Investigation sur la texture, structure et la composition chimique de possibles microfossiles Archéen, et kérogène associé, en utilisant des analyses pétrographique et chimique à haute résolution spatiale

Investigating the texture, structure and composition of putative Archean microfossils and associated kerogen using petrographic and chemical analysis with high spatial resolution

• Auteur / Autrice : Maxime Coutant
• Direction : Kevin Lepot, Emmanuelle Javaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers
• Date : Soutenance le 23/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....) en cotutelle avec Université de Liège
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG)
• Jury : Président / Présidente : Gauthier Eppe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johanna Marin Carbonne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jan-Peter Duda, Laurence Lemelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse

Microscopie confocale

Microscopie électronique à balayage et en transmission

Précambrien

Origine de la vie

Stromatolithes

Kérogène

Pétrologie

Géochimie organique

Traces fossiles

Archéen

Fossiles

Microorganismes

Mots clés libres

Précambrien

Première traces de vie

Microscopie Electronique

Géochimie organique

Archéen

Pétrographie

Precambrian

Oldest life traces

Electron microscopy

Organic geochemistry

Archean

Petrography

Résumé

Les investigations sur les traces de vie primitive constituent un domaine de recherche fondamental en Biogéosciences. L'utilité de diverses expertises pour déchiffrer les signatures de vie dans les roches demeure au cœur de questions ouverte: À quoi ressemble la première vie microscopique ? Quel métabolisme a-t-elle adopté en premier ? Comment ces micro-organismes peuvent-ils être préservés ? Malgré les conditions extrêmes de la Terre primitive: le volcanisme intense, l'hydrothermalisme et les bombardements météoritiques, des traces de communautés microbiennes benthiques appelées stromatolites ont été découvertes dans des roches de l'Archéen (4 - 2,5Ga). Les dépôts de chert contenant du matériel carboné peuvent contenir des microfossiles putatifs. Aucune association claire entre ces microfossiles putatifs et les stromatolites n'a été établie. Les comparaisons avec des microfossiles plus jeunes et des biomorphes posent la question de savoir si des objets du Paléo-Mésoarchéen peuvent être considérés comme authentiques. La biogénécité de ces structures carbonées reste douteuse.Cette thèse explore, grâce à des methodes de haute résolution, ces microstructures afin de déterminer si leur morphogenèse est expliquée par des processus biogéniques ou abiogéniques. Diverses morphologies carbonées sont considérées comme des microfossiles putatifs : des filaments, des sphéroïdes et des lentilles. Ces objets sont examinés de manière critique dans plusieurs de roches archéennes, cherchant des preuves de syngénécité et de cellularité. Les cherts sont connus pour favoriser la production de biomorphes, potentiellement associés à des fluides hydrothermaux, minéralogiques ou organiques exogènes. Une révision claire des critères de définition si une microstructure est un fossile est suggérée ici.Les sphéroïdes et lentilles des cherts du 3.4Ga Strelley Pool Formation et du 3.0Ga Farrel Quartzite au Craton de Pilbara (Australie occidentale) ont été ciblées pour découvrir et tester de nouveaux caractères significatifs afin de déterminer leur origine. Nous avons utilisé une combinaison de microscopie électronique à transmission à balayage jusqu'à l'échelle atomique, de diffraction d'électrons rétrodiffusés et de microscopie confocale à balayage laser. La matière carbonée d'un échantillon frais du Farrel Quartzite a été caractérisée par spectrométrie de masse assistée par laser dans le but de cibler individuellement des microstructures.Les sphéroïdes observés présentent des preuves de signature abiotique avec des structures carbonées coalescentes et nanoparticulaires en forme de paroi, incluses et traversant plusieurs cristaux. Les lentilles sont plus énigmatiques, car elles ne présentent pas ces caractéristiques intracristallines. Seuls les spécimens creux montrent des parois déformées et sub-continues aux joints de grain. D'autres, contiennent des structures sphéroïdales, parfois coalescentes, formées probablement de manière abiotique. Les «flanges» et parois subcontinues semble montrer une origine biogénique plutôt que des biomorphes abiotiques. La taphonomie de ces structures reste difficile à démontrer.Les lentilles montrent une hétérogénéité de texture de la matière carbonée à l'échelle atomique. Cette hétérogénéité ne permet pas de discriminer la biogénécité et l'abiogénécité. Cependant, l'organisation observée à l'échelle atomique est cohérente avec la dominance des clusters de carbone en spectrométrie de masse assistée par laser de la matière organique insoluble, ainsi que des polyaromatiques possiblement liés ou adsorbés.La force de cette étude réside dans les méthodologies couplées des sciences des matériaux - géochimie qui examinent jusqu'à l'échelle nanométrique la structure et la texture de la matière carbonée des microstructures. Cette étude apporte de nouvelles perspectives, basées sur des méthodologies pétrographiques et chimiques, concernant la biogénécité des microfossiles putatifs et leur matière carbonée associ

