Séparer les signaux enregistrés au fond marin

La faute à la tectonique des plaques. Les profondeurs de l’océan ne sont jamais préservées, mais se perdent dans le temps à mesure que le fond marin est subducté. Les géologues se retrouvent pour la plupart avec des roches moins profondes et plus proches du rivage pour éclairer leurs études sur l’histoire de la Terre.

“Nous n’avons qu’un bon enregistrement des profondeurs océaniques au cours des 180 derniers millions d’années”, a déclaré David Fike, professeur émérite de sciences de la Terre, de l’environnement et des planètes à l’Université de Washington à St. Louis. . “Tout le reste n’est que des dépôts en eaux peu profondes. Il est donc très important de comprendre les biais qui pourraient être présents lorsque nous examinons les dépôts en eaux peu profondes.”

L’une des façons dont les scientifiques comme Fike utilisent les dépôts du fond marin est de reconstituer les chronologies des changements écologiques et environnementaux passés. Les chercheurs s’intéressent vivement à la manière et au moment où l’oxygène a commencé à s’accumuler dans les océans et l’atmosphère, rendant ainsi la Terre plus hospitalière à la vie telle que nous la connaissons.

Pendant des décennies, ils se sont appuyés sur la pyrite, le minéral sulfuré de fer connu sous le nom de « l’or des fous », comme enregistreur sensible des conditions du milieu marin où il se forme. En mesurant la composition isotopique globale du soufre dans des échantillons de pyrite – l’abondance relative d’atomes de soufre de masse légèrement différente – les scientifiques ont tenté de mieux comprendre l’activité microbienne ancienne et d’interpréter les cycles chimiques mondiaux.

Mais les perspectives pour la pyrite ne sont plus aussi brillantes. Dans deux articles complémentaires publiés le 24 novembre dans ScienceFike et ses collaborateurs montrent que les variations des isotopes du soufre de la pyrite ne représentent peut-être pas les processus mondiaux qui en ont fait des cibles d’analyse si populaires.

Au lieu de cela, les recherches de Fike démontrent que la pyrite répond principalement à des processus locaux qui ne doivent pas être considérés comme représentatifs de l’ensemble de l’océan. Une nouvelle approche de microanalyse développée à l’Université de Washington a aidé les chercheurs à séparer les signaux présents dans la pyrite qui révèlent l’influence relative des microbes et celle du climat local.

Pour la première étude, Fike a travaillé avec Roger Bryant, qui a terminé ses études supérieures à l’Université de Washington, pour examiner la distribution au niveau des grains des compositions isotopiques du soufre de la pyrite dans un échantillon de sédiments glaciaires-interglaciaires récents. Ils ont développé et utilisé une technique analytique de pointe avec le spectromètre de masse à ions secondaires (SIMS) dans le laboratoire de Fike.

“Nous avons analysé chaque cristal de pyrite que nous avons pu trouver et obtenu des valeurs isotopiques pour chacun”, a déclaré Fike. En considérant la distribution des résultats des grains individuels, plutôt que les résultats moyens (ou globaux), les scientifiques ont montré qu’il est possible de distinguer le rôle des propriétés physiques de l’environnement de dépôt, comme la vitesse de sédimentation et la porosité du sédiments, de l’activité microbienne des fonds marins.

“Nous avons constaté que même lorsque les isotopes du soufre de la pyrite en vrac changeaient beaucoup entre les glaciaires et les interglaciaires, les minimums de nos distributions de pyrite à grain unique restaient globalement constants”, a déclaré Bryant. “Cela nous a indiqué que l’activité microbienne n’était pas à l’origine des changements dans les isotopes en vrac du soufre de la pyrite et a réfuté l’une de nos principales hypothèses.”

“En utilisant ce cadre, nous sommes en mesure d’examiner les rôles distincts des microbes et des sédiments dans la transmission des signaux”, a déclaré Fike. “Cela représente pour moi un énorme pas en avant dans la capacité à interpréter ce qui est enregistré dans ces signaux.”

Dans le deuxième article, dirigé par Itay Halevy de l’Institut des sciences Weizmann et co-écrit par Fike et Bryant, les scientifiques ont développé et exploré un modèle informatique des sédiments marins, complété par des représentations mathématiques des micro-organismes qui dégradent la matière organique et transforment le sulfate. en sulfure et les processus qui piègent ce sulfure dans la pyrite.

“Nous avons constaté que les variations dans la composition isotopique de la pyrite sont principalement fonction de l’environnement de dépôt dans lequel la pyrite s’est formée”, a déclaré Halevy. Le nouveau modèle montre qu’une série de paramètres de l’environnement sédimentaire affectent l’équilibre entre la consommation et le réapprovisionnement en sulfates et en sulfures, et que cet équilibre est le principal déterminant de la composition isotopique du soufre de la pyrite.

“La vitesse de dépôt des sédiments sur le fond marin, la proportion de matière organique dans ces sédiments, la proportion de particules de fer réactives, la densité de tassement des sédiments lorsqu’ils se déposent sur le fond marin – toutes ces propriétés affectent la composition isotopique de la pyrite. d’une manière que nous pouvons désormais comprendre”, a-t-il déclaré.

Il est important de noter qu’aucune de ces propriétés de l’environnement sédimentaire n’est fortement liée au cycle mondial du soufre, à l’état d’oxydation de l’océan mondial ou à toute autre propriété que les chercheurs ont traditionnellement utilisée pour reconstruire les isotopes du soufre de la pyrite, ont déclaré les scientifiques.

“L’aspect vraiment passionnant de ce nouveau travail est qu’il nous donne un modèle prédictif de la façon dont nous pensons que d’autres enregistrements de pyrite devraient se comporter”, a déclaré Fike. “Par exemple, si nous pouvons interpréter d’autres enregistrements et mieux comprendre qu’ils sont déterminés par des éléments tels que des changements locaux dans la sédimentation, plutôt que par des paramètres globaux concernant l’état de l’oxygène des océans ou l’activité microbienne, nous pouvons alors essayer d’utiliser ces données pour affiner notre compréhension. du changement du niveau de la mer dans le passé.