Emergence et altération des continents sur la terre primitive : contraintes à partir des isotopes Hf-Nd dans les formations de fer précambriennes

Tracking continental emergence and weathering on the early earth : seawater Hf-Nd isotope constraints from precambrian iron formations

• Auteur / Autrice : Ian Foster
• Direction : Stefan Lalonde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences marines
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer et du littoral (Plouzané)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géosciences Océan (Plouzané, Finistère ; 2017-2021)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Hémond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefan Lalonde, Christophe Hémond, Jeffrey Vervoort, Michael Bau, Germain Bayon, Kurt Konhauser
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jeffrey Vervoort, Michael Bau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isotopes

Roches sédimentaires

Précambrien

Mots clés libres

Émergence continentale

Hafnium

Lutétium

Isotopes

Formations de fer en bandes

Continental emergence

Hafnium

Lutetium

Isotopes

Banded iron formations

Résumé

L'émergence de la croûte continentale au-dessus du niveau de la mer au début du Précambrien aurait créé les premiers habitats terrestres et amorcé l’altération des continents par l’atmosphère. Cependant, l'histoire de l'émergence continentale demeure largement inconnue. Les sédiments chimiques Précambriens, en particulier les formations de Fer Rubanés (BIF), semblent avoir échantillonné la composition isotopique en Hf-Nd de l'eau de mer ancienne et pourraient ainsi préserver un enregistrement historique de l'émergence de masses continentales par fractionnement Lu/Hf, induit par une altération différentielle subaérienne. Toutefois, les données appariées sur les isotopes Hf-Nd ne sont disponibles que pour quelques localités à ce jour, et indiquent une masse continentale émergée appréciable d'environ 2,7 Ga. Notre travail vise à confirmer et à étendre ce record du Néoprotérozoïque au Paléo- et Eo-Archéen en utilisant des échantillons de BIF âgés de 750 Ma de la formation Bramer en Australie centrale, de 3,2 Ga du Moodies Group, Afrique du Sud, et de 3,8 Ga de Isua, Groenland, ainsi que plusieurs échantillons du Nuvvuagittuq, Québec, et Nulliak, Labrador, Canada. Les échantillons Eo-archéen semblent avoir été significativement affectés par le métamorphisme de type amphibolite, mais les échantillons du Moodies Group conservent des signaux environnementaux primaires, ayant connu des types métamorphiques significativement inférieurs. Les échantillons du Group montrent que les valeurs d'!Hf sont comparables à celles observées dans les dépôts sédimentaires marins détritiques et chimiques modernes, correspondant à une masse terrestre émergée à cette époque. Les résultats de la formation de Braemar sont également interprétés comme conservant les signatures primaires d'!Hf, et ont des valeurs remarquablement similaires à celles récemment rapportées pour les eaux fluviales glaciaires et non glaciaires au Groenland, témoignant d'une altération subaérienne concomitante avec les dépôts Sturtian de BIF durant les premiers stades de la déglaciation. Ensemble, mes résultats suggèrent que les masses émergées ont été une caractéristique de la Terre depuis au moins le Paléoarchéen, malgré les modèles théoriques qui suggèrent que l'émergence s'est produite quelque temps après 3 Ga, et que l'interprétation des données !Hf et !Nd des BIF n'est pas aussi simple que suggérée précédemment. Une large gamme de valeurs d'!Hf peut être enregistrée dans les BIF, qui peut représenter non seulement un enregistrement des compositions de Hf et Lu de l'eau de mer au moment du dépôt, mais peut aussi enregistrer la présence de contaminants détritiques et/ou l'historique des altérations post-dépôt.

The emergence of continental crust abov sea level in the early Precambrian would have created the first terrestrial habitats, and initiated atmosphere driven weathering of the continents, yet the history of continental emergence is largely unknown. Precambrian chemical sediments, specifically Banded Iron Formation (BIF) previously studied, appear to have sampled the Hf-Nd isotope composition of ancient seawater, and maypreserve a historical record of the emergence of continental landmasses via Lu/Hf fractionation induced by subaerial differential weathering. However, paired Hf-Nd isotope data are available for only a few localities todate, but indicate appreciable emerged continental landmass ca. 2.7 Ga. Our work seeks to confirm andextend this record from the Neoproterozoic into the Paleo- and Eo-Archean using samples of 750 Ma BIFfrom the Braemar formation in central Australia, 3.2 Ga BIF from the Moodies Group, S. Africa, and 3.8 Ga BIFfrom Isua, Greenland, as well as several samples from Nuvvuagittuq Quebec, and Nulliak Labrador, Canada.Eoarchean samples appear to have been altered by amphibolite-grade metamorphism, however Moodies Groupsamples appear primary, having experienced significantly lower metamorphic grades. Moodies appear to retain their primary seawater signatures with !Hf values comparable to those observed in modern oceanic detrital and chemical deposits. Results from the Braemar formation are also interpreted as retaining primary !Hf values signatures and are found to have strikingly similar values to those recently reported for glacial and non-glacial river waters in Greenland. Together our studies suggest that emerged land masses have been a feature of the Earth since at least the Paleoarchean, despite theoretical models that suggest emergence occurred sometime after 3 Ga ago, and that the interpretation of !Hf and !Nd data from BIF is not as straightforward as previouslysuggested. A large range of !Hf values can be recorded in BIF that may represent not only a record of ocean water Hf and Lu compositions at the time of deposition, but also BIF can record the presence of detrital contaminants, and/or the existence ofpost-depositional alteration.