• Océanographie: les deux types de mécanismes de croissance du squelette des organismes marins calcifiants influencent la signature isotopique en éléments trace de ces squelettes!____¤201703

     

    Une étude, dont les résultats intitulés «Impact of amorphous precursor phases on magnesium isotope signatures of Mg-calcite» ont été publiés dans la revue Earth and Planetary Science Letters, a permis de montrer que les deux types de mécanismes de croissance du squelette des organismes marins calcifiants ont une incidence sur la signature isotopique en éléments trace de ces squelettes, une signature qui est exploitée pour obtenir des informations sur l’environnement passé de notre planète.

     

    Rappelons tout d'abord qu'on sait depuis peu que, si «la croissance du squelette des organismes marins calcifiants se fait en général par cristallisation directe du carbonate de calcium», elle peut «aussi se faire par l’intermédiaire d’une phase précipitée amorphe du carbonate de calcium». Ces squelettes calcifiés «formés dans un passé plus ou moins lointain par certains organismes vivant dans l’océan» sont intéressants car ils sont «aujourd’hui des témoins précieux de l’histoire et du fonctionnement des enveloppes superficielles de notre planète».

     

    Comme la «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», nombre d’essais de cristallisation de carbonates de calcium (CaCO3) «ont été réalisés en laboratoire pour calibrer ces indicateurs».

     

    Cependant, lors «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». Néanmoins, ces essais «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».


    De ce fait, ces dernières années, à la suite de 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», un nouveau modèle de formation des carbonates a été développé: «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».



    Pour «comprendre et quantifier les implications de cette stratégie de minéralisation choisie par nombre d’organismes marins», l'étude ici présentée «a analysé le 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», grâce à «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)».



    Il est ainsi apparu «que les calcites obtenues sont plus riches en magnésium lorsque la cristallisation s’effectue par l’intermédiaire d’un précurseur amorphe». De plus, 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», tandis qu'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».

     

    En conséquence, ces observations conduisent à conclure «que les mécanismes de croissance des organismes calcifiants affectent significativement la signature isotopique de leur squelette et donc son interprétation paléo-environnementale». Alors que «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», l'élucidation «du message laissé par les squelettes des organismes utilisant un précurseur amorphe est bien plus délicate».

     

    En effet, dans ce dernier cas, «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» et «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».


    Cette étude montre donc essentiellement «que l’utilisation des compositions isotopiques des bio-carbonates comme archives de leur environnement» nécessite l'examen précis «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».

     

     


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