Origine de l'oxygène

L'atmosphère terrestre est originale. Contrairement aux atmosphères de Vénus et de Mars, très riches en CO₂ (respectivement 97 % et 95 % de ce gaz), l'atmosphère terrestre en contient très peu (0.038 %), elle est riche en diazote (78 %) et en dioxygène (21 %).

 Quel est l'origine de cet atmosphère ?

• Première hypothèse:
  l'atmosphère proviendrait de la nébuleuse solaire. Dans cette hypothèse, on devrait retrouver une grande quantité d'hydrogène et  d'hélium, or ces  gaz sont pratiquement absents dans l'atmosphère terrestre. Brown en 1952 remarqua que la quantité de gaz rares normalisée au silicium total de la Terre solide étaient respectivement  10⁷ et 10¹¹ fois plus faible en Xe et en Ne que dans le système solaire.
  Alors, si la Terre a eu une telle atmosphère dite primaire, elle l'a perdu. La gravité de la Terre étant trop faible pour maintenir des gaz si légers  auraient été balayés par le vent solaire. Brown introduisit alors l'idée d'une atmosphère secondaire.
• Deuxième hypothèse:
  L'atmosphère proviendrait d'un dégazage précoce de la Terre. En 1951, Rubey essaya de montrer que l'atmophère terrestre pouvait provenir de la Terre elle-même, et notamment de l'altération du granite (roche qui contient effectivement des éléments volatils) mais sa conclusion fut que le volume de roches estimé ne pouvait avoir fourni la quantité de gaz atmosphérique. Il considéra alors comme nouvelle hypothèse, le volcanisme. Effectivement la composition des gaz volcaniques pouvait expliquer la composition de l'atmosphère terrestre. Il proposa l'origine volcanique. Le dégazage progressif aurait permis une augmentation de la pression atmosphérique.
  Les études récentes confirme cette hypothèse en démontrant un dégazage très rapide.
  Lors d'un forage au nouveau Mexique, Butler en 1963, découvrit  un excès de Xénon-129 par rapport à la composition isotopique atmosphérique, résultat confirmé par Allègre en 1982.
  L'isotope ¹²⁹Xe est produit par la désintégration de l'iode-129 présent dès l'origine de la Terre. La demi-vie de l'iode 129 est de 17 millions d'années. Compte-tenu de son abondance, les géologues estiment que l'iode 129 avait totalement disparu 200 millions d'années après formation de la Terre. L'excès de xénon dans les roches s'explique par le fait qu'il a été piégé dans celles-ci  avant la désintégration totale de l'iode-129 soit environ 160 millions d'années après la formation de la Terre.
  L'étude d'autres éléments tel l'argon montre que le dégazage s'effectue toujours mais à vitesse très lente. Ainsi le dégazage s'est effectué principalement lors des 160 premiers millions d'années et il se poursuit actuellement.

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Origine du dioxygène.

 

Dans les hautes couches de l'atmosphère, H₂O peut se dissocier. H₂, trop léger est perdu et l'atmosphère s'enrichit peu à peu en O₂.  Ce processus est trop lent pour expliquer la concentration actuelle de l'atmosphère en dioxygène qui provient donc essentiellement de la photosynthèse même si ce n'est pas forcément avec exactement les mêmes mécanismes que ceux que nous connaissons aujourd'hui.

CO₂ + H₂O + énergie solaire==>  CH₂O (hydrate de carbone) + O₂

 Oxygénation de l'atmosphère

Dans les premiers âges de la Terre, soit entre -4000 et -2500 Ma, on pense que la production O₂ atmosphérique n'était effectuée que par l'action du rayonnement UV . Il y a 2200 Ma, les évaluations du taux de dioxygène sont de 0,15% du niveau actuel dans l'atmosphère. Les premières traces d'oxydation  sont apparues dans l'hydrosphère  vers 2000 Ma.

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Indices de l'apparition de la photosynthèse:

Des structures semblables aux algues bleues ont été mises en évidence par F.S. Barghoorn en Afrique du Sud dans des stromatolites datés de 3100 Ma (Fig Tree ). Dans ces formations calcaires, on trouve des molécules de phytane et de pristane qui sont issues de la rupture de la molécule de chlorophylle. Elles seraient donc la preuve indirecte de l'existence d'une photosynthèse émettrice de dioxygène.

Cette information est corroborée par trois phénomènes:

• Absence de couches rouges avant 2000 Ma (Teneur en dioxygène très faible, insuffisante pour oxyder du fer)
• Disparition des dépôts d'uranite après 2 Ga (le dioxygène en oxydant l'uranite la rend soluble).
• Modification du rapport du carbone.
    Il existe deux isotopes stables du carbone,  ¹²C et ¹³C dont on sait aujourd'hui déterminer le rapport ¹³C / ¹²C dans la matière minérale ou organique.  Ce rapport est souvent exprimé par rapport à un échantillon standard ainsi :

Lorsque les organismes actuels effectuent la photosynthèse, ils utilisent de préférence le ¹²C. Il en résulte que le rapport ¹³C / ¹²C de la matière organique produit par photosynthèse est inférieur au rapport du standard : leur delta ¹³C est donc négatif.

Schidlowski a fait le bilan de toutes les déterminations du delta ¹³C effectuées, voir le graphique ci-dessous.

Dans la formation d'Isua, le delta ¹³C moyen des matières organiques est de l'ordre de -10   , donc très supérieur à l'actuel qui est d'environ - 25 l'activité photosynthétique était donc très faible il y a 3800 Ma. Il y a 3500 Ma, le delta ¹³C moyen des matières organiques fossiles baisse à - 25. Ce changement est dû à l'activité photosynthétique, aucune autres modifications isotopiques de l'environnement n'ayant été enregistrées puisque le delta ¹³C des calcaires ne change pas, restant à sa valeur actuelle de 0 .

Quels sont les principaux fournisseurs de ce dioxygène ?  les bâtisseurs de stromatolites

Sources de l'information :

• Chroniques de la vie sur Terre pendant quatre milliards d'années - Hugo Fournier - Editions Publibook
• L'environnement de la Terre primitive. Presse universitaire de Bordeau. Sous la direction de Muriel Gargand, Didier Despois, Jean-Paul Parisot.
• Cours en ligne de géologie de l'université de Laval

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