La vitesse des plaques tectoniques a-t-elle changé au cours des trois derniers milliards d’années ? La réponse a des implications considérables, car la tectonique des plaques a tout affecté, de l’apport de nutriments vitaux au début de la vie à l’augmentation de l’oxygène. Nous savons que l’intérieur de la Terre était beaucoup plus chaud au début de son histoire, mais il y avait des plaques dedans Aller plus vite Parce que le manteau le plus chaud était spongieux, ou c’était le manteau le plus chaud Ils contiennent moins d’eauqu’est-ce qui aide les minéraux à couler, ralentit les plaques ?

une Nouvelle étude, dirigés par le Dr Jennifer Kasbaum de l’Université de Yale, ont mesuré d’anciens champs magnétiques et daté des roches d’Australie occidentale pour montrer que le craton de Pilbara – un des premiers continents – s’est déplacé à grande vitesse il y a environ 2,7 milliards d’années. Alors que le mouvement de planche le plus rapide d’aujourd’hui est environ 12cm (4,7 po) par an, le craton de Pilbara se déplaçait jusqu’à 64 cm (25 po) par an.

Une relique rare de la Terre primitive

À l’ère archéenne, une époque beaucoup plus proche de la formation de notre système solaire qu’elle ne l’est aujourd’hui, le basalte exsudait sur ce qui serait plus tard l’Australie-Occidentale de la même manière qu’à notre époque. Islande Et Hawaii aujourd’hui. Les plaques tectoniques étaient encore relativement nouveauet les continents en étaient aux premiers stades de la sortie de ce qui était très monde de l’eau. L’air était dépourvu d’oxygène, et la vie la plus avancée se présentait sous la forme de communautés microbiennes conservées aujourd’hui dans des méga-fossiles connus sous le nom de « stromatolithes. « 

« Nous savons que la Terre se réchauffe, cela signifie-t-il que la convection dans le manteau se produit plus rapidement? » ont demandé à leurs salariés. « La convection du manteau est le processus sous-jacent de la tectonique des plaques. »

Kasbaum 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 d’anciennes laves basaltiques à des mesures du champ magnétique terrestre immobilisé dans ces basaltes lors de leur refroidissement. L’objectif était de tracer le mouvement et la vitesse du Pilbara alors qu’il dérivait au-dessus de la surface de la Terre.

Parce que la tectonique des plaques a largement refait surface sur notre planète, les roches archéennes sont relativement rares, et la plupart sont bien pires après des milliards d’années d’abus tectonique. Cependant, le Pilbara a échappé à l’échauffement et à la déformation dont souffrent la plupart des autres roches archéennes.

« Dieu merci, le Pilbara a survécu aux quatre derniers milliards d’années d’histoire ! » Leurs salariés ont commenté.

Projet Heartbreaker

L’étude de Kasbaum a pris une décennie. La datation des roches et les analyses magnétiques ont été minutieuses, 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 peu d’échantillons avec lesquels travailler.

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

Kasbaum avait besoin d’échantillons contenant des cristaux de zircon pour la technique de datation au plomb à l’uranium, mais le basalte n’avait pas la bonne chimie pour un cristal de zircon, elle avait donc besoin de trouver du zircon dans les cendres qui avaient éclaté des volcans contemporains qui s’étaient installés au-dessus des flux de basalte individuels. . Là aussi, elle a eu de la chance: la plupart des zircons qu’elle a trouvés se sont révélés plus tard avoir éclaté à partir d’un granit ancien plutôt que d’éruptions volcaniques contemporaines.

Au final, sur les 21 couches de cendres entre les coulées pyroclastiques qu’il a échantillonnées, seules quatre ont donné des dates pertinentes : « Beaucoup de travail avec pas grand-chose à montrer », a déclaré Kasbaum. Cependant, ces quatre dates étaient suffisamment précises pour retracer le mouvement du Pilbara sur quatre points dans le temps.

L’échantillonnage des données magnétiques était tout aussi fastidieux, mais a donné plus de résultats. Il s’agissait de forer 846 cylindres de roche à partir de 75 emplacements différents dans la succession de lave, a déclaré Kasbaum à Ars, en utilisant « un moteur de tronçonneuse réduit à un foret au diamant d’un pouce ». Surtout, avant que l’un de ces cylindres ne soit coupé de la surface rocheuse, des boussoles magnétiques et solaires ont été utilisées pour enregistrer leur orientation tridimensionnelle précise.

Pour découvrir l’ancienne direction du champ magnétique conservée dans les échantillons, Kasbaum les a analysés dans une chambre 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 de Magnétomètre très sensible Basé sur un « squid » (dispositif d’interférence quantique supraconducteur) refroidi à -269 ° C (-452 ° F) par de l’hélium liquide. L’instrument 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 la latitude lorsque la lave s’est refroidie.

La latitude (à quelle distance du nord ou du sud) peut être déterminée parce que les lignes de champ magnétique de la Terre sont horizontales à l’équateur mais pointent de plus en plus vers le bas, vers le nord ou le sud. Malheureusement, la technologie ne peut pas nous dire la longitude de l’emplacement (est-ouest).

représente l’usure

Avec des roches très anciennes, il y a un risque que les dates ou le champ magnétique aient été réinitialisés par des événements géologiques à 2,7 milliards d’années.

