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L’altération des roches à l’origine de la composition de l’atmosphère terrestre

Pour expliquer ce phénomène, les scientifiques suggèrent que la période précédant la Grande Oxydation aurait été dominée par des processus consommant du dioxygène plutôt que par des processus en produisant. La fin de l'Archéen aurait par contre représenté une période de diminution des capacités de stockage de ce gaz. En parallèle de l'augmentation des sources biologiques d'O2, cela aurait ainsi permis sa forte accumulation dans l'atmosphère.

Il est également possible que l'événement de la Grande Oxydation et la brutale augmentation du taux d'O2 dans l'atmosphère soient liés à un changement majeur dans la composition de la croûte terrestre. L'écorce de notre Planète a en effet un important potentiel de consommation d'oxygène via les réactions d'oxydation du fer qui se produisent durant le processus d'altération chimique des roches. La transition d'une croûte continentale composée majoritairement de roches mafiques riches en fer (comme le basalte), à une croûte continentale composée principalement de roches felsiques pauvres en fer (comme les granites) durant la période archéenne aurait ainsi résulté en une diminution de la capacité d'absorption de l'oxygène par la croûte, facilitant l'oxygénation de l'atmosphère.

L’importance du H2 et de l’altération des roches du manteau

Une autre réaction d'oxydation du fer peut se produire, et ce, sans la présence de dioxygène. Cette réaction se produit au contact avec l'eau (H2O) et produit notamment un gaz, le dihydrogène (H2). Cette réaction peut avoir lieu en milieu continental ou marin, au niveau de la croûte océanique. Le H2 produit par cette réaction d'altération va à son tour réagir avec le dioxygène libre pour former des molécules d'eau. Indirectement, cette réaction d'oxydation des roches riches en fer représente également un piège à O2, mais qui dépend cette fois de la quantité d'H2 disponible.

Une réaction d'altération par l'eau en particulier produit de grandes quantités de H2. Il s'agit de la serpentinisation des péridotites du manteau terrestre. Actuellement, ces roches ne se retrouvent à l'affleurement que dans des environnements tectoniques bien particuliers : au niveau des dorsales ultra-lentes, des marges continentales pauvres en magma, dans les zones de subduction et au niveau de structures ponctuelles exhumées que l'on appelle « core complexes » et que l'on peut trouver en milieu océanique ou continental. Car la présence de roches du manteau à la surface de la croûte terrestre requiert certaines conditions géodynamiques.

Normalement, lorsque ces roches remontent vers la surface, elles subissent ce que l'on appelle la fusion partielle. C'est ce processus qui génère du magma. En cristallisant, il va former les roches dites « mafiques » -- comme les basaltes et les gabbros -- qui, même si elles sont originaires du manteau, n'ont plus du tout la même composition. Exhumer une péridotite sans la faire fondre demande la mise en œuvre de processus très lents et froids, d'origine tectonique. Actuellement, même si la présence de péridotite serpentinisée est plus importante qu'on ne le pensait il y a quelques décennies, cela ne représente qu'une surface relativement faible à l'échelle de Terre (0,2 %).

L’abondance des komatiites, clé de l’énigme

Pourtant, cela semblerait avoir été différent durant le passé géologique de notre Planète. Les roches ultramafiques, avec des compositions proches de celles du manteau terrestre, comme les komatiites, auraient ainsi été bien plus fréquentes à la surface de la Terre. Les komatiites sont en effet des roches volcaniques contenant des olivines et du pyroxène, riches en magnésium. Elles résultent d'un taux de fusion partielle très important, que l'on n'observe plus aujourd'hui, de l'ordre de 50 %, ce qui nécessite une température de fusion d'environ 1.600 °C. En comparaison, les basaltes, qui sont créés par le même processus actuellement, sont associés à des températures de fusion bien plus faibles (1.250-1.350 °C). Ce sont des roches qui ne sont plus produites actuellement, leur observation étant limitée aux roches d'âge archéen. L'arrêt de leur formation serait lié à l'évolution de la chimie du manteau et à son refroidissement.

Les komatiites auraient ainsi pu représenter de 10 à 20 % de la surface continentale au début de l'Archéen. Cette abondance de roches ultramafiques aurait ainsi favorisé la production de H2 par la réaction de serpentinisation. Durant l'Archéen, le refroidissement graduel du manteau et la raréfaction de ces roches à la surface de la Terre auraient pu aider la survenue de la Grande Oxydation. Cependant, rien dans cette hypothèse n'a jamais été quantifié. Une nouvelle étude publiée dans Nature Communications fait donc le point sur cette suggestion en tentant d'estimer la consommation globale d'O2 attribuée au processus de serpentinisation avant l'épisode de la Grande Oxydation.  

L’oxygénation de l’atmosphère vient de la diminution du processus d’altération des komatiites

Les résultats obtenus par les chercheurs américains montrent que la serpentinisation est bien la clé de la forte production de H2 à cette époque. La consommation de O2 étant intrinsèquement liée à la production de H2, cela montre que l'abondance des roches ultramafiques durant l'Archéen et leur altération ont bien pu être la cause du faible taux d'O2 durant cette période géologique. L'épisode de la Grande Oxydation aurait suivi une baisse importante de la mise en place de komatiites sur les surfaces continentales, passant de 7 à 1 % entre 3 et 2,5 milliards d'années. En parallèle, il est très difficile d'estimer la quantité de roches ultramafiques formées sur la croûte océanique à cette époque si lointaine, la croûte océanique n'étant pas préservée plus de 200 millions d'années à cause du processus de subduction. Il reste donc très peu de traces de la composition de la croûte océanique de cette époque à l'heure actuelle. Les chercheurs estiment cependant que, même si l'effet de la présence de telles roches au fond des océans a pu participer à la production de H2 et donc à la consommation de O2, leur quantité n'a pas pu être suffisante pour être le facteur dominant.

Le boom d'oxygène dans l'atmosphère ne provient donc pas d'une source supplémentaire mais de la disparition d'un piège qui, jusque-là, captait l'O2 pour le stocker dans les roches altérées. Encore une fois, il est clair que les processus de surface et notamment les réactions d'altération chimique des roches sont capables d'influencer de manière significative la composition atmosphérique.

Source : Morgane Gillard / Futura
Crédit : Dales Gorge, CC by-sa 2.0

La Grande Oxydation correspond à un épisode d'oxydation du fer associé à une augmentation brutale du taux d'oxygène dans l'atmosphère il y a 2,4 milliards d'années. Ici, une formation rubanée riche en fer datant de l'Archéen et située dans le parc national de Katijini au nord-ouest de l'Australie-Occidentale.