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Tracage et Quantification du Recyclage Précoce du Soufre Supracrustal dans le Manteau via les Fractionnements Indépendants de la Masse du Soufre – Dear_Sir

Tracage et Quantification du Recyclage Supracrustal Précoce dans le Manteau via les Fractionnements Indépendants de la Masse du Soufre

L'identification de fractionnements indépendants de la masse du soufre (S-MIF) dans le manteau terrestre témoigne du transfert précoce de matériel d'origine sédimentaire d'âge Archéen. Son utilisation reste peu développée notamment parce que des verrous méthodologiques et analytiques restent à lever. Le projet présenté ici a pour objectif principal de combler les lacunes qui limitent l'utilisation, en routine, de ce traceur prometteur de la géodynamique terrestre précoce.

Des verrous analytiques à lever par une approche multi-outils

L’application des S-MIF se heurtait à des observations contradictoires entre mesures par roches totales (extraction chimique et fluoration du soufre et analyse par spectrométrie de masse à source gazeuse de basse résolution, ~10 laboratoires dans le monde) et ponctuelles (analyse in-situ par sonde ionique de haute-résolution, ~5 laboratoires).

Comme préambule à la réalisation de ce projet, nous avons tout d’abord amélioré les précisions des analyses ponctuelles des trois rapports isotopiques du soufre en caractérisant un set sans précédent de standards qui sont dorénavant disponibles à toute la communauté souhaitant entreprendre ce type de mesures au CRPG de Nancy. Les précisions atteintes sont sans comparaison avec les études précédentes.

Nous avons aussi développé la méthode d’analyse par fluoration directe de sulfure (évitant ainsi l’étape de chimie), permettant in fine l’analyse pour certains échantillons choisis par trois méthodes quasi-indépendantes.

Enfin, a été développée une approche séquentielle permettant d’analyser consécutivement in-situ sur le même grain de sulfure : composition en éléments majeurs et traces, composition isotopique du S, concentrations en éléments traces sidérophiles et chalcophiles, et composition isotopique en Re-Os.

L’ensemble des données soutient l’idée que les variations (i.e. isotopiques du soufre) enregistrées reflètent bien une hétérogénéité induite par la tectonique des plaques, mais l’absence de ‘signatures indépendantes de la masse’ suggère que ces signatures sont le résultat d’échanges surface-manteau récents. Très peu d’échantillons enregistrent un signal type Archéen (diamants, une carbonatite et un volcan type EM1), un résultat contraire aux hypothèses couramment admises dans la littérature scientifique. Ces résultats améliorent notre connaissance du fonctionnement de la structure, évolution et dynamique de notre planète.

Dear_Sir était un projet de recherche fondamentale en géosciences, coordonnée par Pierre Cartigny de l’IPG de Paris. Il associait Emilie Thomassot du CRPG à Nancy, Catherine Chauvel de l’Université Grenoble Alpes et Olivier Alard de Géosciences Montpellier. Le projet a commencé en Octobre 2015 et a duré 40 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 350 000 € pour un coût global de l’ordre de 758 500 €

Le projet a abouti à une première publication (Delavault, Chauvel, Thomassot et al., 2016, PNAS) décrivant la découverte d’anomalies isotopiques dans des laves d’affinité géochimique type EM1 et d’une seconde (Kitayama et al., 2017) sur l’analyse de la kimberlite d’Udachnaya. Plusieurs publications sont d’ores et déjà bien avancées et plusieurs autres vont suivre.

Une partie des résultats a été présentée à la communauté scientifique lors de présentations orales et par affiches dans les principales conférences internationales.

