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publié le : 12/06/2017
  

L'apparition du dioxygène atmosphérique

L'atmosphère primitive de la Terre s'est formée par dégazage de sa surface en fusion peu de temps après sa formation. Elle est alors totalement dépourvue de dioxygène et très riche en dioxyde de carbone. Jusqu'à -2,3 Ga les sédiments déposés par les fleuves contiennent de d'uraninite sous forme de particules solides. Ce minerai d'uranium est soluble dans les eaux riches en dioxygène, sa présence confirme l'existence d'une atmosphère dépourvue de dioxygène.

Oui mais quand ?

Pour répondre à cette question menons l'enquête en utilisant quelques indices ou marqueurs de la présence de ce gaz.

Les états du fer

Avant de poursuivre il nous faut nous intéresser au Fer. Il existe sous forme de fer ferreux Fe2+ et de fer ferrique Fe3+.

  • Fe3+ est caractéristique d'un milieu oxydant, il est insoluble dans une eau dont le pH est neutre.
  • Fe2+ est caractéristique d'un milieu réducteur, il est soluble dans une eau dont le pH est neutre ou légèrement acide.

Le fer est omniprésent dans les roches et il est libéré par leur altération sur les continents. Il est également contenu en abondance dans l'eau des sources hydrothermales des dorsales océaniques. Il ne pourra circuler en solution dans l'eau qu'à l'état réduit Fe2+.

Les gisements de fer :

Évolution du tonnage et nature des gisements de fer depuis le début du Précambrien.

Évolution du tonnage et nature des gisements de fer depuis le début du Précambrien.

Il existe deux types de gisements : les fers rubanés qui représentent 90% des réserves mondiales et les couches rouges continentales.

Les gisements des couches rouges continentales :

Leur fer provient de l'altération des roches des continents et il est à l'état d'oxydes et donc de Fe3+. Ils se sont formés au contact d'une atmosphère contenant de l'oxygène. Leur apparition puis leur développement entre 2 Ga et 1,5 Ga est la preuve de la mise en place d'une atmosphère de plus en plus riche en oxygène.

Les gisements de fer rubanés :

Exploitation d'un gisement de fer rubané à ciel ouvert, Pilbara, Australie

Exploitation d'un gisement de fer rubané à ciel ouvert, Pilbara, Australie (Photo courtesy of Rio Tinto).

Leur cas est un peu plus délicat. Ils occupent des bassins d'exceptionnelles dimensions. Par exemple, celui du Labrador s'étale sur une distance de 1200 km, et celui de Nama-Transvaal sur 600 km. Le fer qu'ils contiennent ne provient pas des continents mais des sources hydrothermales. Il existe sous une forme réduite (pyrite FeS2, sidérite FeCO3) et sous forme oxydée (magnétite, hématite Fe2O3). Le dépôt s'est fait sur des marges passives à la bordure du plateau continental des continents du précambrien. La grande étendue des gisements nécessite une circulation importante du fer dans l'océan et un fer à l'état Fe2+. L'eau des océans de l'époque étaient donc réductrice, dépourvue d'oxygène et riche en fer dissous. Les formes oxydées du fer montrent que les eaux réductrices riches en fer venant des profondeurs sont venues au contact d'eaux pauvres en fer contenant des oxydants. L'agent oxydant qui vient le premier à l'esprit est le dioxygène mais des bactéries photosynthétiques (bactéries sulfureuses bleues ou vertes) oxydant le fer auraient pu jouer le même rôle de même que le rayonnement ultraviolet. Il n'est pas non plus exclu que les formes oxydées du fer comme l'hématite se soient formées bien après le dépôt.

Les gisements de fer rubanés ont disparu il y a 2 Ga. L'explication est simple. L'oxygénation des océans a fait disparaître la circulation du Fe2+ qui est alors oxydé en Fe3+ insoluble. Privés de son alimentation le dépôt du fer ne pouvait se poursuivre. Les fer rubanés sont donc les témoins d'un océan réducteur sous une atmosphère contenant une infime quantité de dioxygène (0,1% de la quantité actuelle).

Les Paléosols :

Facteur de rétention des sols du Précambrien,

Facteur de rétention des sols du Précambrien, Les sols actuels ont un facteur de rétention égal à 1 (Sreenivas, 2005)

Dans les sols actuels le fer provenant de l'altération des roches est oxydé à l'état de Fe3+ par l'oxygène de l'air. Il précipite et reste bloqué dans le sol. Les sols actuels ont un fort pouvoir de rétention du fer. Qu'en était-il au Précambrien ? Il y a 2,8 Ga, il était a peine de 20 % de la valeur actuelle. Ce qui nous indique une atmosphère pauvre en oxygène. L'augmentation du pouvoir de rétention entre 2,8 Ga et 2,2 Ga correspondrait à l'augmentation progressive de la concentration en oxygène de l'atmosphère.

Les isotopes du soufre

Δ33S est l'écart par rapport au fractionnement isotopique attendu,

Δ33S est l'écart par rapport au fractionnement isotopique attendu, c'est à dire par rapport au fractionnement actuel. (Farquhar, 2003)

Le soufre possède 4 isotopes stables 32S 33S 34S 36S. Généralement les phénomènes biologiques et mêmes chimiques entraînent un fractionnement des isotopes. C'est ce que l'on constate pour l'isotope 33S si l'on étudie des roches sédimentaire âgées de moins de 2 Ga (phase III). Au delà le fractionnement est faible (phase II de 2 Ga à 2,4 Ga) ou très variable (phase I). La seule réaction chimique que l'on connaisse qui se passe sans provoquer de fractionnement est la dissociation du SO2 en SO sous l'effet du rayonnement ultra violet dur. Cela signifie donc qu'il y a plus de 2,4 Ga la couche d'ozone (O3) n'existait pas et que le SO2 des océans et de l'atmosphère était dissocié par les rayons UV. L'absence de couche d'ozone s'explique par une très faible concentration en O2 de l’atmosphère. De 2 Ga à 2,4 Ga la concentration en O2 a augmenté ce qui a permis à la couche d'ozone de se constituer progressivement. A 2 Ga elle était suffisamment épaisse pour protéger le SO2 des océans et de l'atmosphère du rayonnement UV.

Un faisceau de preuves convergentes

Ces éléments nous montrent qu'entre -1,8 et -2,4 Ga l'atmosphère s'est enrichie en dioxygène sa concentration passant de 0,1 % à 10 % de l'actuelle.

L’apparition du dioxygène atmosphérique a permis l'oxydation de la pyrite (FeS) continentale en sulfate transporté par les rivières vers les océans qui se sont enrichis en soufre. A un océan riche en fer a succédé un océan riche en soufre ou le fer a été immobilisé sous forme de pyrite. L’oxygène a détruit le méthane atmosphérique tandis que simultanément le taux de dioxyde de carbone chutait. La diminution de l'effet de serre a provoqué les glaciations huroniennes au cours desquelles la mer a gelé presque jusqu'à l'équateur.

La Grande Oxydation qui s'est produite entre -1,8 et -2,4 Ga a eu des conséquences sur l'érosion des continents, la géochimie des océans, le climat et l'évolution de la vie.

Mais qui sont les responsables ?

 

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créée le : 12-09-2013     modifiée le : 27-09-2015     visites depuis le 31/10/2015
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