Roches les plus anciennes de la Terre
Quand la Terre est-elle vraiment devenue la Terre? Nous avons appris comment le système solaire s’est formé et les premières étapes de la formation de la Terre dans l’étude de cas explorant la théorie nébulaire et la formation du système solaire. La Terre primitive s’est développée à travers le processus de collision et d’accrétion de matériel nébulaire dont la taille variait de la poussière de l’espace aux planétésimaux, peut-être aussi grands que de petites planètes. Nous avons daté la Terre à 4,567 milliards d’années (Ga) sur la base des données isotopiques du plomb provenant de météorites. Les météorites sont les « ingrédients » qui ont formé la Terre et les autres planètes terrestres. Cette date de « naissance de la Terre » est attribuée au début de l’accrétion, et non à un point où la Terre avait largement atteint sa masse totale et accrétée.
Le premier éon du temps géologique de la Terre est nommé à juste titre « Hadéen” en référence à Hadès, le Dieu des Enfers dans la mythologie grecque. L’Hadéen est souvent décrit comme « l’enfer sur Terre », l’époque où un environnement extrêmement hostile existait avec des océans de magma bouillant à la surface et des gaz et de la vapeur nocifs enveloppant la jeune planète. Peut-être que l’image qui l’accompagne est une analogie. Dans cet environnement extrême, aucune vie, telle que nous la connaissons, ne pourrait survivre.
Alors quand pouvons-nous dire: « voilà, la Terre est maintenant la Terre!”? Peut-être que si nous pouvions trouver la première roche formée sur Terre, nous pourrions attribuer l’âge réel de la Terre comme la création d’une surface solide.
La période géologique de Hadean ne contient aucune époque ou Période car nous savons si peu de choses sur ce qui s’est passé car il ne reste que des bagatelles de matériau terrestre. L’Hadéen tel qu’il apparaît sur l’échelle des temps géologiques ci-dessous indique que son début est approximatif. La petite horloge située aux divisions du temps sur le côté droit de l’échelle au-dessus de l’Hadéen indique que les dates choisies sont quelque peu arbitraires alors que les géologues continuent d’examiner les vestiges de minéraux et de roches.
Différenciation de l’intérieur de la Terre
Quelles preuves avons-nous des événements de formation de la Terre qui se produisent dans l’Hadéen? Les géologues planétaires théorisent que vers la fin du stade d’accrétion de la formation de la Terre, 4,5–4,6 Ga, la Terre a été écrasée par des débris spatiaux plus gros et de taille planétésimale. Les planétésimaux étaient d’autres planètes ”désirables » voyageant sur la même orbite que la Terre en développement. Ils étaient massifs en eux-mêmes, mais la Terre en développement était plus grande et capable de résister à leurs impacts et de rester intacte. L’énergie de ces collisions massives a fait fondre la surface de la jeune planète, entraînant la formation de vastes « océans de magma ». »La désintégration radioactive énergétique d’éléments instables a ajouté à la production de chaleur de l’intérieur de la Terre primitive. Ce double phénomène de génération de chaleur intérieure et extérieure a peut-être fait fondre la planète entière ou l’a transformée en une masse épaisse et fondante de roche en fusion hautement convective. , .
Cela a permis à la Terre et aux autres planètes en développement de notre système solaire de passer par un processus de différenciation où les éléments sidérophiles les plus lourds (associés au fer) ont migré vers le noyau central tandis que les éléments lithophiles les plus légers (concentrés dans la lithosphère) se sont dirigés vers la surface. La différenciation s’est produite très rapidement par rapport à l’immensité du temps géologique – sur une période de plusieurs dizaines de millions d’années. La différenciation n’était pas un renouvellement en gros de tout l’intérieur de la planète, mais plutôt une percolation d’éléments sidérophiles à travers l’océan magmatique slushy (voir image ci-dessous).
L’analyse des ondes sismiques produites par les tremblements de terre nous a aidés à comprendre les différences de densité et la composition relative des matériaux qui existent dans la Terre moderne à différentes profondeurs. Ces analyses de la vitesse des ondes sismiques sur presque les 100 dernières années nous ont permis de voir une image très claire de l’intérieur des couches de la Terre.
