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Thèse de Doctorat
Campagne 2009
TITRE DE LA THESE: L'habitat de la vie primitive: études par synchrotron des roches
sédimentaires et volcaniques de Barberton, Afrique du Sud
Co-directeurs : Profs. A. Simionovici et N. Arndt, LGCA, OSUG
Ce sujet de thèse est relié à un forage dans la ceinture de Barberton (Afrique du Sud) qui recèle des traces
incontestables de vie primitive. Les roches primitives étudiées (3.4 Ga) forment un environnement volcano-
sédimentaire et incluent également des komatiites, roches emblématiques des terrains très anciens. La ceinture de
roches vertes de Barberton contient l’une des successions de roches supracrustales archéennes parmi les mieux
conservées au monde et constitue ainsi un remarquable laboratoire naturel pour étudier en détail les roches en
affleurements mais aussi en carottes de forages. Ces derniers sont indispensables pour comprendre la succession
entre des coulées de laves et les roches sédimentaires riches en matière organique, dont les contacts demeurent
absents. Cette thèse profitera de l’échantillonage par forage, projet en évaluation du « International Continental
Drilling Program » pour obtenir un profil continu des successions volcano-sédimentaires et fera étude détaillée
des conditions prépondérantes à la surface de la Terre archéenne propices à l’apparition de la vie.
L’aspect novateur de cette étude est l’utilisation du synchrotron ESRF. Cet instrument permet de réaliser des
analyses en ultra-traces (ppb) d’éléments comme les terres rares ou les métaux de transition dans les cherts ou
autres roches sédimentaires. Nous pourrons ensuite étudier la spéciation in-situ des phases minérales au seuil du
S ou Ca pour les formations sédimentaires et Fe, Ni, REE pour les roches magmatiques. Dernièrement, la
tomographie CAT nous donnera la micro-morphologie jusqu’à l’échelle du micron des échantillons avec la
densité au niveau de quelques pourmilles.
Ce projet s’articule autour d’une solide collaboration internationale entre notre laboratoire et l’ENS Lyon, le
réseau « Archean Environment » de la Fondation Européenne de Science et la Stanford University aux Etats
Unis (programme PIRE de la NSF).
Calendrier
Septembre 2009 : Avant-forage à Barberton, Afrique du Sud : études de base de cartographie du site, protocoles
d’échantillonnage, documentation du contexte géologique, pétrographie.
Forage : Octobre – Décembre 2009 ou Mars 2010
2010 : (1) Analyses des échantillons : pétrographie, éléments majeurs et traces, potentiellement analyse des
isotopes radiogéniques (Nd, Hf) et stables (C, O, S) : (2) Études au synchrotron des compositions et spéciation
des échantillons pre-identifiés par LPA et méthodes d’analyse de laboratoire : EPMA, Raman, FTIR, ICP-MS.
2011 : Suite des mesures, interprétation des résultats, publications.
Questions scientifiques: (1) quelle sont les conditions sur le plancher océanique il y a 3.5 milliards d’années,
habitat de la vie primitive ; (2) comment établir ces conditions à partir de l’analyse des roches sédimentaires ;
(3) comment séparer le signal océanique de celui des processus secondaires (hydrothermalisme,
métamorphisme) ; (4) quels sont les marqueurs fiables de la présence de vie dans ces roches ?
Collaborations :
- F. Albarède, L. Lemelle, Géochimie, biogéochimie, traces de vie, ENS Lyon,
- S. Derenne, Biomarqueurs, Lab. biogéochimie et écologie des milieux continentaux, ENSC Paris
- F. Westall, Micro-paléontologie, Centre de Biophysique Moléculaire Orléans
- E.G. Nisbet, Archaean Geology - Isotopes stables, Dept. of Earth Sciences, Univ. of London
- M. Bau, Jacobs Univ. Bremen, géochimie des roches sédimentaires
- D. Lowe, Stanford Univ., processus sédimentaires

Thèse de Doctorat
Campagne 2009
TITLE OF THE THESIS : The habitat of early life : synchrotron studies of sedimentary
and volcanic rocks from Barberton, South Africa
Co-directors : Profs. A. Simionovici et N. Arndt, LGCA, OSUG
This thesis focuses on sedimentary and volcanic rocks from the 3.5 Ga Barberton belt in South Africa which
contain traces of primitive life. The supracrustal rocks in the belt are among the best preserved in the world and
constitute a remarkable natural laboratory to study processes at the surface and in the interior of the early Earth.
Samples are accessible in outcrops, but also in core drilling. This thesis will use sampling by drilling through
participation in a project submitted to the International Continental Drilling Program. The aim of this project is
to obtain a continuous profile through the volcano-sedimentary successions and make a detailed study of the
conditions under which life emerged and evolved.
The innovative aspect of this study is the use of the ESRF synchrotron. This instrument allows for analysis at
ultra-trace levels (ppb) of elements such as the rare earths and transition metals in cherts and other sedimentary
rocks. Information on in-situ speciation of Ca or S in sedimentary units and Fe, Ni, REE in magmatic rocks.
Recently developed CAT tomography is capable of providing information on density variations at the per-mille
level in micron scale samples.
The project potentially involves a strong collaboration between our laboratory and ENS Lyon, the "Archean
Environment" research network of the European Science Foundation and the Stanford University in the USA
(PIRE program of the NSF).
Timetable
September 2009: Site preparation for drilling in the Barberton belt: detailed mapping and sampling, geophysical
surveys
Drilling: October-December 2009 or March 2010
2010: (1) Analysis of samples: petrography, major and trace elements, analysis of radiogenic (Nd, Hf) and stable
(C, O, S) isotopes; (2) Characterization of samples using LPA, EPMA, Raman, FTIR, ICP-MS followed by
synchrotron studies - trace-element compositions and speciation.
2011: Continued data collection, interpretation of results, publications.
Scientific questions: (1) what were the conditions on the ocean floor 3.5 billion years ago; what was the habitat
of primitive life? (2) how can we establish these conditions from the analysis of sedimentary rocks, (3) how can
we separate the signal of early life from that of secondary processes (hydrothermal alteration, metamorphism),
(4) which are the most reliable markers of the presence of life in these rocks?
Collaboration:
- F. Albarède, L. Lemelle (ENS Lyon), biogeochemistry, traces of life
- S. Derenne (Labo. biogeochemistry and ecology of continental environments, Paris) biomarkers
- F. Westall (Centre de Biophysique Moléculaire, Orléans) micro-paleontology
- E.G. Nisbet, (Univ. of London) Archean geology, stable isotopes
- M. Bau, (Jacobs Univ. Bremen) sedimentary geochemistry
- D. Lowe, (Stanford Univ) Archean sediments