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Le nickel : passeur d'Histoire au fond des océans

L'étude de l’histoire des océans ou paléocéanographie permet, grâce à l’examen des roches formées en milieu marin, de reconstituer le passé via des reconstructions climatiques, magmatiques et tectoniques mais aussi d'approfondir les recherches autour du développement de la vie sur terre.

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Les observations paléocéanographiques sont menées à diverses échelles : kilométriques pour les profils géologiques réalisés à travers les fonds océaniques, macro et microscopiques pour l'examen des roches et minéraux et subatomiques pour leur analyse chimique. Ces études géochimiques s'intéressent à la concentration et à la répartition isotopique des éléments chimiques (par ex. le fer, l’oxygène...) dans les roches. Les isotopes d’un même élément sont des atomes constitués d'un noyau plus ou moins lourd car comportant un nombre de neutrons différent. Dans la nature, lors d’évènements comme la fabrication de minéraux par activité bactérienne, une sélection va s'effectuer entre isotopes légers et lourds. Cette préférence naturelle est étudiée en géochimie grâce aux rapports isotopiques, à savoir la présence d’un isotope lourd par rapport à un isotope léger en référence à un standard, déterminé par la communauté scientifique. Si ce rapport est égal à zéro pour mille (0‰) : l’objet géologique étudié contient autant d’isotopes lourds et légers que le standard, avec un rapport supérieur à 0‰ : il est plus riche en isotopes lourds et avec un rapport inférieur à 0‰ : il est enrichi en isotopes légers.

L'étude présentée ici s'intéresse à ce phénomène chimique d’enrichissement en isotopes sur des encroûtements fer-manganèse (croûtes Fe-Mn). Ces dépôts métallifères, présents dans les grands fonds marins, se sont formés par accumulation très lente de particules d’oxydes de fer et manganèse qui dérivent et s'installent couche après couche sur un sol rocheux, dur (les monts volcaniques sous-marins par ex.). Ainsi situés, ces dépôts "enregistrent" l’histoire des océans depuis plusieurs millions d’années sans être "troublés" par les sédiments pélagiques qui se déposent en continu sur le plancher océanique.

Les croûtes Fe-Mn constituent de probables ressources en métaux pour l'industrie du futur ce qui, malgré la difficulté d'y accéder, rend leur étude particulièrement intéressante. De plus, l'analyse chimique des encroûtements permet de préciser l’environnement dans lequel ils se sont formés par le passé, il est ainsi possible d’étudier certains paramètres océanographiques (colonne d’eau, circulation océanique, activité hydrothermale), climatiques (érosion continentale, changements climatiques majeurs) ou même extraterrestres grâce à la présence de particules cosmiques emprisonnées dans ces objets géologiques.

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Figure1 : A - sites d’échantillonnage du Pacifique, B et C - échantillonnage des croûtes Fe-Mn (Pacifique) avec le ROV Jason (campagne FeMO-2009).

4 échantillons ont été choisis, provenant des fonds océaniques de 2 localisations différentes dans l’Océan Pacifique : Hawaï et la Polynésie française. Ils ont permis une étude comparative, d'une part à l'échelle locale pour observer l’influence des sources hydrothermales et continentales via les échantillons de mêmes sites mais aussi à l’échelle globale pour analyser l’influence des circulations océaniques à grande échelle, sur l’ensemble des résultats des 2 sites (fig.1). L'échantillonnage a été possible grâce à un robot téléguidé qui peut atteindre les plus grandes profondeurs (fig.1 B-C), il a récolté 2 échantillons à 2000m de fond, sur le mont volcanique Apuupuu à proximité d'Hawaï (mission FeMo/univ. Hawaï). Les échantillons prélevés en Polynésie française (ZEP2) ont été dragués près de Tahiti, entre 1530 et 1826m (mission ZEPOLYF2 Ifremer/Genavir). Tous sont principalement composés de couches ferreuses et manganifères, l'un d'entre eux (ZEP2-DR05-04, fig. 2) est resté attaché à un morceau de sa roche d’accroche : le substrat, qualifié de "bréchique" car composé de morceaux minéraux, anguleux, joints entre eux par un ciment naturel, il convient de noter par ailleurs que ce substrat semble altéré.

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Figure 2 : échantillonnage à la micro-foreuse fait sur les tracés surlignés en jaune, « Haut » correspond à la surface de croûte en contact avec l’eau de mer, « Bas » à la partie en contact avec le substrat.

