Theme 2: Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir. Chapitre 1 : l atmosphère primitive et son évolution.

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1 Theme 2: Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir. Chapitre 1 : l atmosphère primitive et son évolution.

2 Tout a commencé, il y a 13.7 millards d années.

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5 La comparaison des gaz solaire et des gaz terrestres permet de conclure que l atmosphère terrestre ne porte plus la signature de la nébuleuse solaire, confortant l hypothèse d un Soleil jeune sans doute passé comme n importe quelle étoile de la séquence principale par la période de forte activité dite T. Tauri, plus lumineux qu aujourd hui de 10%, et dont le vent solaire plus violent aura expulsé à cette époque les atmosphères des planètes telluriques vers des régions plus lointaines.

6 Dégazage du manteau 1) 129 I 129 Xe +e -, réaction β - demi-vie λ = 17 Ma. 2) 40 K +e - 40 Ar + γ, capture électronique demi-vie λ = 1.2 Ga. 3) 3 H (Tritium) 3 He + e -, réaction β - demi-vie λ= 12 ans et 4 mois. les rapports 129 Xe/ 130 Xe ou 40 Ar/ 36 Ar, vont évoluer dans le temps avec la désintégration de le 129 I et de 40 K, jusqu'à épuisement du parent.

7 L étude des gaz rares permet de définir l origine des gaz de l atmosphère mais également la période où ils se sont accumulés Bilan: l'atmosphère terrestre s'est formée par un dégazage intense et précoce du manteau (probablement dans les cent premiers millions d'années qui ont suivi l'accrétion terrestre). Il a d abord été très rapide (voir apports de l étude du couple 40 Ar et 36 Ar). Ce dégazage s'est poursuivi par la suite mais d'une manière lente et continue.

8 Atmosphère initiale

9 On peut donc penser que l'atmosphère initiale était riche en eau, en dioxyde de carbone, en di azote, en dioxyde de soufre, mais qu'elle était dépourvue de dioxygène (il n'y en a ni dans les chondrites, ni dans les gaz volcaniques).

10 La formation des premiers océans

11 Après 300 à 400 Ma. d existence, peut-être même moins, la Terre s est suffisamment refroidie pour atteindre le point de condensation de l eau, soit 375 C à 260 atm. L atmosphère se condense en nuages, et pour la première fois, il pleut!( pendant des millions d années) La signature isotopique 18 O/ 16 O élevée de zircons datés de 4.3 à 4.4 Ga.. (Mojzsis et al 2001) témoigne d une hydratation conduisant à la formation d argiles recyclées dans le manteau, ce qui suggère qu un cycle hydrologique existait dès cette époque

12 La chute de la concentration en CO 2 HCO H+ H 2 O + CO 2 CO H + H 2 O + CO 2 Ils vont gérer le stockage du CO 2 atmosphérique dans l'océan qui vient de se former. L'ion Ca 2+ étant très abondant dans l'océan et le carbonate de calcium (CaCO 3 ) peu soluble, l apparition de l océan planétaire soustrait du CO 2 de l atmosphère et le stocke sous forme solide dans la géosphère. Ces premiers sédiments archéens montrent la texture caractéristique des carbonates précipités par saturation. Avec eux, l effet de serre peut enfin diminuer

13 Les pluies contiennent aussi beaucoup d'acides, HCl, H 2 SO 4, HNO 3. Elles vont changer la face du globe. Les acides attaquent les roches magmatiques et volcaniques terrestres, entraînant plus encore que de nos jours les éléments dissous, Si 4+, Al 3+, Mg ++, Fe ++, C a++, Na +, K +, vers quelque flaque qui se transforme rapidement en un océan qui couvre suppose-t-on 95% de la planète. Dans cette eau vont naître de nouvelles espèces minérales, résultant de l hydrolyse des roches : 1 -des argiles, fabriquées à partir des ions les moins solubles (Si 4+, Al 3+, Mg ++, Fe ++ ) ; 2 -des sels tels que les chlorures, NaCl ; 3 -des carbonates, qui vont jouer un rôle fondamental dans la composition de l atmosphère, piégeant le CO2 et réduisant ainsi l effet de serre d où baisse de la température.

14 Evolution de l atmosphère terrestre.

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16 Le passage d une atmosphère réductrice à une atmosphère oxydante. L uraninite a une origine continentale (origine détritique par l altération de roches contenant de l uranium). L uraninite est soluble dans les eaux oxygénées ; après l altération, les particules ont donc été transportées par les eaux continentales dépourvues de dioxygène puis ont sédimenté lorsque la vitesse du courant a diminué. Leur forme arrondie témoigne de ce transport sous forme de particules

17 Étude de 2 roches Les fers rubanés présentent un aspect laminé. On peut voir sur la photographie la présence de couches successives qui évoquent la précipitation successive de différents niveaux ferriques intercalés entre des niveaux siliceux. Cet aspect est compatible avec l hypothèse d une formation par précipitation chimique et sédimentation.

18 Des expériences pour comprendre l impact de l oxygène. La manipulation proposée indique que le fer peut exister sous deux formes ioniques en fonction de l oxygénation de l eau: Si l eau est désoxygénée, le fer est bivalent (Fe2+), cette forme est soluble; coloration noirâtre Si l eau est oxygénée, le fer est trivalent (Fe3+), cette forme ionique est insoluble, coloration brun rouge

19 Les fers rubanés indiquent donc que: avant 2,2 Ga, il n y a pas de dioxygène dans l air (le fer ne pourrait pas être transporté par les eaux douces) mais il y a du dioxygène dans les océans (sinon il n y aurait pas de précipitation). après 2,2 Ga, l absence de fers rubanés révèle un changement complet : l atmosphère devenue oxydante fait que le fer précipite en milieu continental. Il n est plus transporté dans les océans. Il se forme des sols rouges.

20 conclusion L'ensemble de ces «témoignages sédimentaires» permet donc d'affirmer que, si du dioxygène a été produit sur Terre à partir de - 4 Ga (début de la formation des fers rubanés), ce gaz n'est apparu de façon significative dans l'atmosphère que beaucoup plus tard. L atmosphère qu en à elle est devenue oxydante qu à partir de -2.2 Ga.

21 L'EVOLUTION DE L'ATMOSPHERE EST LIEE A CELLE DE LA VIE - des êtres vivants procaryotes - capables de réaliser la photosynthèse par photo-oxydation de l'eau -les premiers producteurs de dioxygène.

22 Stromatolithes, fossiles vieux de -3.5 Ga considérés comme la plus vieille roche 1) il piège les particules sédimentaires entre ses filaments; 2) il induit la cimentation des particules sédimentaires, grâce à son activité photosynthétique qui, en consommant du CO 2, abaisse la pression partielle de CO 2 dans ce micromilieux et favorise ainsi la précipitation du CaCO 3. 3) Les particules piégées sont donc soudées ensemble, pour finalement constituer une succession de croûtes solides qui vont former une roche qu'on appelle laminite cyanobactérienne.

23 Alors que le fer (Fe2 +) est soluble dans l eau, sa forme oxydée (Fe3+) est insoluble et précipite sous forme d hématite. La réaction peut s écrire : 4 FeO (Fe2+, soluble) + O2 2 Fe2O3 (Fe3+, insoluble) Cette réaction consomme de l O2 qui se trouve piégé sous forme d hématite au sein des BIF ; c est pourquoi on peut considérer les BIF comme des "puits chimiques" à O2.

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