Formation de fer rubanée métamorphisée du sud du Wyoming montrant une fine stratification. La roche est âgée d’environ 2,7 milliards d’années. Les bandes sombres sont des oxydes de fer (magnétite, hématite) et les bandes rouge-orange sont du chert avec des inclusions d’oxyde de fer (jaspe). Crédit : Linda Welzenbach-Fries/Rice University
De nouvelles recherches suggèrent que d’anciens micro-organismes ont contribué à provoquer des événements volcaniques massifs.
Les formations de fer rubané, roches sédimentaires présentant des strates étonnantes de couleur orange brûlé, jaune, argent, brun et noir bleuté, pourraient avoir été le catalyseur de certaines des plus grandes éruptions volcaniques de l’histoire de la Terre, selon une étude récente de l’université Rice.
Ces roches sont composées d’oxydes de fer qui ont coulé au fond des océans il y a très longtemps et se sont solidifiées en couches denses au fil du temps. L’étude récemment publiée dans Nature Geoscience propose que ces couches riches en fer puissent servir de pont entre les anciennes modifications de la surface – telles que l’apparition de la vie photosynthétique – et les processus planétaires tels que le volcanisme et la tectonique des plaques.
En plus de relier des processus planétaires que l’on pensait généralement sans lien, l’étude pourrait recadrer la compréhension qu’ont les scientifiques de l’histoire primitive de la Terre et donner un aperçu des processus qui pourraient produire des exoplanètes habitables loin de notre système solaire.
« Ces roches racontent – littéralement – l’histoire d’un environnement planétaire en mutation », explique Duncan Keller, auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral au département des sciences de la terre, de l’environnement et des planètes de l’université Rice. « Ils incarnent un changement dans la chimie de l’atmosphère et des océans.
Duncan Keller est chercheur postdoctoral au département des sciences de la terre, de l’environnement et des planètes de l’université Rice. Il est l’auteur principal de l’étude publiée dans Nature Geoscience. Crédit : Jeff Fitlow/Université de Rice
Les formations de fer rubané sont des sédiments chimiques précipités directement à partir d’une ancienne eau de mer riche en fer dissous. On pense que les actions métaboliques des micro-organismes, y compris la photosynthèse, ont facilité la précipitation des minéraux, qui se sont formés couche par couche au fil du temps avec le chert (dioxyde de silicium microcristallin). Les dépôts les plus importants se sont formés lorsque l’oxygène s’est accumulé dans l’atmosphère terrestre, il y a environ 2,5 milliards d’années.
« Ces roches se sont formées dans les anciens océans, et nous savons que ces océans ont ensuite été fermés latéralement par des processus de tectonique des plaques », a expliqué M. Keller.
Le manteau, bien que solide, s’écoule comme un fluide à la vitesse à laquelle poussent les ongles. Les plaques tectoniques – des sections de la croûte et du manteau supérieur de la taille d’un continent – sont constamment en mouvement, en grande partie à cause des courants de convection thermique dans le manteau. Les processus tectoniques de la Terre contrôlent les cycles de vie des océans.
« Tout comme l’océan Pacifique se referme aujourd’hui – il subducte sous le Japon et sous l’Amérique du Sud – les anciens bassins océaniques ont été détruits par la tectonique. « Ces roches ont dû être poussées sur les continents et préservées – et nous en voyons qui sont préservées, c’est de là que viennent celles que nous observons aujourd’hui – ou subductées dans le manteau.
Formation de fer rubanée métamorphisée du groupe de Hamersley en Australie occidentale. La roche est âgée d’environ 2,5 milliards d’années. Les bandes sombres sont des oxydes de fer (hématite, magnétite), les bandes rougeâtres sont du chert avec des inclusions d’oxyde de fer (jaspe), et les bandes dorées sont de l’amphibole et du quartz. Spécimen collecté par Cin-Ty Lee. Crédit : Linda Welzenbach-Fries/Rice University
En raison de leur forte teneur en fer, les formations de fer rubanées sont plus denses que le manteau, ce qui a amené Keller à se demander si des morceaux de ces formations, subductés, n’ont pas coulé jusqu’au fond et ne se sont pas déposés dans la région la plus basse du manteau, près de la partie supérieure du noyau de la Terre. Là, sous l’effet d’une température et d’une pression immenses, ils auraient subi de profondes modifications, leurs minéraux adoptant des structures différentes.
« Il existe des travaux très intéressants sur les propriétés des oxydes de fer dans ces conditions », a déclaré M. Keller. « Ils peuvent devenir très conducteurs de chaleur et d’électricité. Certains d’entre eux transfèrent la chaleur aussi facilement que les métaux. Il est donc possible qu’une fois dans le manteau inférieur, ces roches se transforment en masses extrêmement conductrices, comme des plaques chauffantes.
