Les cherts Archéens de la ceinture de roches vertes de Barberton (3.5-3.2Ga), Afrique du Sud. Processus de formation et utilisation comme proxys paleo-environnementaux

par Morgane Ledevin

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers

Sous la direction de Alexandre Simionovici et de Nicholas Arndt.

Soutenue le 06-06-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (équipe de recherche) .

Le président du jury était Etienne Jaillard.

Le jury était composé de Stephen Mojzsis, Kurt Konhauser.

Les rapporteurs étaient Frances Westall, Donald r. Lowe.


  • Résumé

    Les cherts archéens permettent de contraindre les environnements primitifs qui ont vu l’apparition de la vie sur Terre. Ces roches siliceuses se forment selon trois processus : les C-cherts (cherts primaires) se forment par précipitation chimique de silice océanique sur le plancher, sous la forme d’une boue siliceuse ou en tant que ciment dans les sédiments de surface; les F-cherts (cherts de fracture) précipitent dans les fractures de la crôute depuis les fluides circulant; les S-cherts (cherts secondaires) sont issus de la silicification de roches préexistantes lors de la percolation de fluides enrichis en silice. Ces processus sont largement acceptés mais des questions majeures subsistent : comment reconnaître ces différents types de chert ? Quelle est l’origine de la silice et sous quelle forme a-t-elle précipité ? Quel signal chimique est porté par les cherts et comment s’en servir pour les reconstructions paléo-environnementales ? Ces questions sont abordées à travers trois sites de la ceinture de roches vertes de Barberton, en Afrique du Sud. L’approche adoptée combine l’analyse des structures sédimentaires et de déformation, de la pétrologie et de la composition chimique et isotopique de ces unités. Dans ces sites, la formation des cherts est étroitement liée à l’environnement de mise en place. La sédimentation clastique (turbidites) est à l’origine des C-cherts de Komati River, déposés sous la forme d’une boue siliceuse par adsorption de silice sur les particules argileuses en suspension. En absence de contribution continentale, les alternances de cherts noirs et blancs de Buck Reef sont interprétées comme issues de variations climatiques à l’échelle saisonnières (chert noir), voire glaciaires/inter-glaciaires (chert blanc). Les cherts de fracture de Barite Valley sont liés à la précipitation de silice depuis une suspension colloïdale thixotrope remontant à travers la croûte. La composition chimique des cherts est contrôlée par leur environnement de mise en place, et représente un mélange entre une phase siliceuse et une phase contaminante, indépendamment des processus qui ont précipité la silice. Les cherts de Komati River et de Barite Valley sont enrichis en Al, K, Ti, HFSE et en REE, ce qui est attribué à la contamination de la matrice siliceuse par la présence de phyllosilicate. Une telle contribution clastique peut expliquer les larges gammes de δ30Si dans les cherts de Komati River (-0.69‰à +3.89‰), et la majorité des valeurs positives est probablement liée à la contribution de l’eau de mer. Dans les dykes de Barite Valley, les δ30Si très négatifs (-4.5‰ à +0.22‰) sont cohérents avec l’origine hydrothermale basse température des fluides initiaux. A Buck Reef, l’absence de contribution continentale s’exprime dans les cherts blancs par une minéralogie exclusivement microquartzitique et par des concentrations extrêmement faibles en éléments traces (i.e. ΣHFSE et ΣREE<1ppm). 2% de carbonates et 3-4% de matériel continental (e.g. argiles) suffisent à masquer le signal siliceux dans ces cherts purs. Nous ne pouvons conclure sur la présence d’un signal océanique dans ces cherts par manque de fiabilité des proxys océaniques modernes (appauvrissement en LREE, enrichissement en La et Y). Reconnus à la fois dans des quartz océaniques, hydrothermaux, magmatiques et pegmatitiques, ils ne permettent pas d’identifier un signal d’eau de mer dans les cherts archéens. Les δ 18O de ces cherts indiquent la présence de circulations fluides secondaires à moins de 100°C, et leurs δ 30Si négatifs ou positifs (-2.23‰ et +1.13‰ en moyenne) montrent la contribution de fluides différents au moment de leur formation. Le couplage des observations pétrologiques et de terrain est la seule approche fiable pour reconnaître le mode de mise en place des cherts. Leur composition chimique dépend plus des conditions environnementales que des caractéristiques du fluide initial.