La première croûte terrestre
Au fur et à mesure de la différenciation, l’océan de magma enrichi en éléments lumineux à la surface a été exposé au froid de l’espace et une croûte mince et précoce a commencé à se former. Les météores, les astéroïdes et les comètes ont continué leur impact sans relâche, perforant la croûte la plus ancienne et permettant au magma, caché juste en dessous, de s’écouler à nouveau. La composition de cette croûte la plus ancienne était similaire à la très rare komatiite de roche ultramafique, une roche volcanique composée en grande partie du minéral olivine. Les komatiites sont très rares dans les archives rupestres de la Terre, presque entièrement limitées aux roches d’âge archéen. Les komatiites provenaient en grande partie du manteau très chaud de la jeune Terre et se regroupaient à la surface sous forme de lave. Alors que la Terre continuait à se refroidir et que le manteau se solidifiait, la génération de magma hautement ultramafique qui a atteint la surface a été rare.
Un examen rapide de la composition du magma
La différenciation a produit notre noyau interne et externe dominé par le fer et notre matériau rocheux dominé par les silicates du manteau et, finalement, de la croûte. Les silicates sont des minéraux qui sont en grande partie composés d’éléments de silicium et d’oxygène liés avec d’autres éléments lithophiles, notamment l’aluminium, le calcium, le potassium, le sodium et le magnésium. Tout le fer n’a pas migré vers le noyau. Au début de l’Hadéen, la Terre était continuellement bombardée par des débris spatiaux qui contenaient tous les éléments naturels de la Terre en pourcentage variable. On peut penser que la composition de l’océan magmatique est dominée par la silice (silicium et oxygène) et relativement homogène. La première croûte, composée de komatiite, représentait cette composition. Cet océan de bouillie de silicate en convection a amené des diapirs (gouttes en forme de larme montante) de matière océanique magmatique profonde vers la surface où elle s’est regroupée et refroidie en masses épaisses de komatiite. Ces masses de komatiite lourdes et denses s’écoulaient dans l’océan de magma pour être recyclées. Ce processus de refusion a encore différencié la croûte précoce. Les Eddys de magma convecteur près de la surface ont partiellement fondu la komatiite. Cette « fusion partielle » était plus enrichie en silice car les minéraux de la komatiite contenant le plus de silice seraient les premiers à fondre (voir la discussion sur la série de réactions de Bowen pour comprendre ce processus). C’est ce qu’on appelle un « magma évolué”, non primaire, mais refondu et plus enrichi en silice. Les magmas enrichis en silice sont de plus faible densité et plus flottants et peuvent être envisagés comme remontant à la surface comme de la crème glacée dans un flotteur de racine. Cette évolution du magma conduit aux compositions variables que nous reconnaissons aujourd’hui dans la classification des roches ignées. Remarquez où la komatiite apparaît sur le diagramme ci-dessous. Au fur et à mesure de l’évolution du magma, la composition s’enrichit en silice, créant un magma qui devient de plus en plus « felsique” dans la composition.
L’ai-je compris?
The Hadean
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Les roches les plus anciennes de la Terre
Ce qui a suivi la formation d’une croûte mince et perturbée de komatiite est très débattu et un domaine de recherche géologique fervente. L’évolution de la croûte la plus ancienne était inconnue jusqu’à la découverte de zircons d’âge hadéen dans la région de Jack Hills au sud-ouest de l’Australie (voir carte). Le zircon est un petit minéral durable de formule chimique ZrSiO4. C’est un minéral commun dans la roche felsique avec une composition similaire à celle de la croûte continentale, comme le granit. Ce n’est pas un minéral commun de la roche de la croûte océanique, comme le basalte et ne se trouve pas dans la roche la plus ancienne de la croûte, la komatiite.
Au milieu des années 1980, des géologues de terrain ont échantillonné une roche sédimentaire métamorphisée (métaconglomérat) des Jack Hills. Le métaconglomérat est daté comme archéen, environ 3,6 Ga. Les particules sédimentaires détritiques trouvées dans le métaconglomérat sont, bien sûr, plus anciennes que leur dépôt sous forme de gravier. On pense que l’environnement de dépôt du conglomérat d’origine est un éventail alluvial, où les sédiments issus de l’altération et de l’érosion des montagnes ont été déplacés par l’eau et déposés dans une vallée adjacente. De petits cristaux de zircon ont été extraits du métaconglomérat pour analyse. Les zircons faisaient à l’origine partie de la roche qui composait ces montagnes antérieures. Les restes de ces montagnes n’ont pas été découverts et ont probablement été effacés de la surface de la Terre par l’érosion.
