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Histoire de la Terre et de la vie – Actualités géologiques

Actualité

Une oasis d’oxygène dans un environnement côtier il y a 2,8 milliards d’années

Une plateforme carbonatée oxygénée d'après Robert Riding et al., 2014.

Au nord-ouest de l’Ontario, à Steep Rock Lake, se trouvent les vestiges d’un environnement côtier de la Terre archéenne, daté à 2,8 milliards d’années. L’Archéen est le deuxième éon de notre planète, allant de 4 à 2,5 milliards d’années. En langage géologique, cet environnement s’appelle une plateforme carbonatée. Comme aujourd’hui, des organismes vivants le peuplaient, à une faible profondeur de manière à capter la lumière du Soleil (zone photique, indiquée à droite). Ils recevaient également des nutriments apportés par l’érosion du continent. En surface, celui-ci était composé d’une tonalite datée de 3 milliards d’années. C’est une roche magmatique à grains visibles à l’œil nu et riche en silice, comme le granite, mais comportant moins de potassium.

À l’heure actuelle, la Terre ne produit plus de roche semblable, les continents étant plutôt granitiques. Les continents archéens comportaient de la tonalite parce que la Terre était plus chaude. Celui-ci était érodé par un réseau de fleuves transportant des galets et des sables. Le niveau de la mer est monté puis la vie s’est installée sur la plateforme. Aucun fossile n’a été conservé, mais elle a laissé des indices évidents de sa présence.

Il y a d’abord les stromatolites. Ce sont des rochers de calcaire construits par des colonies de bactéries. La différence de croissance entre le jour et la nuit crée de fines lamelles. Les stromatolites étaient répandus durant le Précambrien puis ont connu un déclin au début du Cambrien, sans doute à cause de l’apparition d’animaux brouteurs : les gastéropodes. Mais tous les organismes ne vivaient pas sur ces rochers. En bas de la plateforme, on trouve des schistes noirs (black shales), qui doivent leur couleur à la présence de matière organique. Ils comportent jusqu’à 15 % en poids de carbone. C’est du carbone organique, reconnaissable à sa composition isotopique. L’existence d’une photosynthèse productrice d’oxygène est possible, sachant qu’il peut exister des photosynthèses non oxygéniques. Il pouvait ainsi exister du plancton végétal, dont des cyanobactéries.

La production d’oxygène est tout à fait remarquable. À cette époque, l’atmosphère et l’océan n’en comportaient quasiment pas. On estime que la Grande Oxygénation a commencé il y a 2,45 milliards d’années. L’eau de mer était colorée en vert par des ions ferreux Fe²⁺, qui n’existent aujourd’hui plus du tout. La présence d’oxygène dans l’eau entraînait la précipitation de ces ions sous forme d’hydroxyde Fe(OH)₃. Sur le plancher de la mer, il se formait de l’hématite Fe₂O₃ et de la magnétite Fe₃O₄, qui sont des oxydes de fer, et de la sidérite FeCO₃, qui est du carbonate de fer. Ces minéraux étaient mélangés à de la silice précipitée sous forme de cristaux microscopiques, que l’on appelle du chert. De tels mélanges commencent à devenir fréquents à la fin de l’Archéen, il y a 2,5 milliards d’années, et constituent de gigantesques séries sédimentaires durant l’éon suivant, le Protérozoïque. Les alternances de dépôts d’oxydes de fer et de chert leur valent leur nom de « formations ferrifères rubanées ». Ce qui est particulier, à Steep Rock Lake, c’est que des sédiments argileux riches en matière organique, devenus les schistes noirs, sont venus s’y ajouter. Sur la plateforme, la soustraction des ions ferreux a permis la précipitation du calcaire CaCO₃ à partir des ions bicarbonate HCO₃⁻ et calcium Ca²⁺ contenus dans l’eau. Il s’est accumulé sur des centaines de mètres d’épaisseur. Un indice de la présence d’oxygène dans l’eau est un déficit de cérium Ce, un élément appartenant au groupe des terres rares. Ce déficit est observé aujourd’hui dans les eaux océaniques normalement oxygénées.

Ainsi, il y a 2,8 milliards d’années, l’océan n’était pas encore oxygéné, mais il existait des « oasis » sur des plateformes continentales où des stromatolites et du phytoplancton émettaient de l’oxygène. Il se combinait aux ions ferreux dont l’océan était saturé. Ces « oasis » étaient limitées et éphémères (celle de Steep Rock Lake a duré 5 millions d’années avant d’être recouverte par des sédiments riches en magnésium et en fer), mais les auteurs suggèrent que partout où les calcaires archéens sont présents, c’est qu’il y avait de l’oxygène et donc de la vie. Les stromatolites n’y étaient pas forcément présents, si bien que seul du phytoplancton y vivait.

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Robert Riding, Philip Fralick et Liang Liyuan, Identification of an Archean marin oxygen oasis, Precambrian Research 251, 232-237, September 2014.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301926814002198

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