Secular cooling of the solid Earth, emergence of the continents, and evolution of Earth's external envelopes

• Auteur / Autrice : Nicolas Flament
• Direction : Nicolas Coltice
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : École normale supérieure (Lyon ; 1987-2009)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de la Terre (....-2011 ; Lyon)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Atmosphère

Archéen

Mots clés libres

Emergence continentale

Franc-bord

Croissance continentale

Hypsometrie

Provinces volcaniques

Résumé

Le refroidissement seculaire du manteau terrestre et de la lithosphere continentale se traduit par l'augmentation de la surface de terres emergees. L'augmentation corollaire des processus d'alteration et d'erosion des silicates a des consequences majeures pour les enveloppes externes. Nous avons developpe un modele physique qui permet d'evaluer la surface de terres emergees en fonction de la temperature du manteau, de la surface totale de continents, et de la distribution des altitudes continentales. Nos resultats numeriques montrent qu'a la fin de l'Archeen, moinsde 15% de la surface terrestre etaient emergee, en accord avec nombre d'observations geologiques et geochimiques. Pour estimer le refroidissement seculaire de la lithosphere continentale, nous avons combine des modeles thermo-mecaniques avec des observations de terrain. Nos resultats, contraints par des donnees geologiques, suggerent que la temperature au Moho a diminue de ~ 200ºC en 2,7 Ga dans le craton des Pilbaras. Pour evaluer l'effet de la croissance continentale sur l'evolution de la surface de terres emergees, nous avons developpe un modele base sur un modele d'evolution thermique publie. Nos resultats suggerent que la surface emergee, de moins de 5% de la surface terrestre a l'Archeen, depend peu de la croissance continentale. Ceci permet de reconcilier l'evolution du 87Sr/86Sr oceanique avec une croissance continentale precoce. Les continents sont enrichis en phosphate, element essentiel a la biosphere. Leur emergence aurait donc engendre une augmentation de la production d'oxygene par des micro-organismes photosynthetiques, contribuant ainsi a l'oxydation de l'atmosphere il y a 2,4 Ga.

The secular cooling of the mantle and of the continental lithosphere trigger an increase in the area of emerged land. The corollary increase in weathering and erosion processes has major consequences for the evolution of Earth's external envelopes. We developed a physical model to evaluate the area of emerged land as a function of mantle temperature, continental area, and of the distribution of continental elevations. Our numerical results show that less than 15% of Earth's surface consisted of emerged land by the end of the Archaean. This is consistent with many geological and geochemical observations. To estimate the secular cooling of the continental lithosphere, we combined thermo-mechanical models with eld observations. Our results, constrained by geological data, suggest that the Moho temperature has decreased by ~ 200ºC over 2. 7 Ga in the Pilbara Craton. To evaluate the effect of continental growth on the evolution of the area of emerged land, we developed a model based on published thermal evolution models. Our results suggest that the area of emerged land was less than 5% of Earth's surface in the Archaean, and that it does not depend on crustal growth. This allows to reconcile the evolution of oceanic 87Sr/86Sr with early crustal growth models. Continents are enriched in phosphorus, which is essential to the biosphere. The emergence of the continents would thus have triggered an increase in the production of oxygen by photosynthetic micro-organisms, possibly contributing to the oxidation of the atmosphere 2. 4 Ga ago.