Seconde étape le cycle biogéochimique moderne du soufre se met

Thème 2 : Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l’avenir
TP1 : L’atmosphère primitive et son évolution
Objectif du TP : L'atmosphère de la Terre a une composition chimique unique dans le système solaire.
Quelle était sa composition à son origine et comment a-t-elle évoluée ?
Activité 1 : L’atmosphère primitive terrestre
A partir des informations tirées des documents 1, 2 et 3, expliquer en quoi l’étude des météorites et des
volcans nous renseigne sur l’histoire de la composition de l’atmosphère primitive dont vous proposerez une
composition.
Activité 2 : Evolution de l’atmosphère primitive et apparition du dioxygène
A partir des informations tirées des documents 4, 5 et 6, proposer une hypothèse concernant les mécanismes
expliquant le passage d’une atmosphère réductrice à une atmosphère oxydante.
BILAN : Résumer l'ensemble de ces informations sous forme d'un schéma de synthèse.
On attend sur le schéma des dates et les principaux évènements qui se sont produits au cours de l´histoire de
la Terre expliquant l´évolution de l´atmosphère primitive et de l´apparition du O2.
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Document 1 : La formation des enveloppes terrestres
Les plus vieilles roches du système solaire sont des météorites de 4,5 Ga. Parmi celles-ci, les chondrites sont apparues en même
temps que le reste du système solaire elles sont indifférenciées et n’ont subi aucune évolution notable, par opposition aux
achondrites qui proviennent de la fragmentation d’objet qui ont préalablement subi une différenciation (à l’origine du manteau et
du noyau) et d’un dégazage (à l’origine de l’atmosphère).
issue du dégazage du manteau
Document 2 : Météorites et atmosphère primitive
Document 3 : volcanisme et atmosphère primitive
Les roches volcaniques, d’origine profonde, issues de la fusion partielle du manteau
(basaltes des points chauds par exemple) renferment des inclusions fluides c'est-àdire des sortes de bulles emprisonnées dans les minéraux. Ces gaz d’origine
mantellique profonde n’ont pas pu être contaminés par des fluides actuelles (eau
infiltrée, fluides libérés dans les zones de subduction …)
Composition des inclusions fluides
dans les roches volcaniques
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Document 4 : Les témoins de l’apparition du dioxygène
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Document 5 :
L'évolution de la teneur de l'atmosphère en dioxygène est l'objet de nombreuses incertitudes. Le modèle présenté ici synthétise les
données et les incertitudes les plus récentes (2008). Le trait noir et la zone vert foncé indiquent la valeur « probable » de cette
teneur. Les rectangles verts indiquent le domaine d'incertitude où pourrait se trouver la valeur réelle. La « brusque » augmentation
du dioxygène atmosphérique vers -2,5 Ga pourrait avoir été moins brutale que dessinée ici et s'être poursuivie jusque vers –2 Ga.
Atmosphère
oxydante
Atmosphère
réductrice
Document 6 : les plus vieux organismes producteurs de dioxygène
Photos de stromatolites fossiles
Les stromatolites sont des formations
souvent calcaires, d’aspect mamelonné,
dont les plus vieux fossiles sont âgés de
3,8 Ga.
Les
stromatolites
existent
encore
aujourd’hui dans des milieux aquatiques,
peu profonds. Ces constructions sont dues
à des micro-organismes photosynthétiques
appelés des cyanobactéries.
Photo de stromatolites actuels, baie de Shark, en Australie
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Correction TP 1
Activité 1 : l´atmosphère primitive s’est formée par un dégazage du manteau
Le document 1 permet de définir les phénomènes d’accrétion et de différenciation à l’origine des enveloppes
terrestres. Il permet d’engager l’idée d’un dégazage du manteau à l’origine de l’atmosphère. Les documents vont
apporter des indices en faveur de cette hypothèse.
L’atmosphère terrestre s’est formée suite à un dégazage intense et précoce, durant les 150 premiers millions
d’années, et qui s’est poursuivi par la suite d’une manière lente et continue.
 lien vidéo : http://blinks3.free.fr/d_TeS_spe/climats/05/doc_2/index.html
Les documents 2 et 3 donnent une idée de la composition de l’atmosphère primitive en se basant sur les
émissions volcaniques et le dégazage des météorites indifférenciées (chondrites). Ils montrent une atmosphère
initiale réductrice, riche en CO2.
Le dégazage des météorites de type chondrite, dont on pense qu’elles sont représentatives de la composition
moyenne du système solaire (et donc de la Terre primitive), donne des composés chimiques identiques et dans des
concentrations proches de ce que l’on peut trouver dans les émissions volcaniques.
