La géochimie isotopique du zirconium dans le manteau et la croûte de la terre

The zirconium isotope geochemistry of the Earth's mantle and crust

• Auteur / Autrice : Shengyu Tian
• Direction : Frédéric Moynier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 20/10/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Estelle F. Rose-Koga
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Estelle F. Rose-Koga, Helen M. Williams, Paul Savage, Vincent Busigny
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Helen M. Williams, Paul Savage

Mots clés

Mots clés contrôlés

Loess

Magmatisme

Lithosphère

Terre -- Manteau

Zircone

Mots clés libres

Isotopique du zirconium

Manteau

Croûte

Le recyclage de la croûte

Zr isotope

Mantle

Crust

Crustal recycling

Résumé

La Terre est la seule planète terrestre à présenter une tectonique des plaques, bien que la date de son déclenchement fasse encore l'objet de débats animés. La production de la croûte continentale felsique est généralement considérée comme un indicateur de l'initiation de la subduction et, par extension, de la tectonique des plaques. Le zirconium est un élément réfractaire, lithophile et l'un des moins mobiles dans les fluides. Son abondance n'est pas affecté par l'évaporation, la ségrégation noyau-manteau ou les interactions fluide-roche, ce qui limite la source potentielle de variations isotopiques entre les roches terrestres. L'observation récente de variations isotopiques stables de Zr relativement importantes dues à la cristallisation du zircon pendant la différenciation magmatique suggère que les isotopes stables de Zr pourraient devenir un nouveau proxy majeur pour contraindre l'évolution de la composition chimique de la croûte terrestre. Cependant, la composition isotopique stable du Zr des enveloppes terrestres est inconnue. Pour calibrer davantage ce proxy, la première étape est donc de déterminer la composition isotopique en Zr du manteau terrestre et de la croûte continentale et leurs interactions au cours du temps. À cette fin, j'ai d'abord développé un nouveau protocole analytique pour analyser la composition isotopique stable du Zr des roches terrestres et des minéraux simples de zircons avec la plus grande précision, ainsi que calibrer un nouvel étalon isotopique. J'ai ensuite utilisé cette nouvelle méthode pour établir l'évolution séculaire de la composition isotopique du Zr du manteau terrestre à partir de komatiites dont l'âge varie de 2,41 à 3,55 Ga, et de basaltes modernes des îles océaniques. Les données démontrent que le manteau terrestre avait une composition isotopique en Zr constante à travers le temps et nous avons utilisé ces données pour proposer la première estimation de la composition isotopique en Zr du manteau terrestre. Dans une autre contribution, j'ai contraint la composition isotopique du Zr de la croûte continentale supérieure de la Terre à travers le temps (du Mésoarchéen à nos jours) en me basant sur diverses roches sédimentaires : diamictites glaciaires, loess et sédiments océaniques, et j'ai démontré que la croûte continentale de la Terre est isotopiquement plus lourde que le manteau de la Terre, probablement en raison de la cristallisation fractionnée pendant la différenciation de la croûte. Enfin, étant donné que la croûte terrestre est isotopiquement différente du manteau terrestre en Zr, nous avons utilisé les isotopes de Zr pour mieux comprendre le recyclage de la croûte dans le manteau terrestre. Nous fournissons une estimation de la systématique isotopique du Zr pour des laves d'îles océaniques recueillies dans des endroits géochimiquement et géologiquement divers, y compris des sources de manteau à haute teneur en 3He/4He, HIMU, EM1 et EM2. Alors que les laves à haute teneur en 3He/4He, HIMU et EM1 ont une composition isotopique en Zr indiscernable du manteau, les laves EM2 de Samoa sont enrichies en isotopes plus lourds du Zr par rapport au manteau terrestre et la composition isotopique en Zr montre une co-variation avec les rapports 87Sr/86Sr et 144Nd/143Nd. Nous montrons que la signature isotopique du Zr n'est pas le résultat de la saturation du zircon, de la fusion et de l'assimilation superficielle du manteau, mais reflète un mélange binaire entre un manteau légèrement appauvri avec une composition isotopique légère du Zr et un composant recyclé de la croûte continentale supérieure avec une composition isotopique plus lourde.

The Earth is the only terrestrial planet with plate tectonics, though the timing of its initiation is still vigorously debated. The production of the overwhelming felsic continental crust is usually taken as a proxy to trace the initiation of subduction and, by extension, plate tectonics. Zirconium is a refractory, lithophile, and one of the least fluid mobile elements, therefore its signature is not affected by evaporation, core-mantle segregation or fluid-rock interactions, limiting the potential source of isotopic variations among terrestrial rocks. The recent observation of relatively large Zr stable isotopic variations due to zircon crystallization during magmatic differentiation suggested that Zr stable isotopes could be used as a new proxy to constrain the chemical compositional evolution of Earth's crust. However, the present knowledge of the Zr stable isotopic composition of Earth's envelop is unknown. To further calibrate this potential proxy, the first step is therefore to determine the Zr isotope composition of Earth's mantle and continental crust and their interactions through time. To this end, I have first developed a new analytical protocol to analyze the Zr stable isotopic composition of terrestrial rocks and single minerals of zircons at the highest precision as well as calibrate a new isotopic standard. I have then utilized this new method to establish the secular evolution of the Zr isotopic composition of the Earth's mantle based on komatiites with ages spanning from 2.41 to 3.55 Ga, and modern ocean island basalts. The data demonstrate that the Earth's mantle had a constant Zr isotopic composition through time and we used these data to propose the first estimate of the Zr isotopic composition of the Earth's mantle. In an additional contribution, I have constrained the Zr isotopic composition of the Earth's upper continental crust through time (Mesoarchean to present) based on various sedimentary rocks: glacial diamictites, loess, and oceanic sediments, and demonstrated that Earth's continental crust is isotopically heavier to the Earth's mantle, likely due to fractional crystallization during crustal differentiation. Finally, given that the terrestrial crust is isotopically different from the Earth's mantle in Zr, we utilized Zr isotopes to better understand crustal recycling in the Earth's mantle. We provide an estimation of Zr isotopic systematics for oceanic island lavas collected from geochemically and geologically diverse locations, including High 3He/4He, HIMU, EM1, and EM2 mantle sources. While high 3He/4He, HIMU, and EM1 have indistinguishable Zr isotopic composition within error relative to the mantle, Samoan EM2 lavas are enriched in the heavier isotopes of Zr compared to the Earth's mantle, and the Zr isotopic composition show co-variation with 87Sr/86Sr and 144Nd/143Nd ratios. We show that the Zr isotopic signature is not a result of zircon saturation, mantle melting, and shallow/assimilation but reflect a binary mixing between a slightly depleted mantle with light Zr isotopic composition with a recycled component from the upper continental crust with a heavier isotopic composition.