Composition isotopique de l'oxygène et du silicium des cherts Précambriens : implications Paléo-environnementales, Oxygen and silicon isotopic composition of Precambrian cherts : paleo-environnementales implications

Johanna Marin

Description

Sous la direction de Marc Chaussidon
Thèse soutenue le 23 novembre 2009: INPL
Les cherts, roches siliceuses, sont souvent considérés comme des marqueurs des conditions environnementales de la Terre primitive. Ces roches sont constituées de quartz sous différentes formes dont le quartz microcristallin ou microquartz est la forme majoritaire. Le but de cette thèse est d'étudier à l'échelle micrométrique les compositions isotopiques de l'oxygène et du silicium des différentes formes de silice dans des cherts d'âges variés, allant de 3,5 à 1,9 Ga afin de mieux comprendre l'origine et le mode de formation de ces roches et d'essayer d'améliorer les reconstructions des températures océaniques du Précambrien. Les mesures isotopiques, réalisées à la sonde ionique ims 1270, ont une précision meilleure que 0,2 ‰ pour le [delta]18O et de l'ordre de 0,3 ‰ pour le [delta]30Si. Ces analyses isotopiques ont été combinées avec l'analyse des éléments traces (B, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Fe) avec la sonde ionique 3f, avec une étude pétrographique détaillée du microquartz et avec l'analyse des inclusions fluides des veines de quartz. Le résultat principal est la mise en évidence de grandes gammes de variation du [delta]18O (entre 1 ‰ et 14?‰) et du [delta]30Si (entre 2 ‰ et 5 ‰) à l'échelle micrométrique dans le microquartz. La gamme de variation du [delta]18O a pu être interprétée dans les échantillons datés de 1,9 Ga comme témoignant de l'histoire diagenètique de ces roches. Cette gamme permet, en corrigeant de l'effet de la diagenèse, de reconstruire des températures océaniques à 1,9 Ga entre 37 et 52°C, ce qui laisse suggérer un océan assez chaud au Précambrien si ces échantillons sont représentatifs de conditions globales. Dans le cas des échantillons datés à 3,5 Ga, les variations de [delta]30Si et de concentrations en éléments traces apportent des informations sur les origines variées des cherts. Enfin, l'effet des circulations fluides sur les compositions isotopiques du microquartz a été caractérisé par l'analyse isotopique du [delta]18O et du [delta]30Si et par l'étude des inclusions fluides. Il est démontré que dans certains cas le [delta]18O du microquartz peut être entièrement rééquilibré avec les fluides hydrothermaux ou métamorphiques. L'approche développée dans cette thèse devra dans le futur être appliquée systématiquement à l'étude des cherts aux fins de reconstructions paléo-environnemantales
-Cherts
-Isotopes de l'oxygène
-Conditions environnementales
-Precambrien
-Sédiments
-Microquartz
-Diagenèse
-Eléments traces
-Silicium
-Terre Primitive
-Température
-Eau de mer
Cherts, which are siliceous rocks, are considered as possible proxies of paleo-environmental conditions of the Early Earth. These rocks contain various forms of quartz, microquartz being the predominant one. The study of oxygen and silicon isotopic composition in the various forms of silica in cherts of different ages, from 3,5 Ga to 1,9 Ga, allowed to better understand the origin and the formation of these rocks and allowed to try to reconstruct paleo-temperatures for Precambrian seawater. Isotopic measurements were obtained with the ims 1270 multicollector ion microprobe with a precision better than 0,2 ‰ for [delta]18O and of ˜ 0,3 ‰ for [delta]30Si. These analyses were combined with the measurement of traces elements concentrations (B, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Fe) with the ims 3f ion microprobe, with a petrographical study of microquartz and with the study of fluid inclusions in quartz veins. The major result is the existence at a micrometer scale of a large range of variations for [delta]18O (between 1 ‰ to 14?‰) and [delta]30Si (between 2‰ to 5‰). In the Gunflint cherts, the range of [delta]18O variation has been interpreted as due to diagenesis and has been used to reconstruct oceanic paleo-temperatures. The calculated temperatures range from +37°C to +52°C, suggesting an hot ocean during the Precambrian era if Gunflint cherts are representative of global environmental conditions. The [delta]30Si variations associated with that of trace elements concentrations allow to constrain the various origins of these cherts. The effect of fluid circulations on the isotopic compositions has been characterized by [delta]18O and [delta]30Si analyses and by fluid inclusions study. It is shown that in some cases the [delta]18O value of microquartz can be totally re-equilibrated with the hydrothermal or metamorphic fluids. The approach developed in this thesis will be decisive in future studies of Archean cherts for paleotemperature reconstructions
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-Silicon
-Environmental conditions
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-Microquartz
-Temperature
-Seawater
-Diagenesis
-Trace elements
Source: http://www.theses.fr/2009INPL086N/document

Sujets

• Sédiment
• Diagenèse
• Silicium
• Température
• Eau de mer
• Silicon

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 93
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

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Composition isotopique de l'oxygène et du silicium
dans les cherts Précambriens :
Implications Paléo-environnementales
Thèse
présentée pour l'obtention du titre de
Docteur de l'institut National Polytechnique de Lorraine
spécialité Géosciences
par
Johanna Marin
soutenue publiquement le 23 novembre 2009 devant la commission
d'examen :
Magali Ader IPGP, Paris Rapportrice
Luc André Musée Royal de l'Afrique Rapporteur
Centrale, Tervuren
Pascal Philippot IPGP, Paris Examinateur
Bernard Marty CRPG, Nancy Examinateur
Marc Chaussidon CRPG, Nancy Directeur de Thèse
François Robert LMCM -Mnhn, Paris Co-directeur de Thèse
Marie-Christine Boiron G2R, Nancy Invitée



