Une tectonique moderne dès deux milliards d'années ?

Mercredi, 23 novembre 2011

Contrairement aux schémas actuellement admis qui situent le début de la tectonique des plaques (telle que nous la connaissons aujourd’hui) vers 900 millions d’années, une équipe internationale[1] dirigée par un chercheur du laboratoire Géoscience-Environnement Toulouse (CNRS, IRD, Université Paul Sabatier /OMP), démontre que des roches des bassins aurifères de l’Afrique de l’Ouest, vieilles d’environ 2 milliards d’années, sont issues de processus de subduction identiques à la subduction moderne. Les auteurs reculent ainsi le curseur marquant le début de la tectonique des plaques d’environ 1 milliard d’années. Ce travail, basé sur une étude thermobarométrique, est publié dans la revue Nature Géoscience.

Les zones de subduction ont une importance majeure pour la dynamique terrestre, aussi bien dans son fonctionnement global que pour la tectonique des plaques en surface ou la production de gisements métallifères. C’est en effet à ces frontières de plaques que la lithosphère océanique, formée aux dorsales, retourne dans les profondeurs de la Terre provoquant une multitude de processus : séismes ; activité volcanique marquée dans certains cas par la formation de chapelets d’îles volcaniques (arcs insulaires) ; métamorphisme des roches en profondeur avec circulations de fluides qui conduisent à des concentrations métallifères. Parmi celles-ci, l’or est l’une des plus convoitée. Du point de vue de la connaissance de la Terre, comme du point de vue de la prospection minière, la question qui se pose aux spécialistes du domaine est : depuis quand la subduction existe-t-elle et a-t-elle subi une évolution au cours de l’histoire de la Terre ?

A la fin de l’Archéen, les prémices de la subduction sur Terre

Il y a environ 2.5 milliards d’années (2.5 Ga), à la transition entre l’Archéen et le Protérozoïque sur l’échelle des temps géologiques, on observe une intense activité magmatique, associée à la mise en place d’immenses gisements métalliques. Cet évènement géologique a modifié considérablement la composition, la structure et les propriétés mécaniques des parties supérieures du manteau terrestre et de la croûte : la lithosphère est devenue plus dure, plus rigide. On pense que ce changement important des propriétés de l’écorce terrestre a favorisé l’apparition dès la fin de l’Archéen de « proto-subduction », premières zones de subduction dont la particularité était d’être associées à la production d’assemblages de roches métamorphiques formées dans des conditions de haute pression et de haute température [2].

Au cours du temps, la planète se refroidissant globalement, le flux de chaleur émanant des parties inférieures du manteau terrestre aurait progressivement conduit les zones de subduction à produire des assemblages de roches métamorphiques formées dans des conditions de plus basses températures (haute pression et basses températures[3]). Avant cette étude, les  plus anciennes subductions « froides » connues, proches des subductions actuelles (dites « modernes »), remontaient à 900 Ma. L’étude menée en Afrique de l’Ouest par cette équipe internationale impliquant des chercheurs du Burkina Faso révèle l’existence de subductions de type moderne dès 2 milliards d’années.

Les formations métallifères Archéenne à paléo-protérozoïque de l’Afrique de l’Ouest

Il existe en Afrique de l’Ouest des formations géologiques riches en minerais, notamment en or, d’âge paléo-protérozoïque (Birimien) qui s’étendent sur plusieurs centaines de kilomètres depuis le Sénégal oriental jusqu’au Niger occidental. Ces formations sont souvent décrites comme étant des reliques de proto-subductions « chaudes ». Elles sont caractérisées par l’existence de bassins de roches volcaniques et sédimentaires métamorphisées, à l’aspect vert (« roches vertes), ceinturés par des séries de roches magmatiques typiques[4].

Il faut rappeler que les roches métamorphiques sont constituées d’assemblages de minéraux qui ont cristallisé dans des domaines particuliers de pression et de température et sont d’excellents indicateurs des conditions qui régnaient dans la croûte terrestre lors des événements géologiques (orogenèses) qui ont conduit à leur formation. Aussi la capacité des scientifiques à proposer et à tester des modèles tectoniques à différentes époques de l’histoire de la Terre repose-t-elle sur notre capacité à déterminer les conditions de pression (P) et de température (T) qui régnaient en profondeur, lors de ces grandes orogenèses.