Le zircon est un minéral petit mais puissant. C’est l’un des petits chronométreurs de la Terre. Le zircon se forme généralement lors de la cristallisation du magma où l’uranium radioactif peut se substituer au zirconium dans le réseau minéral. Après la cristallisation, l’horloge radiométrique commence à tourner. Les atomes d’uranium radioactifs instables se décomposent par un processus connu sous le nom de « désintégration. »Les atomes perdent des particules subatomiques et émettent de l’énergie. La perte de particules comprend une diminution du nombre de protons qui change finalement l’uranium en plomb. Le taux de cette désintégration est bien connu et permet aux scientifiques de dater très précisément le zircon. L’analyse de datation radiométrique des grains de zircon détritiques de Jack Hills donne des dates aussi vieilles que 4.404 Ga! C’est le matériau terrestre le plus ancien découvert à ce jour, formé seulement ~ 150 Ma après la création de la Terre. C’est incroyable!!! Cela nous dit qu’au cours de ces 150 millions d’années, la Terre entière s’est largement formée, son intérieur s’est différencié, elle s’est suffisamment refroidie pour avoir une croûte solide de komatiite, et, la refusion a produit un magma évolué où le zircon a cristallisé dans de la roche solide similaire à la composition de notre croûte continentale aujourd’hui. Ça alors!!! (La méthode de datation du zircon est discutée plus en détail dans le chapitre sur le temps géologique).
Cette découverte a considérablement avancé notre compréhension de l’environnement hadéen et de l’évolution de la croûte au cours de l’Hadéen. La découverte du zircon signifie qu’au cours des premières centaines de millions d’années d’existence de la Terre, il existait une croûte de composition variable, dont une partie était de composition plus felsique, tout comme la croûte continentale qui existe aujourd’hui. Cela fournit un aperçu significatif des processus à l’œuvre dans l’Hadéen, car ce type de roche est continuellement formé et réformé par les processus tectoniques des plaques aujourd’hui.
L’analyse des données des isotopes de l’oxygène du zircon a révélé des preuves encore plus incroyables sur l’environnement qui existait au tout début de l’Hadéen. L’oxygène a plusieurs isotopes, le 16O est le plus abondant avec 8 protons et 8 neutrons existant dans le noyau. 17O et 18O existent également en beaucoup moins d’abondance. Le 18O est concentré dans un environnement aqueux, tel que les océans, car les 17O et 16O plus légers s’évaporeront préférentiellement. L’analyse des quantités relatives de différents isotopes de l’oxygène 16O et 18O (rapport noté avec le delta grec minuscule δ18O) dans le zircon de Jack Hills est biaisée vers le 18O « lourd », par opposition au 16O ”léger » plus courant.Cette signature d’oxygène lourd dans la roche indique qu’elle s’est formée par des processus sédimentaires frais et humides à la surface de la Terre. Ainsi, le magma qui a finalement donné naissance aux zircons est supposé avoir été formé à partir de ce qui était autrefois des sédiments déposés sur le sol d’un ancien océan. Ainsi, non seulement la très jeune Terre était capable de faire une croûte de composition felsique, mais elle était également suffisamment fraîche pour avoir de l’eau liquide dans les océans. Ce sont des conclusions étonnamment familières sur une jeune planète ”infernale ».
Depuis la découverte du zircon d’âge hadéen dans la région de Jack Hills en Australie, d’autres zircons détritiques ont également été découverts dans des roches d’âge archéen dans d’autres parties du monde. Voir la carte à droite.
L’ai-je compris ?
Jack Hills Zircon
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Le complexe de Gneiss d’Acasta
Alors que les zircons détritiques de Jack Hills nous indiquent que les roches étaient certainement autour de 4,404 Ga, des roches réelles qui vieux n’ont pas encore été trouvés. En fait, une certaine controverse existe dans la communauté scientifique quant aux roches les plus anciennes découvertes à ce jour. Le complexe de Gneiss d’Acasta situé dans le Craton des Esclaves du nord-ouest du Canada (voir la carte des Cratons archéens ci-dessus) conserve la roche la plus ancienne et incontestée datée isotopiquement que l’on puisse trouver sur Terre. Ce complexe comprend une variété de roches tonalite-trondhjémite-granodiorite (TTG) fortement déformées et métamorphisées. Ce type de roche est discuté plus en détail dans l’Étude de cas sur les ceintures de roches vertes, la Tectonique Primordiale. Les TTG sont similaires au granit avec quelques différences chimiques et minéralogiques. Ce sont des roches ignées typiques produites sous forme de corps intrusifs le long des marges continentales actives tectoniquement aujourd’hui.
