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    L'intérieur chaud des terres anciennes a créé un cimetière de dalles continentales

    De nouvelles découvertes suggèrent que l'ancienne Terre abritait un manteau qui était beaucoup plus efficace pour retirer des morceaux de la croûte de la planète. Crédit :Nouvelles du MIT

    La tectonique des plaques a façonné la surface de la Terre pendant des milliards d'années :les continents et la croûte océanique se sont poussés et tirés les uns sur les autres, réarrangeant continuellement la façade de la planète. Alors que deux plaques massives entrent en collision, l'un peut céder et glisser sous l'autre dans un processus appelé subduction. La plaque subductée glisse ensuite à travers le manteau visqueux de la Terre, comme une pierre plate à travers une mare de miel.

    Pour la plupart, les dalles de subduction d'aujourd'hui ne peuvent s'enfoncer que jusqu'à présent, à environ 670 kilomètres sous la surface, avant que le maquillage du manteau ne prenne une consistance mielleuse, à celle de la pâte - trop dense pour que la plupart des dalles pénètrent plus loin. Les scientifiques ont soupçonné que ce filtre de densité existait dans le manteau pendant la majeure partie de l'histoire de la Terre.

    Maintenant, cependant, les géologues du MIT ont découvert que cette limite de densité était beaucoup moins prononcée dans l'ancien manteau terrestre, il y a 3 milliards d'années. Dans un article publié en Lettres des sciences de la Terre et des planètes , les chercheurs notent que l'ancienne Terre abritait un manteau qui était jusqu'à 200 degrés Celsius plus chaud qu'il ne l'est aujourd'hui - des températures qui ont peut-être été plus uniformes, matériau moins dense sur toute la couche du manteau.

    Les chercheurs ont également constaté que, par rapport au matériau rocheux d'aujourd'hui, l'ancienne croûte était composée d'une matière beaucoup plus dense, enrichi en fer et magnésium. La combinaison d'un manteau plus chaud et de roches plus denses a probablement fait couler les plaques de subduction jusqu'au fond du manteau, 2, 800 kilomètres sous la surface, formant un "cimetière" de dalles au sommet du noyau terrestre.

    Leurs résultats brossent un tableau de la subduction très différent de ce qui se passe aujourd'hui, et suggère que l'ancien manteau terrestre était beaucoup plus efficace pour retirer des morceaux de la croûte terrestre.

    "Nous constatons qu'il y a environ 3 milliards d'années, les dalles subductées seraient restées plus denses que le manteau environnant, même dans la zone de transition, et il n'y a aucune raison du point de vue de la flottabilité pour que les dalles s'y coincent. Au lieu, ils devraient toujours s'enfoncer, ce qui est un cas beaucoup moins courant aujourd'hui, " dit l'auteur principal Benjamin Klein, un étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, Sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS). "Cela semble suggérer qu'il y a eu un grand changement dans l'histoire de la Terre en termes de la façon dont les processus de convection du manteau et de tectonique des plaques se seraient produits."

    Les co-auteurs de Klein sont Oliver Jagoutz, professeur agrégé à l'EAPS, et Mark Behn de la Woods Hole Oceanographic Institution.

    Différence de température

    "Il y a cette question ouverte de savoir quand la tectonique des plaques a vraiment commencé dans l'histoire de la Terre, " dit Klein. " Il y a un consensus général que cela remontait probablement à au moins 3 milliards d'années. C'est aussi à ce moment-là que la plupart des modèles suggèrent que la Terre était à son plus chaud."

    Il y a environ 3 milliards d'années, le manteau était probablement environ 150-200 C plus chaud qu'il ne l'est aujourd'hui. Klein, Jagoutz, et Behn a étudié si des températures plus chaudes à l'intérieur de la Terre faisaient une différence dans la façon dont les plaques tectoniques, une fois subjugué, ont été transportés à travers le manteau.

    "Notre travail a commencé comme cette expérience de pensée pour dire, si nous savons que les températures étaient beaucoup plus chaudes, comment cela a-t-il pu moduler à quoi ressemblait la tectonique, sans le changer en gros?" dit Klein. "Parce que le débat avant était cet argument binaire:soit il y avait la tectonique des plaques, ou il n'y en avait pas, et nous suggérons qu'il y a plus de place entre les deux."

