Rapport de recherche sur une impulsion intense d’altération oxydative au cours du Paléoprotérozoïque récent

Contexte académique

Le niveau d’oxygène dans l’atmosphère terrestre a un impact profond sur l’écologie et le fonctionnement biogéochimique des écosystèmes marins. Le “Grand Événement d’Oxydation” (Great Oxidation Event, GOE), survenu il y a environ 2,5 à 2,2 milliards d’années, a marqué une augmentation significative du niveau d’oxygène atmosphérique, passant de traces à plus de 10^-5 du niveau atmosphérique actuel. Cependant, au cours du milliard d’années suivant, le niveau d’oxygène atmosphérique a diminué à un niveau bas, bien que cette valeur précise reste incertaine. Des recherches récentes indiquent que l’environnement redox de cette période était plus complexe qu’on ne le pensait auparavant, avec des preuves de multiples impulsions d’oxygénation. Cependant, les causes et l’étendue de ces impulsions d’oxygène restent floues.

Pour explorer ces questions, des chercheurs ont analysé des schistes noirs et des dolomies datant de 1,64 milliard d’années provenant du Craton Nord-Chinois (North China Craton, NCC). Ces roches représentent des sédiments déposés lors de la fragmentation du supercontinent Columbia. En étudiant les concentrations en éléments, les isotopes de rhénium-osmium (Re-Os) et de cuivre (Cu) de ces roches, les chercheurs visaient à évaluer les processus d’altération terrestre et l’évolution des niveaux d’oxygène atmosphérique au cours du Paléoprotérozoïque récent.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Xiuqing Yang, Guowei Yang, Chao Li, Kurt O. Konhauser, Changzhi Wu, Fang Huang et Jingwen Mao. Les auteurs sont affiliés à l’École des sciences de la Terre et des ressources de l’Université de Chang’an, au Centre national d’analyse géologique de l’Académie chinoise des sciences géologiques, au Département des sciences de la Terre et de l’atmosphère de l’Université de l’Alberta, à l’École des sciences de la Terre et de l’espace de l’Université des sciences et technologies de Chine, ainsi qu’à l’Institut des ressources minérales de l’Académie chinoise des sciences géologiques. L’article a été publié en ligne le 25 septembre 2024 dans la revue Geology, avec le DOI 10.1130/g52373.1.

Processus de recherche

1. Collecte et traitement des échantillons

Les chercheurs ont prélevé des échantillons de schistes noirs et de dolomies de la Formation de Chuanlinggou dans le forage ZK83-6 du gisement de fer de Zengjiagou, dans la ville de Chicheng, province du Hebei. Après un examen pétrographique détaillé, les échantillons ont été analysés pour leur teneur en carbone organique total (Total Organic Carbon, TOC), en soufre total (Total Sulfur, TS), en éléments majeurs et traces, ainsi que pour leurs isotopes de Re-Os et de Cu.

2. Méthodes expérimentales

• Analyse du carbone organique total et du soufre total : Les teneurs en TOC et TS ont été mesurées selon des méthodes standard.
• Analyse des éléments majeurs et traces : Les concentrations ont été déterminées par spectrométrie de fluorescence X (XRF) et spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS).
• Analyse des isotopes Re-Os : La méthode de l’eau régale inverse (inverse aqua regia) a été utilisée pour dissoudre les échantillons, réduisant ainsi les niveaux de blanc. Les compositions isotopiques de Re et Os ont été mesurées par spectrométrie de masse à thermo-ionisation (TIMS).
• Analyse des isotopes de Cu : Les compositions isotopiques de Cu ont été mesurées par spectrométrie de masse à plasma induit à multi-collection (MC-ICP-MS).

3. Analyse des données

• Données isotopiques Re-Os : Les rapports initiaux 187Os/188Os ont été calculés pour refléter la composition isotopique de l’eau de mer au moment du dépôt.
• Données isotopiques de Cu : Les valeurs de δ65Cu ont été calculées pour évaluer les processus d’altération oxydative.
• Rapports Th/U et indice d’altération chimique (CIA-K) : Utilisés pour évaluer l’intensité de l’altération terrestre.

