Marine Geosciences

Les activités du laboratoire Géochimie - Métallogénie portent sur les échanges et transferts chimiques entre l’océan, la croûte océanique et le manteau. Les travaux portent sur les processus de genèse et géochimie des basaltes, les processus géochimiques contrôlant la composition des fluides hydrothermaux et dépôts sulfurés sur le plancher océanique, et l’étude des panaches hydrothermaux grâce aux traceurs physiques et géochimiques. Ces actions impliquent la mise en œuvre d'équipements spécifiques à la mer ainsi que le développement de nombreuses techniques analytiques variées au laboratoire.

Depuis quelques années, ce laboratoire a ouvert de nouveaux sujets pour l’étude des transferts de fluides sur les marges en domaine sédimentaire. Ces fluides, entraînent un flux important de matière et de gaz depuis le substratum et au travers de la couche sédimentaire et jouent un rôle primordial dans les processus de formation de pockmarks, volcans de boues et gaz hydrates.

Au cours de l’année 2001, le laboratoire a analysé les fluides et les encroûtements provenant de la campagne Zaiango-fluide. L’action principale du laboratoire a été l’organisation de la campagne IRIS sur l’étude des processus hydrothermaux résultant de l’interaction eau de mer manteau. Les travaux d’analyse et de réflexion sur les encroûtements cobaltifères de Polynésie ont été poursuivis.

Campagne IRIS

Interactions hydrothermales en domaine mantellique - Production abiotique de composés organiques - approche interdisciplinaire

Les anomalies de méthane dans la colonne d’eau le long des dorsales lentes (Dorsale Atlantique en particulier) ont montré une étroite relation entre les affleurements de roches du manteau et les émissions intenses de méthane. Cette association est une conséquence des processus d’hydratation des roches du manteau par réaction avec l’eau de mer (serpentinisation). Le laboratoire de géochimie et métallogénie de DRO-GM a été le premier à étudier ces processus sur les deux sites hydrothermaux de Logatchev (14°45’N) et Rainbow (36°14’N) découverts le long de la dorsale médio-Atlantique. Les fluides ont une chimie particulière, différente de la chimie observée en contexte basaltique.

La découverte du site de Rainbow par l’Ifremer a été le résultat de deux projets européens financés dans le cadre du programme Mast (projets Marflux et Amores). En 2001, la campagne IRIS (mai-juin 2001, Interdisciplinary Research for Hydrothermal Interactions during Serpentinization) a abordé l’étude des processus d’interaction hydrothermale dans le manteau, par une approche interdisciplinaire associant géologues, chimistes, géophysiciens et microbiologistes.

En présence d’eau, l’olivine et/ou le pyroxène, minéraux constituant les roches du manteau, sont oxydés durant le processus de serpentinisation. Cette réaction exothermique peut induire localement un excès de chaleur d’une centaine de degrés. L’eau est réduite à l’état d’hydrogène moléculaire et le Fer(II) oxydé en Fe(III). Le CO₂ contenu dans les minéraux est libéré. L’hydrogène produit en grande quantité lors de la serpentinisation (40 % des gaz dissous dans les fluides de Rainbow) réagit avec le CO₂ pour générer des composés organiques (méthane, hydrocarbures à chaîne linéaire et acides gras, …) par un processus de type Fischer-Tropsch. Des données expérimentales ont démontré qu’il existe un lien direct entre la libération d’hydrogène et la production de méthane. Cette réaction catalytique montre qu’il est possible de synthétiser des molécules organiques d’origine abiotique à partir des minéraux présents dans le manteau. Les résultats obtenus aux sites Logatchev et Rainbow montrent des concentrations très importantes en H₂, CH₄ et hydrocarbures contenant jusqu’à 29 atomes de carbone.

Les échantillons ramenés lors de la campagne IRIS démontrent que le site de Rainbow constitue un réacteur dans lequel les roches du manteau sont progressivement remplacées par les sulfures métalliques. Ces zones sont des lieux privilégiés pour entretenir les réactions entre fluides et minéraux et conduire à la synthèse abiotique de composés organiques complexes, catalysée par les métaux (Fe, Ni, Cu, Zn, Ni, Co) ou les sulfures métalliques présents sous différentes formes, dans les roches mantelliques et dans les précipités hydrothermaux. Les environnements chauds et réducteurs au sein de ce réacteur sont proches de ceux qui existaient à la surface de la terre lors de l’apparition de la vie, il y a près de 4 milliards d’années, à une période ou l’oxygène n’existait pas encore dans l’atmosphère. Il n’est pas impossible que des molécules prébiotiques soient synthétisées lors des réactions catalytiques, au cours de la serpentinisation et durant la précipitation de sulfures métalliques en surface. Ceci relance l'intérêt des sources hydrothermales comme lieu potentiel d'apparition de la vie sur terre.



Les réacteurs hydrothermaux mantelliques sont également des zones privilégiées favorables au développement d’une biosphère bactérienne profonde et cachée, tirant son énergie de l’hydrogène et/ou des composés organiques formés par les réactions minérales.

