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Thèse Année : 2024

Comparative microscopic signatures of microbial and abiotic alterationof calcite

Signatures microscopiques comparées de l’altération microbienne et abiotique de la calcite

Luca Stigliano
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1389014
  • IdRef : 277419050

Résumé

Studying the topography of altered rock surfaces represents a cornerstone for reconstructing past environmental conditions and for the identification of traces of life in the geological record, on Earth and beyond. Indeed, the surface microtopography of altered minerals has proven effective in retaining signatures of fluid-mineral interactions. For example, etch pits are among the commonly accepted signatures of interactions between a highly undersaturated aqueous fluid and a mineral surface. However, additional imprints of water-mineral interactions remain to be defined. On a similar note, weathering imprints supposedly left by microorganisms have been proposed as potential biosignatures. These include etching features and microchannels resembling microbes in ‘size, shape and distribution’. Neverthless, it has been shown that qualitatively similar surface features can also be reproduced through purely abiotic processes. Therefore, it becomes crucial to develop less ambiguous criteria to differentiate between abiotic and biotic weathering features. In this PhD thesis, these questions were addressed through a combination of experimental and modeling approaches. Calcite dissolution experiments were carried out at various saturation states, both under abiotic conditions and with a cyanobacteria biofilm covering the calcite surface. Time-resolved statistical analyses of the resulting surface topography acquired using vertical scanning interferometry were then conducted. The results suggested that the steady-state surface roughness resulting from dissolution can be used as a proxy to back-estimate the saturation state of the fluid. In this context, stochastic modeling of crystal dissolution helped defining the relaxation time that is required for the surface microtopography to switch from a given steady-state configuration to another, as a result of a change in the solution composition. This suggested that the microtopography of naturally weathered minerals may be representative of the fluid composition most recently visited. Furthermore, the experimental results showed that statistical characterizations of the surface microtopography of altered minerals can be used to quantitatively -thus less ambiguously- detect bio-weathering imprints. Specifically, at far-from-equilibrium conditions, biofilm-mediated dissolution led to the formation of high-elevation regions across the calcite surface, which could be quantitatively detected by semi-variogram analyses. Atomic-scale stochastic simulations of the dissolution process suggested that these bio-weathering features resulted from a local increase in fluid saturation state at the biofilm-mineral contact, leading to a localized reduction in dissolution rate. Altogether, this work provides novel, mechanistically-supported quantitative criteria that may help reconstruct past weathering conditions and identify mineral bio-weathering signatures in natural settings in a non-destructive and less ambiguous way.
L'étude de la surface des minéraux altérés et, en particulier, leur topographie, joue un rôle fondamental dans la reconstitution des conditions environnementales passées et dans la détection de traces de vie dans l’enregistrement géologique, sur Terre et au-delà. En effet, on sait que la microtopographie de surface des minéraux altérés peut conserver des signatures caractéristiques des conditions dans lesquelles ont pu se dérouler leurs interactions avec des solutions aqueuses. Par exemple, les puits de corrosion figurent parmi les signatures admises des interactions entre un fluide aqueux fortement sous-saturé et une surface minérale. Toutefois, d'autres empreintes d'interactions fluides-minéraux restent à définir. Dans le même ordre d'idées, des empreintes microtopographiques spécifiques ont déjà interprétées comme résultant de l’interaction entre micro-organismes et surfaces minérales : en particulier, il a été suggéré que les puits et microcanaux ressemblant à des micro-organismes en termes de ‘taille, forme et distribution’ pouvaient constituer des biosignatures. Cependant, il a été démontré que des caractéristiques de surface qualitativement similaires peuvent également être reproduites par des processus purement abiotiques. Il apparait donc crucial de développer des critères plus univoques pour différencier les caractéristiques d'altération abiotiques et microbiennes. Dans le cadre de cette thèse, ces questions ont été abordées en combinant des approches expérimentales et de modélisation. Des expériences de dissolution de calcite ont été réalisées à divers états de saturation du fluide, à la fois dans des conditions abiotiques et avec un biofilm de cyanobactéries couvrant la surface de la calcite. Des analyses statistiques de la topographie de surface résultante, déterminée au cours du temps à l'aide d’un interféromètre à balayage vertical, ont ensuite été effectuées. Les résultats suggèrent que la rugosité de surface à l'état stationnaire résultant de la dissolution peut être utilisée comme un traceur caractéristique de l'état de saturation du fluide. Dans ce contexte, une modélisation stochastique de la dissolution de la calcite a permis de définir le temps de relaxation nécessaire pour que la microtopographie de surface passe d'une configuration d'équilibre à une autre, en réponse à un changement de composition de la solution. Les résultats suggèrent que la microtopographie des minéraux altérés dans le milieu naturel peut être représentative de la composition du dernier fluide en contact avec le minéral. En outre, les résultats expérimentaux ont montré que les caractérisations statistiques de la microtopographie de surface des minéraux altérés peuvent être utilisées pour détecter quantitativement – et donc de manière moins ambiguë - les empreintes de bio-altération. Plus précisément, dans des conditions loin de l'équilibre, la dissolution sous biofilm a conduit à la formation de régions surélevées de la surface de la calcite, mises en évidence par l’utilisation d’outils statistiques d’analyse de la rugosité tels que des variogrammes. Des simulations stochastiques à l'échelle atomique du processus de dissolution suggèrent que ces caractéristiques d’altération biotique résultaient d'une augmentation locale de l'état de saturation du fluide au contact du biofilm avec le minéral, entraînant une réduction localisée de la vitesse de dissolution. Dans l'ensemble, ce travail introduit des critères quantitatifs et mécanistes novateurs pour reconstituer les conditions environnementales passées et pour identifier des biosignatures dans l’enregistrement géologique, sur Terre et au-delà, de manière plus univoque et à l’aide d’outils non-destructifs.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04600456 , version 1 (04-06-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04600456 , version 1

Citer

Luca Stigliano. Comparative microscopic signatures of microbial and abiotic alterationof calcite. Earth and Planetary Astrophysics [astro-ph.EP]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. English. ⟨NNT : 2024GRALU004⟩. ⟨tel-04600456⟩
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