Dating ductile deformation of the Earth’s crust: the critical role of fluids

La croûte terrestre n'est pas une coquille statique ; c'est une couche dynamique qui se déplace, se replie et s'étire constamment sous une pression immense. Lorsque les roches situées profondément sous terre sont compressées et chauffées, elles ne se cassent pas toujours comme du verre fragile. Au lieu de cela, elles peuvent s'écouler lentement sur des millions d'années, un processus connu sous le nom de déformation ductile. Ce mouvement plastique et lent est crucial pour comprendre la formation des chaînes de montagnes et la manière dont la planète libère les contraintes. Pour construire des modèles précis de ces événements, les géologues doivent savoir exactement quand les roches étaient en mouvement. Cependant, déterminer l'âge de cet écoulement lent a longtemps été un casse-tête. Les méthodes traditionnelles supposent souvent qu'à mesure que les roches se déforment, leurs horloges chimiques internes sont automatiquement réinitialisées, fournissant un marqueur temporel clair pour l'événement. Mais cette hypothèse repose sur l'idée que les roches sont parfaitement mélangées et chimiquement uniformes, une idée difficile à vérifier sans observer de très près le monde microscopique à l'intérieur de la roche.

Une équipe de chercheurs issus d'universités suisses et allemandes a désormais remis en question cette hypothèse de longue date en examinant une tranche spécifique de la croûte terrestre dans les Alpes suisses. Ils se sont concentrés sur une zone où un granit ancien avait été compressé en une roche à grains fins appelée mylonite. En combinant des cartes chimiques à haute résolution avec des techniques de datation précises, ils ont découvert que le simple fait de presser la roche ne suffit pas à réinitialiser son horloge interne. Au lieu de cela, ils ont découvert que la présence de fluides riches en eau est l'ingrédient critique qui permet aux systèmes chimiques de la roche de se réinitialiser et d'enregistrer le temps de la déformation. Cette découverte modifie la façon dont les scientifiques interprètent l'histoire de la formation des montagnes, suggérant que sans fluide, la roche conserve les souvenirs de son passé, même pendant qu'elle est broyée et remodelée.

Les chercheurs ont étudié une section de la nappe de Gotthard, un énorme bloc de roche dans les Alpes suisses qui a été poussé vers le haut lors de la collision des plaques tectoniques européenne et adriatique. Ils ont collecté des échantillons de granit qui avaient été déformés à des degrés variables, allant de roches seulement légèrement étirées à des roches broyées en une mylonite fine et ultra-lisse. En utilisant des microscopes avancés et des analyseurs chimiques, ils ont créé des cartes détaillées des minéraux au sein de ces roches, en examinant spécifiquement le mica blanc, la biotite et le feldspath. Ces minéraux agissent comme des horloges naturelles car ils contiennent des éléments radioactifs qui se désintègrent à un taux connu, permettant aux scientifiques de calculer il y a combien de temps les minéraux se sont formés ou ont été chimiquement réinitialisés pour la dernière fois. L'équipe a utilisé deux méthodes de datation différentes, l'une basée sur le gaz argon piégé dans les minéraux et l'autre sur le rapport des isotopes du strontium, pour mesurer l'âge de différentes parties du même échantillon de roche.

Ce qu'ils ont trouvé fut surprenant. Dans les roches qui n'étaient que modérément déformées, les horloges chimiques montraient une large gamme d'âges, certains très anciens et d'autres plus jeunes. À mesure qu'ils se rapprochaient des parties les plus intensément déformées de la zone de cisaillement, là où la roche avait été broyée en une pâte fine, ils s'attendaient à trouver un âge unique et uniforme représentant le temps du broyage. Au lieu de cela, ils ont découvert que les roches les plus déformées contenaient encore des quantités significatives de matériel ancien non réinitialisé. L'abondance de ces « reliques » isotopiques anciennes augmentait en fait avec l'intensité de la déformation. Cela contredisait directement l'hypothèse selon laquelle la déformation et les réactions chimiques se produisent en parfaite synchronie. Si la roche était simplement en train d'être mélangée par la contrainte physique de la formation de la montagne, les signatures chimiques anciennes auraient dû être effacées. Le fait qu'elles persistent suggère que la contrainte physique seule ne peut pas réinitialiser l'horloge interne de la roche.

