Exploring the composition and evolution of lower continental crust: A perspective from the DIVE project

Cette thèse s’intéresse à la partie la plus profonde de nos continents, appelée croûte continentale inférieure. L’objectif est de mieux caractériser sa composition chimique afin de mieux comprendre l’évolution de nos continents. En effet, sa composition nous renseigne sur la manière dont les continents se forment, évoluent et sont préservés au cours du temps. Malheureusement, cette partie de la croûte se situe généralement à plusieurs kilomètres sous nos pieds et n’est donc pas directement accessible. Les scientifiques doivent ainsi en estimer la composition à partir d’observations indirectes, comme des données issues de la géophysique, d’expériences en laboratoire ou encore de rares fragments de roches profondes remontés à la surface lors d’éruptions volcaniques. Si ces approches fournissent des informations essentielles, elles ne peuvent toutefois pas se substituer entièrement à l’échantillonnage direct. Les orogènes collisionnels, c’est-à-dire la formation de chaînes montagneuses, offrent un accès naturel et rare à ce type de données. Lors de la convergence de deux continents, des roches enfouies à grande profondeur peuvent être exhumées et donc exposées proche de la surface. C’est le cas de la zone d’étude de cette thèse, située dans la région d’Ivrée, au nord de l’Italie. Lors de la formation des Alpes, des roches provenant de plusieurs kilomètres de profondeur ont été remontées et sont aujourd’hui exposées à la surface, donnant ainsi accès à une portion de la croûte continentale inférieure.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet de forage scientifique DIVE (Drilling the Ivrea-Verbano zonE). L’étude de deux forages a permis d’échantillonner environ 1,5 km de roches représentant différentes profondeurs et différents épisodes de l’histoire de la croûte dans la région d’Ivrée. Les analyses géochimiques et pétrologiques révèlent une forte diversité de roches et permettent de reconstituer leur origine ainsi que les processus ayant contribué à la formation et à la modification de la croûte profonde.

Les roches du premier forage, situé à Ornavasso, représentent la partie la moins profonde de la croûte étudiée. Elles sont principalement issues d’anciennes roches sédimentaires formées à proximité de la surface au cours du Paléozoïque, puis enfouies à plus de 20 km de profondeur. Leur composition chimique indique que la croûte inférieure était alors probablement dominée par des roches riches en silice, dites felsiques. À partir de leur composition peuvent être calculées les propriétés physiques des roches, notamment leur densité et leur vitesse de propagation des ondes sismiques. Les roches d’Ornavasso présentent des vitesses sismiques et des densités généralement plus faibles que celles proposées par les modèles de croûte inférieure. Elles pourraient ainsi avoir contribué à une croûte plus « flottante », favorisant la préservation et l’exhumation à long terme de roches de la croûte moyenne et inférieure. 

Cette section de croûte a ensuite été profondément modifiée par un important événement magmatique au Permien inférieur, enregistré dans le deuxième forage, situé à Megolo. Cette partie plus profonde de la croûte (roches enfuies à plus de 30 km de profondeur) témoigne de l’importante activité magmatique qui a affecté la région. De grandes quantités de magma, issues des profondeurs de la Terre, se sont accumulées à la base de la croûte. Les résultats montrent que ce processus peut transformer une croûte initialement riche en silice en une croûte dominée par des roches mafiques, c’est-à-dire riches en fer et en magnésium. Certaines roches riches en silice, formées avant cet épisode magmatique, sont également présentes dans ce forage. Elles ont subi des températures extrêmement élevées, modifiant leurs propriétés physiques et chimiques. Ces propriétés contrôlent notamment la propagation des ondes sismiques dans la croûte. Les caractéristiques de ces roches pourraient ainsi ne pas être bien discernées par les méthodes d’observation sismiques et donc suggèrent que localement la composition de la croûte inférieure pourraient être plus felsique.

Dans son ensemble, cette thèse montre que la composition de la croûte continentale profonde peut être très variable et dépend fortement de son histoire géologique. Elle met ainsi en évidence le rôle majeur des processus magmatiques dans sa transformation et contribue à mieux comprendre comment la croûte continentale profonde se forme et évolue au cours du temps.