Au-delà de l’aspect local, les processus de serpentinisation soulèvent de nombreuses questions nouvelles qui devront être abordées dans le cadre de programmes internationaux. En effet, ce processus n’est pas seulement confiné aux dorsales lentes. La présence de roches serpentinisées est connue en avant des arcs volcaniques, dans les stades initiaux de rifting des marges continentales et dans les zones de transition océans-continents. Des systèmes hydrothermaux de moyenne température, dont le moteur serait les réactions exothermiques de serpentinisation, pourraient ainsi être largement répartis dans les océans. Il s’agit maintenant de connaître la fréquence de ces affleurements mantelliques et de déterminer quelle proportion de ces roches est affectée par une serpentinisation active. Des expérimentations devraient être conduites pour préciser le rôle catalytique des métaux et sulfures métalliques dans la synthèse des divers composés organiques formés. La connaissance de la disponibilité de l’hydrogène et des composés carbonés devrait permettre de prédire la nature et l’extension de la biomasse primaire profonde liée à l’action des bactéries chemolithoautotrophes. L’ensemble des données devrait permettre d’expliquer les processus en cours et de quantifier les flux d’hydrogène et hydrocarbures abiogéniques dans les océans. On connaît très peu de choses sur l’importance de ces flux dans le cycle et le budget global du carbone. Il existe une possibilité que l’hydrogène et les composés hydrocarbonés produits dans le manteau, sous une couverture sédimentaire, contribuent, pour une part qui reste à déterminer, à la formation d’hydrocarbures d’origine abiotique ultra profonds sur les marges. Ces diverses études devront s’appuyer sur des approches géophysiques permettant de préciser l’aspect tridimensionnel ainsi que la perméabilité des systèmes de roches mantelliques.

L’ensemble des questions posées souligne le caractère fortement interdisciplinaire de l’étude des processus d’interaction hydrothermale et de production de composés organiques dans le manteau, et renforce l'importance des forages ODP pour comprendre ces systèmes. Un projet de campagne de forage coordonné par le laboratoire de Géochimie et Métallogénie a été déposé sur le site de Rainbow.



Figure 10 - Synthèse des analyses géochimiques existantes (rapports d’éléments en trace et isotopiques) et mises en regard de la bathymétrie de la ride entre 10 et 50°N. Les nouveaux échantillons permettant cette synthèse sont figurés par des carrés noirs. Les principales zones de fracture sont figurées en lignes pointillées. Noter l’importance géochimique de la zone de fracture de Kurchatov. La ligne grise est tracée à main levée et représente une lecture simplifiée de l’ensemble des données. De même a été tracée en ligne épaisse pointillée, une "ligne de base" de la variation latitudinale du rapport 87Sr/⁸⁶Sr.

On note (1) les deux anomalies positives des points triples des Açores et de 15°N soulignées au nord par deux anomalies négatives, (2) la double anomalie de 42-43°N et le manque de données au nord de 45°N permettant de préciser l’existence ou non d’une anomalie négative à 50°N, (3) une anomalie positive à 28-30°N signalée également par l’existence d’une anomalie dans la variation de l’amplitude de l’anomalie magnétique axiale dans la même zone. Les lignes verticales noires soulignent quelques anomalies locales telles que 23°N, 32°N, 33°30’, NOFZ, 37°30’N.

 

[1] L. Dosso, S. Karpenko and H. Bougault, De l’influence des points triples sur la structure géochimique de la ride médio-atlantique entre 10 et 50°N de latitude et-ou inversement, Lettre Dorsales 8(1-2), 30-34, 2001. http://www-sdt.univ-rest.fr/~jerome/ldorsales/lettre8_dosso.pdf.

Campagne ZEPOLYF 2

Les travaux isotopiques menés sur les échantillons récoltés lors de la campagne ZEPOLYF2 (A. Bonneville, R. Le Suavé) après présentation à l’A.G.U. [1] sont en cours de rédaction [2]. Ils indiquent une très grande hétérogénéité du manteau situé sous cette région des îles australes (Fig. 11). Cette hétérogénéité est comparable à celle qui est décrite à l’échelle de la Polynésie (manteau appauvri, types HIMU et Rarotonga). Elle se manifeste également de façon spectaculaire à l’échelle locale d’une drague (DR23-2, DR23-3). Dans ce contexte géodynamique de point chaud, on identifie les compositions les moins radiogéniques en plomb trouvées à ce jour pour des roches océaniques (DR20-2, DR23-2). Elles sont curieusement associées à des compositions isotopiques Sr-Nd-Hf généralement caractéristiques du contexte de ride médio-océanique. Parallèlement, un échantillon prélevé au sud de l’île de Rurutu (DR07-2) et daté en K-Ar à 0,2 Ma présente des compositions isotopiques en accord avec celles de l’épisode volcanique récent de Rurutu. Il conforte ainsi l’hypothèse de l’existence d’un point chaud localisé à Tinomana, mont sous-marin au sud-est de Rurutu [3].

[1] L. Dosso, S. Bernard, J. Etoubleau, H. Bougault, R. Le Suavé, P.E. Janney and A. Bonneville, Intraplate volcanism: new isotopic data from oceanic samples dredged in the vicinity of the Austral Islands, EOS Transactions 81(48), F1373, 2000.

[2] L. Dosso et. al., en prep., 2002.

[3] A. Bonneville et al., Tinomana, the missing hot spot found in the austral islands, submitted to Nature, 2002.



Figure 11 - Diagramme isotopique Nd vs Pb illustrant la très grande hétérogénéité des échantillons ZEPOLYF2 analysés (ronds pleins). Les données sont présentées par comparaison aux données de la littérature sur des échantillons des îles australes et des autres alignements d’îles de la Polynésie Française, Pitcairn, Société, Marquises ainsi que des échantillons de la ride pacifique et des échantillons les moins radiogéniques en Plomb de la ride sud-ouest indienne.