Le Gneiss d’Acasta a été daté en utilisant des techniques de datation isotopique U/Pb sur du zircon formé lors de la cristallisation de ces roches dans leur environnement igné d’origine. La présence de zircon dans une roche ignée indique que le magma a « évolué” – il s’est formé par la refusion d’une roche préexistante. Les dates isotopiques donnent un enregistrement de plusieurs événements magmatiques intrusifs différents dont l’âge varie entre 2,94 Ga et 4,02 Ga. Le plus ancien épisode d’activité ignée enregistré dans le complexe de gneiss s’est produit entre 3,92 et 4,02 Ga, à cheval sur la division arbitraire Hadéenne/Éoarchéenne sur l’échelle de temps géologique (ci-dessus).
L’interprétation des âges de zircon du Gneiss d’Acasta permet de vérifier l’existence d’une croûte continentale dans l’Hadéen. Une analyse géochimique approfondie de nombreuses paires isotopiques différentes et des comparaisons de concentrations d’éléments / isotopes ont conduit à l’interprétation selon laquelle la roche la plus ancienne du Complexe de Gneiss d’Acasta était dérivée de la fusion partielle de la croûte mafique de l’Hadéen vieille de 4,3 milliards d’années.
La ceinture de pierres vertes de Nuvvuagittuq
La datation de la roche de la Ceinture de roches vertes de Nuvvuagittuq (NGB) a été controversée mais, si elle est acceptée, elle pourrait en fait donner un aperçu de la croûte terrestre la plus ancienne. (En savoir plus sur les ceintures de pierres vertes ici). Le NGB est situé dans le nord du Québec, sur la rive est de la baie d’Hudson (Voir la carte du Craton archéen ci-dessus). Les roches volcaniques mafiques et ultramafiques métamorphisées dominent le NGB. Le fait qu’il s’agisse de roches volcaniques ayant éclaté dans un ancien océan est documenté par la présence d’oreillers de lave. La lave qui entre en éruption sous l’eau forme des formes d’oreillers remarquables alors qu’une croûte se solidifie instantanément autour de la lave suintante lorsqu’elle se déverse sous l’eau.
Un autre type de roche inclus dans le NGB est la formation de fer en bandes. Les BIF (comme on les appelle affectueusement) sont des roches sédimentaires qui indiquent également un environnement océanique lorsque ces minéraux de fer sédimentaires se forment et se déposent hors de la colonne d’eau. (En savoir plus sur la formation des BIFS ici). Des digues mafiques et ultramafiques intrusives se trouvent également dans le NGB.
Le NGB est délimité par une roche intrusive felsique appelée tonalite (voir carte ci-dessous). Le NGB et la tonalite sont tous deux traversés par un type similaire de roche felsique appelée pegmatite. Les corps intrusifs de tonalite et de pegmatite contiennent du zircon nécessaire à la datation radiométrique U / Pb, ce qui a fourni une date précise de 3,77 Ga. En raison de la relation transversale entre la roche intrusive et le NGB, cela ne donne qu’un âge minimum de 3,77 Ga pour le NGB. Une enquête plus approfondie est nécessaire pour comprendre l’âge maximum.
Les roches de roches vertes du NGB sont des restes d’une croûte océanique ancienne avec une composition mafique à ultramafique (voir tableau de composition ci-dessus). Les roches de composition ultramafique ne contiennent pas de zircon et les roches mafiques le font rarement. Le zircon est un minéral que l’on trouve généralement dans la roche ignée de composition plus felsique, comme le granit. La datation isotopique uranium-plomb (U / Pb) est l' »étalon-or” pour la précision, en particulier dans les roches très anciennes. Un manque de zircon dans le NGB remettra en question toute autre méthode utilisée pour fournir des dates.
