La grande oxygénation de l'atmosphère terrestre revisitée
Publié par Adrien le 10/06/2018 à 07:20
Source: CNRS-INSU
Pour comprendre quand, comment et à quelle vitesse l'oxygène est devenu un composant de notre atmosphère entre environ 2,5 et 2,2 milliards d'années, une équipe internationale a étudié la systématique des quatre isotopes du soufre dans plus de 700 mètres de dépôts sédimentaires australiens. Les résultats obtenus montrent que l'oxygénation de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre...) a commencé bien plus tôt que traditionnellement admis et que son enregistrement n'a pas été synchrone d'un continent (Le mot continent vient du latin continere pour « tenir ensemble », ou continens terra, les « terres continues ». Au sens propre, ce terme désigne une vaste...) à l'autre (Australie, Afrique (D’une superficie de 30 221 532 km2 en incluant les îles, l’Afrique est un continent couvrant 6 % de la surface terrestre et 20,3 % de la surface des...) du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.), Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par...) du Nord) mais étalé dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) sur presque 300 millions d'années. Ce décalage apparent reflète un effet local lié à l'altération en conditions oxydantes de surfaces continentales plus anciennes.


Corrélation temporelle des séquences sédimentaires associées au GOE d'Australie, d'Amérique du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) et d'Afrique du Sud. Le modèle d'oxygénation proposé (noté GOE*, Australie) est indiqué comme un intervalle d'environ 300 Ma. L'intervalle noté GOE en Afrique du Sud correspond au modèle classique, dans lequel l'oxygénation de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) est considéré comme rapide (1 à 10 Ma) et globalement synchrone à environ 2,32 Ga sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) du globe. Les segments rouges et bleus à droite des colonnes stratigraphiques représentent la composition isotopique en soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) des pyrites sédimentaires. MIF = Fractionnement indépendant de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...). MDF = Fractionnement dépendant de la masse.
En l'absence d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dans l'atmosphère, la photolyse UV de dioxyde de soufre (SO2) libéré par l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) volcanique se traduit par la production de composés soufrés caractérisés par des fractionnements isotopiques très particulier dits indépendant de la masse (noté, MIF-S). En se dissolvant dans l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en...), ces composés soufrés transfèrent cette anomalies isotopiques au registre sédimentaire lors de leur précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des processus de...) sous forme de pyrite, par exemple. En présence d'oxygène atmosphérique, ces fractionnements isotopiques particuliers disparaissent. La grande oxygénation de l'atmosphère terrestre (Great Oxidation Event, GOE) entre 2,5 et 2,2 milliards d'années (Ga) a été définie comme l'intervalle de temps pendant lequel une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) suffisante d'oxygène atmosphérique était présent pour empêcher la production et le transfert de ces anomalies isotopiques dans le registre sédimentaire. La disparition de ces anomalies isotopiques dans des sédiments d'Afrique du Sud sur quelques mètres d'épaisseur de sédiments, a conduit des études précédentes à proposer que l'augmentation de l'oxygène dans l'atmosphère a été rapide (moins de 10 millions d'années, Ma) et globalement synchrone à environ 2,32 Ga sur l'ensemble du globe. Cependant, comme illustré dans la figure, la présence d'importantes lacunes sédimentaires dans les séquences d'Afrique du Sud implique que ce modèle d'oxygénation reste mal contraint.

Afin de mieux contraindre les mécanismes, l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) et la durée du GOE, nous avons réalisé une campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain....) de forages dans le bassin du Hamersley en Australie occidentale afin de pouvoir étudier un échantillonnage (L'échantillonnage est la sélection d'une partie dans un tout. Il s'agit d'une notion importante en métrologie : lorsqu'on ne peut pas saisir un...) représentatif qui recoupe la période entre 2,5 et 2,2 Ga associée au GOE. La séquence sédimentaire étudiée est le groupe du Turee Creek, laquelle, à la différence de ses équivalents d'Afrique du Sud et d'Amérique du Nord, ne présente pas de discontinuité sédimentaire majeure.

L'analyse des isotopes du soufre à haute résolution stratigraphique montre un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la...) MIF-S relativement homogène et de faible amplitude (1± 0.50/00) sur l'ensemble des carottes. Ce signal est ponctué de plusieurs intervalles sédimentaires dans lesquels les sulfures ne présentent pas d'anomalies MIF-S. La présence d'épisodes de dépôt sans MIF-S impliquent que des quantités non négligeables d'oxygène étaient présentes dans l'atmosphère dès 2,45 Ga. Le signal MIF-S de l'ordre de 10/00 représente la moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...) des anomalies isotopiques mesurées dans les sulfures de la période archéenne (4,0 à 2,5 Ga) antérieure au GOE.

L'enregistrement d'une telle anomalie sur plus de 700 mètres de carottes de forage ne peut s'expliquer par un processus atmosphérique, mais résulte vraisemblablement de l'altération en conditions oxydantes de surfaces continentales plus anciennes (archéennes) et le recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un...) d'un réservoir de sulfate de composition isotopique homogène de l'ordre de 10/00 dans l'océan. Ce modèle permet d'expliquer que l'enregistrement MIF-S dans les sédiments d'Afrique du Sud, d'Amérique du Nord et d'Australie ne soit pas synchrone car dépendant des surfaces d'altération locales. Ces résultats impliquent que le paradigme actuel de définir le GOE à 2,33-2,32 Ga en se basant sur la dernière occurrence de MIF-S en Afrique du Sud doit être abandonné.

Cette étude a été financée par le Labex UnivEarths de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle...) Cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la création des États, un groupe d’hommes sédentarisés libres (pouvant avoir des esclaves), constituant...) (ANR-10-LABX-0023 and ANR-11-IDEX-0005-02).
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