Héritées de l’atmosphère primitive, des anomalies dans les abondances relatives des isotopes du soufre (32S, 33S, 34S et 36S) sont enregistrées dans les sédiments terrestres d’il y a plus de 2,5 milliards d’années (i.e. archéens). Nous évaluons ici la robustesse des isotopes du soufre à tracer le recyclage précoce de croûte océanique et de sédiments, transférés dans le manteau profond ou stockés dans le manteau lithosphérique depuis la mise en place de la subduction. En Sibérie, le manteau lithosphérique a été naturellement échantillonné par l’éruption de la kimberlite d’Udachnaya-Est. Extrêmement bien préservée, riche en Na, K, Cl, S et contenant des reliques de croûte océanique Archéenne, cette kimberlite nous permet de tester : (1) l’hypothèse du recyclage de soufre atmosphérique Archéen dans le manteau lithosphérique et/ou la source de cette kimberlite ; (2) la cohérences entre les méthodes in situ (SIMS dans les minéraux de sulfure) et bulk (extraction chimique du soufre et spectrométrie de masse à source gazeuse) pour les mesures multi-isotopiques du soufre. Nos résultats, complétés par des mesures isotopiques en Rb-Sr, Sm-Nd et plomb (204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb), montrent que : (1) les sulfates de la kimberlite et des nodules composés de chlorure-carbonate ont une origine magmatique profonde, non-contaminée par les sédiments encaissants, suggérant la présence de domaines oxydés et riches en sulfates dans le manteau ; (2) les mesures isotopiques du soufre par méthode bulk sont cohérentes avec les populations de sulfures observées in situ ; (3) les sulfures des kimberlites salées sont appauvris en 34S par rapport à la valeur chondritique et enregistrent de faibles anomalies isotopiques en soufre ; (4) les péridotites déformées contiennent d’autres sulfures appauvris en 34S, qui eux préservent des anomalies en 33S et 36S héritées de la surface archéenne, malgré un équilibrage isotopique du chronomètre U-Pb lors de l’éruption de la kimberlite / Inherited from the early atmosphere, anomalies in the relative abundances of sulfur isotopes (32S, 33S, 34S and 36S) are recorded in sediments older than 2.5 billion year (i.e. Archean). Here we test the robustness of sulfur isotopes to trace the early recycling of oceanic crust and sediments that may have been transferred to the deep mantle or stored in the lithospheric mantle since the onset of subduction. In Siberia, the lithospheric mantle has been naturally sampled by the Udachnaya-East kimberlite while it was erupting. Because it is extremely well preserved, rich in Na, K, Cl, S and contains remnants of oceanic crust recycled during the Archean, this kimberlite enables us to test : (1) the hypothesis of an early recycling of Archean atmospheric sulfur in the lithospheric mantle and/or the deeper source of the kimberlite; (2) the coherence between in situ (SIMS in sulfide minerals) and bulk methods (chemical extraction of sulfur from powdered rocks, followed by gas source mass-spectrometry) for measuring multiple sulfur isotopes. Our results, combined with measurements of Rb-Sr, Sm-Nd and lead (204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb) isotopes, show that: (1) sulfates from the Udachnaya-East kimberlite and its nodules composed of chloride-carbonate have a deep, magmatic origin, uncontaminated by host sediments, suggesting the presence of sulfate-rich, oxidized domains in the mantle; (2) measurements of sulfur isotopes by bulk methods are consistent with the sulfide populations observed in situ; (3) sulfides from salty kimberlites are depleted in 34S with respect to the chondritic value and record small anomalies in sulfur isotopes ; (4) sheared peridotites contain another population of sulfides that are depleted in 34S and preserve 33S and 36S anomalies inherited from the Archean surface, despite resetting of the U-Pb chronometer during kimberlite eruption

Les conditions oxydantes de la surface terrestre actuelle sont dues à la teneur élevée en dioxygène de l’atmosphère. Au début de l’histoire de la Terre il y a 4.54 milliards d'années (Ga), l’oxygène n’était pas stable dans l’atmosphère. Il a fallu deux épisodes d’augmentation brutale de ce gaz atmosphérique pour qu’il atteigne son niveau actuel : l’un vers 2.4 Ga, nommé le Grand Evènement Oxydant (GOE) qui fait l’objet de ce projet, l’autre 2 milliards d’années plus tard, nommé l’Evènement Oxydant Néo-protérozoïque (NOE). Le GOE est vraisemblablement le résultat de l’émersion généralisée de larges continents dont l’érosion libère le phosphate dans l’océan, un nutriment nécessaire à la production biologique, qui