En 2008, Jonathan O’Neil, un jeune étudiant au doctorat de l’Université McGill au Québec, au Canada, a contesté la date présumée du NGB en enquêtant sur une tache d’amphibolite d’apparence étrange dans le NGB (photo). Une amphibolite est une roche mafique métamorphisée par conséquent, le zircon n’est pas présent. O’Neil a utilisé une technique de datation et des comparaisons de rapports isotopiques des éléments rares mais omniprésents du samarium (Sm) et du néodyme (Nd). En utilisant cette technique, O’Neil a déterminé que l’âge réel du NGB était de 4,28 Ga. Une analyse plus poussée d’échantillons supplémentaires depuis lors a repoussé la date à 4,31 Ga. Si c’est vrai, la roche NGB représenterait la plus ancienne roche d’âge Hadéen conservée trouvée sur la planète.
Tous les géologues qui étudient ces roches ne sont pas d’accord avec les découvertes de O’Neil. Leur interprétation des données isotopiques et leurs comparaisons suggèrent que les signatures isotopiques représentent seulement que le NGB provient de roches préexistantes d’âge hadéen et que l’âge de formation du NGB est Éoarchéen (3,7 Ga). Cette controverse ne manquera pas de se poursuivre jusqu’à ce que le zircon soit trouvé dans le NGB. Êtes-vous intrigué par la recherche des roches les plus anciennes de la Terre? Envisagez de poursuivre des études supérieures en géologie. Une grande partie de l’étendue du NGB n’a pas encore été échantillonnée.
Les plus anciens fossiles de la Terre?
La ceinture de pierres vertes de Nuvvuagittuq continue de donner. En 2017, une équipe de chercheurs a présenté ses résultats sur ce qu’ils croient être des traces de vie trouvées dans la formation de fer rubané du NGB. Leur étude microscopique du BIF a révélé de petits tubes en hématite minérale de fer. Ces tubes correspondent à la forme et à la taille de ceux fabriqués par des bactéries dans les environnements de ventilation hydrothermale modernes. Les bactéries utilisent le fer pour leur métabolisme. Les chercheurs ont également découvert le graphite minéral dans le BIF qui est entièrement composé de carbone. Le graphite probablement formé par le métamorphisme de la matière organique car il contient des niveaux réduits de l’isotope lourd du carbone, le carbone-13 (13C). Les formes de vie sont préférentielles dans la sélection de l’isotope plus léger du carbone, le carbone-12 (12C).
Si cette découverte se confirme, ce sera la plus ancienne preuve de vie fossile encore découverte. La formation de fer rubané de NGB existe au sein du NGB et peut être interprétée comme ayant été déposée sur l’ancien fond marin représenté par la pierre verte. Ce NGB a été incontestablement daté par des intrusions ignées transversales à 3,77 Ga. Cela daterait de plusieurs centaines de millions d’années toute preuve fossile précédemment découverte (voir au début). Si l’âge d’O’Neil pour le NGB se maintient, les fossiles pourraient peut-être être aussi vieux que 4,31 Ga.
Je l’ai eu ?
Acasta Gneiss and Nuvvuagittuq Greenstone Belt
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Résumé
Les minéraux les plus anciens de la croûte terrestre encore découverts sont les zircons trouvés dans la roche sédimentaire métamorphosée archéenne des Jack Hills du sud-ouest de l’Australie. L’analyse du zircon fournit systématiquement des dates supérieures à 4,0 Ga, la plus ancienne étant 4,4 Ga. La roche dans laquelle le zircon s’est formé à l’origine aurait été l’une des plus anciennes croûtes continentales à exister; malheureusement, les roches originales qui ont fourni ces zircons ont probablement disparu depuis longtemps. La plus ancienne roche intacte trouvée sur Terre à ce jour provient du complexe de Gneiss d’Acasta, dans le nord-ouest du Canada. Les dates U/Pb du zircon du gneiss atteignent l’Éon Hadéen à 4,02 Ga. La roche de la ceinture de roches vertes de Nuvvuagittuq, dans le nord du Québec, au Canada, ne contient pas de zircon car elle est de composition mafique à ultramafique et représente une croûte océanique ancienne. Les techniques de datation isotopique alternatives donnent une portée beaucoup plus ancienne au début de l’Hadéen de 4,31 Ga. Une controverse existe au sein de la communauté scientifique concernant cette date et les recherches se poursuivent.
Les géologues continuent de rechercher des fragments de croûte hadéenne dans les cratons archéens. D’autres découvertes sont assurées qui continueront à faire progresser notre compréhension et notre connaissance de l’environnement des premiers temps de la Terre.
Références et lectures complémentaires
Dziewonski, A. M.&Anderson, D. L. Preliminary reference Earth model. Phys. Planète Terre. Inter. 25, 297–356 (1981).
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