Une nouvelle recherche renforce le lien entre les glaciers et la « grande discordance » déroutante de la Terre

L’action des glaces semble responsable de l’ancienne érosion des roches à travers la planète.

Selon une étude publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

La recherche présente les dernières découvertes d’un débat sur les causes de la «grande discordance» de la Terre – un intervalle de temps dans les archives géologiques associé à l’érosion de roches jusqu’à 3 miles d’épaisseur dans des régions du monde entier.

« Le fait que tant d’endroits manquent de roches sédimentaires de cette période a été l’une des caractéristiques les plus déroutantes des archives rupestres », a déclaré C. Brenhin Keller, professeur adjoint de sciences de la Terre et chercheur principal sur l’étude. « Avec ces résultats, le modèle commence à avoir beaucoup plus de sens. »

L’énorme quantité de roche manquante connue sous le nom de Grande discordance a été nommée pour la première fois dans le Grand Canyon à la fin des années 1800. La caractéristique géologique remarquable est visible là où des couches rocheuses d’époques lointaines sont prises en sandwich, et elle est souvent identifiée là où des roches avec des fossiles se trouvent directement au-dessus de celles qui ne contiennent pas de fossiles.

Dans le Ladder Canyon du Colorado, des roches dont l’âge diffère d’environ un milliard d’années se rejoignent à travers la grande discordance. Crédit : C. Brenhin Keller

« Ce fut une période fascinante de l’histoire de la Terre », a déclaré Kalin McDannell, chercheur postdoctoral à Dartmouth et auteur principal de l’article. « La grande discordance prépare le terrain pour l’explosion cambrienne de la vie, qui a toujours été déroutante car elle est si abrupte dans les archives fossiles – les processus géologiques et évolutifs sont généralement graduels. »

Depuis plus d’un siècle, les chercheurs ont cherché à expliquer la cause du temps géologique manquant.

Au cours des cinq dernières années, deux théories opposées sont apparues : la première explique que la roche a été creusée par d’anciens glaciers pendant la période Snowball Earth il y a environ 700 à 635 millions d’années. L’autre se concentre sur une série d’événements tectoniques des plaques sur une période beaucoup plus longue lors de l’assemblage et de l’éclatement du supercontinent Rodinia il y a environ 1 milliard à 550 millions d’années.

Les recherches menées par Keller en 2019 ont proposé pour la première fois que l’érosion généralisée par les calottes glaciaires continentales pendant l’intervalle glaciaire cryogénien provoquait la perte de roche. Ceci était basé sur des proxys géochimiques qui suggéraient que de grandes quantités d’érosion de masse correspondaient à la période Snowball Earth.

« La nouvelle recherche vérifie et fait progresser les résultats de l’étude précédente », a déclaré Keller. « Nous fournissons ici des preuves indépendantes du refroidissement des roches et des kilomètres d’exhumation au cours de la période cryogénienne dans une grande partie de l’Amérique du Nord. »

L’étude s’appuie sur une interprétation détaillée de la thermochronologie pour faire le bilan.

C. Brenhin Keller, professeur adjoint de sciences de la terre, à gauche, et Kalin McDannell, chercheur postdoctoral en sciences de la terre. Crédit : Eli Burakian/Dartmouth College

La thermochronologie permet aux chercheurs d’estimer la température que subissent les cristaux minéraux au fil du temps ainsi que leur position dans la croûte continentale compte tenu d’une structure thermique particulière. Ces historiques peuvent fournir des preuves du moment où la roche manquante a été enlevée et du moment où les roches actuellement exposées à la surface ont pu être exhumées.

Les chercheurs ont utilisé plusieurs mesures à partir de données thermochronométriques précédemment publiées prises dans quatre emplacements nord-américains. Les zones, appelées cratons, sont des parties du continent qui sont chimiquement et physiquement stables et où l’activité tectonique des plaques n’aurait pas été courante à cette époque.

