Explorer la géochimie des océans archéens avec les Formations de fer rubanées (BIF) : apport des compositions isotopiques Hf-Nd-Pb

Probing the Archean ocean geochemistry with Banded Iron Foramtions (BIFs) : contribution of Hf-Nd-Pb isotopic compositions

• Auteur / Autrice : Quentin Aquila
• Direction : Nicolas Olivier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et des autres planètes
• Date : Soutenance le 01/07/2024
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Régis Doucelance
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Garçon, Bruno Dhuime
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nadine Mattielli, Catherine Chauvel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isotopes

Paléo-océanographie

Sources thermales

Mots clés libres

Bif

Océan archéen

Signature de l'eau de mer

Compositions isotopiques Hf-Nd-Pb

Sources hydrothermales et continetales

Bif

Archean ocean

Seawater signature

Hf-Nd-Pb isotopic compositions

Hydrothermal and continental sources

Résumé

Les Formations de fer Rubanées (BIF) sont des archives sédimentaires uniques pour étudier les océans primitifs de l'Archéen. Cependant, l'environnement de formation et les mécanismes en jeu dans la formation de ces sédiments chimiques riches en fer et en silicium sont peu contraints. Les BIF ont été très peu étudiés pour leurs compositions isotopiques en Nd-Hf alors qu'elles pourraient permettre d'apporter de nouvelles contraintes sur les sources hydrothermales et continentales alimentant les anciens océans. Pour mieux contraindre l'environnement de formation des BIF, j'ai combiné des aspects de terrains et une étude pétro-géochimique sur une succession sédimentaire de la ceinture de Barberton (3,25 Ga, Afrique du Sud). Le modèle de dépôt des BIF de Barberton implique un milieu de dépôt profond, au bas d'une pente et distal du continent. Cet environnement est perturbé ponctuellement par des dépôts gravitaires terrigènes (mafiques) caractéristiques d'un système sédimentaire d'éventail sous-marin profond. J'ai évalué si la signature géochimique de l'eau de mer (REE+Y, faibles HFSE) permettait d'indiquer la préservation des compositions isotopiques Hf-Nd-Pb primaires sur un BIF de la ceinture de Isua (3,7 Ga, Groenland). Le BIF de Isua montre des perturbations post-dépôts des compositions isotopiques Hf-Nd attribués à la présence d'apatites secondaires. Il a cependant préservé un âge 207Pb-206Pb de 3810 ± 7 Ma hérité de zircons détritiques. Le spectre REE+Y typique de l'eau de mer ne garantit donc ni la préservation des compositions isotopiques Hf-Nd primaires de l'eau de mer, ni de l'absence de toute contamination terrigène. Enfin, j'ai exploré l'origine et la source du Nd et de l'Hf dans les BIF à l'échelle des bandes sur des échantillons provenant de la ceinture de Témagami (2,7 Ga, Canada). Les compositions isotopiques initiales en Nd-Hf des bandes de BIF de Témagami riches en Si montrent un découplage des deux systèmes isotopiques. A l'inverse, celles des bandes riches en Fe demeurent couplées en Nd-Hf. Les bandes riches en Si enregistrent une composition isotopique en Hf radiogénique provenant des eaux d'altérations des continents felsiques. A l'inverse, l'Hf et le Nd des bandes riches en Fe pourrait provenir principalement de l'hydrothermalisme sous-marin.

The Banded Iron Formations (BIF) are unique sedimentary archives for studying the primitive oceans of the Archean. However, the environment of formation and the mechanisms involved in the formation of these iron- and silicon-rich chemical sediments are poorly constrained. The BIFs have been little studied for their Nd-Hf isotopic compositions, although they could provide new constraints on the hydrothermal and continental sources feeding the ancient oceans. To better constrain the BIFs environment of formation, I combined field observations with a petro-geochemical study on a sedimentary succession from the Barberton belt (3.25 Ga, South Africa). The deposition model of the Barberton BIFs involves a deep depositional environment, at the base of a slope and distal from the continent. This environment is occasionally disturbed by gravity-driven terrigenous deposits (mafic) characteristics of a deep-sea fan system. I evaluated whether the seawater geochemical signature (REE+Y, low HFSE) indicated the preservation of the primary Hf-Nd-Pb isotopic compositions in a BIF from the Isua belt (3.7 Ga, Greenland). The Isua BIF shows post-depositional disturbances in the Hf-Nd isotopic compositions attributed to the presence of secondary apatites. However, it preserved a 207Pb-206Pb age of 3810 ± 7 Ma inherited from detrital zircons. Therefore, the REE+Y spectrum typical of seawater does not guarantee the preservation of the primary Hf-Nd isotopic compositions of seawater, nor the absence of any terrigenous contamination. Finally, I explored the origin and source of Nd and Hf in the BIFs at the scale of the bands on samples from the Témagami belt (2.7 Ga, Canada). The initial Nd-Hf isotopic compositions of the Si-rich bands of the Témagami BIFs show a decoupling of the two isotopic systems. Conversely, those of the Fe-rich bands remain coupled in Nd-Hf. The Si-rich bands record a radiogenic Hf isotopic composition originating from the weathering waters of felsic continents. Conversely, the Hf and Nd in the Fe-rich bands could mainly originate from submarine hydrothermalism.