Etude des interactions érosion-climat à l'aide de nouveaux traceurs isotopiques dans les sédiments – ECLIP-SED

Le projet ECLIP-SED reposait sur l’application de nouveaux marqueurs géochimiques ayant montré précédemment une aptitude particulière pour tracer les processus d’altération continentale. Parmi ces outils, l’analyse combinée des rapports d’isotopes de l’hafnium (176Hf/177Hf) et du néodyme (143Nd/144Nd) dans la fraction fine de roches ou sédiments silicoclastiques offre un moyen unique de reconstruire l’intensité de l’altération continentale, tout en s’affranchissant d’effets de source potentiels liés la provenance du sédiment. Un autre intérêt majeur des isotopes de l’Hf est qu’ils sont particulièrement sensibles à l’altération de l’apatite et autres minéraux phosphatés. Lors de leur dissolution, ces minéraux relarguent une fraction d’Hf ayant une signature isotopique très radiogénique (c.-à-d. un rapport 176Hf/177Hf particulièrement élevé) qui est ensuite incorporée par les argiles lors de leur formation dans les sols. En conséquent, l’analyse de la composition isotopique en Hf des sédiments marins est susceptible de renseigner indirectement sur les flux en phosphore dissous vers l’océan, un nutriment essentiel à la productivité marine. Le projet ECLIP-SED s’est également intéressé aux isotopes du lithium (7Li) dans les fractions argileuses, comme traceurs de l’altération silicatée, ainsi qu’à la distribution des terres rares dans les phases d’oxydes de fer du sédiment ; une nouvelle approche permettant de mettre en évidence l’oxydation de la pyrite dans les bassins versants.

Une partie importante du projet s’est focalisée sur l’étude d’un enregistrement sédimentaire exceptionnel en provenance de l’éventail sous-marin de l’Amazone. L’objectif de ce travail, réalisé dans le cadre d’une thèse en co-tutelle entre IFREMER / Géo-Océan, le laboratoire Géosciences Environnement Toulouse (GET) et l’Université de Brasilia (UnB), était de retracer l’évolution de l’altération dans le bassin amazonien, en lien avec la mise en place des Andes et le refroidissement du climat au cours du Cénozoïque. Un second volet d’ECLIP-SED a porté sur l’étude d’un forage océanique prélevé sur la marge tropicale ouest australienne, dans le but de reconstruire les liens altération-climat résultant de l’émergence des îles océaniques nées de la collision entre la plaque continentale australienne et l’arc volcanique de Banda au cours du Néogène. Finalement, une vaste collection de schistes argileux couvrant les 2.7 derniers milliards d’années a été analysée au cours du projet, afin de discuter des relations entre l’altération continentale et l’évolution de l’atmosphère depuis la fin de l’Archéen.

Les résultats obtenus au cours du projet ECLIP-SED offrent une meilleure compréhension du rôle joué par l’altération continentale dans l’évolution globale du climat à l’échelle des temps géologiques. L’application des isotopes de Nd et Hf à l’étude de schistes argileux couvrant les derniers 2.7 milliards d’années a fait l’objet d’un article majeur dans lequel nous proposons que l’altération continentale et l’oxygénation de l’atmosphère ont évolué de manière conjointe depuis la fin de l’Archéen.

L’étude géochimique du forage IODP U1482 prélevé au large de l’Australie a révélé une brusque accélération de l’altération de roches mafiques au cours des 4 derniers millions d’années, en lien avec l’émergence du ‘continent maritime’ en Asie du Sud-Est. Combinés à une étude de modélisation de l’évolution globale de la composition isotopique en strontium de l’eau de mer, ces résultats renforcent l’hypothèse que l’exhumation en contexte tropical de morceaux de lithosphère océanique accompagnant l’émergence d’îles océaniques, a pu jouer un rôle prédominant, via séquestration de CO2 atmosphérique par les flux d’altération chimique, dans le refroidissement global à cette époque, culminant avec la mise en place de calottes de glace permanentes dans l’hémisphère Nord.

Enfin, l’étude du forage (BP-3) collecté dans l’éventail sous-marin de l’Amazone a permis de reconstituer pour la première fois les transferts sédimentaires dans le bassin amazonien au cours des derniers 20 Ma, et de montrer que la ‘transcontinentalisation’ du fleuve Amazone, depuis les Andes jusqu’à l’Atlantique, s’est mise en place à partir de 12.0 ± 1.2 Ma. La nouvelle approche géochimique mise en œuvre pour identifier la nature des roches érodées a permis de déconvoluer l’évolution de l’altération des roches silicatées de celle des schistes argileux dans le bassin de l’Amazone depuis le Miocène. Un résultat majeur de ce travail est l’intensification marquée de l’altération silicatée depuis la fin du Pliocène, en lien avec le refroidissement global du climat. Bien que préliminaire, l’interprétation de ces résultats semble privilégier à ce stade l’action combinée d’une augmentation des flux d’érosion physique dans les Andes à cette époque, induite par l’expansion de glaciers et/ou une pluviométrie accrue, associée au développement de vastes plaines alluviales en aval agissant comme de véritables réacteurs d’altération chimique.

Le projet ECLIP-SED aura permis de valider pleinement l’utilité des traceurs géochimiques considérés pour identifier la nature des roches érodées sur les continents et retracer l’évolution de l’altération chimique à partir d’enregistrements sédimentaires marins. Si notre approche géochimique est qualitative et ne permet pas de quantifier directement des flux d’altération chimique, l’augmentation au cours des derniers millions d’années des flux d’érosion physique générés par la mise en place de reliefs en Asie du Sud-Est et en Amérique du Sud, semble avoir été accompagnée d’une accélération marquée de l’altération silicatée, probablement très largement favorisée par le climat tropical humide des régions considérées. Les résultats obtenus donnent donc clairement du poids à l’hypothèse d’un rôle prédominant de l’altération continentale dans l’évolution globale du climat à long terme. Les nouvelles approches développées dans ECLIP-SED pourront être appliquées à d’autres orogenèses et d’autres périodes de temps, afin notamment de tester l’importance des relations altération-climat en contexte tropical dans la mise en place des glaciations passées (e.g., Ordovicien Supérieur).

La dissolution des roches sur les continents joue un rôle important dans l’évolution du CO2 atmosphérique et la régulation du climat au cours des temps géologiques. L’hypothèse d’un lien climat-altération reste cependant fortement débattue, principalement en raison de notre incapacité à identifier, à partir d’archives géologiques, la contribution relative de l’altération des roches ignées/métamorphiques et sédimentaires lors de l’érosion des montagnes; deux types de roches ayant des impacts différents sur le cycle à long terme du CO2. Nous proposons ici une nouvelle approche pour déterminer l’origine des roches lessivées, reposant sur l’analyse combinée des fractions d’oxydes de fer et détritiques de sédiments. Après une phase de calibration de marqueurs isotopiques (Nd, Hf, Fe, Si & Li), nous reconstruirons l’évolution de l’altération dans le bassin de l’Amazone au cours des 30 derniers Ma, en lien avec la surrection des Andes et le refroidissement global du climat à cette époque.