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Quand et comment l’oxygène est-il apparu sur Terre ?

La façon dont s’est accumulée l’oxygène libre dans l’atmosphère et les océans demeure l’un des mystères des Sciences de la Terre et du vivant. Il est démontré que seule la photosynthèse oxygénique, réalisée actuellement par le plancton et les plantes, et par des micro-organismes durant le Précambrien, est capable de produire les quantités d’O2 présentes dans l’atmosphère et les océans. Mais de nombreuses questions se posent : pourquoi et comment l’O2 atmosphérique est apparu dans le registre géologique vers 3,0 Ga, a augmenté entre 2.5 et 2.2 Ga durant un premier pic de production appelé le "Great Oxidation Event" (GOE), suivi par une seconde phase à la fin du Protérozoïque (0.8 à 0.54 Ga) au cours du "Neoproterozoic Oxidation Event" (NOE) en relation avec l’explosion de la vie au Cambrien (explosion cambrienne) ? Pourquoi ces phases d’accumulation d’O2 sont associées à des périodes glaciaires, certaines d’échelles globales (snowball Earth) ? Existe-t-il un lien entre l’augmentation de l’oxygène atmosphérique et l’initiation de la tectonique des plaques vers 3,0 Ga ? (cf. figure ci dessous). Schéma montrant l’évolution des relations entre manteau et enveloppes externes (croûte, océan, atmosphère). À noter la coïncidence entre le changement des taux de croissance de la croûte continentale (courbe pointillés noirs, Dhuime et al., 2012), le pic thermique du manteau (courbe rouge, Labrosse et Jaupart, 2007), le premier témoin de croûte continentale émergée (ligne verticale pointillée orange), les premiers dépôts de sulfate archéens (ligne verticale verte), et la première apparition d’O2 libre dans l’environnement (courbe bleue notée O2). Les pics d’augmentation de l’O2 atmosphérique (GOE, NOE) sont corrélés avec des périodes glaciaires (lignes verticales bleues, Huronien, Cryogenien).

Pascal Philippot, qui a rejoint Géosciences Montpellier en octobre 2017, travaille depuis une dizaine d’années sur cette question de l’oxygénation de la Terre. Sa recherche consiste à identifier des marqueurs géologiques, magnétiques, pétrologiques et géochimiques liés à l’augmentation de l’oxygène dans l’environnement à partir de séquences sédimentaires clés afin d’établir des corrélations temporelles entre différents continents, et ainsi s’assurer que le phénomène étudié est bien global. Les traceurs utilisés étant sensibles aux processus secondaires postérieurs au dépôt (métamorphisme, altération météorique), les échantillons étudiés sont récoltés par forages. Plusieurs campagnes ont été réalisées en Australie et en Afrique du Sud au cours des dernières années. La dernière en date (2011-2018) concerne les séquences sédimentaires du groupe du Turee Creek en Australie. La démarche est pluri-disciplinaire, alliant géologie, sédimentologie, géochronologie, géochimie élémentaire et isotopique (C, N, S, O, Fe, Zn, Cr, Mo, U), minéralogie magnétique... Le but est de développer une approche intégrée, multi-méthodes, sur les mêmes échantillons afin d’acquérir un faisceau de traceurs à différentes échelles (bassin, lame mince, carotte de forage).

Dans un article1 qui vient de paraître dans Nature Communications, Pascal Philippot et ses collègues, démontrent, à partir des résultats obtenus à la suite de l’analyse des quatre isotopes du soufre, réalisée à très haute résolution spatiale dans trois carottes de forage, que l’augmentation de l’O2 atmosphérique n’était pas un processus instantané (1 à 10 Ma) comme traditionnellement interprété, mais un phénomène progressif et de longue durée.

