La stratégie de croissance des organismes marins calcifiants impacte le message que transmet leur squelette

Mardi, 28 février 2017

Si la croissance du squelette des organismes marins calcifiants se fait en général par cristallisation directe du carbonate de calcium, on sait depuis peu qu’elle peut aussi se faire par l’intermédiaire d’une phase précipitée amorphe du carbonate de calcium. Ces deux types de mécanismes ont-ils une incidence sur la signature isotopique en éléments trace de ces squelettes, signature exploitée par les chercheurs pour obtenir des informations sur l’environnement passé de notre planète ? La réponse est oui, ainsi que viennent de le démontrer des chercheurs de l’Institute of applied geosciences (Graz, Austria), du laboratoire Géosciences environnement Toulouse (GET/OMP, UPS / CNRS / IRD / CNES / BRGM) et de l’Institute of geology, mineralogy and geophysics (Bochum, Germany), en quantifiant pour la première fois les effets de ces mécanismes sur le fractionnement isotopique du magnésium lors de sa co-précipitation avec le carbonate de calcium.

Les squelettes calcifiés formés dans un passé plus ou moins lointain par certains organismes vivant dans l’océan sont aujourd’hui des témoins précieux de l’histoire et du fonctionnement des enveloppes superficielles de notre planète. Leur teneur en éléments trace, par exemple les rapports B(bore)/Ca(calcium) et Mg(magnésium)/Ca, ainsi que la composition isotopique de ces mêmes éléments au sein de ces squelettes permettent de remonter au pH des océans anciens, au degré de sursaturation de ces derniers par rapport à la calcite et ainsi à la teneur en CO2 de l’atmosphère passée ou encore à l’évolution temporelle de l’altération à la surface des continents.
En conséquence, nombre d’essais de cristallisation de carbonates de calcium (CaCO3) ont été réalisés en laboratoire pour calibrer ces indicateurs. Au cours de tous ces essais, qui ont porté sur la cristallisation d’échantillons inorganiques et d’échantillons biologiques à partir de cultures d’organismes marins (coraux, foraminifères, coccolithophores…), la formation des cristaux de CaCO3 s’est effectuée suivant le mécanisme classique de croissance cristalline, lequel implique l’attachement ion par ion des solutés aux aspérités, marches et saillies présentes à la surface du cristal. Ces essais cependant n’ont pas toujours permis d’expliquer de manière satisfaisante certaines différences marquées entre les compositions chimique (notamment les teneurs en magnésium) et isotopique (B, Mg…) des carbonates marins et celles des carbonates formés en laboratoire.
Au cours des années récentes, un nouveau modèle de formation des carbonates a émergé, suite à la prise de conscience que nombre de squelettes d’organismes calcifiants (coraux, oursins, brachiopodes, ascidiens, gastéropodes…) se développaient selon des mécanismes de cristallisation non classiques. Dans ce type de cristallisation, la précipitation commence par la stabilisation d’une phase amorphe de carbonate de calcium (ACC), un intermédiaire réactionnel qui se transforme ensuite en un ou plusieurs polymorphes cristallisés de CaCO3 comme la calcite ou l’aragonite.

Afin de comprendre et quantifier les implications de cette stratégie de minéralisation choisie par nombre d’organismes marins, des géochimistes et des minéralogistes français (GET), allemands et autrichiens se sont associés pour mener une étude expérimentale du fractionnement des isotopes du magnésium (26Mg/24Mg) lors de sa co-précipitation avec le carbonate de calcium suivant deux stratégies de cristallisation, impliquant ou non la formation transitoire d’un précurseur amorphe. Cette expérimentation a nécessité la mise au point d’un dispositif expérimental original, permettant le suivi in situ par spectroscopie Raman de l’évolution au cours du temps du processus de cristallisation du carbonate de calcium (via ou non un intermédiaire amorphe).

Les résultats montrent que les calcites obtenues sont plus riches en magnésium lorsque la cristallisation s’effectue par l’intermédiaire d’un précurseur amorphe.
Ils montrent également que, lorsque la cristallisation ne se produit pas de manière classique, le fractionnement isotopique du magnésium entre le solide et le fluide (Δ26Mgsolide-fluide) augmente fortement lors de la transformation du carbonate amorphe en calcite puis de manière progressive tout au long de l’avancement de la réaction qui s’effectue alors dans des conditions proches de l’équilibre, et le fluide minéralisateur s’enrichit considérablement en 26Mg. En revanche, en condition de cristallisation directe, le fractionnement isotopique du magnésium entre la calcite et le fluide est dès le début fortement affecté par la cinétique initiale rapide de la cristallisation, mais il n’évolue que très peu par la suite et finalement le fluide minéralisateur s’enrichit beaucoup moins en 26Mg.



À la lumière de ces résultats, il apparait que les mécanismes de croissance des organismes calcifiants affectent significativement la signature isotopique de leur squelette et donc son interprétation paléo-environnementale. La signature des squelettes formés par précipitation directe de carbonates cristallisés reflète, moyennant la correction de l’effet cinétique, celle du milieu aquatique du moment de leur formation. En revanche, l’élucidation du message laissé par les squelettes des organismes utilisant un précurseur amorphe est bien plus délicate : d’une part, le fort fractionnement isotopique du magnésium entre le précurseur amorphe et le produit cristallisé fausse l’interprétation des analyses d’échantillons où coexistent ces deux phases ; d’autre part, l’analyse des échantillons entièrement cristallisés ne fournit d’information que sur le microenvironnement dans lequel s’est effectuée la cristallisation du précurseur amorphe et pas sur la composition du fluide au début de la formation du squelette.
Plus généralement, cette étude montre que l’utilisation des compositions isotopiques des bio-carbonates comme archives de leur environnement nécessite l’étude précise des différentes trajectoires possibles de bio-minéralisation et la mise en œuvre de moyens de nano-analyse (XANES, NanoSIMS…) permettant la caractérisation locale des phases solides et de leur composition isotopique.

Source(s): 

Mavromatis V., Purgstaller B., Dietzel M., Buhl D., Immenhauser A., Schott J. (2017) Impact of amorphous precursor phases on magnesium isotope signature in Mg-calcite. Earth Planet. Sci. Lett, doi.org/10.1016/j.epsl.2017.01.031.

Contact(s):
  • Vasileios Mavromatis, GET/OMP
    vasileios [dot] mavromatis [at] get [dot] omp [dot] eu, 05 61 33 26 31

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