Les fractionnements indépendants de la masse du soufre (S-MIF, dont l'amplitude est notée ?33S) résultent essentiellement de processus photochimiques dans une atmosphère dépourvue d'oxygène. Leur production dans l'atmosphère Archéenne est attestée par la présence ubiquiste de S-MIF dans la vaste majorité des sédiments d'âge > à 2.5 milliards d'années (Ga). L'identification de S-MIF dans le manteau terrestre est donc une signature robuste du transfert précoce de matériel d'origine crûstale/sédimentaire d'âge Archéen. Toutefois, la mesure des S-MIF dans les échantillons mantéliques n'en est qu'à ses balbutiements, notamment parce que des verrous méthodologiques et analytiques restent à lever.
Le projet présenté ici a pour objectif principal de combler les lacunes qui limitent l'utilisation, en routine, de ce traceur prometteur de la géodynamique terrestre précoce. Nous notons notamment que:

1- la documentation des fractionnements isotopiques du soufre dans le manteau terrestre reste limitée à quelques échantillons issus de contextes géodynamiques trop particuliers pour permettre d'apporter une vision quantitative du cycle du soufre mantélique global.

2- la taille modeste (inférieure à 100 microns) de ces échantillons (inclusions de sulfures dans les diamants ou les olivines) ne permet l'utilisation que d'une technique in-situ (sonde ionique) à grande résolution spatiale. Peu de données complémentaires issues par exemple de mesures par spectrométrie de masse à source gazeuse (i.e. via l’analyse de la molécule SF6) pourtant plus précise, ne viennent corroborer les premiers résultats in-situ.

3- l'amplitude des S-MIF dans les échantillons mantéliques mesurée à ce jour est faible (?33S variant de -1 à 1‰) par rapport à celle des sédiments archéens (?33S -3 à +12‰). Un mélange avec le soufre du manteau ou une ré-homogénéisation au sein des sédiments au cours de la subduction pourraient permettre d'expliquer cette différence isotopique et le rôle respectif de ces processus doit être testé.

4- les précisons analytiques actuelles ne permettent pas de mesurer in-situ l'anomalie prédite pour le rapport 36S/32S de sorte qu'il est possible de spéculer sur l'existence d'autres mécanismes que le recyclage de soufre sédimentaire archéen pour expliquer la présence d’anomalies isotopiques dans les échantillons actuels.

5- en l'absence de données géochimiques complémentaires, les mécanismes (et leur âge) régissant la redistribution des anomalies isotopiques tels que la fusion partielle our le métasomatisme ne peuvent pas être discutés). A ce stade, le transfert du soufre dans le manteau reste qualitatif et les S-MIF mantéliques sont interprétés de manière binaire (présence détectable d’un composant archéen sédimentaire ou pas).

Afin de dépasser ces limites méthodologiques et analytiques, nous avons constitué un consortium impliquant quatre laboratoires nationaux, des partenaires étrangers et proposons d'adopter une approche géochimique étendue tant en termes de traceurs que de contextes géologiques.

Du point de vue analytique, nous allons nous appuyer sur une série d'équipements rarement réunis autour d'un tel projet (e.g. sondes ioniques de haute résolution et spectrométrie de masse source gazeuse de haute résolution) pour améliorer la précisions des analyses avec comme objectif de mesurer précisément le rapport isotopique de l'isotope minoritaire (S36). Ce développement analytique bénéficiera à terme à l’ensemble de la communauté.

Nous allons développer une nouvelle méthodologie visant à coupler la géochimie des isotopes stables du soufre à celles des isotopes radiogéniques et des éléments chalcophiles afin d'élucider les mécanismes et processus contrôlant l’origine, l’histoire et le devenir du soufre dans le manteau. In fine, nous proposerons un bilan quantitatif du cycle du soufre endogène qui apportera un éclairage nouveau sur les échanges précoces entre les enveloppes superficielles et internes de notre planète.

Coordination du projet

Pierre CARTIGNY (Institut de Physique du Globe de Paris)

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

CRPG-CNRS Centre re Recherches Pétrographiques et Géochimiques, Nancy
IPGP Institut de Physique du Globe de Paris
Institut des Sciences de la Terre ISTerre
GM Géosciences Montpellier

Aide de l'ANR 349 996 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2015 - 36 Mois

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