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Les fontaines de diamants qui jaillissent du centre de la Terre révèlent l’histoire perdue des supercontinents

Les diamants semblent atteindre la surface de la Terre lors d’éruptions volcaniques massives, lorsque les supercontinents se brisent, et ils se forment lorsque les continents se rejoignent.

Au crépuscule du Crétacé, il y a 86 millions d’années, une fissure volcanique dans ce qui est aujourd’hui l’Afrique du Sud s’est animée en grondant. Sous la surface, du magma provenant de centaines de kilomètres de profondeur est remonté aussi vite qu’une voiture sur l’autoroute…

L’histoire a perdu la trace de ce phénomène en surface, mais il a pu être aussi spectaculaire que l’éruption du Vésuve. L’éruption a laissé derrière elle une série de tubes en forme de carotte, remplis de roches ignées, sous des collines blanches basses et altérées.

credit Pixabay License

En 1869, la découverte par un berger d’un énorme caillou étincelant sur les rives d’une rivière voisine allait propulser ce paysage sans prétention dans l’infamie. Le rocher était un énorme diamant qui allait être connu sous le nom d’Étoile d’Afrique, et les collines blanches cachaient ce qui allait devenir la mine de Kimberley, l’épicentre de la ruée vers le diamant en Afrique du Sud et sans doute le plus grand trou sur Terre jamais creusé à la main.

Grâce à la mine de Kimberley, souvent appelée « The Big Hole », les formations où l’on trouve des diamants sont désormais connues sous le nom de kimberlites. Ces formations sont disséminées dans le monde entier, de l’Ukraine à la Sibérie en passant par l’Australie occidentale, mais elles sont relativement petites et rares. Leur particularité réside dans le fait que leurs magmas proviennent de très grandes profondeurs. On s’interroge encore sur la profondeur exacte de ces magmas, mais on sait qu’ils naissent sous la base des continents, à la limite du manteau chaud en convection. Certains pourraient même être plus profonds, à la transition entre le manteau supérieur et le manteau inférieur.

Ces magmas puisent dans des roches très profondes et très anciennes, et ils interagissent avec d’autres processus qui ne se produisent que dans les profondeurs de la Terre, à savoir la formation des diamants. La cristallisation d’un simple carbone en un diamant dur et étincelant nécessite une forte pression, de sorte que ces pierres précieuses se forment à au moins 150 kilomètres de profondeur, dans les couches les plus profondes de la lithosphère, terme scientifique désignant la croûte terrestre et le manteau supérieur relativement rigide. Certains diamants, appelés diamants sub-lithosphériques, se forment encore plus profondément, à environ 700 km de profondeur. Les kimberlites, lors de leurs voyages éruptifs vers la surface, attrapent les diamants et les entraînent dans la croûte supérieure, les délivrant relativement indemnes et contenant parfois même des poches de fluide provenant du manteau lui-même.

Les chercheurs savent depuis longtemps que le broyage des plaques tectoniques entraîne le carbone de la surface vers les profondeurs où il peut se cristalliser en diamant. Aujourd’hui, ils commencent à comprendre que ce qui descend doit (parfois) remonter, et que cette réapparition du carbone – désormais pressé en pierres précieuses étincelantes – est également liée aux mouvements des plaques tectoniques. En particulier, les diamants semblent jaillir lorsque les supercontinents se désagrègent.

« Bien qu’il s’agisse de processus différents, les diamants et la kimberlite peuvent nous renseigner sur le cycle de vie des supercontinents », a déclaré Suzette Timmerman, géologue à l’université de Berne, en Suisse, qui étudie les diamants.

La remontée à la surface
Personne n’a jamais vu une éruption de kimberlite de ses propres yeux. Il y en a eu très peu au cours des 50 derniers millions d’années, et la dernière éruption possible, dans les collines d’Igwisi en Tanzanie, s’est produite il y a plus de 10 000 ans. De plus, le matériau principal de la kimberlite, l’olivine, s’altère rapidement en surface, explique Hugo Olierook, chercheur à l’université Curtin en Australie.

Cela rend l’étude des kimberlites difficile. Les scientifiques sont perplexes, par exemple, quant à la chimie de la source originale de la roche fondue dans le manteau, ainsi que sur la manière dont les kimberlites parviennent à percer les noyaux stables de ce que les géoscientifiques appellent les « cratons » – les épaisses parties intérieures des continents qui résistent généralement aux perturbations.

