La Grande Oxydation correspond à un épisode d'oxydation du fer associé à une augmentation brutale du taux d'oxygène dans l'atmosphère il y a 2,4 milliards d'années. 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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L’altération des roches est à l’origine de la composition de l’atmosphère terrestre

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L'augmentation brutale de la quantité d'oxygène dans l'atmosphère il y a 2,4 milliards d'années serait liée à la disparition du piège à O2 que représentait l'altération des roches ultramafiques, riches en fer.

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[EN VIDÉO] Géologie des systèmes volcaniques - une invitation au voyage  Entretiens datant de 2009 avec Georges Boudon, physicien à l'IPGP, et des membres de l'équipe étudiant le fonctionnement des volcans, depuis la génération des magmas jusqu'aux éruptions . La vocation des films de l'IPGP est d'ouvrir les portes des laboratoires et d'accompagner les scientifiques dans l'univers des géosciences. Ce film fait partie d'une série de 14 films de format court qui sont une invitation à un voyage du cosmos au centre de la Terre. Conception & réalisation : Medi@terre, IPGP - 2009 

La Grande Oxydation a marqué un tournant capital dans la composition de l'atmosphère terrestre. Survenu à la fin de l'Archéen, il y a environ 2,4 milliards d'années, cet événement est associé à une augmentation dramatique des niveaux de dioxygène dans l'atmosphère. La production d'oxygène avait pourtant débuté bien avant cet événement grâce aux organismes vivants et notamment à la photosynthèse. Mais c'est seulement à la fin de l'Archéen que l'accumulation d'O2 a brutalement bondi et a commencé à atteindre des niveaux significatifs.

D’où provient l’apport brutal d’oxygène survenu il y a 2,4 milliards d’années ?

Pour expliquer ce phénomène, les scientifiques suggèrent que la période précédant la Grande Oxydation aurait été dominée par des processus consommant du dioxygène plutôt que par des processus en produisant. La fin de l'Archéen aurait par contre représenté une période de diminution des capacités de stockage de ce gaz. En parallèle de l'augmentation des sources biologiques d'O2, cela aurait ainsi permis sa forte accumulation dans l'atmosphère.

Il est également possible que l'événement de la Grande Oxydation et la brutale augmentation du taux d'O2 dans l'atmosphère soient liés à un changement majeur dans la composition de la croûte terrestre. L'écorce de notre Planète a en effet un important potentiel de consommation d'oxygène via les réactions d'oxydation du fer qui se produisent durant le processus d'altération chimique des roches. La transition d'une croûte continentale composée majoritairement de roches mafiques riches en fer (comme le basalte), à une croûte continentale composée principalement de roches felsiques pauvres en fer (comme les granites) durant la période archéenne aurait ainsi résulté en une diminution de la capacité d'absorption de l'oxygène par la croûte, facilitant l'oxygénation de l'atmosphère.

L’importance du H2 et de l’altération des roches du manteau

Une autre réaction d'oxydation du fer peut se produire, et ce, sans la présence de dioxygène. Cette réaction se produit au contact avec l'eau (H2O) et produit notamment un gaz, le dihydrogène (H2). Cette réaction peut avoir lieu en milieu continental ou marin, au niveau de la croûte océanique. Le H2 produit par cette réaction d'altération va à son tour réagir avec le dioxygène libre pour former des molécules d'eau. Indirectement, cette réaction d'oxydation des roches riches en fer représente également un piège à O2, mais qui dépend cette fois de la quantité d'H2 disponible.

Une réaction d'altération par l'eau en particulier produit de grandes quantités de H2. Il s'agit de la serpentinisation des péridotites du manteau terrestre. Actuellement, ces roches ne se retrouvent à l'affleurement que dans des environnements tectoniques bien particuliers : au niveau des dorsales ultra-lentes, des marges continentales pauvres en magma, dans les zones de subduction et au niveau de structures ponctuelles exhumées que l'on appelle « core complexes » et que l'on peut trouver en milieu océanique ou continental. Car la présence de roches du manteau à la surface de la croûte terrestre requiert certaines conditions géodynamiques.