Dans un premier temps, il a fallu observer les échantillons afin de définir leurs sommets lissés et comprendre leur sens de croissance puis des micro-forages (fig. 2) ont été effectués tous les 1-2 mm sur des couches perpendiculaires à la direction de croissance, le taux de croissance a ainsi été mesuré. De plus, au regard de leur analyse chimique, les chercheurs ont pu les définir comme "hydrogénétiques", c’est-à-dire formées par précipitation des oxydes de Fe et Mn à partir de l’eau de mer et via l’activité des bactéries. Ces encroûtements ont donc enregistré les informations provenant directement de l’eau de mer.

Par la suite les chercheurs se sont intéressés à l’isotopie du nickel (δNi) de ces croûtes hydrogénétiques. En effet, il a été mis en évidence auparavant que les variations de l'isotopie du nickel dans ces dépôts transcrivent l'activité hydrothermale contemporaine à la formation des oxydes de fer et manganèse. Le nickel est par ailleurs un métal largement utilisé dans les alliages qu'il importe d'examiner dans les encroûtements Fe-Mn et ce malgré la difficulté d'étudier son implication dans les échanges géobiologiques (interactions géologie/biologie).

Les 4 croûtes échantillonnées se sont formées au cours des derniers 7 millions d’années. Leurs résultats isotopiques sont constants et montrent que durant cette période, l’eau de mer a été plus riche en isotopes lourds (moyenne de 1.76‰) que ne l'est l’eau de mer actuelle (moyenne de 1.44‰) (fig.3). Les couches des encroûtements qui se développent très lentement ont ainsi pu "capturer" davantage de nickel lourd. De plus, le fait que l'isotopie du nickel est identique dans les 4 encroûtements, indique qu’ils restent insensibles aux modifications locales (par ex. : les apports de Ni hydrothermaux ou continentaux).

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Figure 3 : composition isotopique en nickel (‰) des 4 croûtes Fe-Mn, en fonction de la profondeur (mm)

De leurs côtés les résultats concernant la partie basse de la croûte ZEP2-DR05-04 sont inattendus (points bleus, fig.3). En effet le rapport isotopique du nickel décroit de 1.8‰ à 0.25‰, les couches inférieures apparaissent de plus en plus pauvres en isotopes lourds. Cette partie est en contact avec le substrat altéré par l’action de l’eau de mer dans ses fractures. Ainsi cette eau moderne au contact du substrat, aurait modifié l'isotopie du nickel initiale dans la partie basse de la croûte puis dans un second temps, l’eau aurait permis de recristalliser de nouveaux oxydes de manganèse au sein de ce lieu d’échange.

Cette étude montre que les enregistrements isotopiques du nickel dans les croûtes peuvent être affectés par des évènements postérieurs au dépôt ce celles-ci (altération, circulation de fluide, recristallisation)  et non uniquement par l'activité hydrothermale mise en évidence dans des publications scientifiques antérieures. Elle laisse également entrevoir d'intéressantes perspectives d'études sur les océans anciens via des roches riches en oxydes de fer et manganèse, formées il y a plus de 500 millions d'années quand continents et océans étaient peuplés par les premières bactéries.

Médiation scientifique

Assurée par Marie Thoby, doctorante de l’École Doctorale des Sciences de la Mer (EDSM – Université de Bretagne Occidentale), en 1ère année de thèse au Laboratoire Géosciences Océan (LGO) à l’IUEM.

L'article

Gueguen, B., Rouxel, O., Rouget, M. L., Bollinger, C., Ponzevera, E., Germain, Y., & Fouquet, Y. (2016). Comparative geochemistry of four ferromanganese crusts from the Pacific Ocean and significance for the use of Ni isotopes as paleoceanographic tracers. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 189, 214-235. doi: 10.1016/j.gca.2016.06.005

Les auteurs

Ce travail est le résultat d’une thèse réalisée entre le Laboratoire Géosciences Océan (LGO) (anciennement Laboratoire Domaine Océanique -LDO) de l’IUEM et le Laboratoire Géosciences Marines (GM) Ifremer.

La revue

“Geochimica et Cosmochimica Acta” est publiée par Elsevier depuis 1950. Cette revue est consacrée aux recherches en géochimie terrestre, météoritique, et planétaire. Elle est sponsorisée par la Geochemical Society, and la Meteorical Society et illustre tant la recherche fondamentale qu'appliquée dans le domaine de l’énergie.

Contacts

Auteurs : consulter l'annuaire de l'IUEM
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