Les continents sont-ils une clé de l'apparition de l'oxygène sur Terre ? Ici, une formation rubanée riche en fer datant de l'Archéen et située dans le parc national de Karijini, au nord-ouest de l'Australie-Occidentale. © Dales Gorge, CC by-sa 2.0

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Les continents, clé de l'apparition de l'oxygène sur Terre ?

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Des changements intervenus dans la composition des roches des continents vers la fin de l'Archéen, il y a environ 2,5 milliards d'années, auraient aidé à l'apparition de l'oxygène dans l'atmosphère de la Terre à cette même période.

  • La Terre est une usine chimique dont la production évolue irréversiblement en fonction de celle de sa machine thermique, au fur et à mesure que la planète se refroidit. Il y a entre 3 et 2,5 milliards d'années, cette évolution a conduit à une modification de la composition des roches des continents alors en formation.
  • D'une composition proche des gabbros et des basaltes, nous sommes passés à une composition plus proche des andésites, des roches qui sont moins capables d'entraîner le piégeage de l'oxygène.
  • La teneur en oxygène aurait ainsi fortement augmenté dans les océans, puis, finalement, dans l'atmosphère, au moment de la fameuse Grande Oxydation.

Deux chercheurs en géosciences, un Canadien et un Suisse, Matthijs Smit, géologue à l'université de la Colombie-Britannique, à Vancouver, et le professeur Klaus Mezger, de l'université de Berne, viennent de publier dans Nature Geoscience les résultats de leurs travaux concernant les circonstances accompagnant l'un des plus importants évènements géologiques survenus sur Terre.

Il s'agit de la fameuse Grande Oxydation, encore appelée la Catastrophe de l'oxygène, car, il y a environ 2,5 milliards d'années, la quantité d'oxygène dans l'atmosphère a soudainement augmenté d'environ 10.000 fois en seulement 200 millions d'années.

Cet évènement s'est accompagné de la formation de grands gisements de minerai de fer mondiaux, comme ceux de Hamersley, en Australie. C'est en effet à ce moment-là que les océans se sont saturés en oxygène produit par les organismes photosynthétiques et que des réactions massives de précipitation de minéraux contenant de l'oxyde de fer ont conduit à la naissance des fameux BIF, Banded Iron Formations en anglais, c'est-à-dire les formations rubanées riches en fer.

La lherzolite est une roche grenue se composant de 40 à 90 % d'olivine, qui lui donne sa couleur verte. Elle fait partie des péridotites, vaste famille composant une grande partie du manteau supérieur terrestre. (Plus précisément, cette image montre une enclave de péridotite de type lherzolite à spinelle dans une bombe basaltique.) © ENS Lyon

Des changements dans la géochimie de la Terre

Depuis plusieurs années, les scientifiques pensent que cette brusque augmentation du taux d'oxygène dans l'atmosphère et cette saturation en oxygène des océans n'est pas le fruit du hasard, ni même de la seule activité des organismes producteurs d'oxygène. Le phénomène aurait été accompagné de changements dans la géochimie de la machine Terre, celle accompagnant les roches volcaniques et plutoniques qui construisent la croûte océanique et les continents, comme Futura l'expliquait dans l'article ci-dessous.

Pour tenter de préciser ces changements, Smit et Mezger ont consulté les archives géologiques soigneusement constituées par leurs collègues dans le monde entier, en l'occurrence, les compositions chimique et minéralogique de plus de 48.000 roches, des schistes et des roches ignées datant de plusieurs milliards d'années.

Une croûte continentale qui change de composition minéralogique

Ils ont découvert qu'un changement de cette composition s'étendant sur plusieurs centaines de millions d'années est concomitant de la Grande Oxydation et de l'enrichissement en oxygène de l'atmosphère de la Planète bleue.

On savait déjà que c'est à ce moment-là que certaines laves, les komatiites, ne sont plus crachées par les volcans parce que l'état thermique du manteau de la Terre se serait mis à changer (du fait de son refroidissement), tout comme, probablement, le régime de la tectonique des plaques. Selon les chercheurs, on constate aussi qu'à cette période, les roches qui se mettent en place pour former de la croûte continentale exposée à l'érosion deviennent moins riches en olivines (des silicates riches en magnésium et en fer que l'on trouve toujours en abondance dans les péridotites du manteau de la Terre). Or, ces olivines conduisent, au contact de l'eau, à des réactions chimiques qui consomment et piègent de l'oxygène.

Ce serait donc parce que les roches des océans et des continents sont devenues moins riches en olivines qu'un puits de consommation de l'oxygène a disparu, libérant finalement des quantités massives de cet élément. Si tel est bien le cas, on mesure une fois de plus à quel point la Terre est un système où de nombreuses boucles de rétroaction existent, connectant les processus internes et ceux, externes, qui affectent les océans, les continents et l'atmosphère.