Une poignée d’études récentes esquissent une nouvelle explication de ce phénomène. Le premier indice est le calendrier. Kelly Russell, volcanologue à l’université de Colombie-Britannique au Canada, explique que l’on sait depuis longtemps que les impulsions d’activité kimberlitique semblent correspondre au calendrier approximatif des ruptures de supercontinents. Une étude menée en 2018 par Sebastian Tappe, géoscientifique à l’Université arctique de Norvège, a examiné cette coïncidence à l’échelle mondiale et l’a confirmée : Les éruptions de kimberlite ont connu un pic autour de la rupture du supercontinent Nuna, il y a environ 1,2 milliard d’années à 1 milliard d’années.

Selon la recherche de 2018, une autre impulsion s’est produite entre 600 et 500 millions d’années, coïncidant avec l’éclatement du supercontinent Rodinia, suivie d’une plus petite impulsion entre 400 et 350 millions d’années. Mais la période la plus prolifique, qui représente 62,5 % de toutes les kimberlites connues, s’est déroulée entre 250 millions et 50 millions d’années. Cette période coïncide avec l’éclatement du supercontinent Pangée. Pour certains chercheurs, cela suggère que les cycles des supercontinents sont cruciaux pour les éruptions de kimberlites.

« L’éclatement de ces continents est fondamental pour faire remonter ces diamants des profondeurs », a déclaré M. Olierook.

M. Olierook et son équipe ont récemment analysé l’âge de diamants roses inhabituels provenant d’une formation de l’ouest de l’Australie et ont découvert qu’ils étaient probablement apparus à la surface il y a environ 1,3 milliard d’années, c’est-à-dire pendant la période où le Nuna s’est rompu. Cette nouvelle découverte établit un lien entre les diamants et l’étirement de la croûte continentale, a déclaré M. Olierook.

« Ce sont ces forces d’extension qui permettent à ces petites poches de magma profondément enfoui de remonter à la surface », a-t-il déclaré.

Les kimberlites se forment à la base des continents et, en s’élevant rapidement, elles attrapent les diamants formés plus profondément et les entraînent à la surface par des cheminées de kimberlite. (Crédit photo : Rory McNicol

Pour obtenir une kimberlite, il faut deux ingrédients clés : une roche fondue en profondeur, riche en fluides, et une perturbation continentale susceptible de faire remonter cette matière fondue à la surface. Personne ne sait ce qui provoque la formation de la fonte kimberlitique, mais la chimie des kimberlites est très différente de celle de la roche du manteau à partir de laquelle elles fondent. Les kimberlites sont également riches en substances volatiles telles que l’eau et le dioxyde de carbone, ce qui explique leur flottabilité et leur vitesse élevée. Elles traversent la croûte terrestre comme du champagne s’échappant d’une bouteille débouchée, et montent à une vitesse pouvant atteindre 134 km/h. À titre de comparaison, les magmas qui s’écoulent des volcans dans des endroits comme Hawaï ne dépassent pas 13,5 mph (21,7 km/h).

Une étude réalisée en août 2023 a utilisé la modélisation informatique pour comprendre comment les kimberlites peuvent percer le cœur épais des continents. Les chercheurs ont découvert que le processus d’écartement, au cours duquel la croûte continentale se détache, était essentiel. L’étirement crée des pics et des vallées à la surface et à la base du continent. À la base, ces bords déchiquetés permettent aux matériaux chauds du manteau de s’élever, puis de se refroidir et de retomber, créant ainsi des tourbillons. Ces tourbillons mélangent les matériaux de la base des continents, ce qui donne naissance aux kimberlites mousseuses et flottantes, qui peuvent alors remonter vers la surface, emportant avec elles les diamants qu’elles pourraient rencontrer sur leur chemin.

Ce processus a débuté à l’endroit même où le continent se séparait, mais la modélisation a montré que ces régions déchiquetées de formation de tourbillons déstabilisaient les zones voisines du craton, créant la même dynamique de plus en plus près de l’intérieur du continent. Il en résulte un schéma d’éruptions kimberlitiques débutant à proximité de la zone de rift et s’étendant progressivement vers les zones de croûte stable. Selon Thomas Gernon, géologue à l’université de Southampton au Royaume-Uni, qui a dirigé l’étude, cette lente progression explique pourquoi les impulsions de kimberlite n’atteignent leur apogée que peu de temps après le début d’une grande rupture.

« Ces pics de kimberlites semblent se produire après l’éclatement de grands supercontinents », a-t-il déclaré. « Mais il ne s’agit pas seulement d’un phénomène ponctuel ; c’est quelque chose qui peut durer assez longtemps après l’éclatement d’un supercontinent.

Les instabilités se forment à la périphérie des continents mais migrent vers le cœur des « cratons » au cours de millions d’années. (Crédit photo : Rory McNicol adapté de Gernon et al, 2023.)

