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Formation et devenir des signatures isotopiques dites indépendantes de la masse – FOFAMIFS

Origine des mystérieuses anomalies isotopiques de masse du soufre et de l'oxygène

Aux époques reculées de l'histoire de la Terre, une anomalies isotopiques sur le soufre est présente puis disparait subitement. Cette disparition est interprétée comme la conséquence de l'oxygénation tardive de l'atmosphère. Mais qu'en est il vraiment ? Quelle information se cache face à ce changement brutal des compositions isotopiques ?

Ré-évaluation des contraintes imposées par les anomalies de masse des compositions isotopiques

La découverte des fractionnements isotopiques indépendants de la masse du soufre et de l’oxygène (O-MIF et S-MIF) a profondément bouleversé les domaines de la (géo)chimie. Si la majorité des O-MIF observés sur terre proviennent qu’une manière ou d’une autre d’un transfert depuis l’ozone lors de réactions d’oxydation, les mécanismes de formation des S-MIF sont toujours sujettes à polémique (e.g. photolyse de SO2 dans le domaine des UVB vs réactions sans photolyse UV etc…). Nous proposons une approche pluridisciplinaire pour réexaminer les processus à l’origine des S-MIF, avec la mise en place d’expériences de laboratoire adaptées et in situ. Ces travaux apporteront de nouvelles contraintes à des questions fondamentales comme l’oxygénation tardive de l’atmosphère de la Terre ou la reconstruction de l’impact climatique des éruptions pliniennes.

Dans ce projet, nous proposons une approche pluridisciplinaire pour réexaminer les sources d’anomalies MIF dans les sulfates, à l'aide d'un programme intégré de nouvelles expériences de laboratoire (pour les conditions actuelles et conditions anciennes présupposées de l'atmosphère), des campagnes de terrain dédiés et de la modélisation photochimique multi-échelle innovante (y compris O-MIF and S-MIF comme variables pronostiques). Premièrement, en utilisant la méthodologie isotopique appliquées avec succès aux sulfates issues des carottes glaciaires et neige, nous évaluerons le potentiel des sulfates lessivés de cendres volcaniques comme traceurs des processus d'oxydation. Deuxièmement, nous procéderons à de nouvelles série d'expériences en laboratoire sur la production de S-MIF liée à la photochimie de SO2 en considérant des conditions environnementales qui soient aussi proches que possible de celles de la stratosphère et de l’atmosphère archéenne présupposée. Troisièmement, pour la première fois, des schémas chimiques des S-MIF et O-MIF seront couplés et intégrés dans des modèles (un modèle boîte/panache photochimique et un modèle global de chimie-transport).

Récemment, la NASA a placé la résolution cette énigme comme une de ces grandes priorités dans le domaine de l’astrobiologie, reconnaissant l’important potentiel des MIF pour la compréhension de l’origine de la vie et de ses interactions avec l’environnement planétaire. L’identification et la compréhension quantitative des processus impliqués dans la création et le transfert des anomalies S-MIF et O-MIF, conditions préalables à l’exploitation des données isotopiques, conduirait certainement à des avancées majeures dans notre compréhension de l’histoire géochimique et environnementale de notre planète, depuis sa plus primitive existence jusqu’à nos jours.
Dans l'ensemble, en offrant une base bien plus solide pour des inférences quantitatives à partir de données combinées S-MIF et O-MIF, le projet fournira de nouvelles contraintes sur des questions fondamentales relatives au passage d'une atmosphère pauvre en oxygène à un environnement oxydant, à l’apparition de la vie, et à la reconstruction de l'impact des éruptions volcaniques et des activités humaines sur la capacité oxydante atmosphérique et le climat.

Il est attendu que les résultats de FOFAMIFS seront publiés dans des revues à comité de lecture spécialisées suivant les méthodes de communications traditionnelles du monde de la recherche. Des actions de communication vers un public non spécialiste des questions environnementales permettra de faire diffuser ce savoir dans la société. Notre projet sera de même un outils pour la formation des générations futures de chercheurs. Il servira aussi comme support de base pour les jeunes chercheurs et ingénieurs qui trouveront dans nos laboratoires des équipements à la pointe de la recherche leur permettant de suivre une formation poussée dans un cadre pluridisciplinaire ett international. Les changements climatique et environnemental sont des préoccupations des sociétés modernes. Nous sommes convaincus que la formation des jeunes générations aux problématiques environnementales est la meilleure façon des préparer nos sociétés aux changements climatiques et aux meilleures façons de les réduire.

