Changements de la composition de la croûte continentale au cours du temps et implications pour la dynamique terrestre : Apport de l'analyse à haute précision des isotopes du Sr, de l'U-Pb et de l'Hf par LA-MC-ICP-MS - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2023

Secular changes in the composition of the continental crust and implications for Earth dynamics : New insights from high-precision analyses of Sr, U–Pb and Hf isotopes by LA-MC-ICP-MS

Changements de la composition de la croûte continentale au cours du temps et implications pour la dynamique terrestre : Apport de l'analyse à haute précision des isotopes du Sr, de l'U-Pb et de l'Hf par LA-MC-ICP-MS

Anda Buzenchi
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1427455
  • IdRef : 280449216

Résumé

Unravelling the evolution of the continental crust trough time is fundamental to understand the interaction between Earth’s geochemical reservoirs as well as global changes in tectonic regimes. The composition and the tectonic setting(s) of formation of the crust during the earliest stages of Earth’s evolution remains debated, and Archaean rocks and minerals preserved in cratonic environments constitute the primary means for investigating early crust. Three geochemical proxies for crustal evolution are tested in this thesis: i) a new proxy for the depth of crystallisation of differentiated magmas, based on the variation of the 176Lu/177Hf ratio in zircon; ii) a widely-used proxy for changes in the tectonic settings of crust formation, based on the identification of vertical trends in zircon εHf(t) versus crystallisation age plots; and iii) a recent proxy for changes in the composition of the juvenile crust through time, based on combined information from U–Pb and Hf isotopes in zircon and from Sr isotopes in apatite inclusions within zircon.The development of LA-MC-ICP-MS techniques to measure U–Pb, Hf and Sr isotopes with the highest precision in small volumes of samples (i.e. typically 700–70000 µm3) constitutes a key aspect of this work. In zircon, a precision better than 1% (2 s.e.) was obtained for U–Pb ages measured with a laser ablation beam of 12x12 µm, and a precision better than 150 ppm (2 s.e.) was achieved for 176Hf/177Hf ratios measured at 25x25 µm. In apatite, a precision better than 2000 ppm (2 s.e.) was reached for the 87Sr/86Sr ratio at only 5x5 µm. This high level of precision can only be achieved when the 9 Faraday cups measuring Sr isotopes and their interfering species are connected to 1013 ohm amplifiers.A worldwide compilation of 176Lu/177Hf ratios in >100,000 zircons with Hadean to Phanerozoic crystallisation ages reveals the presence of cyclical oscillations that are broadly in tune with the δ18O record in zircon, and with periods of continental collision and supercontinent amalgamation. The mean depth of crystallisation of differentiated magmas has decreased with time over the last 3 billion years, as indicated by lower 176Lu/177Hf ratios. Prior to ~3.0 Ga, the nature of tectonic interactions was different from what is observed today in a plate tectonics context.The vertical shifts of Hf isotopes in the εHf(t) versus crystallisation age space can be caused by the resetting of the Lu–Hf system in response to heating and metamorphic reactions on a mineral scale. Such vertical shifts do not necessarily involve juvenile additions to the continental crust, since they may be produced by the breakdown of high-Lu/Hf phases (i.e. garnet and pyroxene) in high-grade metamorphic conditions. High grade metamorphic events in the early Earth may be related to the generation of the first cratons in a geodynamical context that does not necessary require plate tectonics.Granites and TTGs from the Mount Edgar Dome (East Pilbara Terrane, Western Australia), taken as representative of the Palaeoarchaean evolution of the continental crust, were analysed for their major and trace elements in whole rocks, U–Pb, Hf and O isotopes in zircon, and Sr isotopes in matrix apatites and apatite inclusions in zircon. Both granites and TTGs were emplaced episodically from 3.47 Ga to 3.23 Ga. Oxygen and Hf isotopes indicate that they were formed via the protracted intracrustal reworking of two distinct crustal reservoirs extracted from a depleted mantle source at ~3.5 Ga, with no evidence for subduction-related magmatism. The least radiogenic 87Sr/86Sr ratios measured in matrix apatites and apatite inclusions in zircon suggest that mantle–crust differentiation processes older than 3.5 Ga formed crustal reservoirs with intermediate to felsic compositions. Overall, the geochemical data indicate a large heterogeneity of the mantle beneath the East Pilbara Terrane in the early Archaean.