Actuellement, ses travaux de recherche portent sur des séquences sédimentaires d’âge Néo et Paléo-protérozoïque du Brésil (groupe de Jacadigo et supergroupes de Carajás et Minas) (photo ci-contre "Échantillon de carotte de forage de fer rubané déposé en conditions glaciaires durant la seconde phase d’oxygénation de la Terre (Cryogénien du Néoprotérozoïque, Brésil). Ce projet (2016-2021) financé par la fondation FAPESP de l’état de São Paulo comprend plusieurs partenaires internationaux2. Eric Siciliano Rego et Beatrix Heller, doctorants, Camille Rossignol et Francesco Narduzzi en contrat post-doctoral, sont ou vont être recrutés pour travailler plus particulièrement sur la stratigraphie, la géochronologie (U-Pb sur zircon, Re-Os sur black shales et pyrite), la géochimie isotopique (Fe et Zn) et la minéralogie magnétique. Depuis cette année, ce projet bénéficie de l’expertise de Michel Lopez, enseignant-chercheur à Géosciences Montpellier, spécialiste des processus de précipitation biochimique du fer et du manganèse dans les bassins sédimentaires et qui a longuement travaillé dans les bassins protérozoïques d’Afrique du Sud, du Gabon et du Brésil.

Avril 2018 : mission de terrain à Corumbá dans les séquences néoprotérozoïques du groupe de Jacadigo : Magali Ader (IPGP), Ricardo Trindade et Eric Siciliano Rego (Universidade de São Paulo), Michel Lopez et Pascal Philippot (Géosciences Montpellier)

NB : "les protections c’est pour les serpents. On en a pas vu mais il y en a beaucoup apparemment et comme les herbes sont hautes, c’est nécessaire !"



Par ailleurs, dans le cadre du postdoctorat de Francesco Narduzzi, Pascal Philippot et Delphine Bosch (GM) envisagent de réaliser une étude des isotopes Lu/Hf et Sm/Nd à la fois des roches de Turee Creek en Australie et des séquences brésiliennes afin d’évaluer le rôle potentiel des grandes provinces ignées (LIPs) dans l’augmentation des teneurs en O2 atmosphérique durant le GOE et le NOE.
Ce travail fait suite à la mise en évidence de zircons d’origine juvénile d’âge compris entre 4,0 et 2,3 Ga dans les séquences de Turee Creek3. Enfin, grâce aux carottes de forages prélevées en Afrique du Sud, Inde et Australie dans les premiers niveaux de sulfates connus sur Terre et datés entre 3,2 et 3,5 Ga (cf. figure 1), Pascal Philippot va collaborer avec Bruno Dhuime (GM) pour étudier, via des méthodes d’analyse in situ, la systématique des isotopes du Sr sur des sulfates déjà étudiés pour leur composition isotopique du soufre4. L’objectif de ce projet est de mieux contraindre les prémisses de l’altération continentale à l’Archéen.


1 Philippot, P., Ávila, J., Killingsworth, B., Tessalina, S., Baton, F., Caquineau, T., Muller, E., Pecoits, E., Cartigny, P., Lalonde, S., Ireland, T., Thomazo, C., Van Kranendonk, M.J. and Busigny, V. Globally asynchronous sulphur isotope signals require re-definition of the Great Oxidation Event. Nature Communications. doi : 10.1038/s41467-018-04621-x
Lire le communiqué de l’INSU
2 Universidade de São Paulo, Universidade Federal de Ouro Preto, Géosciences Montpellier, IPGP, Australian National Laboratory, Curtin University
3 Caquineau, T., Paquette, J.-L. and Philippot, P. (in review) 4.0 - 2.3 Ga zircon Lu-Hf isotope provenance analysis of the Turee Creek Group (Pilbara Craton, Western Australia) : implications on the rise of atmospheric oxygen and global glaciation during the Paleoproterozoic. Earth Planet. Sci. Lett.
4 Muller, E., Philippot, P., Rollion-Bard, C. and Cartigny, P. (2016) Multiple sulfur-isotope signatures in Archean sulfates and their implications for the chemistry and dynamics of the early atmosphere. Proc. Nat. Acad. Sci. 113, 7432–7437.