Le pilote d’Apollo 8, Bill Anders, a capturé cette photo emblématique de la Terre en orbite autour de la Lune la veille de Noël, le 24 décembre 1968. Les continents de la Terre, uniques dans le système solaire, sont visibles et s’élèvent au-dessus de l’océan. Crédit : NASA
Les nouvelles expériences soulèvent des questions sur l’explication commune des propriétés qui donnent naissance à la terre sèche.
Bien qu’il s’agisse d’un facteur crucial pour faire de la Terre un endroit plus hospitalier pour la vie par rapport aux autres planètes du système solaire, les origines et les caractéristiques uniques des continents, ainsi que des morceaux massifs de la croûte de la planète, restent en grande partie un mystère.
Une étude récente d’Elizabeth Cottrell, géologue de recherche et conservatrice des roches au Smithsonian National Museum of Natural History, et de Megan Hollickross, Peter Buck Fellow et National Science Foundation Fellow au musée et maintenant professeur adjoint à l’Université Cornell, a fait progresser nos connaissances. de la croûte terrestre en testant et en réfutant une théorie largement répandue liée à la faible teneur en fer et aux niveaux redox plus élevés de la croûte continentale par rapport à la croûte océanique.
La mauvaise composition du fer dans 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 récemment publiée dans la revue les sciencesutilise des expériences de laboratoire pour montrer que la chimie oxydative appauvrissant le fer typique de la croûte continentale terrestre ne provient probablement pas de la cristallisation de la calcédoine minérale, interprétation commune proposé en 2018.
Les éléments constitutifs de la nouvelle croûte continentale éclatent du plus profond de la Terre dans ce que l’on appelle les volcans de l’arc continental, qui se trouvent dans les zones de subduction où une plaque océanique s’enfonce sous une plaque continentale. Dans l’explication du grenat de l’état appauvri et oxydé du fer dans la croûte continentale, la cristallisation du grenat dans le magma sous ces volcans continentaux élimine le fer non oxydé (réduit ou ferrique, comme on l’appelle parmi les scientifiques) des plaques terrestres, appauvrissant le fer au en même temps. Le magma fait fondre le fer en le laissant plus oxydé.
Micrographies d’une expérience menée pour cette étude. L’image contient du verre (marron), une grande agate (rose) et d’autres petits cristaux minéraux. Le champ de vision mesure 410 μm de large, soit environ la taille d’un cristal de sucre. Crédit : J. MacPherson et E. Cottrell, Smithsonian
Une conséquence majeure de la diminution de la teneur en fer de la croûte continentale terrestre par rapport à la croûte océanique est qu’elle rend les continents moins denses et plus flottants, provoquant l’élévation des plaques continentales au-dessus du manteau de la planète à partir des plaques océaniques. Cette différence de densité et de flottabilité est l’une des principales raisons pour lesquelles les continents ont des terres sèches alors que les croûtes océaniques sont sous l’eau, et pourquoi les plaques continentales apparaissent toujours au-dessus lorsqu’elles rencontrent des plaques océaniques dans les zones de subduction.
L’explication de Garnet sur l’épuisement et l’oxydation du fer dans l’arc continental du magma était convaincante, mais Cottrell a déclaré qu’un aspect ne lui convenait tout simplement pas.
« Vous avez besoin de hautes pressions pour rendre l’agate stable, et vous trouvez ces magmas à faible teneur en fer dans des endroits où la croûte n’est pas aussi épaisse, donc la pression n’est pas très élevée », a-t-elle déclaré.
En 2018, Cottrell et ses collègues ont cherché un moyen de tester si la cristallisation des grenats en profondeur sous ces volcans d’arc était effectivement nécessaire au processus de formation de la croûte continentale telle qu’elle est comprise. Pour y parvenir, Cottrell et Holicros ont dû trouver des moyens de reproduire la chaleur et la pression extrêmes de la croûte terrestre en laboratoire, puis développer des techniques suffisamment sensibles pour non seulement mesurer la quantité de fer présente, mais aussi pour distinguer l’oxydation de ce fer.
Pour recréer l’énorme pression et la chaleur trouvées sous les volcans de l’arc continental, l’équipe a utilisé des presses à cylindre à piston au laboratoire haute pression du musée et à Cornell. Le piston d’un cylindre à piston hydraulique a à peu près la taille d’un mini-réfrigérateur et est composé principalement d’acier et de carbure de tungstène incroyablement épais et résistants. La force appliquée par un gros piston hydraulique entraîne des pressions très élevées sur de petits 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. L’association d’une presse piston-cylindre et d’un ensemble chauffant permet des expériences pouvant atteindre les très hautes pressions et températures rencontrées sous les volcans.
Elizabeth Cottrell, géologue de recherche et conservatrice des roches au Musée national d’histoire naturelle de la Smithsonian Institution, télécharge une expérience dans le laboratoire de son musée. Crédit : Jennifer Renteria, Smithsonian
Dans 13 expériences différentes, Cottrell et Holicros ont fait pousser des échantillons de grenat de roche en fusion à l’intérieur d’une presse à cylindre à piston sous des pressions et des températures conçues pour simuler les conditions à l’intérieur des chambres magmatiques au plus profond de la croûte terrestre. Les pressions utilisées dans les expériences variaient de 1,5 à 3 gigapascals, soit environ 15 000 à 30 000 pressions terrestres, soit 8 000 fois plus que la pression à l’intérieur d’une canette de soda. Les températures variaient de 950 à 1230 degrés[{ » attribute= » »>Celsius, which is hot enough to melt rock.
Next, the team collected garnets from Smithsonian’s National Rock Collection and from other researchers around the world. Crucially, this group of garnets had already been analyzed so their concentrations of oxidized and unoxidized iron were known.
Finally, the study authors took the materials from their experiments and those gathered from collections to the Advanced Photon Source at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois. There the team used high-energy X-ray beams to conduct X-ray absorption spectroscopy, a technique that can tell scientists about the structure and composition of materials based on how they absorb X-rays. In this case, the researchers were looking into the concentrations of oxidized and unoxidized iron.
The samples with known ratios of oxidized and unoxidized iron provided a way to check and calibrate the team’s X-ray absorption spectroscopy measurements and facilitated a comparison with the materials from their experiments.
The results of these tests revealed that the garnets had not incorporated enough unoxidized iron from the rock samples to account for the levels of iron depletion and oxidation present in the magmas that are the building blocks of Earth’s continental crust.
“These results make the garnet crystallization model an extremely unlikely explanation for why magmas from continental arc volcanoes are oxidized and iron-depleted,” Cottrell said. “It’s more likely that conditions in Earth’s mantle below continental crust are setting these oxidized conditions.”
Like so many results in science, the findings lead to more questions: “What is doing the oxidizing or iron depleting?” Cottrell asked. “If it’s not garnet crystallization in the crust and it’s something about how the magmas arrive from the mantle, then what is happening in the mantle? How did their compositions get modified?”
Cottrell said that these questions are hard to answer but that now the leading theory is that oxidized sulfur could be oxidizing the iron, something a current Peter Buck Fellow is investigating under her mentorship at the museum.
Reference: “Garnet crystallization does not drive oxidation at arcs” by Megan Holycross and Elizabeth Cottrell, 4 May 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.ade3418
This study is an example of the kind of research that museum scientists will tackle under the museum’s new Our Unique Planet initiative, a public–private partnership, which supports research into some of the most enduring and significant questions about what makes Earth special. Other research will investigate the source of Earth’s liquid oceans and how minerals may have served as templates for life.
The study was funded by the Smithsonian, the National Science Foundation, the Department of Energy, and the Lyda Hill Foundation.