Investigations led on early life traces are a fundamental research topic concerning Life and Earth Sciences. Implications of multiple expertise to decipher life signatures on rock materials remains at the pinnacle of numerous unanswered questions: What was early microscopic life looked like? What metabolism early life performed first? How such ancient microorganisms may be preserved through time?Despite the harsh conditions of the early Earth, e.g. intense volcanism, hydrothermalism, meteoritic bombardment, traces of benthic microbial communities called stromatolites have been discovered in Archean (4 - 2.5Ga) rocks. Chert deposits embedding carbonaceous material may contain putative microfossils. No clear association between those putative microfossils and stromatolites has been established so far. Comparison made with younger averred microfossils and biomorphs question that some of the Palaeo-Mesoarchean may be considered as genuine microfossils. The biogenicity of these carbonaceous structures remains doubtful.This thesis investigates through high resolution techniques these putative microfossils to clarify whether their morphogenesis is best explained by biogenic or abiogenic processes. Among these carbonaceous microstructures, diverse morphologies are putative microfossils, including filaments, spheroids, and lenses. These microstructures are reviewed critically for the whole Archean age in various types of rocks, including evidence for syngenicity and cellularity. Cherts are well known to promote production of abiotic objects, possibly associated here with hydrothermal input of exogeneous mineral or organic constituents. Considering this, a clear revision of proposed features to define if a microstructure is a fossil is herein suggested. In turn, spheroidal and lenticular morphologies from cherts of the 3.4 Ga Strelley Pool Formation and the 3.0 Ga Farrel Quartzite from the Pilbara Craton (Western Australia) have been targeted to find out and test new significant features to determine their origin. We used a combination a scanning transmission electron microscopy down to the atomic scale, electron backscattered diffraction, and confocal laser scanning microscopy. The bulk carbonaceous matter of a newly collected rock of the Farrel Quartzite was characterized with laser-assisted mass spectrometry with the aim of targeting single putative microfossils in the future.Spheroidal microstructures observed herein present evidence of abiotic signature with coalescent and nanoparticulate carbonaceous wall-like structures that are included and cross-cutting multiple quartz crystals.Lenticular specimens remain more enigmatic, as they do not present such intracrystalline features. Instead, only hollow specimens show sub-continuous, deformed walls located at grain boundaries. Other lenses may commonly include spheroid sub-structures, sometimes coalescent, like isolated coalescent spheroids, likely formed abiotically. The combination of flange, sub-continuous walls remain best reconciled with known biogenic origins rather than known abiotic biomorphs. However, the putative taphonomy of those structures remains difficult to address.Lenses exposed a heterogeneity of the carbonaceous matter texture at atomic scale. At this stage, heterogeneity does not help discriminate biogenicity and abiogenicity. However, the observed atomic scale organization is consistent with the dominance of carbon clusters in laser-assisted mass spectrometry of the bulk insoluble organic matter, along with possibly bound or adsorbed polyaromatic hydrocarbons.Strengths of this study reside on interconnected methodologies of material sciences and geochemistry that investigate down to the nanoscale the carbonaceous matter structure and texture of putative microfossils. At last, this study provides new insights, based upon petrographic and chemical methodology, regarding biogenicity of the putative microfossils and their associated carbonaceous matter.