De minuscules inclusions minérales représentent pour la première fois l’oxygène accumulé dans l’atmosphère et modifiant la composition du manteau. Crédit : Hugo Moreira / Nature Géoscience
À l’aide de techniques synchrotron, les scientifiques ont dévoilé des informations importantes sur le grand événement d’oxydation en étudiant les inclusions d’apatite dans les cristaux de zircon provenant d’anciens magmas avec l’ESRF – Extremely Brilliant Source.
Il y a environ 2,4 milliards d’années, un moment charnière dans l’histoire de la Terre a eu lieu : le grand événement d’oxydation. Durant cette période, une quantité importante d’oxygène s’accumule dans l’atmosphère. Cette augmentation de la production d’oxygène a entraîné un changement radical dans la composition de l’atmosphère, modifiant ainsi la chimie de la planète. L’événement a marqué un tournant dans la mesure où les niveaux d’oxygène ont augmenté, permettant le développement de formes de vie multicellulaires plus complexes et remodelant fondamentalement les écosystèmes terrestres.
Rôle de la tectonique des plaques dans la chimie terrestre
La tectonique des plaques est un mécanisme efficace pour le cycle et l’échange d’éléments entre la surface, l’atmosphère et le manteau de la Terre. À mesure que les montagnes subissent l’altération et l’érosion du fait des interactions avec l’eau et l’atmosphère, elles se décomposent en sédiments. Ces sédiments sont ensuite partiellement renvoyés dans le manteau par des processus de subduction (une plaque tectonique s’enfonçant sous une autre). La formation de magmas dans le manteau au-dessus des zones de subduction offre une opportunité unique d’explorer comment l’atmosphère aurait pu avoir un impact sur le manteau en assimilant les matériaux des sédiments subduits, offrant ainsi un aperçu de cette relation géologique intrigante.
Spéciation du soufre dans les inclusions d’apatite dans le zircon acquises sur la ligne ID21 de l’ESRF. Le spectre du soufre est passé de réduit (S2-) à oxydé (S6+) entre le pré et le post-grand événement d’oxydation. Les auteurs affirment que des sédiments altérés par l’atmosphère se sont infiltrés dans le manteau et ont modifié l’état redox des magmas. Crédit : Hugo Moreira / Nature Géoscience
Méthodes innovantes pour étudier les interactions géologiques
Les scientifiques tentent depuis longtemps d’étudier l’interaction entre l’atmosphère et le manteau terrestre. La mission est déjà compliquée à accomplir sur la Terre moderne, et encore plus au début de la Terre, lorsque l’atmosphère et la tectonique des plaques évoluaient à un rythme rapide. Une équipe dirigée par l’Université de Montpellier et Université de Portsmouth s’est associé à l’ESRF – The European Synchrotron – et a trouvé un moyen de surmonter les obstacles en étudiant les inclusions d’apatite dans le zircon provenant des zones de subduction.
« En 2017, un article sur le minéral apatite a révélé que lorsqu’il se développe dans des conditions réduites, c’est-à-dire qu’il y a peu ou pas d’oxygène libre pour les réactions chimiques, son soufre présenterait une signature très spécifique. Cependant, s’il cristallisait dans des conditions oxydées, le soufre contenu dans l’apatite aurait un aspect très différent. Cela signifie que l’apatite est un proxy des conditions redox », explique Hugo Moreira, chercheur postdoctoral CNRS à l’Université de Montpellier et premier auteur de l’article.
Moreira et ses collègues ont décidé d’explorer les inclusions d’apatite minérale phosphatée dans les grains de zircon cristallisés dans des magmas formés dans une ancienne zone de subduction, et ont mesuré leur spéciation de valence de soufre en utilisant la structure d’absorption des rayons X près du bord (XANES) à l’ESRF, la plus brillante. source de lumière synchrotron.
Vue aérienne de l’ESRf, le synchrotron européen. À l’aide de techniques synchrotron, les scientifiques ont dévoilé des informations importantes sur le grand événement d’oxydation en étudiant les inclusions d’apatite dans les cristaux de zircon provenant d’anciens magmas avec l’ESRF – Extremely Brilliant Source. Les résultats sont publiés dans Géosciences de la nature. Crédit : ESRF/Stef Candé
Principales conclusions et implications
L’incorporation et la spéciation du soufre dans l’apatite dépendent intrinsèquement de la fugacité de l’oxygène du magma et sont donc idéales pour évaluer l’état d’oxydation au cours de l’évolution des systèmes magmatiques. « L’utilisation d’inclusions d’apatite dans les zircons plutôt que d’apatite provenant de la matrice rocheuse était primordiale, car les inclusions ont été protégées par des cristaux de zircon extrêmement robustes, préservant ainsi leur composition d’origine », explique Moreira.
Les résultats de l’expérience montrent que les inclusions d’apatite dans les zircons provenant de magmas cristallisés avant le grand événement d’oxydation ont un état rédox de soufre relativement réduit, alors qu’après le grand événement d’oxydation, elles sont plus oxydées. L’analyse du zircon montre que ces magmas partageaient une source similaire et que les échantillons plus jeunes avaient incorporé une composante sédimentaire. Dans l’ensemble, l’implication claire est que les sédiments affectés par une atmosphère de plus en plus oxydée ont modifié le manteau et déplacé la fugacité des magmas vers des conditions plus oxydées.
Orientations futures de la recherche
« Notre étude montre que l’étude des inclusions d’apatite dans le zircon à l’aide de rayons X synchrotron est un outil puissant pour contraindre un paramètre critique du magma », conclut Moreira.
La prochaine étape pour l’équipe consistera à étudier d’autres magmas qui se sont cristallisés au cours de périodes clés de l’histoire de la Terre, comme l’événement d’oxydation néoprotérozoïque (qui a commencé il y a 850 millions d’années) et l’apparition des premiers signes d’oxygène à l’époque archéenne.
