Le cycle océanique Mésozoïque de la silice – un nouvel aperçu par la mesure in situ des isotopes du silicium et de l’oxygène de la silice de radiolaires par SIMS (spectrométrie de masse à ionisation secondaire) dans les radiolarites

Thèse soutenue par Maximilien Bôle, le 24 mai 2018, Institut des sciences de la Terre (ISTE)

Les radiolaires, formant les radiolarites, furent les principaux organismes exportateurs de silice dans les océans du Mésozoïque. Ils ont donc eu un rôle important dans le passé et plus particulièrement pour le cycle océanique de la silice. Pendant le Cénozoïque, ils furent surplantés par les diatomées qui sont les organismes siliceux dominants depuis lors. Des études précédentes ont révélé que les diatomées exportent préférentiellement le silicium léger (²⁸Si) léger sur le silicium lourd (³⁰Si).

Par conséquence, la signature isotopique du silicium (?³⁰Si) reflète potentiellement la paléo-productivité et plus particulièrement la paléo-productivité siliceuse. Une haute productivité siliceuse serait, dans ce cas, associée à des ?³⁰Si plus hautes dans les squelettes des organismes siliceux, si l’extraction de silice n’est pas compensée par une source de silice légère. Le ?³⁰Si des squelettes de diatomées semble effectivement enregistrer leur productivité et nous avions pour but de tester cette hypothèse pour les radiolaires du Mésozoïque.

Dans ce but, nous avons développé une méthode de mesure du ?³⁰Si et du ?¹⁸O (signature isotopique de l’oxygène) de la silice de radiolaires in situ pas SIMS dans des radiolarites Mésozoïques, et ensuite nous avons évalué la pertinence de ces mesures. Comme les radiolarites sont produites par des processus diagenétiques de dissolution-reprécipitation à partir de l’opale biogène, nous avons d’abord étudié le ?¹⁸O, car l’oxygène est généralement plus sensible aux exchanges isotopiques. Nous avons découvert que le ?¹⁸O mesuré dans les radiolarites préservait une composante environnementale. Cette préservation est importante parce qu’elle indique que les signatures isotopiques n’ont pas été effacées par des fluides diagenétiques.

Ensuite, nous avons étudié la préservation du ?³⁰Si dans les radiolarites. Des convergences ont été observé entre le ?³⁰Si de plusieurs séries sédimentaires de même âge prélevés dans des unités géologiques lointaines, suggérant que les variations du ?³⁰Si sont plutôt globales et non locales. Nous avons comparé nos résultats ?³⁰Si avec des courbes de référence isotopiques (?¹⁸O, ?¹³C et ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) et avec des estimations des taux d’enfouissement de la silice pour déterminer les causes de ces variations.

Ces comparaisons ont confirmé que la silice océanique était en équilibre dans les océans du Mésozoïque. Nous avons observé des faibles ?³⁰Si associés avec des taux d’extractions élevés et des ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr élevés. Ceci peut être expliqué par l’addition de silice fraiche par les rivières (faible ?³⁰Si et ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr élevés). Ces apports de silice par les rivières dépendent du climat mais aussi des roches exposées à l’altération. Dans une coupe, nous avons pu observer des covariations du ?³⁰Si et des éléments traces, supportant que les faibles ?³⁰Si sont associés avec une haute paléo-productivité marine. Ceci est cohérent avec une augmentation de la productivité proportionnelle aux les nutriments apportés par les rivières.

Durant notre recherche, nous avons aussi noté que, lorsque la productivité des radiolaires chute de manière non proportionnelle à l’apport des rivières, le ?³⁰Si chute à cause d’une moindre extraction de silicium léger par les radiolaires. Notre travail montre clairement que le ?³⁰Si, en conjonction avec d’autres isotopes, peut permettre de mieux comprendre les changements environnementaux qui ont eu lieu dans le passé et donc de mieux comprendre les changements environnementaux successibles d’arriver dans le futur.