Résultats principaux

1. Composition élémentaire des schistes noirs et des dolomies

Les teneurs en TOC et TS des échantillons de schistes noirs variaient respectivement de 0,13 à 4,68 % en poids et de 0,03 à 2,13 % en poids, tandis que celles des dolomies variaient de 0,05 à 0,64 % en poids pour le TOC et de 0,02 à 0,62 % en poids pour le TS. Les rapports Th/U des schistes noirs variaient de 0,94 à 7,21, avec une moyenne de 4,53, indiquant une altération oxydative intense.

2. Composition isotopique Re-Os

Les rapports initiaux 187Os/188Os des schistes noirs variaient de 0,84 à 1,34, avec une moyenne de 1,06±0,14, similaire à celle de l’eau de mer moderne (~1,06). Les rapports initiaux 187Os/188Os des dolomies variaient de 0,58 à 0,93, avec une moyenne de 0,72±0,13.

3. Composition isotopique de Cu

Les valeurs de δ65Cu des schistes noirs variaient de -0,19‰ à 0,43‰, avec une moyenne de +0,12‰±0,17‰, similaires à celles des schistes post-GOE.

4. Indice d’altération chimique

Les valeurs de CIA-K pour l’ensemble de la section variaient de 84 à 99, indiquant une altération chimique intense.

Discussion et conclusions

1. Preuves d’altération oxydative

Les rapports initiaux élevés de 187Os/188Os, les valeurs positives de δ65Cu, les rapports Th/U élevés et les valeurs de CIA-K suggèrent que les processus d’altération terrestre il y a 1,64 milliard d’années étaient caractérisés par une altération oxydative intense. Ces résultats sont similaires aux processus d’altération post-GOE, indiquant qu’un événement d’impulsion d’oxygène pourrait avoir eu lieu à cette époque.

2. Origine et causes de l’altération terrestre intense

Les chercheurs suggèrent que la fragmentation du supercontinent Columbia a entraîné une augmentation de l’altération terrestre. Pendant la fragmentation du supercontinent, l’altération de grandes quantités de roches basiques fraîches a augmenté l’apport de phosphore dans les océans, stimulant la photosynthèse des cyanobactéries et augmentant ainsi le taux de production d’oxygène. De plus, la fragmentation du supercontinent a élargi les lignes côtières, fournissant davantage d’habitats peu profonds pour les cyanobactéries.

3. Valeur scientifique et applicative

Cette étude fournit de nouvelles preuves pour comprendre l’évolution des niveaux d’oxygène atmosphérique au Paléoprotérozoïque, révélant un lien possible entre la fragmentation du supercontinent Columbia et les événements d’impulsion d’oxygène. Les résultats sont importants pour comprendre la complexité des environnements redox précoces de la Terre et les mécanismes de production d’oxygène.

Points forts de la recherche

• Découverte importante : Les processus d’altération terrestre il y a 1,64 milliard d’années étaient caractérisés par une altération oxydative intense, possiblement liée à un événement d’impulsion d’oxygène.
• Innovation méthodologique : L’utilisation de la méthode de l’eau régale inverse pour l’analyse des isotopes Re-Os a réduit les niveaux de blanc et amélioré la précision des données.
• Spécificité des objets d’étude : Les échantillons proviennent de la Formation de Chuanlinggou dans le Craton Nord-Chinois, l’une des formations de schistes noirs les mieux préservées datant de 1,8 à 0,8 milliard d’années dans cette région.

Autres informations utiles

L’étude a également révélé que l’activité des grandes provinces ignées (Large Igneous Provinces, LIPs) pendant la fragmentation du supercontinent Columbia pourrait avoir favorisé l’altération terrestre et la production d’oxygène. Ces découvertes offrent de nouvelles perspectives pour comprendre l’évolution des environnements redox précoces de la Terre.