Guinguette Marais Poitevin

Comment se forme la croûte continentale de la Terre ? Une nouvelle théorie ascendante

Les flèches McMillan dans l’État de Washington possèdent des roches métamorphiques connues sous le nom de granulites qui se sont équilibrées dans des conditions de pression et de température typiques de la croûte inférieure continentale. Photo : John Scurlock/Jagged Ridge Imaging

Profondément sous les îles Aléoutiennes de l’Alaska, là où la pression et les températures sont devenues si élevées que la roche commence à couler, une nouvelle croûte continentale est en train de naître.

Les scientifiques croient depuis longtemps que la croûte continentale se forme dans les arcs volcaniques – ils savent que le magma remonté par les volcans des arcs est géochimiquement très similaire à la croûte continentale. La question qui subsiste est de savoir comment cela se produit exactement. Alors que le magma qui atteint la surface est similaire à la croûte continentale, la croûte inférieure sous les arcs volcaniques est très différente de la moitié inférieure de la croûte continentale.

Une nouvelle étude parue dans Nature Geoscience de cette semaine remet en question une théorie populaire et apporte un nouveau soutien à une autre, selon laquelle la lave d’arc provenant de la surface et les « plutons » peu profonds – le magma qui s’est solidifié sans entrer en éruption – sont entraînés dans la Terre au niveau des zones de subduction, puis remontent pour s’accumuler au bas de la croûte de l’arc, comme la vapeur sur le plafond d’une cuisine. Les scientifiques ont trouvé des preuves irréfutables pour suggérer que cela pourrait avoir produit la grande majorité de la croûte continentale inférieure au cours de l’histoire de la Terre.

Relamination des sédiments subductés.

Le processus, appelé relamination, commence au bord d’une plaque continentale, où une plaque océanique plonge sous la plaque continentale et où le magma remonte pour former un arc volcanique. En plongeant, la plaque océanique entraîne des sédiments, de la lave et des roches plutoniques depuis le bord de l’arc. Lorsque le matériau de l’arc descend, les minéraux qu’il contient deviennent instables sous l’effet de la pression et de la chaleur croissantes, et subissent des modifications chimiques. De nouveaux minéraux se forment, et des morceaux de roche et de sédiments peuvent se détacher. Lorsque ces morceaux sont plus denses que la roche du manteau qui les entoure, ils continuent de s’enfoncer. Mais lorsqu’ils sont moins denses, comme ceux qui forment les granulites riches en silice, ils deviennent flottants et remontent vers le haut jusqu’à ce qu’ils atteignent le fond de la croûte de l’arc et s’y accumulent.

« Les sédiments sont vraiment bien représentés dans la croûte inférieure continentale, mais comment sont-ils arrivés au fond du continent ? La façon la plus simple est que ces sédiments soient poussés vers le bas d’une zone de subduction et s’élèvent pour s’accumuler à la base de la croûte », a déclaré Peter Kelemen, géochimiste à l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty de l’Université Columbia et auteur de l’article avec Mark Behn de la Woods Hole Oceanographic Institution.

Échantillonner la croûte terrestre

Pour déterminer comment la croûte de l’arc pourrait se transformer en croûte continentale, Kelemen et Behn ont examiné les deux seuls sites connus où une section complète de la croûte inférieure de l’arc est visible sur terre. L’un des sites, au Pakistan, a été pris dans l’ancienne collision des plaques tectoniques entre l’Inde et l’Asie, et a été poussé vers le haut dans des montagnes escarpées. L’autre, l’arc de Talkeetna qui s’étend de la péninsule de l’Alaska à Valdez, a été repoussé à la limite de l’Amérique du Nord.

« Nous n’avons généralement pas l’occasion de voir les fonds de la croûte inférieure des arcs, mais en Alaska et au Pakistan, nous pouvons voir jusqu’au fond. Ces anciens arcs se sont formés, se sont écrasés sur l’Amérique du Nord, se sont retournés sur le côté et ont été érodés pendant des millions d’années. Comme ils sont inclinés, nous pouvons descendre directement du plancher océanique, passer la base de la croûte et pénétrer dans le manteau », a déclaré Kelemen.

