22 juin : Soutenance de thèse de Munira Afroz

Biogéochimie à l'aube de la déposition des carbonates sur Terre :

chimiostratigraphie élémentaire et isotopique de la plateforme carbonatée Mésoarchéenne de Red Lake, Canada

jeudi 22 juin 2023, 9h, Amphi A, IUEM

Découvrez ci-dessous les résumés en anglais et en français de sa présentation

Abstract

The Mesoarchean (2.87 Ga) Ball Assemblage of the Red Lake Greenstone Belt (Superior Craton, NW Ontario, Canada) preserves Earth’s oldest known thick carbonate platform. Here, a diverse 290 m-thick carbonate assemblage of stromatolitic dolostones and massive limestone, along with associated chemical and siliciclastic rocks, make up the 490 m-thick Red Lake carbonate platform, which provides a unique opportunity to understand Mesoarchean marine biogeochemistry at the inception of Earth’s carbonate factory.

This doctoral thesis presents sedimentological, elemental, and isotopic (stable carbon, oxygen, and multiple sulfur isotopes) analyses of five cored drill holes capturing a variety of sediments deposited in shallow-water, platform slope, and deep-water settings, which were examined and analyzed to establish a multi-parameter chemostratigraphy spanning the entire succession. Major element data clearly demonstrate the sedimentological and geochemical responses to changes in sea level and associated water column chemistry of the carbonate-producing Mesoarchean margin.

The rare earth element systematics of the diverse lithofacies reveal modern-like seawater signatures but with several additional characteristics specific to Archean seawater.

• A general lack of Ce anomalies testifies to prevailing anoxic conditions while important Eu anomalies reveal the influence of high-temperature hydrothermal inputs to the basin.
• The occasional presence of oxygen in the water column is inferred from rare Ce anomalies, both positive and negative, and along with associated Mn and Cr enrichments in some iron formation and limestone samples, suggest periodic oxygenation of the water column, at least locally.

The mild but significant authigenic enrichment of certain redox-sensitive trace elements (i.e., Mo, V, U, and Cr) in carbonates and iron formations further suggest redox cycling under mildly oxic water column conditions. The carbon and oxygen stable isotope compositions of the carbonates are mineralogically and water-depth-controlled; stromatolitic dolostone shows evidence of meteoric water interaction during dolomitization, while the deeper water limestone appears to have captured the isotopic signature of the open ocean DIC pool.

The carbon stable isotope data are examined in a global mass balance model that reveals that the Mesoarchean carbon cycle must have been dramatically different than today. Multiple sulfur isotope data indicates that the sulfide-rich shales preserved at Red Lake possess typical Mesoarchean isotopic compositions, with contributions from juvenile sulfur along with atmospherically processed elemental sulfur and sulfate.

Overall, this work provides important new context for Mesoarchean ocean chemistry, carbon and metal cycling, and the occasional presence of oxygen during the earliest history of significant carbonate sedimentation on Earth.

 

Résumé

L'assemblage mésoarchéen (2,87 Ga) de Ball de la ceinture de roches vertes de Red Lake (craton Supérieur, nord-ouest de l'Ontario, Canada) préserve la plus ancienne plate-forme carbonatée épaisse connue de la Terre. Ici, un assemblage carbonaté diversifié de 290 m d'épaisseur, composé de dolomies stromatolitiques et de calcaires massifs, ainsi que de roches chimiques et siliciclastiques associées, constitue la plate-forme carbonatée de Red Lake, qui offre une occasion unique de comprendre la biogéochimie marine du Mésoarchéen au début de l'usine carbonatée de la Terre.

Cette thèse de doctorat présente des analyses sédimentologiques, élémentaires et isotopiques de cinq forages carottés capturant une variété de sédiments déposés dans des eaux peu profondes, sur la pente de la plate-forme et en eaux profondes. Les données sur les éléments majeurs démontrent clairement les réponses sédimentologiques et géochimiques aux changements du niveau de la mer et à la chimie de la colonne d'eau.

La systématique des éléments des terres rares des divers lithofaciès révèle des signatures d'eau de mer de type moderne, mais avec des caractéristiques supplémentaires propres à l'eau de mer archéenne.

• L'absence générale d'anomalies en Ce témoigne des conditions anoxiques qui prévalent, tandis que des anomalies en Eu révèlent l'influence des apports hydrothermaux à haute température dans le bassin.
• La présence occasionnelle d'oxygène dans la colonne d'eau est déduite de rares anomalies de Ce, tant positives que négatives, et, avec les enrichissements en Mn et Cr associés, suggère une oxygénation périodique de la colonne d'eau, au moins localement.

L'enrichissement authigène de certains oligo-éléments sensibles à l'oxydoréduction (Mo, V, U et Cr) suggère également des conditions de colonne d'eau légèrement oxique. Les compositions en isotopes stables du carbone et de l'oxygène des carbonates sont contrôlées par la minéralogie et la profondeur de l'eau ; la dolomie montre des signes d'interaction avec l'eau météorique pendant la dolomitisation, tandis que le calcaire des eaux plus profondes semble avoir capturé la signature isotopique l'océan ouvert.

Les données sont examinées dans le cadre d'un modèle de bilan de masse global qui révèle que le cycle du carbone au Mésoarchéen devait être radicalement différent de celui d'aujourd'hui. Les données isotopiques multiples du soufre indiquent que les schistes riches en sulfures préservés à Red Lake possèdent des compositions isotopiques typiques du Mésoarchéen, avec des contributions de soufre juvénile ainsi que de soufre élémentaire et de sulfate transformés par l'atmosphère.

Dans l'ensemble, ces travaux fournissent un nouveau contexte important pour la chimie océanique du Mésoarchéen, les cycles du carbone et des métaux, et la présence occasionnelle d'oxygène au cours de la première histoire de sédimentation carbonatée significative sur Terre.

Composition du jury

• Lalonde Stefan, Chargé de Recherche, Université de Bretagne Occidentale
• Mason Paul, Professeur, Université d'Utrecht (Pays-Bas)
• Rabineau Marina, Directrice de Recherche, Université de Bretagne Occidentale
• Schroeder Stefan, Senior Lecturer, Université de Manchester (Royaume-Uni)