En exécutant des simulations qui recherchaient le chemin temps-température subi par les roches, la recherche a enregistré un signal généralisé de refroidissement rapide et à volume élevé qui correspond à environ 2 à 3 milles d’érosion pendant les glaciations de Snowball Earth à l’intérieur de l’Amérique du Nord.

« Alors que d’autres études ont utilisé la thermochronologie pour remettre en question l’origine glaciaire, un phénomène mondial comme la Grande Discordance nécessite une évaluation globale », a déclaré McDannell. « La glaciation est l’explication la plus simple de l’érosion sur une vaste zone pendant la période Snowball Earth, car on pensait que les calottes glaciaires couvraient la majeure partie de l’Amérique du Nord à cette époque et pouvaient être des excavatrices efficaces de roche. »

Selon l’équipe de recherche, la théorie concurrente selon laquelle l’activité tectonique a creusé la roche manquante a été avancée en 2020 lorsqu’un groupe de recherche distinct s’est demandé si les anciens glaciers étaient suffisamment érosifs pour provoquer la perte massive de roche. Bien que cette recherche ait également utilisé la thermochronologie, elle a appliqué une technique alternative à un seul endroit tectoniquement actif et a suggéré que l’érosion s’est produite avant Snowball Earth.

« Le concept sous-jacent est assez simple : quelque chose a enlevé beaucoup de roche, ce qui a entraîné beaucoup de temps manquant », a déclaré Keller. « Notre recherche démontre que seule l’érosion glaciaire pourrait être responsable à cette échelle. »

Selon les chercheurs, les nouvelles découvertes aident également à expliquer les liens entre l’érosion de la roche et l’émergence d’organismes complexes il y a environ 530 millions d’années lors de l’explosion cambrienne. On pense que l’érosion pendant la période Snowball Earth a déposé dans l’océan des sédiments riches en nutriments qui auraient pu fournir un environnement fertile pour les éléments constitutifs de la vie complexe.

L’étude note que les deux hypothèses sur la façon dont la roche s’est érodée ne s’excluent pas mutuellement – il est possible que la tectonique et la glaciation aient contribué à la perturbation du système terrestre global lors de la formation de la Grande Discordance. Il apparaît cependant que seule la glaciation peut expliquer l’érosion au centre du continent, loin des marges tectoniques.

« En fin de compte, en ce qui concerne la Grande Discordance, il se peut que la ou les reconstructions généralement acceptées, contrairement aux reconstructions équatoriales plus concentrées des continents rodiniens, ainsi que les conditions environnementales uniques du Néoprotérozoïque, se soient avérées être une période de la plus grande sérendipité géologique autre dans l’histoire de la Terre », indique le document de recherche.

Selon l’équipe, il s’agit de la première recherche qui utilise leur approche de modélisation thermochronologique pour étudier une période qui s’étend bien au-delà d’un milliard d’années. À l’avenir, l’équipe répétera son travail sur d’autres continents, où elle espère tester davantage ces hypothèses sur la façon dont la Grande Discordance a été créée et préservée.

Selon l’équipe, la résolution des différences dans la recherche est essentielle pour comprendre l’histoire de la Terre primitive et l’interconnexion des processus climatiques, tectoniques et biogéochimiques.

« Le fait qu’il y ait eu une érosion tectonique le long des marges du craton n’exclut pas la glaciation », a déclaré McDannell. « Les discordances sont des caractéristiques composites, et nos travaux suggèrent que l’érosion cryogénienne a été un contributeur clé, mais il est possible que l’érosion antérieure et ultérieure ait été impliquée dans la formation de la surface de discordance à différents endroits. Un examen global nous en dira plus.

Référence : « Contraintes thermochronologiques sur l’origine de la grande discordance », 25 janvier 2022, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2118682119

William Guenthner, de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ; Peter Zeitler de Université Lehigh; et David Shuster du Université de Californie, Berkeley et le Berkeley Geochronology Center ont été co-auteurs de l’article.