Comprendre de quelle manière la croûte continentale a évolué au cours du temps permet d'appréhender l'interaction entre les réservoirs géochimiques terrestres et les changements de régimes tectoniques. La composition de la croûte terrestre et le(s) contextes (s) tectonique(s) de sa formation pendant les premiers stades de l'évolution de la Terre restent débattus, les roches et minéraux archéens préservés dans les cratons constituant la principale archive de la Terre primitive. Trois proxys géochimiques pour l'évolution de la croûte sont testés dans cette thèse : i) un nouveau proxy pour la profondeur de cristallisation des magmas différenciés, basé sur la variation du rapport 176Lu/177Hf dans le zircon ; ii) un proxy largement utilisé pour les changements de régimes tectoniques, basé sur l'identification de tendances verticales dans les diagrammes εHf(t) versus âge de cristallisation du zircon; et iii) un proxy récent pour les changements de composition de la croûte juvénile au cours du temps, basé sur la combinaison des informations isotopiques en U–Pb et Hf dans le zircon avec les isotopes du Sr dans les inclusions d'apatite dans le zircon.Le développement de techniques pour mesurer les isotopes de l’U-Pb, de l’Hf et du Sr par LA-MC-ICP-MS avec la plus grande précision possible dans de petits volumes d'échantillons (70–70000 µm3) constitue un axe important de cette thèse. Dans le zircon, une précision < 1% (2 s.e.) fut obtenue pour des âges U–Pb mesurés avec un faisceau laser de 12x12 µm, et une précision < 150 ppm fut obtenue pour les rapports 176Hf/177Hf mesurés à 25x25 µm. Dans l'apatite, une précision < 2000 ppm fut atteinte pour le rapport 87Sr/86Sr à seulement 5x5 µm, lorsque les 9 cages de Faraday mesurant les isotopes du Sr et leurs interférents sont connectés à des amplificateurs de résistance 1013 ohm.Une compilation des rapports 176Lu/177Hf de plus de 100 000 zircons d'âges Hadéen à Phanérozoïque révèle la présence d'oscillations cycliques en phase avec les variations en δ18O dans le zircon d'une part, et d'autre part avec les périodes de collision continentale et de formation des supercontinents. La diminution des rapports 176Lu/177Hf au cours des 3 derniers milliards d'années indique une diminution de la profondeur moyenne de cristallisation des magmas différenciés. Avant ~3 Ga le contexte tectonique était probablement très différent de la tectonique des plaques actuelle.Les tendances verticales définies par les données de zircons dans les diagrammes εHf(t) versus âge peuvent être causées par la réinitialisation du système Lu–Hf en réponse à des réactions métamorphiques à l'échelle du minéral. Ces signatures isotopiques n'impliquent pas nécessairement une production de croûte juvénile, dans la mesure où elles peuvent être produites par la disparition de phases à haut rapport Lu/Hf (ex: grenat et pyroxène) dans des conditions métamorphiques de haut grade.Les granites et TTGs du Mount Edgar Dome (East Pilbara Terrane, Australie), considérés comme représentatifs de l'évolution paléo-archéenne de la croûte continentale, furent analysés pour les éléments majeurs et en traces sur roches totales, les isotopes de U–Pb, Hf et O dans le zircon, et les isotopes du Sr dans les apatites présentes dans la matrice des échantillons et sous forme d'inclusions dans les zircons. Granites et les TTG furent mis en place épisodiquement entre 3,47 Ga et 3,23 Ga. Les isotopes de Hf–O indiquent que ces roches sont le produit du remaniement intracrustal prolongé de deux réservoirs crustaux extraits d'un manteau appauvri vers 3,5 Ga. Aucune évidence de magmatisme lié à la subduction n'a pu être établie. Les rapports 87Sr/86Sr les moins radiogéniques des apatites suggèrent que des processus de différenciation manteau–croûte anté- 3,5 Ga ont produit des réservoirs de composition intermédiaire à felsique. Les données géochimiques indiquent dans leur ensemble une hétérogénéité importante du manteau sous Pilbara au début de l'Archéen.
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Anda Buzenchi. Changements de la composition de la croûte continentale au cours du temps et implications pour la dynamique terrestre : Apport de l'analyse à haute précision des isotopes du Sr, de l'U-Pb et de l'Hf par LA-MC-ICP-MS. Astrophysique [astro-ph]. Université de Montpellier, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UMONG047⟩. ⟨tel-04735317⟩
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