Étude multi-isotopique des cycles du carbone et du soufre d’environnements modernes alcalins et stratifiés du Mexique et de leurs microbialites

Début de thèse : janvier 2020

Soutenue le 15 septembre 2023

Financement : ANR

Directeur : Christophe Thomazo

Résumé

L’étude d’environnements modernes caractérisés par des conditions environnementales proches de ce que nous connaissons de la Terre ancienne (des analogues) constitue une approche puissante pour mieux comprendre les cycles biogéochimiques anciens, et complémentaire des études portant directement sur le répertoire géologique. Dans ce sens, mon travail de thèse s’est attaché à caractériser quatre lacs de cratère de volcans situés au Mexique. Ces lacs sont alcalins et stratifiés et constituent ainsi des environnements extrêmes notamment en termes de conditions redox et de chimie des eaux. De plus, ces lacs sont caractérisés par la présence de microbialites, des roches carbonatées dont la formation résulte de l’interaction de communautés microbiennes avec leur environnement, et dont les premières occurrences remontent à plus de 3.5 Ga, représentant un des enregistrements emblématiques de l’évolution précoce de la vie sur Terre. Durant ma thèse, j’ai caractérisé ces écosystèmes principalement par le biais de la géochimie isotopique, outil puissant permettant de retracer les processus physico- et biogéo-chimiques. Les isotopes du C, de l’O et du S ont ainsi été caractérisés dans de multiples phases dissoutes (carbone inorganique et organique, sulfures, sulfates) et particulaires ou minérales (carbone organique en suspension, carbonates, pyrites) dans les colonnes d’eau et sédiments des quatre lacs.

Cette étude propose une caractérisation en profondeur à la fois des processus biogéochimiques du C et du S s’opérant actuellement dans ces écosystèmes, ainsi que des signatures biogéochimiques que ces derniers laissent dans l’enregistrement sédimentaire des lacs (sédiments gravitaires et microbialites). Cette approche met en lumière les processus susceptibles d’être transférés au répertoire géologique et au contraire ceux qui ne le sont pas, ou partiellement. Ainsi, ce travail montre que les réservoirs carbonatés, dans des conditions de forte alcalinité, sont peu sensibles aux processus biologiques ou climatiques pour de courtes échelles de temps (centaines à milliers d’années). Il est également montré que la matière organique sédimentaire n’enregistre que partiellement les conditions du milieu et ne permet pas toujours de reconstruire fidèlement la stratification redox et chimique des colonnes d’eaux. En revanche des processus physiologiques clés accomplis par les micro-organismes et ayant une forte influence sur le cycle du C de ces lacs ont été mise en évidence par l’analyse originale de la composition isotopique du carbone organique dissous.

De plus, les conditions physico-chimiques spécifiques à chacun des lacs engendrent des différences dans l’amplitude avec laquelle les registres sédimentaires du C et du S et leurs signatures géochimiques sont remaniés et préservés. Ainsi, cette étude montre comment des paramètres environnementaux clés tels que la dynamique hydrologique, le niveau d’oxydation, la teneur en nutriments et substrats organiques et inorganiques (e.g., CO₂, SO₄^2-, carbone organique dissous) influencent directement la magnitude des compositions isotopiques enregistrées par les carbonates, la matière organique, et les pyrites sédimentaires

L’enregistrement des microbialites est également altéré par un certain nombre de biais (e.g., altération par les eaux météoriques, variations minéralogiques), mais apporte un message complémentaire, plus spécifique des processus biologiques et environnementaux locaux. Par exemple, la précipitation de certains microbialites directement au niveau des apports d’eaux souterraines et de ruissellement permet de mieux contraindre la composition des fluides alimentant les lacs. La formation des microbialites à une profondeur donnée de la colonne d’eau stratifiée permet également un enregistrement plus ponctuel et spécifiques des conditions physico-chimiques de la colonne d’eau.

En couplant l’approche géochimique, à des résultats de minéralogie, sédimentologie, et microbiologie, cette étude dresse le portrait des cycles du C et du S de ces lacs spécifiquement, et de manière plus générale, dans quelles limites l’enregistrement sédimentaire sous forme de signatures géochimiques peut nous permettre de reconstruire l’histoire géologique et biogéochimiques

Toutefois, l’étude de ces milieux actuels permettant à la fois d’identifier les processus biogéochimiques présentement à l’œuvre (par des mesures qui ne peuvent être réalisées dans le répertoire fossile), ainsi que les signaux géochimiques isotopiques sédimentaires qui en résultent, constituent une étape importante dans notre compréhension des fonctions de transferts à utiliser pour reconstruire les paléoenvironnements anciens ainsi que les processus biogéochimiques associés à la formation des microbialites.

Mots-clés

géochimie, isotopes stables, lacs stratifiés, analogues Précambriens, microbialites

Comité de suivi de thèse

Karim Benzerara
Vincent Busigny

Jury

Magali Ader, université de Paris Cité – rapportrice
Yuichiro Ueno, Institut technologique de Tokyo – rapporteur
Emmanuelle Vennin, université de Bourgogne – examinatrice
Nina Zeyen, université de Genève – examinatrice
David A. Fike, université de Washington à Saint Louis – examinateur
Karim Benzerara, Sorbonne Université – invité
Christophe Thomazo, université de Bourgogne – directeur de thèse

extrait:

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Étude multi-isotopique des cycles du carbone et du soufre d’environnements modernes alcalins et stratifiés du Mexique et de leurs microbialites

Début de thèse : janvier 2020

Soutenue le 15 septembre 2023

Financement : ANR

Directeur : Christophe Thomazo

 