Normalement, lorsque ces roches remontent vers la surface, elles subissent ce que l'on appelle la fusion partielle. C'est ce processus qui génère du magma. En cristallisant, il va former les roches dites « mafiques » -- comme les basaltes et les gabbros -- qui, même si elles sont originaires du manteau, n'ont plus du tout la même composition. Exhumer une péridotite sans la faire fondre demande la mise en œuvre de processus très lents et froids, d'origine tectonique. Actuellement, même si la présence de péridotite serpentinisée est plus importante qu'on ne le pensait il y a quelques décennies, cela ne représente qu'une surface relativement faible à l'échelle de Terre (0,2 %).

Serpentinite. © James St. John, Flickr

L’abondance des komatiites, clé de l’énigme

Pourtant, cela semblerait avoir été différent durant le passé géologique de notre Planète. Les roches ultramafiques, avec des compositions proches de celles du manteau terrestre, comme les komatiites, auraient ainsi été bien plus fréquentes à la surface de la Terre. Les komatiites sont en effet des roches volcaniques contenant des olivines et du pyroxène, riches en magnésium. Elles résultent d'un taux de fusion partielle très important, que l'on n'observe plus aujourd'hui, de l'ordre de 50 %, ce qui nécessite une température de fusion d'environ 1.600 °C. En comparaison, les basaltes, qui sont créés par le même processus actuellement, sont associés à des températures de fusion bien plus faibles (1.250-1.350 °C). Ce sont des roches qui ne sont plus produites actuellement, leur observation étant limitée aux roches d'âge archéen. L'arrêt de leur formation serait lié à l'évolution de la chimie du manteau et à son refroidissement.

Komatiite. © KarlaPanchuk, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Les komatiites auraient ainsi pu représenter de 10 à 20 % de la surface continentale au début de l'Archéen. Cette abondance de roches ultramafiques aurait ainsi favorisé la production de H2 par la réaction de serpentinisation. Durant l'Archéen, le refroidissement graduel du manteau et la raréfaction de ces roches à la surface de la Terre auraient pu aider la survenue de la Grande Oxydation. Cependant, rien dans cette hypothèse n'a jamais été quantifié. Une nouvelle étude publiée dans Nature Communications fait donc le point sur cette suggestion en tentant d'estimer la consommation globale d'O2 attribuée au processus de serpentinisation avant l'épisode de la Grande Oxydation.  

L’oxygénation de l’atmosphère vient de la diminution du processus d’altération des komatiites

Les résultats obtenus par les chercheurs américains montrent que la serpentinisation est bien la clé de la forte production de H2 à cette époque. La consommation de O2 étant intrinsèquement liée à la production de H2, cela montre que l'abondance des roches ultramafiques durant l'Archéen et leur altération ont bien pu être la cause du faible taux d'O2 durant cette période géologique. L'épisode de la Grande Oxydation aurait suivi une baisse importante de la mise en place de komatiites sur les surfaces continentales, passant de 7 à 1 % entre 3 et 2,5 milliards d'années. En parallèle, il est très difficile d'estimer la quantité de roches ultramafiques formées sur la croûte océanique à cette époque si lointaine, la croûte océanique n'étant pas préservée plus de 200 millions d'années à cause du processus de subduction. Il reste donc très peu de traces de la composition de la croûte océanique de cette époque à l'heure actuelle. Les chercheurs estiment cependant que, même si l'effet de la présence de telles roches au fond des océans a pu participer à la production de H2 et donc à la consommation de O2, leur quantité n'a pas pu être suffisante pour être le facteur dominant.

Diagrammes montrant la consommation d'O2 (sur les derniers 3,5 milliards d'années) du processus d'altération des roches ultramafiques en fonction de leur teneur en MgO. On voit clairement que ce processus s'est arrêté à la fin de l'Archéen, favorisant l'épisode de la Grande Oxydation © Leong et al., 2021, Nature Communications

Le boom d'oxygène dans l'atmosphère ne provient donc pas d'une source supplémentaire mais de la disparition d'un piège qui, jusque-là, captait l'O2 pour le stocker dans les roches altérées. Encore une fois, il est clair que les processus de surface et notamment les réactions d'altération chimique des roches sont capables d'influencer de manière significative la composition atmosphérique.

Pour en savoir plus

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

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.

Article de Laurent Sacco publié le 21 septembre 2017

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.

 


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 cyanobactéries (« Algues » 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.

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