A.1. Terre jeune : de la Terre primitive à l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère
Notre groupe a travaillé sur l’enregistrement des environnements passés (atmosphère, hydrosphère) à partir de l’analyse d’échantillons anciens (barytine, inclusions fluides de quartz hydrothermaux, matière organique) ayant piégé des traces de gaz nobles et d’azote. Nous avons mis en évidence l’évolution de la composition isotopique du xénon atmosphérique durant l’Archéen, qui est le second traceur, après le fractionnement indépendant de la masse du soufre, à montrer une évolution temporelle de l’atmosphère durant les premiers milliards d’année de notre planète (Avice et al., 2018, 2017). L’évolution isotopique du xénon, qui semble s’arrêter au début du Protérozoïque, est due à son échappement dans l’espace suite à son ionisation par les photons solaires, les autres espèces atmosphériques n’étant pas affectées. Cette première ouvre la voie au traçage des interactions Soleil-Terre sur des périodes géologiques (Avice and Marty, 2020), que nous souhaitons développer dans le prochain quadriennal. Nous étudierons en détail les mécanismes d’échappement, notamment leur relation avec la chimie de l’atmosphère ancienne (e.g., apparition de l’oxygène stable).
Nous avons développé une nouvelle méthode de datation de la matière organique archéenne en utilisant la courbe d’évolution du Xe atmosphérique, un outil important dans la caractérisation des premières formes de vie (Bekaert et al., 2018, 2020). Nous testerons avec d’autres échantillons d’âges variables cette méthode.
L’analyse de l’azote paléo-atmosphérique dans des inclusions fluides piégées dans des quartz archéens a permis (i) de contraindre la paléo-pression de N2 à l’Archéen, qui s’est avérée de façon surprenante inférieure à l’actuelle, ouvrant la possibilité de mieux comprendre le cycle de cet élément dans les temps anciens, et (ii) de montrer que la composition isotopique de l’azote atmosphérique n’a pas varié depuis 3,5 Ga, impliquant l’existence d’un champ magnétique conséquent depuis cette période (Avice et al., 2018; Marty et al., 2013). Nous souhaitons explorer les variations de la pN2 atmosphérique au cours de périodes plus récentes.
A l’Archéen, des processus existent qui génèrent des signatures isotopique du soufre particulières (Δ33S non nuls), interprétées comme le reflet de réactions photolytiques se déroulant dans une atmosphère dépourvue d’oxygène, générant du soufre oxydée avec un Δ33S positif et du soufre réduit avec un Δ33S positif. Cependant, seul le soufre réduit a été analysé pour la plus grande part de l’Archéen. Les rares sulfates analysés, tous plus vieux que 3,2 Ga, proviennent de minéraux dont l’origine est complexe. Suite à la première étude des sulfates en trace présent dans les carbonates Archéens, démontrant qu’à l’Archéen supérieur, les sulfates se caractérisaient par des Δ33S positifs (Paris et al., 2014a), une nouvelle étude décrypte les mécanismes de préservation des signatures isotopiques dans la plateforme de Campbellrand (Paris et al., 2020).
Pendant l’Archéen, période de pO2 atmosphérique négligeable, le cycle du soufre est caractérisé par un signal géologique spectaculaire, qui se traduit par le fractionnement anormal des isotopes soufre (Δ33S non nul). L’asymétrie dans les données isotopiques existantes du soufre suggère que la croûte archéenne n’était pas équilibrée en masse, ce qui impliquerait que la perte d’anomalies isotopiques du soufre dans l’enregistrement géologique pourrait être inférieure à la hausse de l’oxygène atmosphérique. Les analyses de 52 échantillons d’eau provenant du Canada et d’Afrique du Sud suggèrent que la croûte archéenne était équilibrée en masse avec une composition isotopique du soufre équivalente à celle de la Terre moyenne (Δ33S=0 ‰). Ces travaux confortent l’hypothèse selon laquelle la disparition de multiples anomalies isotopiques du soufre dans les sédiments fournit un indicateur fiable du moment de la première augmentation de l’oxygène atmosphérique.
L’analyse d’échantillons irradiés par activation neutronique de quartz archéens nous a permis de déterminer la salinité des océans il y a 3,3 Ga grâce à l’analyse couplée des halogènes et des gaz nobles. La teneur en Cl était similaire à l’actuelle mais celle en K étant ~40 % inférieure, du fait d’une masse continentale moindre (Marty et al., 2018).
La géodynamique de l’Archéen a été étudiée via les isotopes de Ar et Xe paléo-atmosphériques. Ces résultats suggèrent une croissance continentale forte entre 3.3 et 2.7 Ga (rapport 40Ar/36Ar) (Pujol et al., 2013), et un épisode massif de magmatisme juste avant le Great Oxydation Event (déficit en 129Xe), qui pourrait avoir été l’un des déclencheurs de ce changement environnemental majeur (Marty et al., 2019). Nous continuerons d’explorer cette période avec un échantillonnage plus détaillé.
A.2. Du Phanérozoïque à la Terre actuelle
Le thème CYCLA s’intéresse également à l’évolution du système océan-atmosphère au cours du Phanérozoïque. Trois flux, et leurs contre-flux, sont les principaux contrôles des bilans de carbone et d’oxygène à la surface de la Terre, et donc de la composition chimique du système océan-atmosphèr. Deux flux/comptes-flux relient les cycles du carbone et de l’oxygène : (1) la photosynthèse contre l’oxydation de la matière organique, et (2) l’altération couplée à la précipitation de carbonate contre l’altération inversée. Le troisième flux/contre-flux, est l’enfouissement vs l’oxydation de la pyrite. La pyrite (FeS2) est un minéral à teneur réduite en soufre (FeS2) qui relie les cycles du soufre, du carbone et de l’oxygène et qui est donc essentiel pour contrôler le climat et les conditions environnementales de la Terre à long terme. La production de pyrite est liée aux niveaux d’oxygène à la surface de notre planète : là où l’oxygène manque, les microbes réduisent les ions sulfate pour extraire de l’énergie pendant la respiration de la matière organique et la pyrite peut précipiter. La matière organique étant un puits majeur de CO2 atmosphérique, la production de pyrite module le cycle du carbone.