Climat et composition de l’atmosphère au Précambrien : des paléosols aux simulations numériques

Thèse de Yoram Teitler

Afin de comprendre le rôle des gaz à effet de serre dans la régulation du climat et l’évolution de l’oxygène atmosphérique au cours de l’Archéen, nous adoptons une double approche basée d’une part sur l’étude géologique, géochimique et minéralogique des paléosols, et d’autre part sur la réalisation de simulations climatiques et géochimiques. L’étude des paléosols permet de contraindre la composition de l’atmosphère lors de leur formation. Nous mettons en évidence l’existence d’au moins six nouveaux paléosols formés entre 2,76 et 2,69 Ga au sein du groupe Fortescue (craton des Pilbara, Australie) et répartis sur une zone de plusieurs centaines à milliers de km². Bien que largement affectés par des processus hydrothermaux tardifs, plusieurs lithologies contenant des assemblages minéralogiques issus de l’altération météorique ont été préservées dans certains paléosols. En particulier, nous avons découvert au sein des paléosols de référence du Mount Roe Basalt des reliques de montmorillonite ferrique, calcite et sulfate, témoignant de l’oxydation du fer et de la formation d’évaporite lors de la pédogénèse et donc a fortiori de la présence d’oxygène dans l’atmosphère il y a 2,76 Ga, environ 300 Ma avant le Great Oxygenation Event (GOE). À partir d’un bilan de masse et de l’analyse des isotopes du soufre des sulfates, nous estimons une pression partielle d’oxygène atmosphérique (pO2) comprise entre 0,3 et 3% de la valeur actuelle. Nous proposons que l’émersion de plateaux basaltiques vers 2,8 Ga soit à l’origine de l’accumulation d’oxygène dans l’atmosphère. Ce processus dure assez longtemps pour engendrer une altération oxydante significative dont de nombreuses traces sont enregistrées dans le registre sédimentaire tardi-archéen entre 2,7 et 2,5 Ga. Au vu de ces observations, les modèles thermodynamiques reposant entièrement sur l’hypothèse d’une atmosphère anoxique s’avèrent donc inadaptés pour calculer la pCO2, et seules les estimations basées sur les calculs de bilans de masse restent pertinentes (Sheldon, 2006). À l’aide de simulations climatiques, nous montrons que ces estimations (pCO2 <2,5×10^-2  bar ou 80 PAL, 1 PAL = Present Atmospheric Level ≈ 300 ppmv) sont compatibles avec le maintien d’une Terre essentiellement déglacée à la fin de l’Archéen, sans nécessiter de fortes pressions partielles de méthane. Nous proposons également que les glaciations paléoprotérozoïques résultent non seulement de la baisse du méthane atmosphérique consécutive à l’oxygénation de l’atmosphère (GOE), mais également d’une diminution de la pCO2, causée par l’augmentation de l’altération météorique et par la diminution de l’activité volcanique. Pour des périodes plus anciennes (3,5 Ga – 2.5 Ga), nous montrons que la présence de nuages à larges gouttelettes, liée à une plus faible disponibilité de noyaux de condensation (Cloud Condensation Nuclei ou CCN), permettrait de maintenir la Terre déglacée dès 3,5 Ga, compensant ainsi les effets d’un ensoleillement réduit, y compris pour des pressions partielles de CO2 n’excédant pas 6 PAL. Toutefois, de si faibles teneurs en CO2 paraissent peu probables au vu de l’étude réalisée avec un modèle couplé climat- carbone. En effet, nous montrons que la régulation de la pression partielle de CO2 entre 3.5 Ga et 2.5 Ga est gouvernée par la quantité de surface continentale émergée, donc disponible à l’altération météorique, ainsi que par leur lithologie. Par conséquent, l’évolution du climat durant cette période est très fortement liée aux modèles de croissance crustale et aux changements lithologiques.