Les continents font partie de ce qui rend la Terre particulièrement habitable pour la vie parmi les planètes du système solaire, mais étonnamment, on comprend peu de choses sur ce qui a donné naissance à ces énormes morceaux de la croûte de la planète et leurs propriétés particulières. De nouvelles recherches d’Elizabeth Cottrell, géologue de recherche et conservatrice des roches au Musée national d’histoire naturelle du Smithsonian, et l’auteure principale de l’étude Megan Holycross, anciennement boursière Peter Buck et boursière de la National Science Foundation au musée et maintenant professeure adjointe à l’Université Cornell, approfondit la compréhension de la croûte terrestre en testant et finalement en éliminant une hypothèse populaire sur la raison pour laquelle la croûte continentale est plus faible en fer et plus oxydée que la croûte océanique. La composition pauvre en fer de la croûte continentale est l’une des principales raisons pour lesquelles de vastes portions de la surface de la Terre se dressent au-dessus du niveau de la mer en tant que terre sèche, rendant la vie terrestre possible aujourd’hui.
L’étude, publiée aujourd’hui dans Scienceutilise des expériences de laboratoire pour montrer que la chimie appauvrie en fer et oxydée typique de la croûte continentale terrestre ne provient probablement pas de la cristallisation du grenat minéral, comme une explication populaire proposée en 2018.
Les éléments constitutifs de la nouvelle croûte continentale sortent des profondeurs de la Terre sur ce que l’on appelle les volcans de l’arc continental, qui se trouvent dans les zones de subduction où une plaque océanique plonge sous une plaque continentale. Dans l’explication du grenat pour l’état appauvri en fer et oxydé de la croûte continentale, la cristallisation du grenat dans les magmas sous ces volcans de l’arc continental élimine le fer non oxydé (réduit ou ferreux, comme on l’appelle parmi les scientifiques) des plaques terrestres, épuisant simultanément le magma fondu du fer et le laissant plus oxydé.
L’une des principales conséquences de la faible teneur en fer de la croûte continentale de la Terre par rapport à la croûte océanique est qu’elle rend les continents moins denses et plus flottants, ce qui fait que les plaques continentales reposent plus haut sur le manteau de la planète que les plaques océaniques. Cet écart de densité et de flottabilité est l’une des principales raisons pour lesquelles les continents présentent des terres sèches tandis que les croûtes océaniques sont sous l’eau, ainsi que la raison pour laquelle les plaques continentales sortent toujours au-dessus lorsqu’elles rencontrent des plaques océaniques dans les zones de subduction.
L’explication du grenat pour l’épuisement et l’oxydation du fer dans les magmas de l’arc continental était convaincante, mais Cottrell a déclaré qu’un aspect ne lui convenait pas.
« Vous avez besoin de hautes pressions pour rendre le grenat stable, et vous trouvez ce magma à faible teneur en fer à des endroits où la croûte n’est pas si épaisse et donc la pression n’est pas très élevée », a-t-elle déclaré.
En 2018, Cottrell et ses collègues se sont mis à trouver un moyen de tester si la cristallisation du grenat profondément sous ces volcans d’arc est en effet essentielle au processus de création de la croûte continentale telle qu’elle est comprise. Pour ce faire, Cottrell et Holycross ont dû trouver des moyens de reproduire la chaleur et la pression intenses de la croûte terrestre en laboratoire, puis développer des techniques suffisamment sensibles pour mesurer non seulement la quantité de fer présente, mais aussi pour différencier si ce fer était oxydé. .
Pour recréer la pression et la chaleur massives trouvées sous les volcans de l’arc continental, l’équipe a utilisé ce qu’on appelle des presses à piston-cylindre dans le laboratoire à haute pression du musée et à Cornell. Une presse hydraulique à piston-cylindre a à peu près la taille d’un mini-réfrigérateur et est principalement constituée d’acier et de carbure de tungstène incroyablement épais et résistants. La force appliquée par un grand vérin hydraulique entraîne des pressions très élevées sur de minuscules échantillons de roche, d’environ un millimètre cube. L’ensemble est constitué d’isolants électriques et thermiques entourant l’échantillon de roche, ainsi que d’un four cylindrique. La combinaison de la presse piston-cylindre et de l’ensemble de chauffage permet des expériences qui peuvent atteindre les très hautes pressions et températures trouvées sous les volcans.