La plupart des mines de diamants kimberlitiques datent de l’éclatement de la Pangée.

Messages dans un diamant
Comme en témoignent les collines blanches et ternes qui recouvraient autrefois la mine de Kimberley, les kimberlites elles-mêmes ne disent pas grand-chose sur le manteau d’où elles proviennent. Elles s’altèrent en quelques années et perdent une grande partie de ce qui les rend intéressantes d’un point de vue chimique. En revanche, les diamants contenus dans les kimberlites sont une autre histoire. Ils ont leur propre histoire de formation qui ne coïncide pas avec la formation du magma kimberlitique lui-même. Mais leur rencontre fortuite à des centaines de kilomètres sous la surface signifie que des morceaux du manteau qui n’auraient jamais vu la lumière du jour peuvent arriver jusqu’aux mains de l’homme.

Ces morceaux sont des poches microscopiques de liquide datant de l’époque où les diamants se sont formés. Nombre de ces « inclusions » remontent à des centaines de millions d’années, tandis que l’âge de certains spécimens se chiffre en milliards d’années. En outre, certains de ces diamants se forment très profondément dans le manteau, de sorte que certaines pierres peuvent transporter des matériaux provenant de la limite entre le manteau et le noyau.

« Il n’y a que dans les kimberlites que l’on peut voir des échantillons provenant de 400 kilomètres, voire de 2 000 kilomètres », explique Maya Kopylova, professeur d’exploration diamantaire à l’université de Colombie-Britannique. « Aucun autre magma sur Terre n’est capable de faire cela ».

Si l’éruption de diamants peut retracer l’histoire de la rupture d’un supercontinent, leur formation peut également fournir un indice sur la manière dont les continents se réunissent. Dans une étude publiée en octobre 2023 dans la revue Nature, Mme Timmerman a étudié des diamants du Brésil et de la Guinée qui se sont formés à une profondeur comprise entre 300 et 700 km. En datant les inclusions fluides dans les diamants, Mme Timmerman et ses collègues ont estimé que les diamants s’étaient formés il y a environ 650 millions d’années, au moment de la formation du supercontinent Gondwana. Les diamants sont probablement restés collés à la base du continent pendant des millénaires, jusqu’à ce que le Gondwana se brise au Crétacé et que des kimberlites les fassent remonter à la surface, a expliqué Mme Timmerman à Live Science.

Ce qui est important à propos de ces diamants super profonds, selon Timmerman, c’est qu’ils permettent d’expliquer comment les continents se développent. Les supercontinents se forment lorsque la croûte océanique est poussée sous la croûte continentale. Ce processus, appelé subduction, rapproche deux continents situés de part et d’autre d’un océan. Cette même subduction entraîne le carbone vers les profondeurs, où il peut être comprimé pour former le diamant.

Dans le manteau, des morceaux de ces plaques en subduction peuvent devenir flottants et remonter, emportant avec eux des diamants très profonds, explique Timmerman. Ce matériau peut rester collé à la base des continents pendant des millénaires, les aidant à se développer par le bas. Cela pourrait également expliquer comment les diamants super profonds atterrissent à un endroit où une kimberlite peut les attraper.

« Les diamants de ces profondeurs peuvent nous en apprendre davantage sur les processus de subduction, la convection du manteau, les interactions liquide-roche et d’autres processus qui se produisent sous la croûte pendant les cycles des supercontinents », a déclaré Mme Timmerman.

Les diamants anciens peuvent également nous renseigner sur d’autres étapes importantes de l’histoire chaotique de la Terre.

Certains diamants sont forgés à partir de carbone qui a été incorporé à la Terre lors de sa formation, a expliqué M. Olierook, tandis que d’autres se forment à partir de carbone provenant d’une vie ancienne, entraînée vers le bas avec des plaques de croûte subductée. Il est possible de déterminer le processus de formation des diamants en analysant la structure moléculaire du carbone dans les inclusions de diamant. Ces inclusions peuvent donc renfermer des secrets sur des périodes floues de l’histoire de la Terre, telles que le début de la subduction généralisée ou l’apparition de la vie dans les océans.

Mais pour obtenir ces réponses, les chercheurs devront améliorer leur capacité à déterminer l’âge des diamants. Et ils auront besoin d’un plus grand nombre de diamants à la fois anciens et provenant des plus grandes profondeurs.

« Si l’on remonte dans le temps, de l’éclatement le plus récent des supercontinents à ceux qui l’ont précédé », a déclaré M. Olierook, « je soupçonne fortement qu’il reste encore beaucoup de choses à découvrir ».

Adaptation Terra Projects

Source : https://www.livescience.com/

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