A mon Grand-Père Charles
A Vincent dit Pollack













"En-deça c'est la nuit, au-delà c'est le rêve,
L'idéal est un oeil que la science crève"
Victor Hugo
Les Contemplations

Remerciements

Je tiens à remercier tout d'abord mon directeur de thèse Marc Chaussidon ainsi que mon co-directeur
de thèse François Robert pour m'avoir permis de faire cette thèse et m'avoir fait découvrir le monde de la
géochimie et surtout celui de la sonde ionique. Je les remercie particulièrement pour tout ce qu'ils m'ont
appris pendant ces trois années, ainsi que pour leur aide, leur patience et leurs conseils avisés.
Mes remerciements vont également aux membres du jury, Bernard Marty, Pascal Philippot, Marie-
Christine Boiron et surtout les rapporteurs. Magali Ader et Luc André.
Je tiens particulièrement à remercier Claire Rollion-Bard pour ses astuces de pics plats, sa bonne
humeur, son soutien et sa motivation à toute épreuve. Je tiens aussi à remercier Denis Mangin et Michel
Champenois pour leur aide lors des séances de sonde ioniques, les charmants surnoms dont ils m'ont affublés
pendant ces trois années et leurs blagues quotidiennes.
Merci à Marie-Christine Boiron qui m'a fait découvrir le monde des inclusions fluides, pour toutes
nos discussions ainsi que ses conseils.
Je remercie Bernard Marty qui après avoir été mon professeur en géochimie m'a permis de l'enseigner
à mon tour. Je le remercie aussi pour ses conseils avisés et San Francisco. Je remercie David Jousselin et
Sylvain Bourlange de m'avoir permis de continuer à étudier la géologie structurale.
Je remercie Damien Jacob du LSPES de Lille pour son aide lors des séances de microscope
électronique à transmission et Caroline Fitoussi de l'ETH de Zurich, pour l'analyse de standards et toutes
nos discussions sur le silicium. Je remercie aussi Caroline Guilmette du CRPG pour ses analyses de standards
de carbonates et toutes nos discussions scientifiques ou non..
Merci aussi à Béatrice, Guy, Gaston et Emilie avec qui j'ai souvent pu discuter des problématiques
de la Terre Primitive et des cherts.
Un grand merci à Bruno, Nordine, Jean-Marc, Pierre (la chèvre va me manquer..), Julien, Manu,
Isabelle, Aurélie, Cathy, Odile et Martine.
Je tiens aussi à remercier tous ceux qui m'ont écouté, supporté et motivé pendant ces trois ans. La
première d'entre elle est bien sûr Aurélia, merci pour tes conseils et ton aide. Je remercie aussi évidemment
Romain l'Auvergnat têtu et roi des barbecues, Marteen pour sa patience à toute épreuve, Johann mon "frère"
de sonde ionique et de thèse, Magali dite Xénon-Girl, Saholy, Julien, Nicolas, et puis Tix et François pour
les discussions animées et les apéros à la cave, Pete pour sa gentillesse légendaire et San Francisco, le grand
Julien pour son esprit de contradiction, PH pour les discussions passionnées, et Guillaume pour le chapeau
et les légumes. Ma dernière année de thèse aurait été beaucoup plus compliquée si un petit lutin toujours
souriant n'était pas arrivée au CRPG. Merci Aurélie pour ton humour et ta joie de vivre. Il y a aussi toutes les personnes que j'ai rencontrées pendant ces trois années et avec qui j'ai passé de
bons moments et il y en a beaucoup. Je les remercie pour toutes les discussions que j'ai pu avoir.
Un grand merci à Jey, Joanne, Ben, Loïc, Pollack et tous les autres pour m'avoir écoutée et
supportée pendant ces trois années et pour les nombreuses soirées parisiennes. Je remercie aussi Renate et
Jean-Pierre pour les week-ends allemands et la Forêt Noire.
Je tiens à remercier mes parents et mes sœurs d'être de me soutenir et de m'écouter depuis si
longtemps.
Enfin un énorme merci à Antoine sans qui cette thèse n'aurait sûrement pas pu aboutir.


























Sommaire

Introduction 1

Chapitre 1 : L'environnement de la Terre au Précambrien 5

1. Introduction 9
2. Dynamique Terrestre 11
3. L'Atmosphère 27
4. L'Hydrosphère 39
5. Les traces de vie à l'archéen 51

Chapitre 2 : Les isotopes de l'oxygène et du silicium : définition et
applications 59

1. Introduction aux isotopes stables et au fractionnement isotopique 63
2. Le fractionnement isotopique de l'oxygène et la reconstitution des paléo-températures
océaniques 75
3. Le silicium : traceur de source et paléo-thermomètre 82
4. Conclusions 90

Chapitre 3 : Techniques analytiques 91

1. La préparation des échantillons 95
2. La microscopie électronique 96
3. La sonde ionique 97
4. Techniques d'étude des inclusions fluides 131

Chapitre 4 : Présentation et étude pétrographique des cherts : composition,
origine et diagenèse 135

1. Définition et Composition d'un chert 139
2. Présentation des divers types de cherts 147
3. La diagenèse des cherts