L'histoire de la Terre est marquée par des cycles de construction - destruction de supercontinents, le tout orchestré par une dynamique profonde. Ces mêmes supercontinents ont profondément modifié l'évolution du climat et le cours de la vie sur Terre. Mais quel impact thermique ont-ils eu sur les sphères profondes de notre planète ? Dans une étude récente, des chercheurs, issus du laboratoire Géosciences environnement Toulouse (GET/OMP, UPS / IRD / CNRS / CNES), de la University of Sydney (Australie) et de l'Argonne national laboratory (États-Unis) proposent pour la première fois une vision globale de l'histoire magmatique de la Pangée, le dernier supercontinent.
Depuis qu'elle a commencé (1928), l'étude des roches volcaniques a fourni une masse considérable de données utiles à tous les domaines des sciences de la Terre. Dans le domaine de la pétrologie magmatique, de nombreux essais d'interprétation de ces données ont été tentés, en rapport avec les cycles géodynamiques globaux (cycles de Wilson, assemblage et démantèlement de supercontinents). Au coeur de cette géodynamique chimique, le concept du point chaud (1971) est devenu incontournable pour expliquer la production de magma au coeur des continents. Ce concept rend en effet compte avec succès (ou raison) d'un certain nombre d'observations, tels le volcanisme des chaînes d'îles océaniques, les bombements lithosphériques au coeur des océans, les essaims de dykes ou encore l'empilement et l'agencement des grandes séquences volcaniques. Quant à la notion de superplume (ou panache) mantellique, elle est maintenant considérée comme un mécanisme majeur des cycles wilsoniens, capable de fracturer un supercontinent en l'affaiblissant thermiquement.
Pourtant, au cours des années 80, une question en apparence triviale s'est posée, ébranlant le paradigme du plume: un supercontinent peut-il se comporter comme un couvercle de cocotte-minute capable de générer un phénomène de chauffe dans le manteau sous-jacent et ainsi de produire de facto un magmatisme intra-plaque pouvant conduire à la rupture de sa carapace ? Si tel était le cas, nul besoin alors d'instabilités profondes pour générer des anomalies thermiques en surface... La modélisation numérique a très vite confirmé cette hypothèse, mais aucune donnée pétrologique n'est venue en renfort de ce modèle. Rien d'étonnant à cela, car se pose ici un problème d'échelle: le géodynamicien travaille en effet à l'échelle des plaques continentales, alors que le pétrographe centre son étude sur un système volcanique pour en comprendre la mécanique interne. Comment dans ce cas rendre compatible des échelles si différentes ? Quelles informations échantillonner en pétrologie et surtout comment croiser ces informations avec celles de la géodynamique ?
Pour résoudre ce problème d'échelle, une équipe de chercheurs dont deux du GET a construit une base de données associant les roches à leurs minéraux (source Georoc). Pour tirer de ces 16 millions de métadonnées des informations sur l'évolution de la température des magmas au cours de l'histoire terrestre, ils ont utilisé plusieurs méthodes permettant d'établir si le minéral d'une roche était en équilibre avec cette dernière (le minéral s'est développé dans la matrice de la roche) ou non (le minéral est en position "rapportée", un phénomène fréquent lorsque des magmas se mélangent entre eux lors de leur remontée), car seuls des minéraux en équilibre peuvent donner une information en température.
Les chercheurs ont ainsi pu obtenir les résultats suivants. Au cours des 600 derniers millions d'années, les systèmes magmatiques continentaux ont enregistré une augmentation puis une baisse progressive de température, une évolution séculaire qui se superpose parfaitement à l'histoire tectonique de la Pangée, attestant d'un contrôle de surface sur la montée en température du manteau sous-continental et de ses magmas. Le morcellement de ce supercontinent, à partir de 200 Ma, a provoqué le refroidissement du manteau sous-continental d'environ 100°C. Ce refroidissement s'est exprimé de façon diachrone dans le signal magmatique, débutant par les séries les plus différenciées (magmas à amphiboles), formées ou évoluant dans les parties supérieures de la lithosphère, et se propageant aux termes les moins évolués (magmas à olivine), issus de la fusion du manteau convectif ou de sa base lithosphérique.
(a) Représentation de la Pangée, plus de 50 Ma après sa formation. Le supercontinent agit comme un couvercle isolant rigide (lithosphère) sur le manteau sous-jacent (asthénosphère), y produisant un élargissement des cellules de convection. Le manteau monte en température, alimentant un magmatisme qui affectera l'ensemble du supercontinent.
(b) Quelques 150 Ma plus tard, le supercontinent est en cours d'éclatement. La disparition du couvercle isolant condura au refroidissement progressif du manteau.
(c) Ce refroidissement s'est exprimé de façon diachrone dans le signal magmatique.
Ces résultats illustrent l'intérêt de la pétrologie statistique pour étudier des problématiques globales.
Ils montrent que si la focalisation sur un district volcanique peut rendre la théorie du point chaud attrayante, celle-ci s'avère beaucoup moins convaincante lorsque la question est traitée de façon globale.
Il ressort aussi de cette étude que les magmas issus d'une source peu profonde et liés à des processus purement tectoniques ont joué un rôle probablement plus important qu'on ne le pensait, surtout lors de périodes de réajustements tectoniques majeurs. Il est important que cette contribution soit dorénavant prise en compte, au même titre que les modèles classiques de plume mantellique, pour expliquer la production magmatique hors des rides médio-océaniques et des zones de subduction.
Néanmoins, ce travail laisse en suspens un très grand nombre d'autres questions, interrogeant d'autres champs disciplinaires, telles que:
- quelle a été l'empreinte thermique du magmatisme sur l'évolution métamorphique de la croûte continentale ?
- de même: quelle fut la réponse mécanique des chaînes de montagne à cette perturbation thermique prolongée et de grande ampleur ?
- et surtout: quel impact a eu cette thermicité profonde sur les sphères externes du globe et sur l'évolution du vivant ?