STUDY OF THE ARCHEEN MANTLE. INPUTS AND LIMITS OF GEOCHEMICAL TRACERS (REE, Nd, Hf, Sr and 0)
ETUDE DU MANTEAU ARCHEEN. APPORTS ET LIMITES DES TRACEURS GEOCHIMIQUES (REE, Nd, Hf, Sr et 0)
Résumé
In this study, an attempt is made to constrain further the compositional heterogeneity and evolution
of the Archaean mantle (T ranging from 2500 to 3800 Ma) using major, trace element (Rare Barth
Elements) and isotopie (Nd, Hf, Sr, and 0) compositions of ancient basic-ultrabasic rocks
(komatütes, basalts and gabbros). We also investigate the behaviour of chemical elements and
isotopie systems during alteration and metamorphism; the aim is to evaluate the effects of nonmagmatic
processes on the preservation of primary chemical and isotopie memories in old terrestrial
rocks. The sa~ples come from (1) West Greenland (Isua supracrustal belt; T=3750 Ma); (2) South
Africa (Barberton and Schapenburg geenstone belts; T=3500 Ma); (3) Western Australia (Pilbara
Craton; T=3500 Ma); and (4) Eastern Finland (Khumo and Tipasjarvi greenstone belts; T=2700 Ma).
An intriguing aspect of many komatiites in early Archaean grrenstone belts ('P-:3400 Ma;
e.g. komatiites from South Africa and Western Australia) is their Al- and HREE-depleted signature.
In fact, many early Archaean komatütes have CaO/Al203 and (Gd!Yb)N higher, but Al203fTi02
lower than in chondrites, whereas most late Archaean komatiites (T=2700 Ma; e.g. komatütes from
Canada and Zimbabwe) have roughly chondritic ratios of these elements. A third less common type,
also largely restricted to early Archaean komatiites, has relative enrichment of Al and HREEs.
Geochemical modelling conducted during the course of this study show that these variations are best
explained by the removal or addition of gamet. Lu-Hf isotopie results obtained on komatüte samples
from the Barberton greenstone belt in South Africa (EHf(T)=O) indicates that the gamet fractionation
processes took place during the melting events that led to the various groups of komatiites. This
result, together with the recent finding that majorite gamet is the high-temperature mantle phase when
P~15GPa, provides a vehicle for discussing the origin of the various groups of komatütes. Most
likely, the Archaean mantle had essentially chondritic ratios of CaO/Ah03, Ah03/Ti02 and
(Gd/Yb )N, and the various groups of komatütes arise from differences in the depth of mel ting which
controlled whether or not gamet was residual during the melting process. At any rate, the contrasted
geochemical signatures of komatütes are not the consequence of a long-lived mineralogical and
chemical stratification in the early Archaean mantle, such as might have formed during the
solidification of a 4500-4400 Ma-old terrestrial magma ocean.
As a general rule, the study of the behaviour of chemical elements and isotopie systems during
metamorphism of basic-ultrabasic rocks leads us to question the capacity of these rocks to preserve
their primary (magmatic) signatures. Results from the komatiite flows from Eastern Finland
(Tipasjarvi and Siivikkovaara areas) show that metamorphic recrystallization may erase all the
primary chemical and isotopie memories, including the REE patterns and ENd(T) values. The open
system type of behaviour is particularly weil documented by the komatüte flows from Süvikkovaara;
although the age of emplacement of the lava flows is 2700 Ma, whole-rock Sm-Nd data yield an age
of 1800 Ma, which corresponds to the age of the metamorphic episodes recorded in the secondary
mineral phases present in the samples. The fact that the Nd-isotopie re-equilibration occurred =1Ga
after the emplacement of the flows cause strong shifts in the calculated tNd(T) values (-8 to +3)
relative to the true magmatic values (=+2.0?). A consideration of petrographie and Oxygen isotopie
data indicates that temperature conditions were in the range 400-500°C and that the REE carrier was
likely a C02-rich fluid. The same type of behaviour is observed in the rocks from the Isua
supracrustal belt of West Greenland. Although sorne authors have interpreted the scatter in calculated
ENd(T) values displayed by the rocks from this belt (ENd(3750) ranging from -1.0 to +3.5) as a true
initial isotopie variation, new Sm-Nd results obtained during the course of this study provide flrm
evidence that the Sm-Nd system did not become a closed system in lsua rocks ca. 3750 Ma ago. A
Sm-Nd mineral isochron age of 2849±116 Ma indicates that the earliest recognizable amphibolite
facies metamorphism of the lsua belt is ofmid-Archaean age. Very probably, ail the rocks from Isua
underwent sorne Nd isotopie reequilibration and/or fractionation of their 147SmJ144Nd ratios during
the 2850 Ma-old metamorphic episode. Nevertheless, Nd-rich rocks (> 20 ppm) - such as the
Amîtsoq grey gneisses and certain metasediments of the Isua belt - are relatively resistent to
secondary fractionation due to the presence of REE-acceptor phases. In view of this behaviour, only
ENd(T) values calculated from rocks having Nd contents greater than 20 ppm (ENd(T) = +2.0) appear
to be sufflciently reliable for use in characterizing the ENd value of the Earth's mantle at 3800-3700
Ma. In fact, among the four investigated rock sequences, only the komatiites and komatiitic basalts
from South Africa (Barberton and Schapenburg greenstone belts) appear to have preserved most of
their primary isotopie and chemical memories.
