La tectonique des plaques précoce était étonnamment rapide – Ars Technica

Les plaques tectoniques ont-elles changé de vitesse au cours des trois derniers milliards d’années ? La réponse a des implications de grande portée, car la tectonique des plaques a tout affecté, de l’approvisionnement en nutriments vitaux pour le début de la vie à l’augmentation de l’oxygène. Nous savons que l’intérieur de la Terre était plus chaud au début de son histoire, mais les plaques aller plus vite parce que le manteau le plus chaud était plus spongieux, ou est-ce que le manteau le plus chaud contenir moins d’eauqui aide les minéraux du manteau à s’écouler, ralentissant les plaques ?

UN nouvelle étude, dirigée par le Dr Jennifer Kasbohm de Yale, a mesuré d’anciens champs magnétiques et daté des roches d’Australie occidentale pour montrer que le “Pilbara Craton” – un des premiers continents – s’est déplacé à une vitesse assez élevée il y a environ 2,7 milliards d’années. Alors que le mouvement de plaque le plus rapide d’aujourd’hui est environ 12cm (4,7 pouces) par an, le craton de Pilbara a déplacé jusqu’à 64 centimètres (25 pouces) par an.

Un vestige rare de la Terre primitive

Dans l’éon archéen, une époque bien plus proche de la formation de notre système solaire qu’aujourd’hui, le basalte suintait sur ce qui serait plus tard l’Australie-Occidentale, à peu près de la même manière qu’il le fait dans Islande et Hawaii aujourd’hui. La tectonique des plaques était encore relativement nouveauet les continents en étaient aux premiers stades de l’émergence de ce qui avait été en grande partie monde de l’eau. L’air était dépourvu d’oxygène et la vie la plus avancée se présentait sous la forme de communautés microbiennes qui sont conservées aujourd’hui dans des fossiles bosselés connus sous le nom de “stromatolithes.”

“Nous savons que la Terre était plus chaude, cela signifie-t-il que la convection du manteau se produit plus rapidement?” a demandé Kasbohm. “La convection du manteau est le processus sous-jacent à la tectonique des plaques.”

Kasbohm et ses collègues de Princeton, Yale et du MIT ont entrepris d’en apprendre davantage sur la nature de la tectonique des plaques archéennes en associant des données précises sur la formation de laves basaltiques archéennes à des mesures du champ magnétique terrestre qui ont été figés dans ces basaltes lors de leur refroidissement. L’objectif était de tracer le mouvement et la vitesse de Pilbara alors qu’il dérivait sur la surface de la Terre.

Parce que la tectonique des plaques a largement refait surface sur notre planète, les roches de l’Archéen sont relativement rares, et la plupart sont pires après des milliards d’années d’abus tectonique. Pilbara, cependant, a échappé à l’échauffement et à la déformation subis par la plupart des autres roches archéennes.

“Dieu merci, le Pilbara est sorti indemne des 4 derniers milliards d’années d’histoire !” Kasbohm a fait remarquer.

Projet crève-cœur

L’étude de Kasbohm a pris une décennie. La datation des roches et les analyses magnétiques ont été élaborées, avec quatorze semaines d’échantillonnage et de camping dans l’outback australien en 2013 et 2014, suivies d’années de travail en laboratoire. Et tous ces efforts lui ont laissé quelques échantillons avec lesquels travailler.

“C’était une sorte de projet déchirant en termes de géochronologie”, a-t-elle déclaré à Ars.

Kasbohm avait besoin d’échantillons contenant des cristaux de zircon pour la technique de datation uranium-plomb, mais le basalte n’a pas la bonne chimie pour cristalliser le zircon, elle avait donc besoin de trouver des zircons dans les cendres des volcans contemporains qui s’étaient installés au-dessus des flux de basalte individuels. Là aussi, elle n’a pas eu de chance : la plupart des zircons qu’elle a trouvés se sont avérés plus tard avoir été soufflés par des granits plus anciens plutôt que par des éruptions volcaniques contemporaines.