Pour en savoir plus

Quel lien entre les volcans et l'apparition de l'oxygène ?

Article de Laurent Sacco publié le 10/09/2007

Les volcans étaient autrefois présentés comme étant à l'origine de l'eau et de l'atmosphère sur Terre. Cette interprétation a été remise en question depuis mais d'après Lee R. Kump, professeur de géoscience à l'Université de Penn State, les volcans auraient tout de même joué un rôle fondamental dans l'apparition de l'oxygène dans l'atmosphère de notre planète.

Pour comprendre la signification des travaux que Mark E. Barley, professeur de géologie, University of Western Australia, et Lee R. Kump viennent de publier dans Nature, il faut avoir à l'esprit une partie de la division des temps géologiques sur la Terre primitive. Diverses variations peu importantes existent selon les auteurs à ce sujet mais on prendra la chronologie suivante presque identique à celle donnée sur le schéma ci-dessus.

Entre moins 4,56 milliards d'années et 3,9 milliards d'années avant notre époque s'étend l'Hadéen, du nom du dieu des enfers : Hadès. La Terre est encore soumise à un intense bombardement météoritique et un océan de magma de plusieurs kilomètres de profondeur, sans véritable croûte solide permanente, est probablement présent pendant une longue période. Vers moins 4,109 milliards d'années les premiers continents stables apparaissent et de l'eau liquide laisse deviner sa présence.

De moins 3,9 milliards d'années à 2,5 milliards d'années, c'est l'Archéen. Les océans existent, les continents entament leur croissance et la tectonique des plaques ainsi que la Vie sont déjà là. Les données géologiques sur cette période sont plus abondantes et plus facilement disponibles que pour l'Hadéen quoiqu'encore très rares.

Enfin de moins 2,5 milliards d'années à moins 600 millions d'années environ c'est l'Eon nommé Protérozoïque débutant par le Sidérien, un système de l'ère paléo-protérozoïque. À ce moment là, on observe l'apparition de grandes quantité de BIF, Banded Iron Formations en anglais, c'est-à-dire les formations rubanées riches en fer.

Une présentation des BIF. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © StephanieMQU

L'explication donnée pour celles-ci est la suivante. Depuis au moins 3,8 milliards d'années la Vie existe dans l'océan primitif et celle-ci voit naître les cyanobactériesAlgues » bleu-vert) productrices d'oxygène à l'origine encore aujourd'hui de formations géologiques qu'on appelle des stromatolites. Lorsque la quantité d'oxygène dégagée par photosynthèse par ces algues devient suffisante pour provoquer la précipitation massive du fer sous forme ionique dans l'eau, des BIF se forment. Cette précipitation est d'ailleurs à l'origine des grands gisements de fer, comme ceux  que l'on exploite en Australie.

Or, en examinant les traces laissées par les cyanobactéries avant le Sidérien, et surtout en calculant la production d'oxygène de celles-ci, on aboutit à la conclusion que des BIF auraient dû apparaître 200 millions d'années plus tôt : où est donc parti l'oxygène manquant ?

Les stromatolites (« tapis de pierre », en grec) sont ces roches carbonatées en forme de choux-fleurs. On voit ici ceux de Hamelin Pool, en Australie. Formant des biofilms à leur surface, des cyanobactéries photosynthétiques y sécrètent une substance gélatineuse piégeant des grains de sable tout en provoquant la précipitation du bicarbonate (dissous dans l'eau) en carbonate de calcium (insoluble). © Ed Austin

La solution de l'énigme

L'explication donnée par les chercheurs dans l'article de Nature est la suivante. À cette époque, la tectonique des plaques est déjà là, on en a des preuves, et elle doit même être plus dynamique qu'aujourd'hui. Un volcanisme sous-marin copieux y est très actif, mais il y a encore peu de volcans terrestres car la masse des continents n'est pas encore celle que l'on connaît aujourd'hui. Les laves s'épanchant sous la surface des océans provoquent alors des réactions chimiques réductrices diminuant la quantité d'oxygène dans l'eau. Lorsque le volcanisme est devenu plus aérien, l'action réductrice des émissions de laves a diminué et la quantité d'oxygène présente dans l'océan a brusquement augmenté.

C'est précisément ce qui est arrivé au début et pendant le système du Sidérien et, une fois le fer dissous dans les océans ayant été massivement consommé par des réactions de précipitations diverses avec l'oxygène, celui-ci a commencé à être libéré massivement dans notre atmosphère.

Si elle se confirme, cette hypothèse illustre une fois de plus l'incroyable interconnexion des phénomènes géodynamiques et de leur rôle dans l'apparition de la Vie. La Terre est donc bien un système, au sens donné par la cybernétique, et bien des surprises nous attendent encore dans son étude.