The largest and longest-lived low-δ18O magmatic event on Earth

Résumé technique : L'événement magmatique à faible $\delta^{18}\text{O}$ le plus vaste et le plus long de la Terre

Énoncé du problème
Les magmas siliciques à faible $\delta^{18}\text{O}$ sont des caractéristiques géologiques rares qui enregistrent le transfert des eaux de surface dans la croûte, offrant une fenêtre sur les interactions hydrosphère-lithosphère. Bien que les modèles existants lient ces magmas soit à une modification hydrothermale superficielle, soit à la refonte de sources crustales altérées, l'oxygène isotopique seul ne peut distinguer ces processus ni expliquer pourquoi le magmatisme à faible $\delta^{18}\text{O}$ est devenu exceptionnellement répandu et durable durant le Néoprotérozoïque (spécifiquement de 920 à 680 Ma). Des études antérieures ont identifié des anomalies isolées, mais l'échelle et la durée du pic néoprotérozoïque suggèrent un événement transcontinental soutenu qui ne peut être expliqué par un mécanisme local unique.

Méthodologie
Pour répondre aux limites des modèles existants, les auteurs ont développé un cadre profondeur-fluide qui intègre les estimations de la profondeur de cristallisation des zircons avec la modélisation des réactions eau-roche. L'étude a employé les approches suivantes :

1. Compilation de données mondiales et Indice de Sévérité de l'Événement (ISE) : Une base de données mondiale de données $\delta^{18}\text{O}$ sur les zircons a été compilée. Les auteurs ont introduit une nouvelle métrique, l'Indice de Sévérité de l'Événement (ISE), pour évaluer quantitativement l'intensité, la durée et l'abondance des événements magmatiques à faible $\delta^{18}\text{O}$. Un groupe d'anomalie a été défini par $\ge 5$ analyses valides avec $\ge 10\ \%$ de valeurs inférieures à $4,7\text{‰}$.
2. Estimation de la profondeur : Les profondeurs de cristallisation des zircons ont été estimées en utilisant la moyenne géométrique des rapports $^{176}\text{Lu}/^{177}\text{Hf}$ comme traceur de pression, calibrée pour les populations de zircons plutôt que pour des grains individuels.
3. Modélisation Eau-Roche : Des modèles thermodynamiques ont simulé l'échange d'isotopes de l'oxygène pour des compositions de granite, de diorite et de gabbro sous diverses températures ($200\text{--}450\text{ °C}$), des rapports eau/roche (W/R) et des valeurs de $\delta^{18}\text{O}$ de fluides (allant de météoriques à de type eau de mer).
4. Analyse de cas d'étude : De nouvelles données géochronologiques, de isotopes Hf–O et géochimiques ont été générées à partir d'intrusions felsiques le long de la marge ouest du Yangtze (Chine du Sud) et comparées avec des jeux de données mondiaux provenant de Madagascar, de l'Inde et du Bouclier Arabo-Nubien.

Résultats clés

• Identification du maximum mondial : L'intervalle 920–680 Ma représente l'événement magmatique à faible $\delta^{18}\text{O}$ le plus vaste, le plus long et le plus intense de l'histoire de la Terre, avec un ISE de $71,12$, dépassant significativement d'autres événements majeurs (ex. 220–120 Ma et 3960–3820 Ma). La phase centrale d'intensité maximale s'est produite entre 850 et 700 Ma.
• Deux modes de profondeur distincts : L'analyse des profondeurs de cristallisation des zircons a révélé deux modes contrastés :
  • Mode superficiel (0–5 km) : Dominant en Chine du Sud, au nord de Madagascar et en Inde. Ces zircons se sont cristallisés dans la croûte supérieure, avec une proportion significative ($< 1\text{ km}$) indiquant des processus proches de la surface.
  • Mode profond (> 15 km) : Observé dans le centre de Madagascar et le Bouclier Arabo-Nubien. Ces zircons se sont cristallisés à des profondeurs dépassant 15 km, certains étant enregistrés à plus de 60 km, bien en dessous de la portée de la circulation météorique directe.
• Contraintes sur les extrémités de fluides : La modélisation eau-roche a indiqué que les deux modes nécessitent des régimes de fluides distincts :
  • Systèmes felsiques superficiels : Nécessitent des fluides météoriques fortement appauvris ($\delta^{18}\text{O} \approx -8$ à $-10\text{‰}$) pour abaisser les valeurs de $\delta^{18}\text{O}$ de la roche aux niveaux observés.
  • Systèmes mafiques profonds : Peuvent être expliqués par des fluides de type eau de mer ($\delta^{18}\text{O} \approx -2$ à $0\text{‰}$) interagissant avec des protolithes mafiques à haute température et haute pression.
• Systématique des isotopes Hf : Les échantillons superficiels présentaient une forte dispersion des valeurs $\varepsilon\text{Hf}(t)$, suggérant des précurseurs felsiques hétérogènes modifiés par des fluides de surface. En revanche, les échantillons profonds montraient des valeurs $\varepsilon\text{Hf}(t)$ nettement homogénéisées, indiquant qu'ils échantillonnaient des régions sources recyclées et intégrées.

Principales contributions
L'article établit un cadre profondeur–fluide qui parvient à découpler les mécanismes de la magmatie à faible $\delta^{18}\text{O}$. En corrélant la profondeur de cristallisation avec les exigences de fluides, l'étude démontre que la magmatie à faible $\delta^{18}\text{O}$ du Néoprotérozoïque n'était pas un phénomène à processus unique, mais impliquait au moins deux voies :

1. Voie superficielle : Circulation d'eau météorique dans des contextes de rift créant des réservoirs à faible $\delta^{18}\text{O}$ dans la croûte supérieure, qui ont été ultérieurement assimilés ou refondus.
2. Voie profonde : Recyclage de matériaux mafiques altérés par l'eau de mer (croûte océanique ou manteau modifié par la subduction) dans des régions sources crustales ou lithosphériques profondes.

L'étude affine également la compréhension de la province de Malani et de la Chine du Sud, en distinguant les modes de « apport immédiat en surface » des modes de « formation superficielle–enfouissement–recyclage de la croûte supérieure ».

Signification
Les auteurs affirment que l'échelle exceptionnelle du pic de faible $\delta^{18}\text{O}$ du Néoprotérozoïque est un signal géodynamique d'une intensification des échanges entre l'eau de surface et la lithosphère lors de la rupture du supercontinent Rodinia. La nature étendue de l'événement est attribuée à la coévolution efficace de deux processus pilotés par l'extension continentale :

1. Une infiltration accrue de l'eau météorique et une circulation hydrothermale dans les contextes de rifts superficiels.
2. Le recyclage profond de matériaux mafiques altérés par l'eau de mer via la subduction, le sous-placage ou le recyclage lithosphérique.

Cette étude conclut que l'anomalie du Néoprotérozoïque représente un événement magmatique transcontinental soutenu, piloté par les conditions tectoniques uniques de la rupture de Rodinia, plutôt que par une série d'anomalies locales isolées.