Warren, 24 juillet 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-024-07603-s

Outre Berner et Cottrell, l’étude a été co-écrite par Fred Davis de l’Université du Minnesota Duluth et Jessica Warren de l’Université du Delaware.

La recherche a été soutenue par la Smithsonian Institution et la National Science Foundation.