Au final, sur 21 couches de cendres entre les coulées de lave qu’elle a échantillonnées, seules quatre ont donné des dates pertinentes : “Beaucoup de travail avec pas grand-chose à montrer”, a déclaré Kasbohm. Pourtant, ces quatre dates étaient encore suffisamment précises pour suivre le mouvement de Pilbara sur quatre points dans le temps.

L’échantillonnage des données magnétiques était tout aussi laborieux, mais il a donné plus de résultats. Il s’agissait de forer 846 cylindres de roche à partir de 75 emplacements différents dans la succession de laves en utilisant “un moteur de tronçonneuse monté sur un foret au diamant d’un pouce de diamètre”, a déclaré Kasbohm à Ars. Surtout, avant que l’un de ces cylindres ne soit détaché de la paroi rocheuse, elle a utilisé des compas magnétiques et solaires pour enregistrer leur orientation 3D précise.

Pour découvrir l’ancienne direction du champ magnétique conservée dans les échantillons, Kasbohm les a analysés dans une pièce à l’abri de tous les champs magnétiques externes, y compris ceux de la Terre, au laboratoire de paléomagnétisme du MIT. Le champ magnétique dans les échantillons a été détecté à l’aide d’un magnétomètre extrêmement sensible basé sur un « SQUID » (Superconducting QUantum Interference Device) refroidi à −269 °C (−452 °F) par de l’hélium liquide. L’appareil a enregistré la direction de l’ancien champ magnétique, puis le logiciel a pris en compte l’orientation de l’échantillon lors de sa collecte pour calculer sa latitude lorsque la lave s’est refroidie.

La latitude (à quelle distance du Nord ou du Sud) peut être calculée car les lignes de champ magnétique de la Terre sont horizontales à l’équateur mais pointent de plus en plus vers le bas à mesure que vous vous trouvez au Nord ou au Sud. Malheureusement, la technique ne peut pas nous dire la longitude de l’emplacement (Est−Ouest).

Comptabilisation de l’usure

Avec des roches si anciennes, il y a un danger que les dates ou le champ magnétique aient pu être réinitialisés par des événements géologiques au cours des 2,7 milliards d’années qui ont suivi.

Pour révéler toute altération de leur champ magnétique, Kasbohm a chauffé et réanalysé les échantillons en 20 étapes distinctes d’augmentation de température, toujours dans la salle blindée, dans une technique qui révèle toute surimpression du champ magnétique depuis le premier refroidissement des laves.

“Si vous avez de la chance, ils vont tous s’aligner, ils vont donner la même direction”, a déclaré Kasbohm.

Certains échantillons avaient une deuxième direction de champ différente qui a été supprimée lorsque les échantillons ont été chauffés. Mais la plupart étaient stables pendant les étapes de chauffage, montrant que la direction de leur ancien champ magnétique n’avait pas été réinitialisée.

Pour dater les zircons, Kasbohm a utilisé un spectromètre de masse à Laboratoire “TIMS” de l’Université de Princeton pour calculer quand les cristaux de zircon se sont formés en fonction de la proportion d’uranium qui s’est désintégré radioactivement en plomb depuis la cristallisation.

Cette désintégration radioactive émet particules alpha qui endommagent la structure du cristal de zircon ; dans ces vieux cristaux, les dommages accumulés peuvent leur faire perdre du plomb, ce qui fait perdre la date. Pour éviter cela, Kasbohm a préparé les cristaux avec de l’acide qui rongeait préférentiellement les parties endommagées du cristal, laissant intactes les parties non endommagées. Comme vérification finale de la fidélité des dates, elle a tracé le rapport entre deux isotopes différents du plomb et deux isotopes différents de l’uranium sur un “concorde” graphique. S’il y a eu une perte de plomb, les données tomberont du côté de la ligne Concordia.

“Tous les grains de mes données chevauchent la ligne concordia”, a déclaré Kasbohm, montrant que les dates n’étaient pas compromises.