a donc permis l’explosion de la photosynthèse oxygénée. Ces deux hausses d’oxygène atmosphérique coïncident avec deux évolutions majeures dans l’histoire de la vie : (i) peu après le GOE, les eucaryotes sont apparus, alors que (ii) le NOE correspond à l’apparition des métazoaires et à l’explosion cambrienne. L’étude de ces phénomènes atmosphériques primitifs peut avoir d’importantes répercussions sur notre compréhension de l’origine et de l’évolution de la vie, qu’on estime principalement marine à cet âge. Les seules archives de ces temps primitifs sur Terre sont les roches sédimentaires. Pour savoir comment l’oxygénation de l’atmosphère a pu être reliée à cette vie marine, il faut tout d’abord comprendre comment l’océan a interagi avec l’atmosphère lors de cet évènement d’oxygénation. Cette question est au coeur de ce projet : comment le GOE a-t-il affecté les cycles biogéochimiques océaniques dont la vie est dépendante ? Nous nous sommes intéressés aux formations ferrifères litées ou BIFs (Banded Iron Formations). La chimie de ces roches marines fait écho à celle de l’océan contemporain à leur formation. Déterminer quantitativement la composition de l’océan à partir de celles des sédiments, même chimiques, est un défi quasiment impossible à relever y compris dans l’océan moderne. C’est pourquoi nous avons proposé de déterminer le temps de résidence d’éléments sensibles aux conditions redox de la surface, le soufre, le fer et le cuivre dans l’océan pré-GOE. Nous avons obtenu, par des séries temporelles, le spectre des fluctuations isotopiques de ces éléments enregistrées dans des carottes de formations ferrifères litées. La limite inférieure du spectre donne le temps de résidence de ces éléments dans l’eau de mer et fournit donc une indication solide sur la teneur de ces éléments dans l’océan à cette période. Nous avons analysé des échantillons protérozoïques proches de la limite Archéen-Protérozoïque du Transvaal (Afrique du Sud) et d’Hamersley (Australie). Des échantillons eoarchéens de Nuvvuagittuq (Canada) ont été récoltés mais n'ont pas pu être analysés faute de temps. / The present-day oxidizing conditions at Earth's surface are due to the high oxygen content of the atmosphere. However, oxygen was not always stable in the terrestrial atmosphere. Two distinct periods during which oxygen increased in a step-like manner were required to reach the current atmospheric oxygen level. The first, at about 2.4 Ga, is known as the Great Oxidation Event (GOE) and is at the core of this Ph.D. thesis. The other, occurring almost two billion years later, is called the Neo-Proterozoic Oxidation Event (NOE). The GOE likely is the result of the beginning widespread emergence of large continental expanses whose subsequent erosion gradually released phosphate into the ocean. Phosphate, a nutrient essential to organic production, in turn allowed the explosion of oxygenated photosynthesis. The GOE and NOE coincide with two major changes in the history of life. Shortly after the GOE, eukaryotes appeared, while the NOE corresponds to the appearance of metazoans and the Cambrian explosion. A better grasp of the GOE hence may have important implications for the understanding of the origin and evolution of life, which is thought to have been mainly marine at this stage in Earth history. The only records of the oxygen level during these ancient times are found in terrestrial sedimentary rocks. To understand how oxygenation of the atmosphere relates to marine life, we must first understand how the ocean was connected to the atmosphere during the GOE and how the GOE affected life-dependent ocean biogeochemical cycles. To this end we focused on banded iron formations (BIF). The chemistry of these sedimentary marine rocks directly reflects the chemistry of the contemporary ocean. Deriving quantitatively the composition of the ocean from a hydrogenous sediment is a challenge almost impossible to meet, even for the modern ocean. This is why we instead determined the residence time of redox-sensitive elements (in this case sulfur, iron, and copper) in the pre-GOE ocean. We specifically targeted the periods of isotopic fluctuations in these elements as recorded in BIF cores. The lower limit of the spectrum provides the residence time of these elements in seawater, hence giving a robust indication of their contents in the pre-GOE ocean. We sampled early Proterozoic BIF near the Archean-Proterozoic boundary in Transvaal (South Africa) and Hamersley (Australia), as well as Archean BIF from Nuvvuagittuq (Canada), though the latter were not analyzed during this thesis due to shortage of time.

