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La quantité d’oxygène dans l’atmosphère de la Terre en fait une planète habitable.

Vingt et un pour cent de l’atmosphère est constitué de cet élément vital. Mais dans un passé lointain – aussi loin que l’ère néo-archéenne, il y a 2,8 à 2,5 milliards d’années – cet oxygène était presque absent.

Alors, comment l’atmosphère de la Terre s’est-elle oxygénée ?

Notre recherche, publiée dans Nature Geoscience, ajoute une nouvelle possibilité alléchante : au moins une partie de l’oxygène de la Terre à ses débuts provenait d’une source tectonique via le mouvement et la destruction de la croûte terrestre.

La Terre de l’Archéen
L’éon archéen représente un tiers de l’histoire de notre planète, de 2,5 milliards d’années à 4 milliards d’années.

Cette Terre extraterrestre était un monde aquatique, couvert d’océans verts, enveloppé d’une brume de méthane et totalement dépourvu de vie pluricellulaire. Un autre aspect étranger de ce monde était la nature de son activité tectonique.

Sur la Terre moderne, l’activité tectonique dominante est appelée tectonique des plaques, où la croûte océanique – la couche la plus externe de la Terre sous les océans – s’enfonce dans le manteau terrestre (la zone entre la croûte terrestre et son noyau) à des points de convergence appelés zones de subduction.

Cependant, la question de savoir si la tectonique des plaques fonctionnait à l’époque de l’Archéen fait l’objet de nombreux débats.

L’une des caractéristiques des zones de subduction modernes est leur association avec des magmas oxydés.

Ces magmas se forment lorsque des sédiments oxydés et des eaux de fond – de l’eau froide et dense près du plancher océanique – sont introduits dans le manteau terrestre. Cela produit des magmas à forte teneur en oxygène et en eau.

Nos recherches visaient à vérifier si l’absence de matériaux oxydés dans les eaux de fond et les sédiments archéens pouvait empêcher la formation de magmas oxydés.

L’identification de tels magmas dans les roches magmatiques néo-archéennes pourrait fournir la preuve que la subduction et la tectonique des plaques ont eu lieu il y a 2,7 milliards d’années.

L’expérience
Nous avons recueilli des échantillons de roches granitoïdes vieilles de 2 750 à 2 670 millions d’années dans toute la sous-province d’Abitibi-Wawa de la Province du Supérieur – le plus grand continent archéen préservé qui s’étend sur 2 000 kilomètres (1 243 miles) de Winnipeg, au Manitoba, à l’extrême est du Québec.

Cela nous a permis d’étudier le niveau d’oxydation des magmas générés au cours de l’ère néo-archéenne.

Mesurer l’état d’oxydation de ces roches magmatiques – formées par le refroidissement et la cristallisation du magma ou de la lave – est un défi. Des événements post-cristallisation peuvent avoir modifié ces roches par déformation, enfouissement ou chauffage ultérieurs.

Nous avons donc décidé d’examiner le minéral apatite, présent dans les cristaux de zircon de ces roches.

Les cristaux de zircon peuvent résister aux températures et pressions intenses des événements post-cristallisation. Ils conservent des indices sur les environnements dans lesquels ils ont été formés à l’origine et fournissent des âges précis pour les roches elles-mêmes.

De petits cristaux d’apatite de moins de 30 microns de large – la taille d’une cellule de peau humaine – sont piégés dans les cristaux de zircon. Ils contiennent du soufre. En mesurant la quantité de soufre dans l’apatite, nous pouvons établir si l’apatite est issue d’un magma oxydé.

Nous avons réussi à mesurer la fugacité de l’oxygène du magma archéen d’origine – qui est essentiellement la quantité d’oxygène libre qu’il contient – à l’aide d’une technique spécialisée appelée spectroscopie d’absorption des rayons X près de la structure du bord (S-XANES) au synchrotron Advanced Photon Source de l’Argonne National Laboratory, dans l’Illinois.

Créer de l’oxygène à partir de l’eau ?
Nous avons constaté que la teneur en soufre du magma, qui était initialement nulle, est passée à 2 000 parties par million vers 2705 millions d’années. Cela indique que les magmas étaient devenus plus riches en soufre.

De plus, la prédominance de S6+ – un type d’ion soufre – dans l’apatite suggère que le soufre provenait d’une source oxydée, ce qui correspond aux données des cristaux de zircon hôtes.

Ces nouveaux résultats indiquent que des magmas oxydés se sont formés à l’ère néo-archéenne, il y a 2,7 milliards d’années. Les données montrent que le manque d’oxygène dissous dans les réservoirs océaniques de l’Archéen n’a pas empêché la formation de magmas oxydés riches en soufre dans les zones de subduction.

L’oxygène contenu dans ces magmas a dû provenir d’une autre source et a finalement été libéré dans l’atmosphère lors d’éruptions volcaniques.

Nous avons constaté que l’apparition de ces magmas oxydés est corrélée à des événements majeurs de minéralisation aurifère dans la province du Supérieur et le craton de Yilgarn (Australie occidentale), ce qui démontre un lien entre ces sources riches en oxygène et la formation de gisements de classe mondiale.

Les implications de ces magmas oxydés vont au-delà de la compréhension de la géodynamique de la Terre primitive. Auparavant, on pensait qu’il était improbable que les magmas archéens puissent être oxydés, alors que l’eau océanique et les roches ou sédiments du plancher océanique ne l’étaient pas.

Bien que le mécanisme exact ne soit pas clair, l’apparition de ces magmas suggère que le processus de subduction, au cours duquel l’eau océanique est transportée à des centaines de kilomètres à l’intérieur de notre planète, génère de l’oxygène libre. Celui-ci oxyde alors le manteau sus-jacent.

Notre étude montre que la subduction archéenne pourrait avoir été un facteur vital et imprévu dans l’oxygénation de la Terre, les premières bouffées d’oxygène il y a 2,7 milliards d’années et aussi le Grand événement d’oxydation, qui a marqué une augmentation de l’oxygène atmosphérique de deux pour cent il y a 2,45 à 2,32 milliards d’années.

Pour autant que nous le sachions, la Terre est le seul endroit du système solaire – passé ou présent – avec une tectonique des plaques et une subduction active. Cette étude pourrait donc expliquer en partie l’absence d’oxygène et, en fin de compte, de vie sur les autres planètes rocheuses à l’avenir également.The Conversation

David Mole, boursier postdoctoral, Sciences de la Terre, Université Laurentienne ; Adam Charles Simon, professeur Arthur F. Thurnau, Sciences de la Terre et de l’Environnement, Université du Michigan, et Xuyang Meng, boursier postdoctoral, Sciences de la Terre et de l’Environnement, Université du Michigan.

Adaptation Terra Projects

source : https://www.sciencealert.com/

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