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
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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

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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
-Cherts
-Early Earth
-Oxygen isotopes
-Silicon
-Environmental conditions
-Precambrian
-Sediment
-Microquartz
-Temperature
-Seawater
-Diagenesis
-Trace elements
Source: http://www.theses.fr/2009INPL086N/document

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Nombre de lectures 93
Langue English
Poids de l'ouvrage 11 Mo

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AVERTISSEMENT



Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
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Il est soumis à la propriété intellectuelle de l’auteur au même titre que sa
version papier. Ceci implique une obligation de citation et de
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Contact SCD INPL: mailto:scdinpl@inpl-nancy.fr




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http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
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 156
4. Présentation des cherts Précambriens 168
5. Etude détaillée du microquartz 189
6. Conclusion 198

Chapitre 5 : Effets de la diagenèse et implications pour la reconstruction des
paléo-températures océaniques : exemples des cherts de Gunflint (1,9 Ga,
Canada) 199

Résumé 201
Article 203
Chapitre 6 : Effet des circulations fluides dans un chert archéen : exemple
d'un échantillon du groupe d'Onverwacht (3,5 Ga, Afrique du Sud) 219

Résumé 221
Article 223

Chapitre 7 : Compositions isotopiques de l'oxygène et du silicium et
concentrations en éléments traces des cherts précambriens : implications sur
les origines du microquartz 279

1. Composition isotopique de l'oxygène et du silicium 283
2. Concentration des éléments traces 297
3. Interprétation et discussion 303
4. Conclusion sur les compositions isotopiques 314

Conclusion 317
Références Bibliographiques 321
Annexes 363
Introduction



Un des grands paradoxes de l'histoire précoce de la terre est celui du soleil jeune qui
devait avoir une luminosité plus faible d'environ 30% par rapport à l'actuel. L'eau à cette
époque, pour une atmosphère identique à aujourd'hui, n'aurait donc du exister que sous forme
de glace, or il existe de nombreuses traces d'eau liquide dont des enregistrements
sédimentaires de cette époque. Une manière d'éviter que les océans soient gelés est l'existence
d'un effet de serre important à cette époque. La nature et la concentration des gaz à effets de
serre qui ont pu produire cet effet sont peu connues et surtout mal étayées par les données
géologiques. La présence d'eau liquide est un des éléments primordiaux pour l'apparition de la
vie. La température de surface de la terre et notamment celle des océans est donc un
paramètre important à connaître afin de pouvoir reconstituer les conditions environnementales
de la Terre primitive. De plus, la reconstitution de ces conditions peut nous permettre de
comprendre quels processus ont pu permettre l'apparition de la vie et quels processus peuvent
faire varier ces conditions. Les cherts, roches siliceuses formées essentiellement de quartz ont
souvent été considérées comme ayant une origine sédimentaire. Le nom équivalent à chert en
français est silex, mais ce terme ne recoupe pas totalement la définition d'un chert, c'est pour
cela que le terme anglais est conservé dans cette thèse. Ces roches peuvent avoir conservé
notamment par le biais de leur composition isotopique en oxygène et en silicium, des traces
de leurs conditions de précipitation. Les cherts étudiés dans cette thèse proviennent de
diverses collections et un grand nombre d'entre eux a été étudié dans le cadre de la recherche
de traces fossiles. Les échantillons archéens proviennent de deux cratons bien connus, le
craton de Kaapvaal, daté de 3,6 à 3,2 Ga situé en Afrique du Sud et du craton des Pilbara daté
de 3,72 à 2,4 Ga, situé en Australie. Les échantillons provenant du craton de Kaapvaal
appartiennent au groupe d'Onverwacht, tandis que ceux provenant du craton des Pilbara
proviennent du groupe de Warawoona et du groupe de Fortescue. Les échantillons du
Protérozoïque proviennent de la formation de Gunflint, datée de 1,88 Ga et située au Canada.
Cette formation a été beaucoup étudiée car elle contient des traces de vie exceptionnelles de
par leur conservation.
Le premier objectif de cette thèse est donc de comprendre l'origine des variations du
18 30δ O et du δ Si dans ces cherts. L'étude de ces variations a été réalisée par l'analyse
18 30systématique in situ du δ O et du δ Si dans différents cherts datés du Précambrien a été
1Introduction
18 30réalisée à l'échelle micrométrique. Les mesures isotopiques de δ O et du δ Si seront
réalisées à la sonde ionique Caméca 1270 du CRPG avec la meilleure précision possible.
Afin de reconstituer le plus précisément possible les conditions environnementales de
la formation de ces roches, il est nécessaire d'essayer de s'affranchir de toutes les
perturbations que ces roches ont pu subir. Ces perturbations sont souvent associées à des
circulations de fluides hydrothermales et métamorphiques. Par ailleurs, les cherts sont des
roches sédimentaires qui ont donc subi une diagenèse. Le précurseur de ces cherts est souvent
une phase de silice amorphe est en effet recristallisée en quartz lors de cette diagenèse.
Le second objectif de cette thèse est d'essayer de déterminer un critère de préservation
des compositions isotopiques de ces échantillons, notamment lorsque ces roches sont
sédimentaires. Ces échantillons sont constitués de différentes formes de silices (microquartz,
quartz filonien, mégaquartz, quartz fibreux...), qui seront caractérisées par une étude
pétrographique. Ces échantillons contiennent de nombreuses évidences de circulations de
fluides (taille et nombre des veines de quartz). Des mesures isotopiques de l'oxygène et du
silicium ont été réalisées dans ces veines de quartz. Par ailleurs, les circulations de fluides
seront caractérisées grâce à l'étude des inclusions fluides contenues dans les cristaux de
quartz de ces veines.
Le troisième objectif de cette thèse est d'essayer de reconstituer l'origine possible de
ces cherts et notamment de différencier les échantillons sédimentaires des échantillons
hydrothermaux. De même les mesures isotopiques associées aux mesures d'éléments traces
pourraient permettre d'identifier l'influence de différents processus et notamment la
silicification des carbonates lors de la formation du microquartz
Enfin le dernier objectif de cette thèse est d'essayer de reconstituer la température
océanique à partir des compositions isotopiques de l'oxygène.

Cette thèse est organisée en sept chapitres. Le chapitre 1 présente l'état des
connaissances sur l'environnement de la terre au Précambrien et notamment le paradoxe du
soleil jeune. Le chapitre 2 est une introduction aux isotopes stables de l'oxygène et du silicium
et de leur utilisation en paléoclimatologie. Le chapitre 3 est consacré aux cherts. Après une
introduction sur la définition d'un chert, les différentes origines possibles de cherts et les
conditions thermodynamiques de leur formation, ce chapitre présente aussi les différents
échantillons ainsi que l'étude pétrographique détaillée du microquartz. Le chapitre 4 traite des
différentes techniques analytiques utilisées lors de cette thèse, qui vont des techniques
d'observations microscopiques, à l'étude des inclusions fluides en passant par les analyses
2

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