Magnétisme environnemental

Prof. Dr. Ricardo Trindade (Sao Paulo Univ.), Prof. Dr. Pascal Philippot (Montpellier Univ.), Dr. Julie Carlut (IPG-Paris)

Les formations de fer rubanées (BIF) sont des archives de la chimie de l’eau de mer précambrienne et du cycle du fer post-dépôt (Konhauser et al., 2017). Ces roches sont caractérisées par des minéraux ferreux interstratifiés avec des couches riches en silice et/ou en carbonates qui se sont déposées tout au long du Précambrien (Klein, 2005). Au cours des dernières décennies, les études se sont appuyées sur les BIF pour contraindre les conditions environnementales passées (Crowe et al., 2013 ; Satkoski et al., 2015 ; Planavsky et al., 2014) et pour comprendre comment le cycle microbien du fer a évolué parallèlement à des conditions d’oxydation ou de réduction variables dans le temps (Rouxel et al., 2005 ; Johnson et al., 2008 ; Heard et Dauphas, 2020). Étant donné que les BIF se sont accumulées sur le plancher océanique pendant plus de deux milliards d’années de l’histoire précoce de la Terre, avec un âge allant de ~3,8 à 2,45 Ga et une réapparition à la fin du Protérozoïque, entre 0,8 et 0,5 Ga, pendant une phase de glaciation global (Terre boule de neige) (Klein, 2005 ; Li et al. 2018), les changements de leurs propriétés chimiques, minéralogiques, magnétiques et leurs compositions isotopiques offrent un aperçu unique des changements environnementaux qui ont eu lieu sur la Terre.
Malgré l’importance économique et évolutive exceptionnelle des BIF, leur apparition à des époques clés des changements planétaires et le nombre élevé d’études qui leur sont consacrées, de nombreuses questions concernant leur formation demeurent. Des questions clés telles que l’origine du fer, son oxydation et les mécanismes de dépôt restent un sujet de débat. En outre, bien que plusieurs caractéristiques de premier ordre telles que l’activité des panaches mantelliques, la formation de supercontinents ou les changements de l’état redox de l’atmosphère et des océans aient été invoquées pour expliquer les changements dans le style de dépôt des BIFs au cours de l’Archéen supérieur-Paléoprotérozoïque et du Néoprotérozoïque (Morris 2002 ; Camacho et al., 2017 ; Konhauser et al., 2017 ; Thompson et al., 2019 ; Rego et al., 2021), un modèle complet fait défaut.
Dans ce projet, deux occurrences remarquables de gisements de BIF sont étudiées : les BIFs de l’Archéen supérieur et du Protérozoïque précoce de Carajás et du Protérozoïque supérieur d’Urucum dans le Nord et le Midwest du Brésil, respectivement. Ces BIFs ont été choisis parce que 1) il n’existe pas de modèle de dépôt communément accepté pour le Fe (et le Mn, dans le cas d’Urucum) dans ces dépôts, 2) ils sont particulièrement bien conservés et ont subi une surimpression métamorphique de faible intensité, 3) ils présentent un certain nombre de caractéristiques lithologiques et d’associations minérales qui offrent une occasion unique d’étudier le rôle des organismes photosynthétiques et des bactéries magnétotactiques (MTB) dans la formation des oxydes de fer et 4) ils ont été déposés au début des deux principaux épisodes d’oxygénation atmosphérique et de glaciations globales connus sur Terre (c. à d. la période de l’ère glaciaire). e., le Grand événement d’oxydation, GOE, et l’événement atmosphérique néoprotérozoïque, NOE), et offrent donc un aperçu unique des changements environnementaux et climatiques qui ont eu lieu sur la Terre en évolution, et qui ont finalement conduit au développement des eucaryotes à la fin du Paléoprotérozoïque et à l’explosion cambrienne à la fin du Néoprotérozoïque.
Les formations ferrifères étant composées principalement d’oxydes de fer, l’hématite et la magnétite, qui sont les deux minéraux magnétiques les plus importants, les méthodes magnétiques constituent un excellent outil pour examiner ces minéraux et leurs propriétés. Jusqu’à présent, il n’existe que peu d’études appliquant des méthodes magnétiques aux IF (Schmidt et Clark, 1994 ; Tompkins et Cowan, 2001 ; Sumita et al., 2001 ; Carlut et al., 2015) et la plupart d’entre elles sont axées sur l’analyse de la rémanence et les mesures de l’anisotropie de la susceptibilité magnétique. Cependant, des études récentes ont montré que les variations des propriétés magnétiques des roches peuvent fournir des informations très utiles sur le dépôt et la diagenèse des BIFs (Carlut et al., 2015). Plus précisément, en étudiant les propriétés magnétiques d’une section forée de la formation ferrifère de Boolgeeda, vieille de 2,45 Ga (groupe Hamersley, Australie occidentale), ces auteurs ont montré que le rapport entre l’hématite et la magnétite, la teneur en magnétite et la stœchiométrie de la phase magnétique fournissent des indications importantes sur les conditions environnementales prévalant pendant la formation et la diagenèse précoce des oxydes de fer dans les BIFs. En particulier, la corrélation avec d’autres proxies suivant l’activité des réducteurs de sulfate (isotopes S et C), la dégradation de la matière organique, les flux hydrothermaux et le seuil local d’oxygène (enrichissements en éléments traces et fractionnement isotopique du soufre indépendant de la masse, S-MIF) sont maintenant établis (Philippot et al., 2018 ; Warchola et al., 2018).
L’objectif de ce projet est de développer une approche intégrée combinant des analyses chimiques, cristallographiques, isotopiques et des propriétés magnétiques sur des carottes de forage vierges provenant des districts minéraux de Carajás et Urucum.

