L’origine énigmatique des roches contenant du diamant a été révélée

La plupart des diamants proviennent d’un seul énorme rocher

Les kimberlites sont des roches volcaniques qui proviennent des profondeurs du manteau terrestre, mais la nature de leur source est incertaine. L’étude de l’évolution de cette source sur deux milliards d’années fournit des informations précieuses sur ses propriétés, rapporte Catherine Chauvel pour Nature.

Les roches volcaniques rares connues sous le nom de kimberlites sont produites à partir de magmas qui prennent naissance dans le manteau terrestre et entrent ensuite en éruption à la surface de la planète. Ces roches ont un style d’éruption violente et une composition chimique et minéralogique qui ne ressemble à aucune autre roche magmatique sur Terre. En particulier, les kimberlites peuvent contenir des cristaux de minéraux rares de l’ordre du centimètre comme les grenats, les zircons et, plus particulièrement, les diamants. De plus, ils contiennent des quantités exceptionnellement élevées d’oligo-éléments incompatibles – ceux qui entrent de préférence dans un magma formé par la fusion du manteau. Ces caractéristiques particulières soulèvent des questions sur la nature de la source de kimberlite et son emplacement dans le manteau.

Dans Nature, Woodhead, J et al suggèrent que toutes les kimberlites proviennent d’un seul réservoir profond qui a survécu pendant la majeure partie de l’histoire de la Terre.

Il existe un consensus général sur plusieurs aspects de la formation des kimberlites. Premièrement, les kimberlites doivent être extrêmement enrichies en eau et en dioxyde de carbone pour expliquer leur style d’éruption violente et la présence de diatrèmes associés – des structures coniques ou en forme de tuyaux qui s’étendent de la surface de la Terre à des profondeurs supérieures à un kilomètre. Deuxièmement, certaines kimberlites doivent se former exceptionnellement profondément dans le manteau, comme en témoignent les inclusions dans les diamants kimberlitiques de minéraux qui sont instables à la surface de la planète. Ces minéraux comprennent la ringwoodite, qui n’est stable que dans la zone de transition entre le manteau supérieur et le manteau inférieur (à des profondeurs de 410-660 km), et la bridgmanite, qui est le minéral dominant dans le manteau inférieur.

Troisièmement, en plus de contenir des minéraux qui se sont cristallisés à partir des magmas ascendants, les kimberlites contiennent un grand assemblage de minéraux et de xénolithes (fragments de roche) qui ont été recueillis dans les matériaux environnants pendant la remontée rapide de la source kimberlitique (figure 1). Certains minéraux, comme les diamants qui contiennent des inclusions de ringwoodite, proviennent du manteau profond, d’autres proviennent d’un manteau moins profond et certains proviennent de la croûte terrestre.

Figure 1 | Coupe transversale d’une kimberlite de l’ouest du Groenland. Woodhead et al.1 suggèrent que les roches volcaniques appelées kimberlites proviennent d’un réservoir qui a survécu profondément dans le manteau terrestre pendant la majeure partie de l’histoire de la planète. Cette image, qui a été réalisée à l’aide de lumière polarisée, montre la grande variété et la structure complexe des minéraux (comme les diamants, les grenats et les zircons) dans ces roches. Barre d’échelle, 2 millimètres.

Par contre, il y a peu de consensus sur l’emplacement exact de la source de kimberlite dans le manteau et, ce qui est encore plus important, sur la nature de cette source. Il pourrait s’agir d’un matériau plutôt primitif – un matériau qui a survécu profondément dans le manteau peu après la formation de la Terre. Alternativement, il pourrait s’agir d’un matériau qui, à un certain stade, était présent à la surface de la planète ou près de celle-ci et qui a depuis été recyclé dans le manteau profond. Les deux interprétations existent dans la littérature et un argument clair en faveur de l’existence des deux types de sources est la présence de deux groupes de kimberlites dont la minéralogie et la géochimie sont opposées.

