La subduction des carbonates marins à l’origine du magmatisme carbonatitique depuis plus de 3 milliards d’années

Des scientifiques de l’institut de physique du globe de Paris (Université Paris Cité, IPGP, CNRS) ont pour la première fois mis en évidence le lien entre la subduction de sédiments marins et l’enrichissement en calcium de certains magmas particuliers : les magmas carbonatitiques. En montrant que le carbonate de calcium de ces carbonatites présente une signature isotopique typique de sédiments marins, l’équipe met en lumière un phénomène de recyclage des carbonates marins dans le manteau terrestre par subduction depuis au moins 3 milliards d’années.

Certains volcans émettent, ou ont émis dans le passé, un magma particulier, riche en minéraux carbonatés. C’est le cas actuellement du volcan Ol Doinyo Lengai en Tanzanie, mais il existe de nombreux volcans anciens (certains datés à plus de 3 milliards d’années) ayant produit ce type de lave carbonatitiques. Alors que la majorité des roches magmatiques sont riches en minéraux silicatés, les carbonatites sont composées à plus de 50 % de ces minéraux carbonatés, dont le carbonate de calcium.

L’origine de ces roches, existant depuis plusieurs milliards d’années, reste un problème emblématique des sciences de la Terre et plus particulièrement de l’étude de la composition du manteau terrestre. Car les roches magmatiques, issues de la fusion partielle du manteau et émises en surface, offrent une des rares opportunités d’étudier la composition chimique de ce vaste et profond réservoir, difficile à échantillonner.

Les hypothèses jusqu’à présent évoquées pour expliquer cette forte teneur en carbonatites évoquaient soit une source primitive dans le manteau, riche en éléments carbonatés, soit le recyclage de composés de surface via le phénomène de subduction.

Une équipe de l’IPGP a développé une nouvelle méthode isotopique permettant de tester l’origine du calcium, l’élément le plus abondant des carbonatites. Dans une étude publiée dans Science Advances le 3 juin 2020 en collaboration avec des chercheurs de l’École normale supérieure de Lyon, de l’université de Lisbonne, de l’université de Johannesburg et de l’université de Californie à San Diego, ils ont montré que la composition isotopique en calcium de nombreuses carbonatites est typique des carbonates marins. Cette signature est différente de toutes les autres roches magmatiques et représente donc une particularité des carbonatites. La présence de cette signature ne peut être expliqué que par la fusion d’un manteau riche en carbonates recyclés par la subduction de la lithosphère océanique.

Cette étude relie donc formation de carbonatite, subduction terrestre et tectonique des plaques. Les plus anciennes carbonatites analysées lors de cette étude datant de 3 milliards d’années, ces résultats confirment l’existence de subduction terrestre depuis au moins cette époque.