Le bassin de Somalie a été étudié en raison de sa position charnière entre plusieurs régimes différents, contrôlés par la mousson et les vents alizés au nord, par la présence de l’upwelling de Somalie dans la partie centrale, et les apports des courants de fond plus au sud. Les concentrations en particules magnétiques mais aussi leur flux sont fortement corrélés aux variations climatiques, avec un accroissement des apports pendant les périodes chaudes (Bouilloux et al., 2013). Nous montrons que cette variabilité climatique de la concentration en magnétite n’est pas contrôlée par l’upwelling mais par les courants d’eaux profondes venant d’Antarctique.

Nous avons étudié l’origine de pics de susceptibilité de grande amplitude dans des sédiments de l’Océan Indien à proximité du Golfe d’Aden lors des 60 derniers millénaires. Le dépôt de magnétite a été relativement constant dans le temps, mais les conditions redox reflétées notamment par la concentration en carbone organique ont entraîné la dissolution de la magnétite en dehors des pics. Les pics reflètent donc des changements dans la productivité de surface et/ou des épisodes de ventilation des eaux profondes en liaison avec les masses d’eau antarctique, conséquences des changements climatiques (Paleoceanography 28-4, 675-687, 2013). Une étude analogue en mer rouge  témoigne du même rôle clef joué par le carbone organique sur l’évolution des minéraux magnétiques. Les variations de susceptibilité engendrées par la dissolution de la magnétite sont en phase tant avec les changements glaciaux-interglaciaux à long terme reflétés par l’évolution du delta ¹⁸O qu’avec les changements millénaires de type Dansgaard-Oeschger pendant la dernière période glaciaire. Les changements du niveau de la mer également en phase avec la susceptibilité ont contribué à la variabilité de la matière organique par les apports des éléments nutritifs qui pénètrent dans la mer rouge par le Golfe d’Aden. Les changements de productivité engendrés par les vents de mousson qui contrôlent la richesse des eaux intermédiaires ont également joué un rôle. Il reste à déterminer lequel de ces deux facteurs a été prépondérant.

Contact : Julie Carlut, Louise Dauchy (doctorante), Laure Meynadier, Jean-Pierre Valet

1/ l’étude des variations de minéralogie magnétique et de paléo-intensité enregistré dans des carottes de sédiments marins au cours des derniers 35 ka (voir détail ci-dessous)

2/ l’analyse paléomagnétique fine des carottes de la campagne IODP Exp. 397 (https://iodp.tamu.edu/scienceops/expeditions/iberian_margin_paleoclimate.html)

1/ Cette période est sélectionnée car – Elle porte l’enregistrement du dernier passage glaciaire – interglaciaire et – les enregistrements provenant de l’Atlantique Nord (compilation NAPIS) et de l’Atlantique Sud (compilation SAPIS) sont, sur cette période, fortement en désaccord avec un maximum d’intensité sur NAPIS et un minimum sur SAPIS. Au lieu d’ajouter de nouvelles données à la région de l’Atlantique, nous nous sommes tournés vers la région proche équatoriale du Pacifique occidental dans le but d’acquérir une courbe de référence de paléointensité à très haute résolution pour cette région. Les paramètres mesurés dans la carotte sélectionnée (MD01-2385) suggèrent une diminution progressive de la taille des grains, initiée il y a 17 ka, qui correspondrait à l’initiation de la dernière transition glaciaire-interglaciaire. Contrairement à ce que l’on peut trouver dans la littérature, cette carotte présente de faibles pics de susceptibilité lors de l’événement Younger Dryas et du premier stade Heinrich. Un intervalle de susceptibilité élevé indique des grains magnétiques plus grossiers autour de 28 ka associé à un événement volcanique qui a probablement causé une catastrophe écologique locale comme l’a révélé la très forte teneur en fossiles de la couche. Notre nouvel enregistrement de paléointensité quand à lui montre des structures intermédiaires entre SAPIS et NAPIS, avec un décalage progressif dans le temps, du sud vers le nord. Ces résultats étayent l’idée d’une modification de l’apport sédimentaire qui aurait été générée par une réorganisation importante des courants océaniques ainsi qu’un possible retard dans l’acquisition du signal magnétique lors de la transition glaciaire-interglaciaire.