Une carte tectonique révèle que la plupart des terres rares se sont formées dans d’anciennes zones de subduction.

Un nouveau travail de recherche montre que la majorité des gisements de terres rares - sources de métaux indispensables à l’électronique et aux technologies d’énergie propre - se trouvent au-dessus d’anciennes zones de collision enfouies. Ces zones se sont formées là où des plaques tectoniques sont entrées en collision avant de s’enfoncer profondément sous les continents.

Ce résultat recompose la carte minière actuelle : ce que l’on observe en surface serait l’empreinte de transformations tectoniques profondes, mises en place bien avant que des épisodes de fusion plus tardifs ne produisent des minerais exploitables.

Empreintes tectoniques enfouies

En comparant des continents reconstitués, les concordances les plus nettes apparaissent là où des collisions de plaques, longues et répétées, ont comprimé les marges continentales et laissé, en profondeur, des zones chimiquement modifiées.

En retraçant l’évolution de ces zones enterrées au fil du temps, Carl Spandler, professeur à l’Université d’Adélaïde, et ses collègues ont observé la même organisation sur 412 sites cartographiés.

Leurs analyses indiquent qu’environ 29 million square miles (75 million square kilometers) de croûte continentale se situent au-dessus de ces régions profondes altérées. Les concentrations les plus marquées se trouvent là où plusieurs ceintures anciennes se superposent.

Une telle densité rend difficile l’idée d’une simple coïncidence et conduit à la question suivante : qu’est-ce qui a transformé ces vieilles zones enfouies en roches porteuses de minerai ?

Pourquoi les carbonatites comptent pour les gisements de terres rares

Nombre des gisements de terres rares les plus riches sont associés à des carbonatites, des roches magmatiques rares dominées par des minéraux carbonatés, plutôt qu’à des laves ordinaires.

Ces magmas prennent naissance à grande profondeur sous les continents, là où de faibles degrés de fusion concentrent des éléments qui s’intègrent mal dans les minéraux les plus courants.

Des travaux du Service géologique des États-Unis (USGS) les décrivent, depuis les années 1960, comme la principale source d’éléments de terres rares légères.

Environ 67% de ces roches hôtes se situaient à l’intérieur des mêmes zones anciennes, ce qui relie les magmas porteurs de minerai à cette histoire tectonique profonde.

Transformations en profondeur dans le manteau

Lorsqu’une plaque s’enfonce sous une autre - la subduction, mécanisme qui recycle la croûte vers le manteau - de l’eau, du carbone et des éléments traces sont entraînés vers le bas.

Une partie de cette matière remonte ensuite dans la lithosphère mantellique sus-jacente, l’enveloppe rigide sous les continents, et en modifie la composition chimique.

Cette “empreinte” chimique abaisse la température nécessaire à une fusion ultérieure, ce qui permet la formation de magmas atypiques sans apport thermique exceptionnel.

Plutôt que de produire immédiatement un minerai, la phase de collision semble charger la croûte profonde en “ingrédients” capables de rester en place pendant de très longues périodes.

Calendrier de formation

La chronologie complexifie le schéma simple cause-effet : l’étape de préparation enfouie et l’évènement de production de magma sont souvent séparés par des intervalles immenses.

« Ce décalage temporel est l’un des aspects les plus surprenants de nos résultats », a déclaré Spandler.

Dans certains cas, l’écart s’étendait de millions d’années à près de 2 billion years.

Ce délai dissocie l’ancien “amorçage” chimique du déclencheur plus récent, laissant plusieurs scénarios possibles pour initier la fusion.

Là où les recouvrements s’amplifient

Les correspondances les plus denses apparaissent sur des continents ayant connu des collisions répétées, en particulier en Amérique du Nord, en Afrique australe et en Chine.

Les cratons - blocs anciens et stables, parmi les fragments les plus résistants des continents - semblent préserver particulièrement bien ces zones profondes enrichies.

Environ 85% des régions fertiles cartographiées se chevauchaient entre elles, ce qui suggère que plusieurs épisodes anciens ont empilé leurs effets.

Des zones dissimulées sous la glace antarctique pourraient également respecter ce schéma, mais ces gisements restent difficiles à confirmer.

Pourquoi les panaches perdent du terrain

Les explications plus anciennes privilégiaient souvent les panaches mantelliques - colonnes ascendantes de roches chaudes - comme source principale de ces gisements.

Or, de nombreuses carbonatites, roches volcaniques rares qui hébergent la plupart des gisements de terres rares, ne présentent pas de lien évident avec de telles sources de chaleur, et leur chimie renvoie à des conditions de formation à plus basse température.

Comme la nouvelle cartographie aligne plutôt ces gisements avec d’anciennes zones où des plaques tectoniques sont entrées en collision, l’idée selon laquelle des panaches chauds auraient assuré l’essentiel de la “préparation” perd en force.

Cela n’exclut pas un rôle ultérieur des panaches comme déclencheurs, mais les relègue au second plan.

Déclencheurs après de longues latences

Une perturbation plus tardive demeure nécessaire, car un manteau enrichi ne fond pas spontanément pour former un gisement.

Un rifting, une déformation, une source de chaleur voisine ou une baisse de pression peuvent, chacun, faire franchir à la roche préparée son point de fusion abaissé.

Une fois la fusion engagée, les éléments rares se concentrent, car ils restent dans le liquide au lieu d’entrer dans des cristaux courants.

Cette succession d’étapes explique pourquoi des minerais peuvent apparaître loin de toute limite de plaque active tout en conservant une signature plus ancienne.

Une exploration plus ciblée

Pour les acteurs de l’exploration minérale, l’étude ne se contente pas d’éclairer des roches anciennes : elle réduit aussi l’espace de prospection à l’échelle mondiale.

Seuls environ 35% de la croûte continentale se trouvaient dans les zones fertiles cartographiées, alors que ces secteurs regroupaient la majorité des gisements.

« Cette recherche montre que les ingrédients de ces gisements de minéraux critiques ont été mis en place il y a des millions, voire des milliards d’années », a indiqué Spandler.

Cette logique permet de rendre l’exploration plus précise : les ceintures tectoniques anciennes peuvent aider entreprises et États à orienter leurs campagnes avec moins d’incertitude.

Limites de la cartographie

Tous les gisements ne se situaient pas à l’intérieur des zones cartographiées, et le modèle a volontairement laissé hors champ plusieurs processus de formation de minerai.

Une subduction de courte durée, des déplacements crustaux ultérieurs, l’érosion et des panaches mantelliques peuvent expliquer des “ratés” ou masquer des signaux plus anciens.

Les régions sources les plus anciennes dépassent aussi la fenêtre de 2-billion-year du modèle, ce qui laisse une part de l’histoire profonde hors de portée.

Malgré ces limites, des tests aléatoires ne tombaient dans des zones fertiles qu’environ un tiers du temps, un taux bien inférieur à la fréquence réelle de correspondance.

Héritage de la Terre profonde

Les collisions anciennes semblent avoir enrichi les continents en chimie favorable, tandis que des perturbations plus récentes ont déterminé le moment où ces ingrédients enfouis ont fini par fondre.

Des reconstructions tectoniques plus fines pourraient encore resserrer ces cibles, notamment dans les régions couvertes de glace et sur des terrains plus anciens que ce que la carte actuelle peut suivre.