L’activité volcanique et les changements dans le manteau terrestre expliquent la Grande Oxygénation

L’oxygène s’est accumulé pour la première fois dans l’atmosphère terrestre il y a environ 2,4 milliards d’années, lors de la Grande Oxygénation. Les indices géologiques suggèrent que les premières bactéries photosynthétisaient et pompaient l’oxygène des centaines de millions d’années avant cette date, ce qui constitue une énigme de longue date. Où tout cela allait-il ?

Quelque chose retenait la montée de l’oxygène. Une nouvelle interprétation des roches vieilles de plusieurs milliards d’années révèle que les gaz volcaniques en sont probablement responsables. L’étude menée par l’Université de Washington a été publiée en juin dans la revue à accès libre Nature Communications.

« Cette étude ravive une hypothèse classique sur l’évolution de l’oxygène atmosphérique, a déclaré l’auteur principal, Shintaro Kadoya, chercheur postdoctoral en sciences de la Terre et de l’espace à l’Université de Washington. Les données démontrent qu’une évolution du manteau de la Terre pourrait contrôler une évolution de l’atmosphère de la Terre, et éventuellement une évolution de la vie ».

La vie multicellulaire a besoin d’un approvisionnement concentré en oxygène, donc l’accumulation d’oxygène est la clé de l’évolution de la vie sur Terre qui respire de l’oxygène.

« Si des changements dans le manteau contrôlaient l’oxygène atmosphérique, comme le suggère cette étude, le manteau pourrait finalement donner le rythme de l’évolution de la vie », a déclaré Kadoya.

Le nouveau travail s’appuie sur un document de 2019 qui a constaté que le manteau de la Terre au début était beaucoup moins oxydé, ou contenait plus de substances pouvant réagir avec l’oxygène, que le manteau moderne. Cette étude des anciennes roches volcaniques, vieilles de 3,55 milliards d’années, a été réalisée sur des sites incluant l’Afrique du Sud et le Canada.

Robert Nicklas de la Scripps Institution of Oceanography, Igor Puchtel de l’Université du Maryland et Ariel Anbar de l’Université d’État de l’Arizona sont parmi les auteurs de l’étude de 2019. Ils sont également co-auteurs du nouvel article, qui examine comment les changements du manteau ont influencé les gaz volcaniques qui se sont échappés à la surface.

L’éon Archéen, lorsque seule la vie microbienne était répandue sur Terre, était plus actif sur le plan volcanique qu’aujourd’hui. Les éruptions volcaniques sont alimentées par le magma – un mélange de roche fondue et semi-fondue – ainsi que par les gaz qui s’échappent même lorsque le volcan n’est pas en éruption.

Certains de ces gaz réagissent avec l’oxygène, ou s’oxydent, pour former d’autres composés. Cela se produit parce que l’oxygène a tendance à avoir faim d’électrons, de sorte que tout atome ayant un ou deux électrons libres réagit avec lui. Par exemple, l’hydrogène libéré par un volcan se combine avec l’oxygène libre, éliminant cet oxygène de l’atmosphère.

La composition chimique du manteau terrestre, ou couche de roche plus tendre située sous la croûte terrestre, contrôle en fin de compte les types de roches en fusion et les gaz provenant des volcans. Un manteau précoce moins oxydé produirait davantage de gaz comme l’hydrogène qui se combine avec l’oxygène libre. L’article de 2019 montre que le manteau s’est progressivement oxydé depuis 3,5 milliards d’années jusqu’à aujourd’hui.

La nouvelle étude combine ces données avec des preuves provenant d’anciennes roches sédimentaires pour montrer un point de basculement quelque temps après 2,5 milliards d’années, lorsque l’oxygène produit par les microbes a surmonté sa perte en gaz volcaniques et a commencé à s’accumuler dans l’atmosphère.

« Fondamentalement, l’approvisionnement en gaz volcaniques oxydables était capable d’engloutir l’oxygène photosynthétique pendant des centaines de millions d’années après l’évolution de la photosynthèse, a déclaré le co-auteur David Catling, professeur de sciences de la Terre et de l’espace à l’Université de Washington. Mais à mesure que le manteau lui-même devenait plus oxydé, moins de gaz volcaniques oxydables étaient libérés. Puis l’oxygène a inondé l’air lorsqu’il n’y avait plus assez de gaz volcaniques pour tout absorber ».

Cela a des implications pour la compréhension de l’émergence d’une vie complexe sur Terre et la possibilité de vie sur d’autres planètes.

« L’étude indique que nous ne pouvons pas exclure le manteau d’une planète lorsque nous considérons l’évolution de la surface et de la vie sur la planète », a déclaré M. Kadoya.

Voir Le lac acide du Kawah Ijen

************************************************************************************

Traduction d’un communiqué de presse de l’université de presse de l’université de Washington.

Shintaro Kadoya et al., Mantle data imply a decline of oxidizable volcanic gases could have triggered the Great Oxidation, Nature Communications, 2 June 2020.