Dans les vieux socles archéens et paléo-protérozoïques, cet exercice est compliqué du fait que certaines roches ont subit un métamorphisme secondaire qui s’est surimposé à l’événement initial, brouillant ainsi les pistes. C’est le cas des roches vertes où prédominent, de plus, un couple de minéraux (chlorite et phengite) dont les domaines de stabilité étaient mal connus.

La modélisation vient au secours des pétrographes

Grâce à des avancées récentes dans la connaissance des propriétés thermodynamiques de ces deux minéraux, et à l’utilisation d’une technique de thermobarométrie dite des multi-équilibres qui a été automatisé sous le logiciel matlab et qui permet de tester rapidement, à partir de plusieurs dizaines de réactions chimiques, l’état d’équilibre entre minéraux, l’équipe a pu mener une investigation détaillée sur l’évolution P-T d’un socle d’âge paléo-protérozoïque. La nature et l’évolution thermique des proto-subductions sont ainsi mieux comprises.

Des proto-subductions proches des subductions modernes

Les auteurs ont mis en évidences, au sein de ceintures de roches vertes formées puis métamorphisées entre 2.2 et 2.0 Ga (orogenèse éburnéenne) des gradients thermiques très variables, s’étalant de 10 à 50 °C/km. Les plus faibles, 10-12 °C/km, indiquent un métamorphisme de haute pression et basse température (10 kb, 400°C), ce qui n’avait encore jamais été observé dans les socles d’âge paléo-protérozoïque.

En termes de processus de tectonique des plaques, ces contrastes thermiques sont le reflet d’une intense activité tectonique et magmatique se déroulant aux frontières de plaques océaniques et ayant impliqué un ou plusieurs cycles de construction puis de destruction d’arcs insulaires. Des poussées verticales, générées par une production massive, mais épisodique, de granitoïdes se sont heurtées aux poussées horizontales (raccourcissement) accompagnant le fonctionnement de proto-subductions avec des gradients thermiques très froids proches de ceux observés dans les subductions actuelles.

La découverte de zones de subduction « froides », actives il y a plus de 2 milliards d’années, améliore considérablement notre compréhension de l’évolution thermique et mécanique de la lithosphère au cours de l’histoire de la Terre.

Un pas vers une prospection de l’or et des métaux mieux ciblée

De plus, la technologie unique mise en œuvre dans cette étude pour imager en profondeur les paléo-champs thermiques et les circulations de fluides à basse température (T < 500°C), devrait apporter des informations cruciales pour orienter les futures prospections métallogéniques dans ces vieux terrains. Les dépôts aurifères du Burkina Faso et du Ghana se sont en effet mis en place sous des conditions très particulières de pression, de température et de composition du fluide minéralisateur. Ces conditions physico-chimiques sont enregistrées par les assemblages chlorite – phengite que l’on retrouve souvent associés aux dépôts aurifères.

Note(s): 

[1] GET/Université Paul Sabatier (Toulouse), Brookhaven National Laboratory (NY, USA), European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble), Monash University (Melbourne, Australie), ISTerre/Université Joseph Fourier (Grenoble), University of Cambridge (UK), Université de Ouagadougou (Burkina Faso), EPSL/University of Lausanne (Suisse)

[2] (facies Eclogite-Granulite s.l.)

[3] (facies schistes bleus s.l.)


[4] tonalite-trondhjémites-granodiorites (TTGs)

Source(s): 

Modern-style plate subduction preserved in the Palaeoproterozoic West African Craton. Ganne, J., De Andrade, V., Weinberg, R., Dubacq, B., Vidal, O. Kagambega, N., Naba, S., Baratoux, L., Jessell, M. and Allibon, J.  Nature Geoscience, 2011. DOI: 10.1038/NGEO1321.

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  • Jérôme Ganne, GET/OMP
    jerome [dot] ganne [at] get [dot] omp [dot] eu, 05 61 33 26 55

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