La clé pour déverrouiller le véritable moment de la déformation résidait dans les fluides. Les chercheurs ont identifié trois générations distinctes de minéraux. Les minéraux les plus anciens, qui se sont formés avant le début de la formation de la montagne, étaient préservés dans les cœurs de certains cristaux. Une deuxième génération s'est formée pendant le pic de la formation de la montagne, mais ces minéraux n'ont pleinement réinitialisé leurs horloges chimiques que dans les zones où les fluides étaient présents. La troisième génération est apparue plus tard, lors d'une phase de refroidissement, et était clairement liée à l'arrivée de nouveaux fluides qui ont provoqué le changement de composition des minéraux. En séparant soigneusement ces différentes générations de minéraux grâce à leurs empreintes chimiques, l'équipe a pu identifier des moments spécifiques dans le temps. Ils ont déterminé que la phase principale de la formation de la montagne et la déformation ductile associée se sont produites entre environ 18,8 et 17,1 millions d'années. Une phase ultérieure de refroidissement et de mouvement de fluides s'est produite vers 13,3 millions d'années.

L'étude a également révélé que les fluides étaient les principaux moteurs de la (ré)équilibration chimique et isotopique, plutôt que la compression physique de la roche ou la température seule. Bien que les roches ne soient pas dans un système parfaitement fermé, les chercheurs ont constaté que la mylonitisation s'est déroulée dans un système semi-fermé avec un accès limité aux fluides externes. Dans les zones les plus déformées, les signatures chimiques indiquaient que les fluides étaient rares, ce qui explique pourquoi les anciens signaux isotopiques persistaient malgré l'intensité de la contrainte. Ce n'est que là où les fluides ont facilité les réactions que les horloges isotopiques ont été réinitialisées pour enregistrer l'âge de la déformation. Les chercheurs ont conclu que le mouvement des fluides, plutôt que la simple compression physique de la roche ou la température seule, était le principal moteur permettant aux minéraux de se rééquilibrer et d'enregistrer l'âge de la déformation. Cela signifie que pour dater avec précision le moment où une chaîne de montagnes se construisait, les géologues doivent d'abord comprendre le rôle des fluides et utiliser la cartographie chimique pour distinguer les minéraux qui se sont formés pendant l'événement de ceux qui ne sont que de vieux vestiges.

Ce travail a des implications significatives sur la façon dont nous calculons la vitesse à laquelle la croûte terrestre se déforme. En identifiant les minéraux spécifiques qui ont été réinitialisés par les fluides lors de la déformation, les chercheurs ont calculé un taux de déformation d'environ 8,68 fois 10 à la puissance négative 14 par seconde. Leur estimation est plus précise que les calculs précédents car elle évite de mélanger les minéraux anciens et nouveaux, une erreur courante dans les études antérieures. Ce taux précis aide les scientifiques à lier le mouvement lent et profond de la croûte terrestre aux séismes plus rapides et fragiles qui se produisent près de la surface. Il montre que l'accumulation lente des contraintes dans la partie moyenne de la croûte peut être directement liée à la libération soudaine d'énergie dans la croûte supérieure.

Les résultats fournissent également une image plus claire de l'histoire géologique des Alpes. Le moment de la déformation concorde avec le mouvement vers l'ouest de la ceinture montagneuse, suggérant un lien direct entre l'étirement ductile profond de la croûte et le plissement plus superficiel qui a créé les montagnes du Jura. L'étude montre que la roche a été exhumée, ou remontée à la surface, d'une profondeur d'environ 33 kilomètres à environ 16 kilomètres sur une période de quatre millions d'années, se refroidissant de températures d'environ 537 degrés Celsius à 340 degrés Celsius. Ce refroidissement et cette remontée se sont produits à un taux d'environ 4,3 kilomètres par million d'années.

Enfin, cette recherche démontre que l'histoire de la formation des montagnes est écrite dans les détails chimiques des roches, mais seulement si nous savons les lire. La présence de fluides est la clé essentielle qui permet de réinitialiser les horloges internes des roches et d'enregistrer le temps de la déformation. Sans fluides, la roche conserve son ancienne histoire, même pendant qu'elle est remodelée. Cette découverte impose un changement dans la manière dont les géologues abordent la datation de la croûte terrestre. Il ne suffit plus de simplement broyer une roche et de la dater ; les scientifiques doivent désormais cartographier la composition chimique des minéraux pour trouver les parties spécifiques qui ont été réinitialisées par les fluides. Cette approche garantit que les dates obtenues reflètent réellement le moment où les montagnes se construisaient, plutôt qu'un mélange d'événements anciens et nouveaux. L'étude confirme que les fluides, et non seulement la chaleur ou la pression, sont les principaux moteurs du changement chimique dans la Terre profonde, et que la compréhension de cette relation est vitale pour reconstruire l'histoire dynamique de la planète.