De par sa position, le Golfe du Lion est un site idéal pour l’investigation des changements paléo-environnementaux et des processus affectant le dépôt sédimentaire. Les travaux antérieurs ont permis de mettre en évidence les impacts de la variabilité climatique et glacioeustatique sur l’organisation stratigraphique de la marge, mais également sur les exports terrestres de matière organique.L’étude isotopique du carbone organique et de l’azote de la matière organique dans les sédiments du forage PRGL1-4 nous a permis de mettre en évidence de forts exports fluviaux lors des interstades survenus au cours des 200 000 derniers milles ans. La mise en regard de cette découverte avec les enregistrements paléo-climatologiques terrestre et marin disponibles dans la région indique que ces forts exports fluviaux résultent d’une augmentation des précipitations le long de la bordure Nord Méditerranéenne. Grâce à la position dePRGL1-4, nous proposons que ces pluies soient le résultat d’une augmentation du passage de dépressions Nord Atlantique dans le bassin Ouest Méditerranéen.Une caractérisation des isotopes du soufre préservés dans la pyrite sédimentaire a été réalisée. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence une variation isotopique insoupçonnée, l’une des plus grandes observées de nos jours, dont la cyclicité semble indiquer un fort contrôle climatique. Nous proposons deux mécanismes influençant le fractionnement isotopique: une modulation de l’activité bactérienne par le climat, et/ou (ii) une modulation locale liée la nature des sédiments impliqués dans la formation des pyrites en lien avec les variations eustatiques. / By its position, the Gulf of Lion is an ideal location for investigation of past ecological changes and processes affecting the sedimentary deposition. Previous work has highlighted the impacts of climatic and glacio-eustatic changes on the GoL stratigraphic organization, but also on terrestrial exports of organic matter.This isotopic study based on the organic carbon and nitrogen preserved in PRGL1-4 sediments highlights important rivers runoff during warm periods of the last 200 000 years.Regional intercomparison with terrestrial and marine records indicates that these river exports resulting from an increase of precipitation over the North Mediterranean borderland.Using PRGL1-4 location, out of Mediterranean cyclogenetic area, we suggest that these pluvial events occurred in response to enhance passage of North Atlantic atmospheric perturbation into the Western Mediterranean basin.Pyrite sulfur isotopes investigations over the last 500 kyr have also been done. The stratigraphic variations (up to 76‰) in the isotopic data reported here are among the largest ever observed in pyrite, and are in phase with glacial-interglacial sea level. These results suggest that there exist important but previously overlooked depositional controls on sedimentary sulfur isotope records. Two different mechanisms influencing the isotopic fractionation can explain the observed dataset: a climatic modulation of the bacterial activity, and / or (ii) a local sedimentary modulation involve during early diagenetic formation of pyrite in relation with the eustatic variations.