Résumé

L’étude d’environnements modernes caractérisés par des conditions environnementales proches de ce que nous connaissons de la Terre ancienne (des analogues) constitue une approche puissante pour mieux comprendre les cycles biogéochimiques anciens, et complémentaire des études portant directement sur le répertoire géologique. Dans ce sens, mon travail de thèse s’est attaché à caractériser quatre lacs de cratère de volcans situés au Mexique. Ces lacs sont alcalins et stratifiés et constituent ainsi des environnements extrêmes notamment en termes de conditions redox et de chimie des eaux. De plus, ces lacs sont caractérisés par la présence de microbialites, des roches carbonatées dont la formation résulte de l’interaction de communautés microbiennes avec leur environnement, et dont les premières occurrences remontent à plus de 3.5 Ga, représentant un des enregistrements emblématiques de l’évolution précoce de la vie sur Terre. Durant ma thèse, j’ai caractérisé ces écosystèmes principalement par le biais de la géochimie isotopique, outil puissant permettant de retracer les processus physico- et biogéo-chimiques. Les isotopes du C, de l’O et du S ont ainsi été caractérisés dans de multiples phases dissoutes (carbone inorganique et organique, sulfures, sulfates) et particulaires ou minérales (carbone organique en suspension, carbonates, pyrites) dans les colonnes d’eau et sédiments des quatre lacs.

Cette étude propose une caractérisation en profondeur à la fois des processus biogéochimiques du C et du S s’opérant actuellement dans ces écosystèmes, ainsi que des signatures biogéochimiques que ces derniers laissent dans l’enregistrement sédimentaire des lacs (sédiments gravitaires et microbialites). Cette approche met en lumière les processus susceptibles d’être transférés au répertoire géologique et au contraire ceux qui ne le sont pas, ou partiellement. Ainsi, ce travail montre que les réservoirs carbonatés, dans des conditions de forte alcalinité, sont peu sensibles aux processus biologiques ou climatiques pour de courtes échelles de temps (centaines à milliers d’années). Il est également montré que la matière organique sédimentaire n’enregistre que partiellement les conditions du milieu et ne permet pas toujours de reconstruire fidèlement la stratification redox et chimique des colonnes d’eaux. En revanche des processus physiologiques clés accomplis par les micro-organismes et ayant une forte influence sur le cycle du C de ces lacs ont été mise en évidence par l’analyse originale de la composition isotopique du carbone organique dissous.

De plus, les conditions physico-chimiques spécifiques à chacun des lacs engendrent des différences dans l’amplitude avec laquelle les registres sédimentaires du C et du S et leurs signatures géochimiques sont remaniés et préservés. Ainsi, cette étude montre comment des paramètres environnementaux clés tels que la dynamique hydrologique, le niveau d’oxydation, la teneur en nutriments et substrats organiques et inorganiques (e.g., CO₂, SO₄^2-, carbone organique dissous) influencent directement la magnitude des compositions isotopiques enregistrées par les carbonates, la matière organique, et les pyrites sédimentaires

L’enregistrement des microbialites est également altéré par un certain nombre de biais (e.g., altération par les eaux météoriques, variations minéralogiques), mais apporte un message complémentaire, plus spécifique des processus biologiques et environnementaux locaux. Par exemple, la précipitation de certains microbialites directement au niveau des apports d’eaux souterraines et de ruissellement permet de mieux contraindre la composition des fluides alimentant les lacs. La formation des microbialites à une profondeur donnée de la colonne d’eau stratifiée permet également un enregistrement plus ponctuel et spécifiques des conditions physico-chimiques de la colonne d’eau.

En couplant l’approche géochimique, à des résultats de minéralogie, sédimentologie, et microbiologie, cette étude dresse le portrait des cycles du C et du S de ces lacs spécifiquement, et de manière plus générale, dans quelles limites l’enregistrement sédimentaire sous forme de signatures géochimiques peut nous permettre de reconstruire l’histoire géologique et biogéochimiques

Toutefois, l’étude de ces milieux actuels permettant à la fois d’identifier les processus biogéochimiques présentement à l’œuvre (par des mesures qui ne peuvent être réalisées dans le répertoire fossile), ainsi que les signaux géochimiques isotopiques sédimentaires qui en résultent, constituent une étape importante dans notre compréhension des fonctions de transferts à utiliser pour reconstruire les paléoenvironnements anciens ainsi que les processus biogéochimiques associés à la formation des microbialites.

 

Mots-clés

géochimie, isotopes stables, lacs stratifiés, analogues Précambriens, microbialites

 

Comité de suivi de thèse

Karim Benzerara
Vincent Busigny

 

Jury

Magali Ader, université de Paris Cité - rapportrice
Yuichiro Ueno, Institut technologique de Tokyo - rapporteur
Emmanuelle Vennin, université de Bourgogne - examinatrice
Nina Zeyen, université de Genève - examinatrice
David A. Fike, université de Washington à Saint Louis - examinateur
Karim Benzerara, Sorbonne Université - invité
Christophe Thomazo, université de Bourgogne - directeur de thèse

titre_these:

Étude multi-isotopique de microbialites actuelles en environnement lacustre alcalin (cratères de volcans) et de stromatolithes néorchéens

date_de_debut_these:

janvier 2020

nom:

Havas

date_de_debut_these_numerique:

202001

titre:

Étude multi-isotopique des cycles du carbone et du soufre d’environnements modernes alcalins et stratifiés du Mexique et de leurs microbialites

date_de_soutenance_these:

15 septembre 2023

date_de_fin_these_numerique:

20230915