Les minéraux du premier groupe, souvent appelés kimberlites archétypiques, ont des compositions d’isotopes du strontium et du néodyme qui ressemblent à celles du manteau primitif. Ceux du deuxième groupe, communément appelés orangeites, ont des compositions isotopiques de strontium et de néodyme beaucoup plus enrichies qui ressemblent à celles des matériaux continentaux. La nature enrichie des orangeites est habituellement attribuée à l’interaction des magmas avec la croûte continentale ou la partie solide supérieure du manteau pendant l’ascension et ne représente probablement pas la composition de la source kimberlitique.

Woodhead et ses collègues présentent une compilation de données isotopiques sur le néodyme et l’hafnium nouvellement acquises et déjà publiées, mesurées sur des kimberlites archétypales. Ces kimberlites couvrent une large gamme d’âge, allant de moins de 200 millions d’années à 2 milliards d’années. Les auteurs démontrent qu’au cours de cette longue période, les kimberlites semblent toujours exploiter une source dont la composition isotopique ressemble à celle du manteau primitif. Cette observation impose des contraintes sur la nature de la source de kimberlite et favorise un réservoir vierge – un réservoir qui n’a pas été touché profondément dans le manteau pendant la majeure partie de l’histoire de la Terre.

Le mélange dans le manteau

L’idée qu’une partie du manteau profond est restée isolée de son environnement est étayée par la découverte de traces de matériaux primitifs dans des roches volcaniques appelées basaltes d’îles océaniques, qui pourraient provenir de régions appelées zones sismiques anomales qui se trouvent à la limite centre-manteau. Une source primitive a également été attribuée à de nombreux autres types de roches, comme les granitoïdes. Le bien-fondé d’une source de kimberlite primitive est étayé par la preuve que cette source est profonde.

Pour les autres types de roches, une composition isotopique quasi primitive pourrait s’expliquer par la présence d’une croûte recyclée dans la source rocheuse. Woodhead et al. rejettent cette interprétation pour les kimberlites en soutenant que la contribution de la croûte océanique recyclée aurait dû être constante pendant les deux milliards d’années de l’histoire enregistrée. De plus, ils suggèrent que la présence de rapports d’hélium élevés (rapports hélium-3/hélium-4) dans les diamants de certaines kimberlites indique une source profonde, près de la limite coeur-manteau.

L’interprétation des auteurs est peut-être correcte, mais quelques observations indépendantes doivent être conciliées avant que le modèle puisse être appliqué à toutes les kimberlites. Par exemple, la présence de quantités anormales de soufre – 33 dans les diamants kimberlitiques suggère que la source contient des matières qui étaient présentes à la surface de la Terre il y a plus de 2,5 milliards d’années, lorsque l’atmosphère de la planète n’était pas encore oxydée. La façon dont ce matériau recyclé peut coexister avec le reste de la source n’est pas claire.

Un autre sujet de préoccupation potentiel est la relation inconnue entre les rapports d’hélium élevés et les isotopes produits par la désintégration radioactive qui sont mesurés dans les diamants. Certains diamants ont de faibles ratios d’hélium et des compositions isotopiques de strontium et de plomb semblables à celles de la croûte terrestre. Mais il n’existe pas de données isotopiques sur le strontium et le plomb pour les diamants analysés précédemment qui ont des rapports d’hélium élevés. Par conséquent, des rapports aussi élevés peuvent ou non tracer une source profonde intacte.

Enfin, les diamants kimberlitiques sont extraits du manteau pendant l’ascension, et les renseignements qu’ils fournissent pourraient ne pas être pertinents en ce qui concerne la source de la kimberlite. Pour confirmer l’origine vierge et profonde des kimberlites, nous devons démontrer que les magmas de kimberlite eux-mêmes ont des caractéristiques vierges, comme des rapports d’hélium élevés, des anomalies isotopiques du tungstène qui pourraient retracer l’interaction des magmas avec le noyau de la planète, etc. Beaucoup de travail nous attend encore !

 

Vous pouvez écouter le podcast de Nature pour aller plus loin.

 

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