On pense donc que, lorsque les enveloppes terrestres se sont formées par différenciation, le dégazage précoce du
manteau a conduit à la formation d’une atmosphère très réductrice, riche en dioxyde de carbone, en diazote, en
dioxyde de soufre et en eau.
Bilan activité 1 : On peut reconstituer la composition initiale de l’atmosphère terrestre en étudiant les gaz émis par
les volcans ou en provoquant le dégazage de certaines météorites représentatives du système solaire primitif. En
effet, on peut prouver par l’analyse de gaz rares que l’atmosphère s’est formée par un dégazage précoce du manteau
terrestre qui se poursuit toujours via les manifestations volcaniques. L’atmosphère primitive de notre planète était
dépourvue de dioxygène (contre 21 % aujourd’hui), riche en eau (85% contre < 1 %) et en dioxyde de carbone (15 %
contre 0,03 %).
Cette atmosphère primitive se serait ensuite modifiée sous l'influence de phénomènes astronomiques (comètes
apportant l'eau), géologiques (volcanisme, érosion continentale…) et biologiques (échanges gazeux des divers
métabolismes).
Activité 2 : D’une atmosphère réductrice à une atmosphère oxydante
Le document 4 présente les fers rubanés, leur datation, leur formation marine à partir d’éléments issus des
continents. Le fer a été amené du milieu continental mais c’est dans le milieu marin qu’il a sédimenté : origine
sédimentaire de ces roches (couches successives superposées).
Les fers rubanés présentent un aspect laminé. On peut voir sur la photographie la présence de couches successives
qui évoquent la précipitation successive de différents niveaux ferriques intercalés entre des niveaux siliceux. Cet
aspect est compatible avec l’hypothèse d’une formation par précipitation chimique et sédimentation.
Les fers rubanés indiquent donc que :
 avant 2,2 Ga, il n’y a pas de dioxygène dans l’air (le fer ne pourrait pas être transporté par les eaux douces)
mais il y a du dioxygène dans les océans (sinon il n’y aurait pas de précipitation) ;
 après 2,2 Ga, l’absence de fers rubanés révèle un changement complet : l’atmosphère devenue oxydante fait
que le fer précipite en milieu continental. Il n’est plus transporté dans les océans. Il se forme des sols rouges.
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Les fers rubanés ("banded iron formation" ou BIF en Anglais) sont des roches sédimentaires qui se sont formées
entre 4 et 2,2 Ga et qui présentent une alternance de couches d’oxydes de fer rouge (de lits d'hématite Fe2O3) et
de couches siliceuses sombres (lits de silice SiO2) plus ou moins colorés par l'hématite. La cause de cette
alternance n’est pas encore connue avec certitude. L'hématite, normalement grise, devient rouge lorsqu'elle est
hydratée (oxydes ferriques Fe3+).
Ces roches nous fournissent des informations sur la teneur en O2 du milieu océanique et de l’atmosphère à
l’époque de leur formation.
Les BIF constituent l’essentiel des gisements de minerai de du monde.
Ne se formant plus dans la nature actuelle, on ne peut pas appliquer le principe de l'actualisme à ces roches, et
l'origine de ces fers rubanés est l'objet d'interrogations et de débats depuis des dizaines d'années.
Synthèse :
Le fer précipite en hydroxyde ferrique dans les eaux oxygénées. De – 4 Ga à – 2,2 Ga, des formations sédimentaires
contenant du fer précipitent en milieu océanique (fers rubanés).
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Compléments d´informations scientifiques
Quand le souffle des volcans génère l’oxygénation de l’atmosphère primitive
Une étude a permis à une équipe de chercheurs français de l'Institut des Sciences de la Terre d’Orléans (CNRS) de résoudre le
scénario de l’oxygénation de l’atmosphère primitive à partir de 2,5 milliards d’années. Contrairement aux hypothèses en cours, le
développement des cyanobactéries ne serait pas le facteur premier, il faut chercher l’origine du phénomène dans le
bouleversement qu’a connu la Terre à cette époque avec l’émergence de grands continents accompagné d’un volcanisme aérien.
Ce volcanisme aérien, émettant des gaz riches en soufre, a fini par laver l’océan du fer ferreux qu’il contenait, rendant alors
possible la libération dans l’atmosphère de l’oxygène émis par les cyanobactéries. La géologie prime sur la biologie et le même
scénario peut être imaginé sur d’autres planètes. Cette étude est publiée dans la revue Nature du 13 octobre 2011.
Avant cet événement, l’atmosphère était composée essentiellement de gaz carbonique et de méthane
(CO2 +/- CH4). Les témoins de cette oxygénation soudaine sont multiples comme les gisements de fer
rubané. Pour mieux percevoir le bouleversement de la chimie à la surface de la Terre, passant de réductrice à
oxydante, il suffit de prendre un exemple simple : un clou baignant dans une marre aujourd’hui rouille alors
qu’à l’Archéen, un clou dans la même marre se serait dissout.
