Les stromatolites comme archives paléoenvironnementales et/ou biologiques : perspectives géochimiques et minéralogiques à travers la Collection de Microbialites du MNHN

Stromatolites as paleoenvironmental and/or biological archives : geochemical and mineralogical perspectives from the MNHN Microbialite Collection

• Auteur / Autrice : Laurane Fogret
• Direction : , Pierre Sans-Jofre, Stefan Lalonde
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021; Soutenance le 18/10/2024
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)

Mots clés

Mots clés libres

Stromatolites

Géochimie

Collection

Base de donnée

Paléoenvironnements

Microbialites

Stromatolites

Geochemistry

Collection

Database

Paleoenvironments

Microbialites

Résumé

Les stromatolites, structures sédimentaires microbiennes laminées, constituent certaines des plus anciennes traces de vie sur Terre. En raison de leur dépôt dans un large éventail d'environnements et de leur présence à travers les temps géologiques, les signatures sédimentologiques et géochimiques qu'ils préservent représentent des archives paléoenvironnementales majeures pour comprendre la coévolution biologique et géochimique de la Terre. La constitution de la Collection de Microbialites du Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN, Paris), couvrant tous les continents à l'exception de l'Antarctique et plus de 3,5 milliards d'années d'histoire de la Terre, a permis d'établir une vaste base de données géochimiques associées. Plus de 400 échantillons de la collection ont ainsi été caractérisés grâce à différents indicateurs géochimiques, permettant de fournir une illustration inédite de la remarquable diversité des paléoenvironnements successifs de la surface terrestre. Les stromatolites, à l'instar des carbonates sédimentaires non microbiens, retracent les tendances majeures concernant l'évolution de la composition en isotopes stables du carbone (en particulier les excursions positives et négatives manifestes en δ13Ccarb) et de l'oxygène (notamment l'augmentation en δ18Ocarb au cours des temps géologiques), l'évolution des teneurs en éléments-traces sensibles à l'oxydo-réduction (qui témoignent de l'oxygénation progressive de l'atmosphère et des océans de notre planète), ainsi que l'évolution de la distribution des terres rares (caractéristique de milieux variés, évaporitiques, hydrothermaux, marins, ou encore lagunaires). Tout ceci fait des stromatolites des outils de choix pour retracer l'évolution des paléoenvironnements et des principaux cycles biogéochimiques de la Terre. Cependant, de nombreuses incertitudes subsistent quant à la biogénicité de ces archives ; plus encore, la nature et l'origine de la lamination stromatolitique restent sources de questionnements. Cette lamination étant la caractéristique essentielle dans l'identification des stromatolites, dès l'Archéen, l'étude de sa diversité minéralogique et géochimique a été entreprise à l'échelle de la microstructure, et une étude cyclostratigraphique a été menée à travers la lamination de trois spécimens développés au cours de l'Holocène dans trois environnements différents. La datation haute résolution au carbone 14 a permis de mettre en évidence des vitesses d'accrétion remarquablement similaires, de l'ordre de la dizaine de µm/an ; rapportés au nombre de lamines, leurs âges révèlent une structuration véritablement périodique des stromatolites étudiés, indépendamment de l'environnement de dépôt. Bien que les observations pétrologiques soulignent l'influence des communautés microbiennes dans l'initiation de cette lamination caractéristique, les résultats suggèrent l'existence d'une périodicité dans la lamination stromatolitique, principalement régie par des forces extérieures qui semblent leur être communes, telles que l'activité solaire ou les cycles orbitaux lunaires, plutôt que par la biologie.

Stromatolites, laminated microbial sedimentary structures, are some of the oldest traces of life on Earth. Due to their deposition in a wide range of environments and their presence across geological time, the sedimentological and geochemical signatures they preserve represent major paleoenvironmental archives for understanding the Earth's biological and geochemical coevolution. The creation of the Microbialite Collection at the Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN, Paris), covering all continents except Antarctica and more than 3.5 billion years of Earth history, has enabled the establishment of a vast database of associated geochemical data. More than 400 samples from the collection have been characterized using multiple geochemical proxies, providing an unprecedented illustration of the remarkable diversity of successive paleoenvironments on the Earth's surface. Stromatolites, like non-microbial sedimentary carbonates, trace major trends in the evolution of the stable isotope composition of carbon (particularly Earth's most pronounced positive and negative excursions in δ13Ccarb) and oxygen (notably the increase in δ18Ocarb over geological time), the evolution of redox-sensitive trace element contents (testifying to the progressive oxygenation of our planet's atmosphere and oceans), as well as the evolution of rare earth element systematics (characteristic of various environments, including evaporitic, hydrothermal, marine or even lagoonal). All this makes stromatolites ideal tools for tracing the evolution of paleoenvironments and the Earth's major biogeochemical cycles. However, many uncertainties remain regarding the biogenicity of these archives, and the nature and origin of stromatolitic lamination in particular remain poorly constrained. Since this lamination is the essential feature in the identification of stromatolites from the Archean onwards, the study of its mineralogical and geochemical diversity was undertaken on a microstructural scale, and a cyclostratigraphic study was carried out on the lamination of three Holocene specimens that developed in three different environments. High-resolution carbon-14 dating revealed remarkably similar accretion rates (of the order of ten µm/year); in relation to the number of laminae, their ages reveal a truly periodic structuring of the studied stromatolites, irrespective of the depositional environment. Although petrological observations underline the influence of microbial communities in initiating this characteristic lamination, the results suggest the existence of a periodicity in stromatolitic lamination that is mainly governed by external forces apparently common to them, such as solar activity or lunar orbital cycles, rather than biology.