Le mystère des gisements méditerranéens de gypse peu salin

Il y a environ six millions d'années, à la fin du Miocène, la mer Méditerranée a connu une période d'assèchement rapide, pour se transformer progressivement en géant salifère. Cette crise de salinité messinienne, d'une durée de 630 000 ans, est le résultat de la fermeture progressive du détroit de Gibraltar, reliant le bassin méditerranéen et l’océan Atlantique, suite à des mouvements de la croûte terrestre. Toutefois, les conditions géologiques, climatiques et biologiques ayant favorisé la formation de ce Géant Salifère de Méditerranée, qui contient plus d'un million de km³ d’évaporites, demeurent mal comprises.

Microfossiles de bactéries sulfo-oxidantes contenues dans des cristaux de gypse Messinien. (a), (b) Lames minces en lumière transmise de cristaux de gypse sélénite jumelés (section Banengo, bassin du Piémont (a) et section Monte Tondo, bassin de Vena del Gesso (b)). Une stratification interne, donnée par l'alternance de lamines turbides et limpides, est reconnaissable dans l'angle rentrant des deux cristaux. (c) Détail de (a) montrant la stratification dans l'angle rentrant du jumeau. Des lamines turbides (T) riches en microfossiles filamenteux alternent avec des lamines plus limpides (L) dans lesquelles ces derniers sont rares. (d) Lame mince en lumière UV de filaments (flèches blanches) provenant du bassin de Vena del Gesso (section Monte Tondo). La forte autofluorescence du filament et les minuscules grains opaques de sulfure de fer correspondent au produit de la transformation diagénétique des globules de soufre originels produits par des bactéries sulfo-oxidantes. (e) Lame mince en lumière UV d’un flocon de matière organique piégé dans des cristaux de gypse sélénite provenant du bassin de Vena del Gesso (section Monte Tondo). (Aloisi et al., 2022)

Le gypse, un des minéraux évaporitiques formés lors de cet épisode géologique extrême, est un sel hydraté constitué de calcium, de sulfate et de deux molécules d’eau. L’étude de la composition isotopique de ces dernières s'avère particulièrement intéressante pour comprendre les conditions hydrologiques dans lesquelles le gypse s'est formé. En outre, les minuscules gouttes d’eau, appelées inclusions fluides, qui ont été capturées à l’intérieur de ce minéral lors de sa précipitation constituent de véritables archives de l’eau.

Une salinité très faible qui interroge

Tandis que le gypse se forme habituellement par évaporation à partir d’eaux extrêmement salées (environ 110 g/kg d’eau), l’étude des inclusions fluides et de la composition isotopique du gypse messinien révèle qu’il s'est constitué à partir d’eaux aux salinités similaires à celle de l’eau de mer actuelle (en moyenne 35 g/kg). La formation de ce gypse très peu salin est ainsi l’une des nombreuses énigmes soumises par le Géant Salifère de Méditerranée.

Dans une nouvelle étude, une équipe menée par des chercheurs de l'IPGP a combiné des mesures isotopiques de l’eau du gypse et de la salinité des inclusions fluides avec celles du strontium et de l’ion sulfate, des éléments permettant de tracer l’origine des masses d’eaux ayant participé à la formation du gypse. Les scientifiques ont ensuite modélisé l’évolution de ces traceurs hydrologiques lors de l’évaporation d'un mélange d’eau de mer et d'eau de rivières en différentes proportions.

Succession de processus biogéochimiques responsables de la formation de « gypse peu salin ». Le processus bactérien clé, celui de formation de sulfate (SO₄²-) par oxydation de soufre élémentaire (S°), est catalysé par des bactérie sulfo-oxydantes dans la saison aride ("Maximum precession, Arid season") lors d’évènements de mélange verticale de la colonne d’eau. (Aloisi et al., 2022)

Les données mesurées ne vérifiant aucune des hypothèses émises, l'équipe propose un nouveau scénario : la précipitation du gypse messinien faiblement salin a pu être catalysée par l’activité de bactéries capables d'oxyder le soufre. En effet, des fossiles bactériens de ce type ont été observés dans tous les dépôts gypseux caractérisés par ces faibles salinités. Cette catalyse biologique aurait ainsi conduit à la production de sulfate, un processus à même de favoriser la formation de gypse sans augmenter la concentration des ions - notamment le chlorure, le sodium, le magnésium et le potassium – qui contribuent majoritairement à la salinité.

Si ce scénario biologique était confirmé, il élargirait la gamme des environnements qui favorisent le dépôt de gypse marin et impliquerait également l'existence d'un couplage biologique supplémentaire entre les cycles du calcium, du soufre et du carbone.

Ref : Aloisi G., Guibourdenche L., Natalicchio M., Caruso A., Haffert L., El Kilany A., Dela Pierre F., The geochemical riddle of “low-salinity gypsum” deposits, Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 327, 2022, P. 247-275, DOI: 10.1016/j.gca.2022.03.033