La Terre d'aujourd'hui est une planète dynamique avec une couche externe composée de plaques géantes qui se broient ensemble, glissant ou plongeant les uns sous les autres, provoquant des tremblements de terre et des volcans. D'autres se séparent sur les crêtes des montagnes sous-marines, où la roche en fusion s'étend depuis les centres des principaux bassins océaniques.

Mais de nouvelles recherches suggèrent que cela n'a pas toujours été le cas. Au lieu, peu de temps après que la Terre se soit formée et ait commencé à se refroidir, la première couche externe de la planète était une seule, coque solide mais déformable. Plus tard, cette coquille a commencé à se plier et à se fissurer plus largement, donnant naissance à la tectonique des plaques moderne.

La recherche, décrit dans un article publié le 27 février, 2017 dans la revue La nature , est la dernière salve d'un débat de longue date dans la communauté de la recherche géologique :la tectonique des plaques a-t-elle commencé tout de suite - une théorie connue sous le nom d'uniformitarisme - ou la Terre a-t-elle d'abord traversé une longue phase avec une coquille solide couvrant toute la planète ? Les nouveaux résultats suggèrent que le modèle de coque solide est le plus proche de ce qui s'est réellement passé.

« Les modèles sur la formation de la première croûte continentale se répartissent généralement en deux groupes :ceux qui invoquent la tectonique des plaques de style moderne et ceux qui ne le font pas, " a déclaré Michael Brown, professeur de géologie à l'Université du Maryland et co-auteur de l'étude. "Nos recherches soutiennent ce dernier - un" couvercle stagnant "formant l'enveloppe extérieure de la planète au début de l'histoire de la Terre."

Pour arriver à ces conclusions, Brown et ses collègues de l'Université Curtin et du Geological Survey of Western Australia ont étudié les roches collectées dans le terrane d'East Pilbara, une vaste zone d'ancienne croûte granitique située dans l'État d'Australie occidentale. Les roches ici sont parmi les plus anciennes connues, allant de 3,5 à environ 2,5 milliards d'années. (La Terre a environ 4,5 milliards d'années.) Les chercheurs ont spécifiquement sélectionné des granites dont la composition chimique est généralement associée aux arcs volcaniques, un signe révélateur de l'activité tectonique des plaques.

Brown et ses collègues ont également examiné les roches basaltiques de la formation associée de Coucal. Le basalte est la roche produite lors de l'éruption des volcans, mais il forme aussi le fond de l'océan, alors que le basalte en fusion éclate sur les crêtes étendues au centre des bassins océaniques. Dans la tectonique des plaques moderne, lorsque le basalte des fonds océaniques atteint les continents, il plonge - ou subduct - sous la surface de la Terre, où il génère des fluides qui permettent au manteau sus-jacent de fondre et éventuellement de créer de grandes masses de granit sous la surface.

Des recherches antérieures ont suggéré que les basaltes du Coucal pourraient être les roches mères des granites du terrane de Pilbara, en raison des similitudes de leur composition chimique. Brown et ses collaborateurs ont entrepris de vérifier cela, mais aussi pour tester une autre hypothèse de longue date :les basaltes du Coucal auraient-ils pu fondre pour former du granit d'une autre manière que la subduction du basalte sous la surface de la Terre ? Si c'est le cas, peut-être que la tectonique des plaques n'était pas encore en cours lorsque les granites de Pilbara se sont formés.

Pour répondre à cette question, les chercheurs ont effectué des calculs thermodynamiques pour déterminer les équilibres de phase du basalte moyen de Coucal. Les équilibres de phases sont des descriptions précises du comportement d'une substance dans diverses conditions de température et de pression, y compris la température de début de fusion, la quantité de matière fondue produite et sa composition chimique.

Par exemple, l'un des diagrammes d'équilibres de phases les plus simples décrit le comportement de l'eau :à basse température et/ou haute pression, l'eau forme de la glace solide, à haute température et/ou basse pression, l'eau forme de la vapeur gazeuse. Les équilibres de phase s'impliquent un peu plus avec les roches, qui ont des compositions chimiques complexes qui peuvent prendre des combinaisons minérales et des caractéristiques physiques très différentes en fonction de la température et de la pression.

"Si vous prenez une pierre de l'étagère et la faites fondre, vous pouvez obtenir un diagramme de phase. Mais vous êtes coincé avec une composition chimique fixe, " a déclaré Brown. " Avec la modélisation thermodynamique, vous pouvez changer la composition, pression et température indépendamment. C'est beaucoup plus flexible et nous aide à répondre à certaines questions auxquelles nous ne pouvons pas répondre avec des expériences sur des roches."

En partant des basaltes du Coucal et des granites de Pilbara, Brown et ses collègues ont construit une série d'expériences de modélisation pour refléter ce qui aurait pu se passer dans une ancienne Terre sans tectonique des plaques. Leurs résultats suggèrent que, En effet, les granites de Pilbara auraient pu se former à partir des basaltes du Coucal.

Plus précisément, cette transformation aurait pu se produire dans un scénario de pression et de température cohérent avec un "couvercle stagnant, " ou une seule coquille couvrant toute la planète.

La tectonique des plaques affecte considérablement la température et la pression des roches à l'intérieur de la Terre. Lorsqu'une plaque de roche s'enfonce sous la surface de la Terre, la roche commence relativement froide et met du temps à gagner de la chaleur. Au moment où il atteint une température plus élevée, la roche a également atteint une profondeur importante, ce qui correspond à une pression élevée, de la même manière qu'un plongeur subit une pression plus élevée à une plus grande profondeur d'eau.

En revanche, un régime de « couvercle stagnant » serait très chaud à des profondeurs relativement faibles et à de faibles pressions. Les géologues appellent cela un « gradient thermique élevé ».

"Nos résultats suggèrent que les granites de Pilbara ont été produits par fusion des basaltes du Coucal ou de matériaux similaires dans un environnement à gradient thermique élevé, " dit Brown. " De plus, la composition des basaltes du Coucal indique qu'ils, trop, provenait d'une génération antérieure de roches mères. Nous concluons qu'un processus en plusieurs étapes a produit les premiers continents de la Terre dans un scénario de « couvercle stagnant » avant le début de la tectonique des plaques."

"Les premiers continents stables de la Terre ne se sont pas formés par subduction, " Tim Johnson, Michel Brown, Nicolas Gardiner, Christopher Kirkland et Hugh Smithies, a été publié le 27 février 2017 dans la revue La nature .