Sur toute la longueur de ces zones de croûte d’arc exposées, les scientifiques ont prélevé des échantillons pour voir comment la composition géochimique de la roche changeait avec l’augmentation de la profondeur dans la croûte. Ils ont pu extraire des minéraux qui avaient enregistré la pression et la température au point où les minéraux se sont cristallisés en profondeur, marquant ainsi la profondeur de la roche à chaque point.

Les scientifiques ont constaté des changements significatifs dans la composition de la croûte à peu près à mi-chemin dans la croûte de l’arc.

Dans la moitié inférieure de la croûte de l’arc, à partir d’environ 20 kilomètres sous la surface d’origine, la concentration moyenne des éléments traces « incompatibles » – des éléments comme le tantale et le potassium qui préfèrent rester dans la fonte pendant la cristallisation – était beaucoup moins importante que dans la croûte continentale inférieure à la même profondeur. Ce n’était que les 20 kilomètres supérieurs de la croûte de l’arc qui avaient des compositions similaires à la croûte continentale inférieure.

Cela devient un problème pour l’une des principales théories de la formation de la croûte continentale, a déclaré Kelemen. Cette théorie suggère que la croûte de l’arc se délamine – des morceaux de roche denses au sein de la croûte de l’arc se déplacent lentement vers le bas et « fondent » dans le manteau jusqu’à ce que la croûte de l’arc atteigne la composition de la croûte continentale. Les nouvelles données suggèrent que pour que la délamination fonctionne, il faudrait retirer une grande partie de la roche d’une épaisseur de croûte de 20 kilomètres. Cependant, la délamination ne fonctionne qu’en dessous de 35 à 40 km de profondeur.

« Donc, même après avoir retiré un peu de matière dense du fond, vous allez toujours vous retrouver avec une croûte inférieure dans les arcs qui a l’air vraiment différente de la croûte inférieure des continents. Le processus n’est pas suffisant pour faire de la croûte inférieure continentale à partir de la croûte des arcs », a déclaré Kelemen. La délamination a bien lieu, mais pour qu’elle soit la force motrice, il faudrait un processus complexe d’épaississement crustal et d’événements métamorphiques répétés, a-t-il ajouté.

Kelemen et Behn suggèrent un processus plus simple.

Le test des îles Aléoutiennes

Les auteurs ont mis leur modèle à l’épreuve sur les îles Aléoutiennes. Dans cet arc volcanique, les laves et les plutons sont similaires à la croûte continentale, mais la croûte inférieure est fortement appauvrie en éléments qui sont abondants dans la croûte continentale inférieure. Pour déterminer le potentiel de relaminage pour produire une croûte continentale inférieure, les scientifiques ont calculé la densité de la lave et des plutons exposés aux pressions et températures de la zone de subduction.

Environ 44 % des laves aléoutiennes et 78 % des plutons seraient plus flottants que la péridotite du manteau dans les conditions de la zone de subduction, ont-ils constaté. Cela suggère que si des parties de l’arc aléoutien sont entraînées vers le bas dans la zone de subduction, à une profondeur de 90 à 120 km, où les températures dépassent 700°C, les laves et les plutons de l’arc s’élèveraient pour s’accumuler le long du fond de la croûte. La composition de ce matériau accumulé ressemblerait à la croûte continentale inférieure.

Intrigués par cette découverte, les scientifiques ont effectué les mêmes calculs pour d’autres arcs. Ils ont constaté que sur le site de Talkeetna, en Alaska, 48 % des laves et 37 % des plutons seraient flottants. Au Kohistan, le site du Pakistan, 36 pour cent des laves et 29 pour cent des plutons seraient flottants.

La décontamination peut être évidente dans le schiste de Pelona en Californie du Sud, où des sections de la croûte continentale inférieure sont visibles, a déclaré Kelemen. Des roches argileuses et des blobs de péridotite mantellique entourés de matériaux plus flottants peuvent être trouvés dans la croûte exposée, « sous-plaquée ».

« Nous pouvons voir des sédiments jeunes et volcaniques qui ont été fourrés sous une croûte continentale plus ancienne et qui font maintenant partie de l’ensemble. Comment sont-ils arrivés là ? Cela s’est produit en Californie du Sud, et je dirais que cela se produit probablement dans beaucoup d’endroits « , a déclaré Kelemen.

Découvrez les travaux en cours à l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty.

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