Une assiette rapide

Les données combinées montrent que Pilbara est passée d’une latitude d’environ 51 degrés à 68, puis à 76, puis à 49 degrés au cours des 10 millions d’années entre 2,772 et 2,762 milliards d’années.

Il est possible d’obtenir une vitesse de plaque aussi faible que 23 cm par an à partir des données, mais cela nécessiterait que la majeure partie du mouvement de la plaque soit une rotation, suivie d’un changement soudain de direction à la fin de la séquence. Même si c’est vrai, cette vitesse dépasse le taux le plus rapide d’aujourd’hui environ 12 cm par anet il dépasse celui de l’Inde 18 cm par an avant de s’écraser en Asie, le mouvement de plaque le plus rapide des 200 derniers millions d’années.

Bien que rotation et les changements de direction se produisent dans la tectonique des plaques, mouvement des plaques au cours du dernier milliard d’années a surtout été plus simple en dérivant à la surface de la planète, et il semble raisonnable de s’attendre à ce que Pilbara ait fait de même sans changer soudainement de direction. Si tel est le cas, il aurait continué au-dessus du pôle pour atteindre cette dernière latitude de la séquence, donnant l’estimation la plus élevée de 64 cm par an.

“Ce qui est fou rapide!” dit Kasbohm. Mais même cela est probablement une sous-estimation.

C’est parce que nous savons seulement à quelle distance se trouvait un emplacement au nord ou au sud, mais rien sur le mouvement vers l’est ou l’ouest. “Dire que les plaques ne changent jamais de longitude est manifestement faux”, a déclaré Kasbohm. Puisqu’il est très peu probable que Pilbara se soit déplacé dans une direction purement nord-sud et ait probablement voyagé quelque peu en diagonale, il aurait parcouru plus de distance, et donc se serait déplacé encore plus vite que 64 cm par an.

Cette vitesse est également beaucoup plus rapide que Pilbara se déplaçait 400 millions d’années plus tôtmontrant que la vitesse des plaques tectoniques n’était pas uniforme au début de la Terre, tout comme elle ne l’est pas aujourd’hui.

Professeur Alan Collins de l’Université d’Adélaïde, qui n’a pas participé à l’étude de Kasbohm, a déclaré à Ars : “Kasbohm et ses co-auteurs ont produit une belle étude qui… améliore considérablement la précision et l’exactitude des datations et des déterminations paléomagnétiques… qui atteint un niveau où la rotation implicite et la translation latérale peut être calculée.

L’état de la Terre primitive

Kasbohm a également découvert que le champ magnétique terrestre s’était inversé au moins quatre fois entre 2,772 et 2,721 milliards d’années. “Nous semblons avoir des preuves que le champ magnétique s’inversait à cette période… conformément à la façon dont le champ magnétique se comporte en ce moment”, a déclaré Kasbohm.

Autres études ont fait valoir que les inversions de champ magnétique signifient que le champ magnétique de la Terre à l’époque devait être comme celui d’aujourd’hui, avec un pôle magnétique nord et un pôle sud, chacun à peu près centré sur l’axe de rotation de la Terre, et non un champ multipolaire exotique qui certains scientifiques ont plaidé pour. Un champ magnétique de type moderne implique que le noyau terrestre s’est comporté comme il le fait aujourd’hui et que l’atmosphère était déjà fortement protégée de l’érosion par le vent solaire à l’époque.

Quant à résoudre la question de savoir si le manteau terrestre était plus spongieux ou plus rigide dans l’Archéen, Collins souligne la nécessité d’études similaires sur d’autres anciennes plaques tectoniques. “Si ceux-ci reflètent le véritable mouvement des plaques, et qu’il faudra des études parallèles sur d’autres plaques contemporaines pour le confirmer, alors il est fascinant que les vitesses des plaques apparaissent si rapides il y a 2,7 milliards d’années”, a-t-il déclaré. “Cela peut refléter une vigueur accrue de la convection du manteau dans [a] Terre plus chaude.

Recherche précambrienne, 2023. DOI : 10.1016/j.precamres.2023.107114