Dans 13 expériences différentes, Cottrell et Holycross ont cultivé des échantillons de grenat provenant de roche en fusion à l’intérieur de la presse à piston-cylindre sous des pressions et des températures conçues pour simuler les conditions à l’intérieur des chambres magmatiques profondes de la croûte terrestre. Les pressions utilisées dans les expériences variaient de 1,5 à 3 gigapascals, soit environ 15 000 à 30 000 atmosphères terrestres de pression ou 8 000 fois plus de pression qu’à l’intérieur d’une canette de soda. Les températures variaient de 950 à 1 230 degrés Celsius, ce qui est suffisamment chaud pour faire fondre la roche.
Ensuite, l’équipe a collecté des grenats de la National Rock Collection du Smithsonian et d’autres chercheurs du monde entier. Surtout, ce groupe de grenats avait déjà été analysé afin que leurs concentrations de fer oxydé et non oxydé soient connues.
Enfin, les auteurs de l’étude ont apporté les matériaux de leurs expériences et ceux recueillis dans les collections à la source avancée de photons du laboratoire national d’Argonne du département américain de l’énergie dans l’Illinois. Là, l’équipe a utilisé des faisceaux de rayons X à haute énergie pour effectuer une spectroscopie d’absorption des rayons X, une technique qui peut renseigner les scientifiques sur la structure et la composition des matériaux en fonction de la façon dont ils absorbent les rayons X. Dans ce cas, les chercheurs examinaient les concentrations de fer oxydé et non oxydé.
Les échantillons avec des ratios connus de fer oxydé et non oxydé ont fourni un moyen de vérifier et d’étalonner les mesures de spectroscopie d’absorption des rayons X de l’équipe et ont facilité une comparaison avec les matériaux de leurs expériences.
Les résultats de ces tests ont révélé que les grenats n’avaient pas incorporé suffisamment de fer non oxydé provenant des échantillons de roche pour tenir compte des niveaux d’appauvrissement en fer et d’oxydation présents dans les magmas qui sont les éléments constitutifs de la croûte continentale terrestre.
« Ces résultats font du modèle de cristallisation du grenat une explication extrêmement improbable de la raison pour laquelle les magmas des volcans de l’arc continental sont oxydés et appauvris en fer », a déclaré Cottrell. « Il est plus probable que les conditions dans le manteau terrestre sous la croûte continentale créent ces conditions oxydées. »
Comme tant de résultats scientifiques, les découvertes amènent à plus de questions : » Qu’est-ce qui provoque l’oxydation ou l’appauvrissement en fer ? » a demandé Cotrell. « Si ce n’est pas la cristallisation du grenat dans la croûte et que c’est quelque chose à propos de la façon dont les magmas arrivent du manteau, alors que se passe-t-il dans le manteau ? Comment leurs compositions ont-elles été modifiées ? »
Cottrell a déclaré qu’il est difficile de répondre à ces questions, mais que la théorie principale est maintenant que le soufre oxydé pourrait oxyder le fer, ce qu’un boursier Peter Buck actuel étudie sous son mentorat au musée.
Cette étude est un exemple du type de recherche que les scientifiques du musée aborderont dans le cadre de la nouvelle initiative Our Unique Planet du musée, un partenariat public-privé, qui soutient la recherche sur certaines des questions les plus persistantes et les plus importantes sur ce qui rend la Terre spéciale. D’autres recherches étudieront la source des océans liquides de la Terre et comment les minéraux ont pu servir de modèles pour la vie.
Cette recherche a été financée par le Smithsonian, la National Science Foundation, le Department of Energy et la Lyda Hill Foundation.
