Géochimie des éléments et des isotopes des formations de fer et des carbonates : nouvelles perspectives sur le cycle du Fe et reconstructions paléoenvironnementales au Néoarchéen à Carajás, Brésil

Element and isotope geochemistry from iron formations and carbonates : new insights into the Fe cycle and paleoenvironmental reconstructions during the Neoarchean in Carajás, Brazil

• Auteur / Autrice : Eric Siciliano Rego
• Direction : Pascal Philippot, Marly Babinski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 23/09/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Universidade de São Paulo (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Bosch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Philippot, Marly Babinski, Delphine Bosch, Franck Poitrasson, Roberto Ventura Santos, Ricardo Ivan Ferreira Trindade, Vincent Busigny
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Poitrasson, Roberto Ventura Santos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fer

Précambrien

Géochimie isotopique

Mots clés libres

Géochimie isotopique

Précambrien

Fer rubané

Isotopic geochemistry

Precambrian

Banded Iron Formation

Résumé

Les formations de fer (Iron Formation ; IFs) sont des archives chimiques bien étudiées de l'eau de mer précambrienne, qui permettent de documenter les conditions redox océaniques passées et de comprendre le fonctionnement du cycle du fer (Fe) au cours de périodes clés de l'histoire de la Terre. Ce travail se base sur des analyses géochimiques élémentaires et isotopiques sur les IFs et les carbonates de Carajás (Brésil) ayant été déposés au Néoarchéen (~2,74 Ga), avant la Grande Oxydation (Great Oxidation Event ; GOE). De potentiels événements d'oxygénation avant le GOE sont encore largement débattus. Ces controverses portent notamment sur le rôle de l'activité microbienne dans les environnements réducteurs, la disponibilité des nutriments dans l’eau de mer à période, ainsi que sur les effets sur les archives sédimentaires des modifications postérieures au dépôt (diagénèse, métamorphisme). Ces sujets seront abordés après une introduction générale (chapitre 1), une vue d'ensemble du cadre géologique d'où proviennent nos échantillons (chapitre 2) et une description des méthodes utilisées pour parvenir à nos principales conclusions (chapitre 3).Dans le but de reconstituer les conditions paléoenvironnementales à Carajás au Néoarchéen, les travaux pétrographiques combinés à la géochimie des éléments majeurs et traces, à la composition isotopique du Fe de la roche mère et à la mesure des isotopes du C dans la matière organique ont permis de confirmer l'existence de conditions anoxiques (c'est-à-dire l'absence d'anomalies négatives du Ce, valeurs positives et homogènes du δ56Fe). Les analyses des isotopes du C sur la matière organique montrent des valeurs en δ13Corg similaire aux organismes autotrophes, suggérant l’existence d’environnements favorables aux bactéries ferrophototrophes (bactéries réalisant une photosynthèse anoxygénique où la réduction du CO2 est couplée à l'oxydation du Fe(II) dissous). Des anomalies positives en Europium (Eu) extrêmement fortes démontrent également que le Fe avait une source hydrothermale importante (Chapitre 4). De plus, en mesurant la teneur en Phosphore (P) et Fe dans les IFs, nous avons montré que ces sédiments chimiques constituent des archives fidèles de l'eau de mer ancienne, comme l’atteste leur comportement analogue à celui de l'eau de mer moderne. Nous avons donc estimé les teneurs en phosphore dissous dans les paléo-eaux localement (à Carajás) et globalement, sur la base de données mesurées, expérimentales et bibliographiques. Nos données suggèrent que des concentrations limitées en P ont prévalu pendant la majeure partie de l'Archéen (chapitre 5). Enfin, après avoir mesuré les isotopes du fer dans les lixiviats de carbonate et de magnétite (cf. Méthodes, chapitre 3), les isotopes du carbone dans les carbonates et étudié par spectroscopie Raman des échantillons de carbonate riches en matière organique, nous avons démontré que la réduction microbienne dissimilatrice du fer (Dissimilatory Iron Reduction ; DIR) était probablement responsable de la signature isotopique appauvrie en 13C mesurée dans les carbonates. Cependant, l'important fractionnement isotopique du Fe attendu pour la DIR, tel qu'enregistré par les études expérimentales, n'a pas été observé. Un fractionnement constant du Fe entre les carbonates et les oxydes été enregistré à l'échelle du bassin, ce qui pourrait plaider en faveur d'un rééquilibrage du système isotopique du Fe dans des conditions de température relativement basse (Chapitre 6). L’ensemble de ces résultats ont contribué à reconstituer certains des aspects clés du cycle du Fe au Néoarchéen à Carajás, et ont montré l’importance de ces échantillons comme archives paléoenvironnementales pour cette période.

Iron formations (IFs) are well-studied chemical archives of Precambrian seawater,thus offering evidence of past oceanic redox conditions, and providing insights onhow the iron (Fe) cycle was operating throughout key periods of Earth’s history. This work focuses on applying elemental and isotopic geochemical measurements in IFs and carbonates deposited in Neoarchean Carajás (~2.74 Ga), before the Great Oxidation Event (GOE). There is still a large debate regarding possible oxygenation events prior to the GOE, the role of microbial activity in reducing environments, nutrient availability in paleoseawater, and post-depositional effects imprinted in the sedimentary record. These topics will be addressed after a general introduction (Chapter 1), an overview of geological setting from which our samples came from (Chapter 2), and a description of the specific methods utilized to reach our main conclusions (Chapter 3).In an attempt to reconstruct paleoenvironmental conditions in Neoarchean Carajás,petrographic work combined with major and trace element geochemistry, Fe isotope composition of bulk-rock, and C isotope measurements in organic matter have provided support for anoxic conditions (i.e. lack of negative Ce anomalies, positive and homogeneous δ56Fe values). Organic carbon isotopes also favored the role of bacteria in oxidizing dissolved Fe(II) through anoxygenic photosynthesis (i.e. δ13Corg similar to autotrophic organisms). We have also demonstrated that Fe had a prominent hydrothermal source shown by significantly positive Eu anomalies (Chapter 4). Additionally, by measuring phosphorus (P) and Fe content in IFs we have shown that these chemical sediments are indeed suitable archives of ancient seawater as shown by their analogous behavior with modern seawater. Hence, we estimated dissolved phosphorous contents in paleoseawater locally and globally, based on measured, experimental, and literature data. Our data suggests P-limited conditions prevailed throughout most the Archean Eon (Chapter 5). Finally, after measuring Fe isotopes in carbonate leachates and magnetite (see Methods section, Chapter 3), C isotopes in carbonates, and applying Raman spectroscopy in organic-rich carbonate samples, we demonstrated that microbial dissimilatory iron reduction (DIR) was likely responsible for depleted 13C isotopic signature measured in carbonates. However, the large Fe isotope fractionation expected for DIR as recorded by experimental studies was not observed. In fact, a constant fractionation was recorded in a basinal scale between carbonates and oxides, possibly arguing for a reequilibration of the Fe-isotopic system at relatively lowtemperature conditions (Chapter 6). These results hopefully contributed to the effort of reconstructing the key aspects of the Fe cycle in Neoarchean Carajás, and importantly showed the potential of these samples as significant paleoenvironmental archives.