    Un "retour de densité"

    L'équipe a effectué son analyse, en supposant que la tectonique des plaques façonnait effectivement la surface de la Terre il y a 3 milliards d'années. Ils ont cherché à comparer la densité des dalles de subduction à cette époque avec la densité du manteau environnant, dont la différence déterminerait jusqu'où les dalles auraient coulé.

    Pour estimer la densité des dalles anciennes, Klein a compilé un grand ensemble de données de plus de 1, 400 échantillons précédemment analysés de roches modernes et de komatiites, des types de roches classiques qui existaient il y a environ 3 milliards d'années mais qui ne sont plus produits aujourd'hui. Ces roches contiennent une quantité plus élevée de fer dense et de magnésium que la croûte océanique actuelle. Klein a utilisé la composition de chaque échantillon de roche pour calculer la densité d'une dalle de subduction typique, pour les temps modernes et il y a 3 milliards d'années.

    Il a ensuite estimé la température moyenne d'une dalle de subduction moderne par rapport à une ancienne dalle, par rapport à la température du manteau environnant. Il a expliqué que la distance à laquelle une dalle s'enfonce dépend non seulement de sa densité mais aussi de sa température par rapport au manteau :plus un objet est froid par rapport à son environnement, plus il devrait couler vite et loin.

    L'équipe a utilisé un modèle thermodynamique pour déterminer le profil de densité de chaque dalle de subduction, ou comment sa densité change à mesure qu'il s'enfonce dans le manteau, étant donné la température du manteau, qu'ils ont pris à partir des estimations des autres et d'un modèle de température de la dalle. A partir de ces calculs, ils ont déterminé la profondeur à laquelle chaque plaque deviendrait moins dense que le manteau environnant.

    À ce point, ils ont émis l'hypothèse qu'un "basculement de densité" devrait se produire, telle qu'une dalle ne devrait pas pouvoir s'enfoncer au-delà de cette limite.

    "Il semble y avoir ce filtre critique et ce contrôle sur le mouvement des dalles et donc la convection du manteau, ", dit Klein.

    Un dernier lieu de repos

    L'équipe a constaté que leurs estimations de l'emplacement de cette limite dans le manteau moderne - à environ 670 kilomètres sous la surface - concordaient avec les mesures réelles prises de cette zone de transition aujourd'hui, confirmant que leur méthode peut également estimer avec précision l'ancienne Terre.

    "Aujourd'hui, quand les dalles entrent dans le manteau, ils sont plus denses que le manteau ambiant dans les manteaux supérieur et inférieur, mais dans cette zone de transition, les densités basculent, " dit Klein. " Donc, dans cette petite couche, les dalles sont moins denses que le manteau, et sont heureux d'y rester, presque flottant et stagnant."

    Pour l'ancienne Terre, il y a 3 milliards d'années, les chercheurs ont découvert que, parce que l'ancien manteau était tellement plus chaud qu'aujourd'hui, et les dalles beaucoup plus denses, un retournement de densité ne se serait pas produit. Au lieu, les dalles de subduction se seraient enfoncées directement au fond du manteau, établissant leur dernière demeure juste au-dessus du noyau de la Terre.

    Jagoutz dit que les résultats suggèrent qu'il y a quelque temps entre 3 milliards d'années et aujourd'hui, alors que l'intérieur de la Terre se refroidissait, le manteau est passé d'un système de convection à une couche, dans lequel les dalles coulaient librement des couches supérieures vers les couches inférieures du manteau, à une configuration à deux couches, où les dalles avaient plus de mal à pénétrer jusqu'au manteau inférieur.

    "Cela montre que lorsqu'une planète commence à se refroidir, cette frontière, même si c'est toujours là, devient un filtre de densité nettement plus profond, " dit Jagoutz. " Nous ne savons pas ce qui se passera dans le futur, mais en théorie, il est possible que la Terre passe d'un régime dominant de convection à une couche, à deux. Et cela fait partie de l'évolution de la Terre entière."

    Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.




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