Development and use of the measurement of europium isotopes to study the evolution of hydrothermal activity in the oceans
Développement et application de la mesure des isotopes de l'europium pour étudier l'évolution de l'activité hydrothermale dans les océans
Résumé
Submarine hydrothermal activity is the result of the circulation of water in the oceanic lithosphere. It is in the vicinity of hydrothermal vent sites that life on Earth may have originated. Studying the evolution of hydrothermal activity is therefore important for understanding the geological and biological history of our planet. Europium (Eu) is a unique rare earth element (REE). Unlike other REEs, which are stable in the 3+ valence, Eu can change valence and be stable in the Eu2+ form, making it easier to mobilize in fluids than other REEs. This leads to anomalies in the elemental concentrations of Eu. The physico-chemical conditions required for the valence change of Eu correspond to those under which hydrothermal fluids leach the oceanic crust (T > 200°C, reducing and anoxic environment). A positive europium anomaly is systematically observed in modern hydrothermal fluids and associated precipitates and is used to trace the hydrothermal contribution. A positive Eu anomaly is observed in the banded iron formations (BIFs), which are Archean hydrogenetic sediments. The modern hydrogenetic precipitates have no Eu anomaly. The contribution of hydrothermal activity in the Precambrian oceans, as recorded in the BIFs, was probably greater than today. However, the Eu anomaly does not allow these processes to be quantified. With this in mind, we have developed a method to measure the isotopic composition of Eu. The protocol developed in this thesis allows us to obtain an overall repeatability of the order of 0.05 δ (2SD), including the chemistry for the separation of Eu and its measurement by multi-collection inductively coupled plasma mass spectrometry. The first measurements on modern banded iron formations and hydrothermal precipitates are reported in this paper. They show that only these samples have heavy europium isotopic compositions (δ153/151Eu > 0 ‰). Modern hydrogenetic precipitates have unfractionated isotopic compositions similar to the terrigenous igneous and sedimentary rocks measured in this study (δ153/151Eu = 0±0.05‰). We propose that europium fractionation occurs during the leaching of oceanic crust, specifically due to the valence change of Eu. The isotopic composition of Eu in the BIFs, which are Precambrian hydrogenetic precipitates, appears capped and constant (δ153/151Eu = 0.27±0.05 ‰, (2SD), n = 15) over the whole Archean period which may indicate (i) a stable isotopic composition of hydrothermal fluids over the whole Archean, This may indicate (i) a stable isotopic composition of hydrothermal fluids throughout the Archean, whatever the deposition and iron content of the different bands that form the BIFs, (ii) a longer residence time for Eu in the Archean oceans, (iii) a levelling off of isotopic fractionation due to the different physico-chemical conditions of Archean hydrothermal fluids compared with modern hydrothermal fluids. This isotopic composition is lower than the isotopic composition of modern hydrothermal precipitates as we measured a maximum δ153/151Eu of 0.51±0.01 ‰ (2SD) in an Atlantic Ocean hydrothermal precipitate. An isotopic binary mixture, carried out with the first measurements of Eu isotopic compositions in BIFs and modern hydrogenetic and hydrothermal precipitates, suggests that Archaean hydrothermal fluids contributed 0.04-0.5% to the chemical composition of the oceans, compared with 0% today. Finally, the isotopic composition of Eu is a more robust tool than the Eu concentration anomaly in terms of the secondary processes that can affect Precambrian rocks. This new tracer seems promising for studying the evolution of hydrothermal activity in the oceans.
L'activité hydrothermale sous-marine est la résultante de la circulation d'eau dans la lithosphère océanique. C'est à proximité des sites hydrothermaux que la vie sur Terre aurait pu apparaître. L'étude de l'évolution de l'activité hydrothermale est donc importante pour mieux comprendre l'histoire géologique et biologique de notre planète. L'europium (Eu) est une terre rare (REE) particulière. A la différence des autres REEs stables en valence 3+, l'Eu peut changer de valence et être stable sous la forme Eu2+, devenant plus facilement mobilisable dans les fluides par rapport aux autres REEs. Ceci engendre des anomalies de concentrations élémentaires en Eu. Les conditions physico-chimiques nécessaires au changement de valence de l'Eu correspondent à celles dans lesquelles les fluides hydrothermaux lessivent la croûte océanique (T > 200 °C, environnement réducteur et anoxique). Une anomalie positive en europium est systématiquement observée dans les fluides hydrothermaux modernes et les précipités associés et est utilisée pour tracer la contribution hydrothermale. Une anomalie positive en Eu est observée dans les formations de fer rubanées (BIFs) qui sont des sédiments hydrogénétiques archéens. Les précipités hydrogénétiques modernes eux ne possèdent pas d'anomalie en Eu. La contribution de l'activité hydrothermale dans les océans précambriens, telle qu'enregistrée dans les BIFs, était vraisemblablement plus importante qu'aujourd'hui. Cependant l'anomalie en Eu ne permet pas de quantifier ces processus. Dans ce but nous avons développé la mesure de la composition isotopique de l'Eu. Le protocole développé au cours de cette thèse, incluant la chimie de séparation de l'Eu et sa mesure par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif en multi-collection, permet d'obtenir une répétabilité totale de l'ordre de 0,05 δ (2SD). Les premières mesures sur les formations de fer rubanées et les précipités hydrothermaux modernes sont reportées dans cette thèse. Elles montrent que seuls ces échantillons ont des compositions isotopiques lourdes en europium (δ153/151Eu > 0 ‰). Les précipités hydrogénétiques modernes ont des compositions isotopiques non fractionnées au même titre que les roches ignées et sédimentaires terrigènes mesurées dans cette étude (δ153/151Eu = 0±0,05‰). Nous proposons que le fractionnement de l'europium survienne lors du lessivage de la croûte océanique, plus précisément à cause du changement de valence de l'Eu. La composition isotopique de l'Eu dans les BIFs, qui sont des précipités hydrogénétiques précambriens, apparaît plafonnée et constante (δ153/151Eu = 0,27±0,05 ‰, (2SD), n = 15) sur l'ensemble de la période archéenne ce qui peut indiquer (i) une composition isotopique stable des fluides hydrothermaux sur l'ensemble de l'Archéen, quel que soit le dépôt et la teneur en fer des différentes bandes qui forment les BIFs, (ii) un temps de résidence plus long de l'Eu dans les océans archéens, (iii) un plafonnement du fractionnement isotopique à cause de conditions physico-chimiques différentes des fluides hydrothermaux archéens par rapport aux fluides hydrothermaux modernes. Cette composition isotopique est inférieure à la composition isotopique des précipités hydrothermaux modernes puisque nous avons mesuré un δ153/151Eu maximum de 0,51±0,01 ‰ (2SD) dans un précipité hydrothermal de l'océan Atlantique. Un mélange binaire isotopique, réalisé avec les premières mesures de compositions isotopiques de l'Eu dans les BIFs et les précipités hydrogénétiques et hydrothermaux modernes, suggère que les fluides hydrothermaux archéens contribuaient à la composition chimique des océans à hauteur de 0,04 à 0,5 %, contre 0 % aujourd'hui. In fine, la composition isotopique de l'Eu est un outil plus robuste que l'anomalie de concentration en Eu face aux processus secondaires pouvant affecter les roches précambriennes. Ce nouvel outil semble prometteur pour étudier l'évolution de l'activité hydrothermale dans les océans.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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