Dans ce travail nous utilisons les propriétés de traceurs géochimiques des systèmes isotopiques du
Sm-Nd, Lu-Hf et Rb-Sr, ainsi que des éléments majeurs et des éléments en trace (Terres Rares) pour
apporter une contribution à la connaissance de la composition et de l'évolution du manteau archéen
terrestre (T compris entre 2500 et 3800 Ma). Nous étudions aussi le comportement de ces systèmes
et/ou éléments lors de l'altération et du métamorphisme, étant entendu que les roches archéennes
présentent toutes des signes d'altération et/ou de métamorphisme, deux processus qui peuvent avoir
effacer leurs caractéristiques géochimiques originelles. Les objets d'étude sont des roches de
composition basique à ultrabasique (komatiites, basaltes et gabbros) et proviennent d'Afrique du sud
(ceintures de Barberton et de Schapenburg; T=3500 Ma), d'Australie (craton de Pilbara; T=3500
Ma), de Finlande (T=2700 Ma) et du Groënland (ceinture d'Isua; T=3800 Ma).
Les résultats géochimiques obtenus sur les komatiites d'Afrique du Sud et du craton de Pilbara,
couplés avec ceux publiés sur des komatiites provenant d'autres régions du monde (Canada,
Zimbabwe, Inde), montrent qu'il existe, dans ces roches, des variations systématiques des rapports
Caû/Ahû3, Al203fTi02 et (Gd!Yb)N telles que trois groupes géochimiques de komatiites archéennes
peuvent être reconnus et définis: un Groupe I dans lequel les trois rapports précités présentent des
valeurs proches des celles mesurées dans les chondrites; un Groupe TI dans lequel les roches
montrent des appauvrissements relatifs en Aluminium et en Terres Rares Lourdes; enfin, un Groupe
Ill dans lequel les roches présentent, au contraire, des enrichissements relatifs en Aluminium et en
Terres Rares Lourdes. En règle générale, les komatiites archéennes précoces (T~3400 Ma)
appartiennent aux Groupes TI et ill, celles provenant des terrains archéens tardifs (T=2700 Ma) étant
principalement du Groupe 1. Les modélisations géochimiques montrent que les variations observées
sont attribuables à des "pertes" (Groupe TI) ou à des "gains" (Groupe ill) de grenat. Les résultats
isotopiques Lu-Hf obtenus sur des échantillons de komatiite du Groupe TI de la ceinture de Barberton
(êHf(T)=O) indiquent que le fractionnement de grenat se produisait lors des épisodes de fusion
partielle mantélique (grenat au résidu solide). Couplé avec les données de la pétrologie expérimentale
qui montrent que, dans le manteau, la phase au liquidus est le grenat majorite lorsque la pression est
~ 15 GPa, ce résultat nous conduit à proposer un modèle reliant les variations géochimiques
observées dans les komatiites archéennes à des différences dans la profondeur de fusion des diapirs
mantéliques. En tout état de cause, ces variations ne sont pas la trace fossile d'une stratification
chimique et minéralogique du manteau archéen, engendrée par un épisode "océan magmatique
terrestre" qui se serait développé il y a 4400 Ma.
D'une manière générale, et sans remettre en cause les résultats précédemment énoncés, l'étude du
comportement des systèmes isotopiques ainsi que des éléments majeurs et des éléments en trace lors
des processus d'altération et/ou de métamorphisme affectant les roches basiques et ultrabasiques
archéennes nous conduit à nous interroger sur la capacité réelle de ces systèmes à fournir des traceurs
fiables de la composition chimique et isotopique du manteau archéen. En particulier, les résultats
obtenus sur les coulées de komatiites de Finlande Orientale (régions de Tipasjarvi et de Siivikkovaara)
montrent que la recristallisation métamorphique peut effacer l'ensemble des mémoires magmatiques
initialement contenues dans les roches, y compris celles affèrent à des éléments ou des systèmes
isotopiques réputés être réfractaires, comme les Terres Rares ou le système isotopique Sm-Nd. A
Siivikkovaara, par exemple, nous montrons que la recristallisation métamorphique s'est accompagnée
d'une ré-équilibration complète des systématiques Sm-Nd roche-totale: alors que les coulées se sont
mises en place il y a 2700 Ma, l'âge isochrone Sm-Nd roche-totale calculé est de 1800 Ma, ce qui
correspond à l'épisode métamorphique enregistré dans les minéraux métamorphiques présents dans
les échantillons. Les résultats isotopiques de l'oxygène montrent que la recristallisation
métamorphique s'opèrait dans des conditions de température de l'ordre de 450°C et que la phase
fluide jouait un rôle important dans la mobilité des Terres Rares. Le fait que les ré-équilibrations
isotopiques se soient produites 1 Ga après la mise en place des coulées conduit à la production d'une
gamme aberrante de valeurs êNd(T) (de -8 à +3), sans signification aucune quant à la nature des
sources mantéliques impliquées. Le même type de comportement est observé dans les roches de la
ceinture d'Isua au Groenland. Alors que certains auteurs ont voulu voir dans la gamme isotopique
initiale définie par les roches de cette ceinture (êNd(3800) compris entre -1.0 et +3.5) la trace de
composants crustaux d'âge >3800 Ma et/ou de domaines mantéliques très appauvris en Terres Rares
Légères, nous montrons que les valeurs êNd(3800) calculées servant de base à ces interprétations ne
sont pas des valeurs vraies, mais des valeurs apparentes résultant de fractionnements isotopiques
secondaires survenant 1 Ga après la mise en place des roches. En fait, des quatres régions étudiées,
seules les komatiites de Schapenburg paraissent avoir préservé la quasi-intégralité de leurs mémoires
magmatiques originelles.