Étude multi-isotopique des cycles du carbone et du soufre d'environnements modernes alcalins et stratifiés du Mexique et de leurs microbialites

Multi-isotopic study of the carbon and sulfur cycles in modern alkaline and stratified environments from Mexico and their microbialites

• Auteur / Autrice : Robin Havas
• Direction : Christophe Thomazo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Paléontologie
• Date : Soutenance le 15/09/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale E2S Environnements, Santé, STIC (Dijon ; ....-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéosciences (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Vennin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nina Zeyen, David A. Fike
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Ader, Yuichiro Ueno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mexique

Lacs de cratère

Analogues

Cycle du soufre

Cycle du carbone

Isotopes stables

Mots clés libres

Isotopes stables

Microbialites

Cycle du carbone

Cycle du soufre

Lacs alcalins

Analgoues modernes du Précambiren

Stable isotope geochemistry

Microbialites

Carbon cycle

Sulfur cycle

Alkaline lakes

Modern analogues of the Precambrian

Résumé

L’étude d’environnements modernes caractérisés par des conditions environnementales proches de ce que nous connaissons de la Terre ancienne (des analogues) constitue une approche puissante pour mieux comprendre les cycles biogéochimiques anciens, et complémentaire des études portant directement sur le répertoire géologique. Dans ce sens, mon travail de thèse s’est attaché à caractériser quatre lacs de cratère de volcans situés au Mexique. Ces lacs sont alcalins et stratifiés et constituent ainsi des environnements extrêmes notamment en termes de conditions redox et de chimie des eaux. De plus, ces lacs sont caractérisés par la présence de microbialites, des roches carbonatées dont la formation résulte de l’interaction de communautés microbiennes avec leur environnement, et qui représentent un des enregistrements emblématiques de l’évolution précoce de la vie sur Terre (> 3.5 Ga). Durant ma thèse, j’ai caractérisé ces écosystèmes principalement par le biais de la géochimie isotopique, outil puissant permettant de retracer les processus physico- et biogéo-chimiques. Les isotopes du C, de l’O et du S ont ainsi été charterisés dans de multiples phases dissoutes et particulaires, minérales ou organiques, dans les colonnes d’eau et sédiments des quatre lacs.Cette étude propose une caractérisation en profondeur à la fois des processus biogéochimiques du C et du S s’opérant actuellement dans ces écosystèmes, ainsi que des signatures biogéochimiques que ces derniers laissent dans l’enregistrement sédimentaire des lacs (sédiments gravitaires et microbialites). Cette approche met en lumière les processus susceptibles d’être transférés au répertoire géologique et au contraire ceux qui ne le sont pas, ou partiellement. Ainsi, ce travail montre que les réservoirs carbonatés dans des conditions de forte alcalinité sont peu sensibles aux processus biologiques ou climatiques pour de courtes échelles de temps. Il est également montré que la matière organique sédimentaire n’enregistre que partiellement les conditions du milieu et ne permet pas toujours de reconstruire fidèlement la stratification redox et chimique des colonnes d’eaux. En revanche des processus physiologiques clés accomplis par les micro-organismes et ayant une forte influence sur le cycle du C ont été mis en évidence par l’analyse originale de la composition isotopique du carbone organique dissous (non préservé dans les sédiments).De plus, les conditions physico-chimiques spécifiques à chacun des lacs engendrent des différences dans l’amplitude avec laquelle les registres sédimentaires du C et du S et leurs signatures géochimiques sont remaniés et préservés dans les carbonates, la matière organique, et les pyrites sédimentaires (e.g. selon les dynamiques hydrologiques, le niveau d’oxydation, les teneurs en nutriments et en substrats organiques et inorganiques).L’enregistrement des microbialites est également altéré par un certain nombre de biais mais apporte un message complémentaire, plus spécifique des processus biologiques et environnementaux locaux. Par exemple, la formation des microbialites à une profondeur donnée de la colonne d’eau stratifiée permet un enregistrement plus ponctuel et spécifiques des conditions physico-chimiques de la colonne d’eau.En couplant l’approche géochimique, à des résultats de minéralogie, sédimentologie, et microbiologie, cette étude décrit dans quelles limites l’enregistrement sédimentaire géochimique peut nous permettre de reconstruire l’histoire géologique et biogéochimique d’un paléoenvironnement stratifié.Toutefois, l’étude de ces milieux actuels permet à la fois d’identifier les processus biogéochimiques présentement à l’œuvre ainsi que les signaux géochimiques isotopiques sédimentaires qui en résultent, constituant une étape importante dans notre compréhension des fonctions de transferts à utiliser pour reconstruire les paléoenvironnements anciens ainsi que les processus biogéochimiques associés à la formation des microbialites.

The study of modern environments featuring environmental conditions that are close to what we know of ancient Earth (i.e. modern analogues) constitutes a powerful mean to better understand past biogeochemical cycles, and is complementary to studies directly tackling the geological record. Based on this consideration, my PhD work aimed at the characterization of four alkaline and redox-stratified crater lakes from Mexico. A particularity of these lakes also comes that they host microbialites, which are carbonate deposits formed under the influence of biological activity, and represent among the oldest traces of life on Earth (≥ 3.5 Ga ago). During my thesis, I investigated these modern ecosystems via the isotope geochemistry frame, a powerful tool allowing tracing physico- and biogeochemical processes. I measured C, S, and O isotopes in dissolved and solid, organic and inorganic phases.This study proposes a thorough characterization of both biogeochemical reactions presently occurring in the water column and sediments of the lakes, and of the signatures they leave in the sedimentary records (gravitational sediments and microbialites). This approach brings to light the processes susceptible to be transferred to the geological record, and those, on the contrary, which are not, or only partially. For example, carbonate reservoirs in high alkalinity conditions are poorly sensitive to the influence of short-term biological or climatic processes. It is also shown that organic matter in the bottom lake sediments reflects only specific layers of the stratified lakes. By contrast, key physiological reactions carried out by microorganisms and having a strong influence on the C cycle are detected by the original analysis of dissolved inorganic carbon isotopes.Key environmental parameters specific to each lake, such as oxygen levels, hydrological dynamics, or organic and inorganic nutrients availability directly influence the magnitude of isotopic signals preserved in the carbonates, organic matter, and sedimentary pyrite.The microbialite record is also biased by a number of factors but provides complementary information, more specific to local biological and environmental parameters (e.g., fluid sources, O levels).Coupling the geochemical approach to mineralogical, sedimentlogical, and genetic data, this thesis describes the limits of the sedimentary geochemical record to trace the geological and biogeochemical history of a stratified paleoenvironment.Nonetheless, this study of modern environments allows identifying both the presently active biogeochemical processes and resulting sedimentary isotopic biogeochemical signals, which greatly improves our understanding of the transfer functions to be used for paleoenvironmental reconstructions, as well as those associated with the formation of microbialites.