Articles
1. Martin E., Bekki, S., Ninin, C. & Bindeman I. (2014). Volcanic sulfate formation in the troposphere. Journal of Geophysical Research. Atmos., 119, 12660–12673, doi 10.1002/2014JD021915
2. Le Gendre, E., Martin, E., Villemant, B., Cartigny, P., Assayag, N., (2017). A simple and reliable anion-exchange resin method for sulfate extraction and purification suitable for multiple O- and S-isotope measurements: Anion-exchange method for multiple O- and S-isotope analysis. Rapid Commun. Mass Spectrom. 31, 137–144. doi:10.1002/rcm.7771
3. Au Yang D, Landais G, Assayag N, Widory D, Cartigny P. (2016) Improved analysis of sulfur multi-isotope compositions at micro and nanomole levels by gas source isotope ratio mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry 30, 897–907, doi 10.1002/rcm.7513

La découverte des fractionnements isotopiques indépendants de la masse (MIF) du soufre et de l’oxygène (S-MIF et O-MIF) a profondément bouleversé les domaines de la (géo)chimie et a produit notamment une des figures les plus emblématiques de la géochimie moderne, à savoir l’existence d’anomalie S-MIF dans des roches anciennes, avant 2.3 milliard d’années, suivi d’une quasi disparition depuis. En ce qui concerne O-MIF, la majorité des anomalies observées sur terre proviennent d’une manière ou d’une autre de l’anomalie de l’ozone transférée à des molécules contant des atomes d’oxygène. Si il reste de nombreuses zones d’ombre quant aux mécanismes de transfert des O-MIF, cela n’est rien en regard des mécanismes de formation des S-MIF. De plus, la pertinence des résultats de laboratoire est de plus en plus remise en question. Il n’y a pas de consensus général sur l'origine exacte des anomalies S-MIF dans l'atmosphère et les mécanismes proposés sont encore très largement débattus en géosciences.

Récemment, la NASA a placé la résolution cette énigme comme une de ces grandes priorités dans le domaine de l’astrobiologie, reconnaissant l’important potentiel des MIF pour la compréhension de l’origine de la vie et de ses interactions avec l’environnement planétaire. L’identification et la compréhension quantitative des processus impliqués dans la création et le transfert des anomalies MIF et MIF, conditions préalables à l’exploitation des données isotopiques, conduirait certainement à des avancées majeures dans notre compréhension de l’histoire géochimique et environnementale de notre planète, depuis sa plus primitive existence jusqu’à nos jours.

Dans ce projet, nous proposons une approche pluridisciplinaire pour réexaminer les sources d’anomalies MIF dans les sulfates, à l'aide d'un programme intégré de nouvelles expériences de laboratoire (pour les conditions actuelles et conditions anciennes présupposées de l'atmosphère), des campagnes de terrain dédiés et de la modélisation photochimique multi-échelle innovante (y compris O-MIF and S-MIF comme variables pronostiques). Premièrement, en utilisant la méthodologie isotopique appliquées avec succès aux sulfates issues des carottes glaciaires et neige, nous évaluerons le potentiel des sulfates lessivés de cendres volcaniques comme traceurs des processus d'oxydation. Deuxièmement, nous procéderons à de nouvelles série d'expériences en laboratoire sur la production de S-MIF liée à la photochimie de SO2 en considérant des conditions environnementales qui soient aussi proches que possible de celles de la stratosphère et de l’atmosphère archéenne présupposée. Troisièmement, pour la première fois, des schémas chimiques des S-MIF et O-MIF seront couplés et intégrés dans des modèles (un modèle boîte/panache photochimique et un modèle global de chimie-transport). Comme O-MIF a déjà en grande partie démontré sa capacité à sonder les mécanismes d'oxydation de soufre dans l'atmosphère, l’analyse combinée des O-MIF et S-MIF devrait représenter une approche puissante pour mieux contraindre les études sur l'origine des S-MIF. Un des objectifs est d'améliorer notre compréhension quantitative de l'oxydation du soufre volcanique et anthropique et de la production associée d’aérosols. Nous allons également évaluer le potentiel de cette approche novatrice pour sonder la chimie atmosphérique dans le passé lointain.

Dans l'ensemble, en offrant une base bien plus solide pour des inférences quantitatives à partir de données combinées S-MIF et O-MIF, le projet fournira de nouvelles contraintes sur des questions fondamentales relatives au passage d'une atmosphère pauvre en oxygène à un environnement oxydant, à l’apparition de la vie, et à la reconstruction de l'impact des éruptions volcaniques et des activités humaines sur la capacité oxydante atmosphérique et le climat.

Coordinateur du projet

Monsieur Joel Savarino (Institut des Géosciences de l’Environnement)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS Laboratoire Atmosphères Milieux Observations Spatiales
CNRS Institut des Géosciences de l’Environnement
UPMC - ISTeP Institut des Sciences de la Terre de Paris
CNRS Laboratoire Atmosphères Milieux Observations Spatiales
Tokyo Institut of Technology Department of Environment Chemistry and Engineering
University of Copenhagen Department of Chemistry
IPGP Institut Physique du Globe de Paris

Aide de l'ANR 395 481 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 36 Mois

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