Différenciation précoce de la terre silicatée enregistrée dans les roches archéennes d'Isua (Groenland) : implications sur la dynamique du manteau au cours du temps

Early differentiation of silicate soil recorded in Archean rocks of Isua (Greenland) : implications on mantle dynamics over time

• Auteur / Autrice : Hanika Rizo Garza
• Direction : Maud Boyet, Hervé Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie Isotopique
• Date : Soutenance le 27/09/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire Magmas et Volcans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : (LMV) Laboratoire Magmas et volcans
• Jury : Président / Présidente : Denis Andrault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Bourdon, Klaus Mezger, Nicholas T. Arndt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Bourdon, Klaus Mezger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre -- Manteau

Roches silicatées

Archéen

Hadéen

Mots clés libres

142Nd

Hadéen

Archeen

Isua

Terre silicatée

Différenciation précoce

142Nd

Hadean

Archean

Isua

Silicate Earth

Early differentiation

Résumé

L’enregistrement géologique de l’Hadéen et de l’Eoarcheén étant limité, la composition et l’évolution de la Terre silicatée au cours de ces périodes reste très débattue et peu connue. La première évidence d’un événement de différenciation précoce du manteau provient de l’étude du système éteint 146Sm-142Nd. En effet, les excès en 142Nd détectés dans les échantillons âgés de 3.7 milliard d’années (Ga) d’Isua (Sud-Ouest du Groenland) par rapport aux échantillons modernes, impliquent que leur source fût appauvrie en éléments incompatibles et formée durant l’Hadéen. Dans cette thèse nous avons étudié les systèmes isotopiques 146Sm-142Nd, 147Sm–143Nd et 176Lu–176Hf d’une collection d’échantillons mantelliques âgés de 3.8 Ga, 3.7 Ga, 3.4 Ga et 3.3 Ga et provenant de différentes unités géologiques de la région d’Isua. Cette collection d’échantillons couvre ~500 millions d’années de l’histoire précoce terrestre et a permis d’apporter des informations précieuses sur l’évolution de la composition et la dynamique du manteau au début de l’histoire de la Terre. Nous avons démontré un découplage des systèmes isotopiques de longue-vie Sm-Nd et Lu-Hf dans la source des roches âgées de 3.7 Ga, alors que ces deux systèmes sont généralement couplés lors des processus magmatiques de basse pression. Pour expliquer ce découplage, nous proposons que la source des laves d’Isua avait une origine profonde (manteau inférieur). Nous avons également confirmé les excès en 142Nd dans ces échantillons, ce qui implique que leur source a été appauvrie en éléments incompatibles dans les premiers 100 Ma de l’histoire de la Terre. L’évènement responsable de la différenciation du réservoir appauvri aurait également formé un réservoir complémentaire enrichi, enregistré dans les roches de 3.4 Ga. Cependant, les échantillons de 3.3 Ga ne montrent pas d’anomalies en 142Nd par rapport aux standards terrestres. Ceci suggère que les hétérogénéités chimiques hadéennes aient résisté au mélange convectif pendant plus de 1 Ga, puis qu’elles aient disparu et soient remélangées au reste du manteau à 3.3 Ga. Le mélange à 3.3 Ga pourrait aussi s’expliquer par les processus de subduction initiées par la tectonique de plaques récemment proposée comme ayant démarrée autour de 3.2 Ga.

The composition and the evolution of the silicate Earth during the Hadean-Eoarchean is widely debated and largely unknown due to the limited geological record. The first undisputable evidence for a very early differentiation of the mantle came from the extinct 146Sm-142Nd chronometer. The 142Nd excesses measured in 3.7 billion year (Ga) old rocks from Isua (Southwest Greenland) relative to modern terrestrial samples imply their derivation from a depleted mantle formed in the Hadean. We have studied 146,147Sm–142,143Nd and 176Lu–176Hf isotope systematics in 3.8 Ga, 3.7 Ga, 3.4 Ga and 3.3 Ga mantle-derived samples from different tectonic domains of the Isua region. This dataset covers ~ 500 million years of the early history of the Earth and revealed precious information about the compositional evolution and dynamics of the early Earth mantle. Combined Lu-Hf and Sm-Nd of the 3.7 Ga Isua samples revealed that these isotopic systematics were decoupled, suggesting a deep-seated source for the Isua lavas. We have further expanded the dataset and confirmed the 142Nd excesses in these rocks, implying that their source was depleted and differentiated during the first 100 Ma of Earth’s history. The differentiation event that created this early-depleted reservoir had to also form a complementary enriched component. We have found the first evidence for this reservoir recorded in the 3.4 Ga samples that yielded negative 142Nd anomalies. However, the 3.3 Ga analyzed samples showed no resolvable 142Nd anomalies compared to terrestrial Nd standards. This suggests that the Hadean heterogeneities were likely isolated for more than 1 Ga before being completely rehomogeneized by 3.3 Ga. The remixing by 3.3 Ga could have been achieved by subduction processes due to the onset of modern plate tectonics at ~3.2 Ga, as proposed by other recent studies.