Les raisons de l’apparition brutale de l’oxygène sont débattues. Les cyanobactéries, les premiers organismes
photo-synthétisant de l’oxygène, sont apparues bien avant 2,5 milliards d’années. L’oxygène produit était
alors consommé dans les réactions d’oxydation de la matière organique et du fer ferreux dissout dans les
océans.
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Première étape, la formation de grandes masses continentales et du volcanisme aérien
Avant la grande oxydation on enregistre, à 2,7 milliards d’années, la plus forte production de croute
continentale de l’histoire de la Terre. Un énorme événement géodynamique génère massivement continents
et reliefs émergés qui n’existaient que de façon sporadique auparavant. Il est fort probable que le volume des
océans ait aussi diminué. On passe alors d’une Terre à 99% sous-marine à une Terre avec des reliefs
émergés qui nous est plus familière. La conséquence immédiate en termes d’activité volcanique est
l’apparition du volcanisme subaérien alors que pour l’essentiel des temps Archéen, le volcanisme était sousmarin.
A source magmatique égale, les gaz volcaniques générés par ces deux types d’éruption sont drastiquement
différents. Le volcanisme sous marin émet peu de soufre, lequel est essentiellement sous la forme réduite
H2S. Au contraire, le volcanisme subaérien émet des gaz riches en soufre, lequel est essentiellement sous la
forme oxydée SO2. La pression d’équilibre entre gaz et liquide silicaté est très différentes entre volcanisme
sous-marin (10-400 bar) et subaérien (10-1 bar), c’est elle, la force motrice de ce changement de spéciation
du soufre.
Seconde étape le cycle biogéochimique moderne du soufre se met en place
En premier lieu, un tel changement dans la forme (de H2S à SO2) et les flux (de faible à fort) de soufre
volcanique permet d’expliquer de façon simple l’enregistrement des fluctuations isotopiques du soufre dans
les sédiments datés de l’archéen. En second lieu, l’injection importante de SO2 volcanique dans
l’atmosphère par le volcanisme subaérien permet aux ions sulfates de se solubiliser dans les océans – alors
que les océans Archéens ne contenaient pratiquement pas de soufre. En retour, ceci active les réactions de
sulfato-réduction dans les fonds marins, en particulier dans les environnements hydrothermaux de type
fumeurs. Dans ces fumeurs (noirs), le sulfate de l’eau de mer est réduit en sulfure de fer, fixant ainsi le fer
hydrothermal et diminuant le potentiel réducteur des fluides hydrothermaux. C’est la mise en place d’un
cycle biogéochimique du soufre quasi-moderne qui est permis par l’apparition du volcanisme subaérien.
Troisième étape, les océans lavés du fer ferreux l’oxygène peut envahir l’atmosphère
Les océans par ce processus de précipitation de sulfure de fer hydrothermal sont progressivement lavés du
fer ferreux qui empêchait l’oxygène produit par les cyanobactéries d’envahir l’atmosphère. La voie de la
grande oxydation est ouverte.
La conclusion majeure de ces travaux est que le contrôle géologique sur l’apparition de l’oxygène est
prépondérant et place le rôle du biologique en second plan.
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Des « oasis » de vie photosynthétique localisés, comme des tapis ou des amas de cyanobactéries. Il s'agirait d'une photosynthèse
« classique », dite photosynthèse oxygénique, accompagnée de la libération d'O 2 issu de la photolyse de l'eau, lorsque celle-ci
fournit les électrons – oxygène qui aurait mené ensuite de l'oxydation locale de la mer.
La photo-ferrotrophie est une photosynthèse (moins énergétiquement efficace que la photosynthèse classique) qui oxyde le fer
Fe2+ (FeO) en fer Fe3+ (Fe2O3) ; elle peut s'écrire de façon très simplifiée : 2 FeO + H2O + photons --> Fe2O3 + 2 H+ + 2 e-.
Ions H+ et e- seront alors utilisés par des mécanismes voisins de ceux de la photosynthèse classique pour synthétiser des glucides
à partir de CO2 ; mais ce métabolisme nécessite la présence de fer Fe2+ dans le milieu et entraînera la précipitation massive
d'hématite (Fe2O3).
Figure 9. Schéma proposant une explication à la genèse des fers rubanés archéens
Parmi les hypothèses retenues pour expliquer la formation des BIF, la plus
largement admise est celle d'une activité photosynthétique de microorganismes (de type cyanobactéries), libérant des molécules de dioxygène par
photolyse de l'eau. Ce dioxygène serait à l'origine de l'oxydation du fer des
sédiments.
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