Pour détecter tout changement de leur champ magnétique, Kasbaum a chauffé les échantillons et les a réanalysés en 20 étapes distinctes d’augmentation de température, toujours dans la chambre blindée, dans une technique qui ne révèle aucune surimpression du champ magnétique depuis que la lave a été refroidie pour la première fois.

« Si vous avez de la chance, ils s’aligneront tous et ils vous donneront la même direction », a déclaré Kasbaum.

Certains des échantillons avaient une orientation de champ différente qui a été supprimée lorsque les échantillons ont été chauffés. Mais la plupart d’entre eux ont été stabilisés par des étapes de chauffage, ce qui indique que la direction de l’ancien champ magnétique n’a pas été réinitialisée.

Pour dater les zircons, Kasbaum a utilisé un spectromètre de masse dans Laboratoire TIMS de l’Université de Princeton Calculer le moment où les cristaux de zircon se sont formés en fonction de la proportion d’uranium décomposé par radioactivité et de plomb depuis la cristallisation.

Cette désintégration radioactive est émise particules alpha qui endommagent la structure du cristal de zircon ; Dans ces cristaux anciens, les dommages accumulés peuvent leur faire perdre du plomb, ce qui fait perdre la date. Pour éviter cela, Kasbaum a équipé les cristaux d’un acide qui a préféré ronger les parties endommagées du cristal, laissant intactes les parties non endommagées. Pour une dernière vérification de l’exactitude des dates, j’ai tracé le rapport entre deux isotopes différents de l’uranium et deux isotopes différents de l’uranium sur « ConcordiaGraphique. S’il y a une perte de plomb, les données chuteront du côté de la ligne Concordia.

« Chaque grain de mes données chevauche la ligne Concordia », a déclaré Kasbaum, expliquant que les dates n’avaient pas été piratées.

panneau rapide

Les données combinées montrent que le Pilbara est passé d’une latitude d’environ 51 degrés à 68, puis 76, et est revenu à 49 degrés sur une période de 10 millions d’années entre 2,772 et 2,762 milliards d’années.

Il est possible d’extrapoler une vitesse de plaque aussi faible que 23 cm pa à partir des données, mais cela nécessite une rotation pendant la majeure partie du mouvement de la plaque, suivie d’un brusque changement de direction à la fin de la séquence. Même si cela était vrai, cette vitesse dépasserait le taux le plus rapide d’aujourd’hui environ 12 cm par anet transcende l’Inde 18 cm par an Avant qu’il ne s’écrase en Asie, le mouvement de plaque le plus rapide des 200 derniers millions d’années.

malgré que rotation des changements de direction se produisent dans les plaques tectoniques, Mouvement des plaques au cours du dernier milliard d’années Il a principalement dérivé plus directement sur la surface de la planète, et il semble raisonnable de s’attendre à ce que le Pilbara ait fait la même chose sans changer soudainement de direction. Si tel était le cas, il aurait continué au-dessus du pôle pour atteindre la dernière latitude de la séquence, donnant une estimation plus élevée de 64 cm par an.

« Et il est fou vite! » Il a dit qu’ils les avaient gagnés. Mais même cela peut être une sous-estimation.

C’est parce que nous savons seulement à quelle distance se trouve l’emplacement au nord ou au sud, mais rien sur le déplacement vers l’est ou l’ouest. « Dire que les panneaux ne changent jamais les méridiens est clairement faux », a déclaré Kasbaum. Puisqu’il est très peu probable que le Pilbara se soit déplacé uniquement dans une direction nord-sud et ait pu voyager un peu en diagonale, il peut avoir parcouru une plus grande distance, et donc se déplacer plus vite que 64 cm par an.

Cette vitesse est également beaucoup plus rapide que le mouvement du Pilbara il y a 400 millions d’annéesce qui indique 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 Kasbaum, a déclaré à Ars : « Casbaum et ses co-auteurs ont produit une étude remarquable… qui améliore considérablement la précision et l’exactitude de la datation et du magnétisme ancien… qui atteint le niveau de rotation implicite et de translation latérale peuvent être calculées. » .

Premier état de la Terre

Kasbaum a également découvert que le champ magnétique terrestre s’est inversé au moins quatre fois entre 2,772 et 2,721 milliards d’années. « Il semble que nous ayons des preuves que le champ magnétique s’est inversé au cours de cette période… conformément à la façon dont le champ magnétique se comporte en ce moment », a déclaré Kasbaum.

Autres études Il a fait valoir que les inversions de champ magnétique signifiaient que le champ magnétique de la Terre à cette époque aurait dû être comme aujourd’hui, avec un pôle magnétique nord et sud, chacun centré approximativement sur l’axe de rotation de la Terre, plutôt qu’un champ multipolaire impair. certains savants Ils se sont disputés. Le champ magnétique similaire indique 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 cette époque.

Quant à la résolution de la question de savoir si le manteau terrestre était plus spongieux ou plus rigide à l’époque archéenne, Collins souligne la nécessité d’études similaires sur d’autres tectoniques des plaques anciennes. « Si ceux-ci reflètent le mouvement réel des plaques et qu’il faudrait des études parallèles d’autres plaques contemporaines pour le confirmer, il est surprenant que les vitesses des plaques soient apparues si rapidement il y a 2,7 milliards d’années », a-t-il déclaré. Cela peut refléter une force de convection accrue dans le manteau [a] Chaleur terrestre. « 

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