Keller et ses collègues estiment que les régions enrichies en formations de fer subductées pourraient favoriser la formation de panaches mantelliques, des conduits ascendants de roches chaudes au-dessus des anomalies thermiques du manteau inférieur qui peuvent produire d’énormes volcans tels que ceux qui ont formé les îles Hawaï. « Sous Hawaï, les données sismologiques nous montrent un conduit chaud de remontée du manteau », a déclaré M. Keller. « Imaginez un point chaud sur le brûleur de votre cuisinière. Lorsque l’eau de votre casserole bout, vous voyez de plus en plus de bulles au-dessus d’une colonne d’eau qui monte dans cette zone. Les panaches du manteau sont en quelque sorte une version géante de ce phénomène ».
Formation de fer rubanée métamorphisée du sud du Wyoming montrant des déformations et des plis. La roche est âgée d’environ 2,7 milliards d’années. Les bandes sombres sont des oxydes de fer (magnétite, hématite) et les bandes jaune-orange sont du chert avec des inclusions d’oxyde de fer (jaspe). Crédit : Linda Welzenbach-Fries/Rice University
« Nous avons examiné les âges de dépôt des formations de fer rubané et les âges des grandes éruptions basaltiques, appelées grandes provinces ignées, et nous avons constaté qu’il y avait une corrélation », a déclaré M. Keller. « De nombreux événements ignés – qui étaient si massifs que les 10 ou 15 plus importants auraient pu suffire à refaire la surface de la planète entière – ont été précédés par le dépôt de formations de fer rubané à des intervalles d’environ 241 millions d’années, à plus ou moins 15 millions d’années. Il s’agit d’une forte corrélation avec un mécanisme logique ».
L’étude a montré qu’il existait un laps de temps plausible pour que les formations de fer rubanées soient d’abord entraînées en profondeur dans le manteau inférieur et qu’elles influencent ensuite le flux de chaleur pour conduire un panache vers la surface de la Terre, à des milliers de kilomètres d’altitude.
Dans ses efforts pour retracer le parcours des formations de fer rubané, Keller a franchi les frontières disciplinaires et a rencontré des idées inattendues.
Si ce qui se passe dans les premiers océans, après que des micro-organismes ont modifié chimiquement les environnements de surface, finit par créer un énorme épanchement de lave quelque part ailleurs sur Terre 250 millions d’années plus tard, cela signifie que ces processus sont liés et qu’ils « parlent » les uns aux autres », a déclaré M. Keller. « Cela signifie également qu’il est possible que ces processus aient des échelles de temps beaucoup plus grandes que ce que l’on pensait. Pour pouvoir déduire cela, nous avons dû nous appuyer sur des données provenant de nombreux domaines différents tels que la minéralogie, la géochimie, la géophysique et la sédimentologie. »
M. Keller espère que l’étude encouragera d’autres recherches. « J’espère qu’elle motivera les gens dans les différents domaines qu’elle touche », a-t-il déclaré. « Je pense qu’il serait vraiment formidable que cela amène les gens à discuter entre eux de manière renouvelée de la manière dont les différentes parties du système terrestre sont connectées.
Keller fait partie du projet CLEVER Planets : Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets (Cycles des éléments volatils essentiels à la vie dans les planètes rocheuses), un groupe interdisciplinaire et multi-institutionnel de scientifiques dirigé par Rajdeep Dasgupta, professeur W. Maurice Ewing de sciences des systèmes terrestres au département des sciences de la terre, de l’environnement et des planètes de l’université Rice.
« Il s’agit d’une collaboration extrêmement interdisciplinaire qui étudie le comportement des éléments volatils importants pour la biologie – carbone, hydrogène, azote, oxygène, phosphore et soufre – dans les planètes, la manière dont les planètes acquièrent ces éléments et le rôle qu’ils jouent pour rendre les planètes potentiellement habitables », a déclaré M. Keller.
« Nous utilisons la Terre comme meilleur exemple, mais nous essayons de comprendre ce que la présence ou l’absence d’un ou de plusieurs de ces éléments pourrait signifier pour les planètes en général », a-t-il ajouté.
Référence : « Links between large igneous province volcanism and subducted iron formations » par Duncan S. Keller, Santiago Tassara, Leslie J. Robbins, Cin-Ty A. Lee, Jay J. Ague et Rajdeep Dasgupta, 25 mai 2023, Nature Geoscience.
DOI: 10.1038/s41561-023-01188-1
L’étude a été financée par la NASA et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.