  • Titre traduit

    Archean cherts from the Barberton Greenstone Belt (3.5-3.2Ga), South africa. Formation process and usability as paleo-environmental proxies


  • Résumé

    Archean cherts potentially constrain the primitive environment in which life emerged and evolved. These siliceous rocks formed by three processes : C-cherts (primary cherts) formed by the chemical precipitation of oceanic silica, either as a siliceous ooze (or silica gel) on the seabed, or as cement within still soft sediments at the surface ; F-cherts (fracturefilling cherts) precipitated from circulating fluids in concordant or crosscutting veins in the shallow crust ; S-cherts (secondary cherts) are the result of the metasomatism (silicification) of preexisting rocks during the percolation of silica-rich fluids. These processes are generally accepted but major questions remain unsolved : how to recognize various chert types ? Where does the silica come from and how did it precipitate ? What chemical signal is hosted in cherts and how can it be used for paleo environmental reconstructions ? These questions are addressed here using three sites in the Barberton Greenstone Belt, South Africa, which contain a variety of cherts deposited in very different environments. The approach combines field description of sedimentary and deformation structures, the characterization of various chert petrologies, and the study of their chemical and isotopic composition. In these three sites, chert formation strongly depends on the environmental setting. Clastic sedimentation is directly linked to C-chert formation at Komati River, where the silica was deposited as a viscous, siliceous ooze by sorption process onto suspended clay particles. A continental contribution is absent at Buck Reef, and the black and white banded cherts (C-cherts) are interpreted to have formed by chemical precipitation of oceanic silica during seasonal (black chert) and maybe glacial/inter-glacial (white chert) climatic variations. The fracture-filling cherts from Barite Valley precipitated from a thixotropic colloidal suspension that migrated upward through the crust. The chemical compositions of cherts from these three sites are essentially controlled by the environment of deposition, and represent mixtures of a siliceous and contaminant phases, independent from the silica precipitation mode. Komati River C-cherts and Barite Valley F-cherts are both enriched in Al, K, Ti, HFSE and REE, which represents the contamination by phyllosilicates of the microquartzitic fabrics. Such a clastic contribution may account for the wide range of δ30Si in Komati River cherts (-0.69‰ to +3.89‰) although the majority of positive values is attributed to seawater involvement. In the dykes, δ30Si is strongly negative (-4.5‰to +0.22‰) and is consistent with the low-temperature hydrothermal nature of these fluids. At Buck Reef, the lack of continental contribution is expressed in the white cherts, by a mineralogy exclusively composed of microquartz, and by extremely low trace element contents, i.e. HFSE and REE below 1ppm. We calculate that 2% of carbonates and 3-4% of clastic particles (i.e. clay, feldspar) would be enough to mask the silica composition in these high purity cherts. A marine signature was not recognized in their geochemistry because of the unreliability of commonly used modern proxys (i.e. LREE depletion, La and Y enrichment). These features were identified in oceanic, hydrothermal, magmatic and pegmatitic quartz and thus do not reliably identify an oceanic signal in Archean cherts. Because the δ 18O values in these white cherts indicates secondary fluid circulations at <100°C, their negative or positive δ30Si values (-2.23‰ and +1.13‰ in average) most probably represent different fluid contributions at the time they formed. The combination of field and petrological observations appears to be the most reliable approach to classify cherts and to deduce their origin, and we show here that their chemical composition depends more on the environmental conditions than on the primary fluid characteristics.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?