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Quand la tectonique des plaques a-t-elle débutée sur Terre ?

C’est la question à laquelle va tenter de répondre Bruno Dhuime, porteur du projet ERC Consolidator Grant MILESTONE* qui a débuté le 1er septembre 2019 et se poursuivra sur les cinq prochaines années. L’objectif de ce projet est de dater le début de de la tectonique des plaques via une approche géochimique basée sur la combinaison d’analyses in situ dans le zircon et dans les inclusions minérales qui y sont présentes.

Le début de la tectonique des plaques et de la formation de la croûte continentale en contexte de subduction a joué un rôle fondamental dans l’évolution de notre planète, en permettant notamment le refroidissement du manteau, l’émergence des premiers continents, l’oxygénation de l’atmosphère et le développement de la vie. Au cœur de cette vaste problématique, l’âge du début de la tectonique des plaques reste, depuis la fin des années 1960, date de l’acceptation de cette théorie par la communauté, extrêmement controversé, avec des estimations qui varient selon les études entre 4.4 et 1.0 milliards d’années. Cette incertitude importante est en partie expliquée par la difficulté de trouver sur le terrain, à l’affleurement, des témoins anciens, bien préservés et mettant en évidence sans ambiguïté une évolution lithosphérique en contexte de tectonique des plaques. Coupe schématique théorique de la Terre avant et après le début de la tectonique des plaques. Le projet MILESTONE s’intéresse à dater la transition depuis un régime tectonique "vertical" (ou ’stagnant lid’) de type plume/points chauds vers un régime tectonique "horizontal" dominé par les processus de subduction.

Depuis les années soixante le zircon (ZrSiO4) est utilisé en tant qu’archive de référence pour contraindre la formation et l’évolution de l’écorce terrestre au cours du temps. Ce minéral cristallise essentiellement dans les magmas de composition intermédiaire et sa capacité unique à résister aux transformations engendrées par les processus magmatiques, métamorphiques et sédimentaires assure son omniprésence dans les roches et sédiments qui forment la croûte continentale. A partir de la fin des années 1980, la datation "haute précision" Uranium–Plomb (U–Pb) des différentes zones de croissance magmatiques enregistrées au sein des cristaux de zircon a permis d’établir la chronologie des épisodes magmatiques et, par extension, la chronologie de certains grands évènements comme les crises géologiques qui ont façonné notre planète depuis plus de 4,4 milliards d’années. Plus récemment, au début des années 2000, le développement de l’analyse combinée des isotopes de l’uranium et du plomb, de l’hafnium et de l’oxygène dans le zircon a fourni des informations inédites sur l’évolution de la croûte continentale, depuis son extraction à partir du manteau jusqu’à sa destruction et son recyclage au sein du manteau. Aujourd’hui les dernières évolutions technologiques dans le domaine de la spectrométrie de masse permettent d’obtenir des données géochimiques de plus en plus précises et fiables à partir de volumes d’échantillons de plus en plus faibles.

MILESTONE met à profit cette technologie de pointe afin de repousser les limites de notre connaissance, en accédant pour la première fois à l’enregistrement isotopique des inclusions minérales préservées dans le zircon et dont la taille excède rarement une dizaine de micromètres. Pour ce faire une plateforme de spectrométrie de masse configurée spécifiquement pour la microanalyse in situ par ablation laser de très haute précision sera prochainement installée à Géosciences Montpellier. Cette plateforme permettra d’analyser les isotopes du strontium et du plomb avec un niveau de précision encore jamais atteint pour des volumes ablatés typiquement inférieurs à 1000 µm3 (soit 2 milliards de fois moins que le volume d’un dé à coudre). L’analyse des isotopes du strontium dans les inclusions d’apatite, et des isotopes du plomb dans les inclusions de feldspaths, en combinaison avec les analyses isotopiques en U–Pb, Hf et O dans les zircons hébergeant ces inclusions, permettra de déterminer à quel moment dans l’évolution de la Terre s’est opérée la transition depuis un magmatisme principalement produit en contexte de plume/points chauds, jusqu’à un magmatisme essentiellement généré par le fonctionnement de zones de subduction. La datation de cette "transition géochimique" constitue un moyen efficace et inédit pour déterminer quand la tectonique des plaques a débuté sur Terre. Cette approche requiert l’analyse de milliers de grains de zircon d’origine magmatique et détritique, échantillonnés à travers les cinq continents et permettra de disposer d’un échantillonnage le plus représentatif possible de l’évolution crustale/terrestre depuis l’Hadéen (>4 Ga) jusqu’à nos jours.

Le succès de MILESTONE repose ainsi sur un challenge analytique important, à la fois du point de vue qualitatif et quantitatif. L’inauguration du laboratoire de spectrométrie associé à ce projet est programmée début 2020 avec, en exclusivité pour les prochains numéros du bulletin Géosciences, les premières photos de sa construction !

Images en cathodoluminescence avec, en haut, les zones de croissance concentriques typiques d’une origine magmatique et, en bas, les électrons rétrodiffusés d’un zircon renfermant un certain nombre d’inclusions minérales.

L’analyse in situ par ablation laser et MC-ICP-MS des isotopes du Sr et du Pb dans les inclusions d’apatite et de feldspath, en combinaison avec l’analyse in situ des isotopes de l’U-Pb, de l’Hf et de l’O dans le zircon hôte, permettra de déterminer à partir de quel moment la croûte continentale a été formée principalement en contexte de subduction et ainsi de "dater" le début de la tectonique des plaques.

* projet ERC CoG MILESTONE : "From Mineral IncLusions in zircon to continents : An in situ isotopic perspective on the Evolution of the continental cruST, the ONset of plate tectonics and the development of a habitable Earth"


Le bulletin du laboratoire Géosciences Montpellier n°18 - septembre/octobre 2019