Les galets de pyrite de l'Archéen du Witwatersrand (Afrique du Sud) et la teneur en dioxygène de l'atmosphère

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

03/10/2011

Résumé

Pyrite, sédimentation, oxydation et teneur en oxygène de l'atmosphère.


Figure 1. Conglomérat (poudingue) à galets de pyrite (FeS2) interstratifié avec des silts et argilites noires, Archéen du Witwatersrand, Afrique du Sud

Un micro-filon de quartz traverse en biais la moitié inférieure de l'échantillon. La pièce de 2 € donne l'échelle pour cette photo et les zooms qui suivent.

Échantillon : Pr. Hiroshi Ohmoto, Pennsylvania State University


Figure 2. Zoom sur un conglomérat (poudingue) à galets de pyrite (FeS2) interstratifié avec des silts et argilites noires, Archéen du Witwatersrand, Afrique du Sud

Un micro-filon de quartz traverse en biais la moitié inférieure de l'échantillon. La pièce de 2 € donne l'échelle pour cette photo et les zooms qui suivent.

Échantillon : Pr. Hiroshi Ohmoto, Pennsylvania State University 


Les conglomérats à galets arrondis (poudingue) se déposent à relative proximité d'un relief en proie à une érosion importante, mais suffisamment loin pour que le transport ait pu « arrondir » les angles des bords des blocs transportés. Ces galets se déposent quand la vitesse du courant qui les transporte (classiquement un torrent ou une rivière de montagne) ralentit fortement, en arrivant dans la mer par exemple. Les éléments les plus denses que sont des galets de pyrite vont se concentrer là où la puissance de transport des courants est la plus faible (rive convexe de méandre, fond de baie abritée…). Ces zones de concentration de minéraux lourds sont appelées « placers ». Ce sont eux que recherchent les chercheurs d'or des bords de rivière, car c'est là que se concentrent aussi les pépites d'or.

Le conglomérat à galets de pyrite (FeS2) présenté ici provient du Witwatersrand, en Afrique du Sud. Le Witwatersrand correspond à un bassin sédimentaire intracontinental d'environ 400 x 160 km (dimensions deux à trois fois inférieures à celles du bassin parisien). Il est rempli de sédiments essentiellement détritiques déposés en eaux peu profondes, ainsi que de quelques niveaux volcaniques. Là où la série est complète, ces sédiments ont une épaisseur de 7000 m (2 fois plus que le bassin parisien). Cette sédimentation a eu lieu à l'Archéen, entre -2,980 et -2,714 Ga (milliard d'années), soit pendant une durée de 266 Ma, une durée voisine de celle du fonctionnement du bassin parisien entre le Trias et l'Oligo-Miocène. Ce bassin sédimentaire n'est pas « intact » ; il a été intrudé par du magmatisme, affecté par des déformations, un hydrothermalisme et un métamorphisme « faible à moyen », choqué par un impact de 200 km de diamètre (Vredefort), et recouvert de sédiments plus récents. Les conglomérats à galets de pyrite se trouvent près de la base de la série sédimentaire, déposés vers -2,910 Ga. Ces couches à galets de pyrite contiennent aussi d'autres minéraux lourds « économiquement intéressants », sous forme graviers et sables (pechblende ~ uraninite ~ UO2) et de tout petits grains d'or natif, en général trop petits pour être visibles à l'œil nu et même au microscope.

L'échantillon de la figure 1 est particulièrement riche en galets de pyrite (de taille centimétrique), sans galets d'autre nature. Les échantillons hétérogènes sont plus fréquents ; hétérogènes en nature de galets (pyrite et quartz) et en granulométrie, comme l'atteste l'échantillon suivant, de l'Université de Stellenbosch (Afrique du Sud).

Figure 3. Conglomérat (poudingue) à galets de pyrite et de quartz, Archéen du Witwatersrand, Afrique du Sud

On voit que les galets de pyrite de taille centimétrique sont en fait des galets de « petite » taille qui servent de matrice à un conglomérats à « gros » galets de quartz. Comme l'échantillon de la figure 1, cet échantillon est traversé par des fentes remplies de quartz. Les 3 images suivantes sont des zooms sur cette face polie.

Échantillon : Univ. de Stellebosch ; photographie : Cynthia Sanchez-Garrido


Figure 4. Zoom sur un conglomérat à galets de pyrite et de quartz, Archéen du Witwatersrand, Afrique du Sud

On voit que les galets de pyrite de taille centimétrique sont également accompagnés de grains de pyrite de taille millimétrique ou inférieure, du sable pyriteux.

Échantillon : Univ. de Stellebosch ; photographie : Cynthia Sanchez-Garrido


Figure 5. Zoom sur un conglomérat à galets de pyrite et de quartz, Archéen du Witwatersrand, Afrique du Sud

On voit que les galets de pyrite de taille centimétrique sont également accompagnés de grains de pyrite de taille millimétrique ou inférieure, du sable pyriteux.

Échantillon : Univ. de Stellebosch ; photographie : Cynthia Sanchez-Garrido


Figure 6. Zoom sur un conglomérat à galets de pyrite et de quartz, Archéen du Witwatersrand, Afrique du Sud

On voit que les galets de pyrite de taille centimétrique sont également accompagnés de grains de pyrite de taille millimétrique ou inférieure, du sable pyriteux.

Échantillon : Univ. de Stellebosch ; photographie : Cynthia Sanchez-Garrido


Figure 7. Situation du Witwatersrand sur une carte géologique simplifiée de l'Afrique du Sud

Le Witwatersrand (et quelques autres formations identiques) correspond aux zones rouges au centre Est de l'Afrique du Sud, de part et d'autre de Johannesburg.

Le Witwatersrand contient les plus importants gisements d'or du monde, exploités par de nombreuses mines souvent très profondes, qui ont participé à la richesse de l'Afrique du Sud. Depuis sa découverte en 1886, environ 50 000 tonnes d'or ont été extraites de ces mines, soit environ 1/3 de tout l'or extrait depuis 5 000 ans par l'humanité, or des Égyptiens, des Incas, de la Banque de France et de nos bijoux et couronnes dentaires compris.

--> Un seul autre gisement de métal « usuel » dans le monde peut se « vanter » d'avoir fourni à lui seul une telle proportion de tout ce métal qu'on a extrait sur Terre depuis le début de l'âge des métaux. Nous vous laissons une semaine pour trouver de quel gisement il s'agit, et nous vous donnerons la semaine prochaine le nom de ce gisement et du métal (au moins aussi connu que l'or) qu'on y extrait. Un indice : ce gisement, en cours de fermeture, est exploité depuis au moins 2 500 ans.

Source : N. Keyser, dans le site de Jean François Moyen


L'échantillon présenté ici provient de l'une des mines du Witwatersrand. De tels échantillons riches en pyrite « fraiche » et non oxydée ne peuvent se récolter qu'en profondeur. En effet, ils s'oxydent très rapidement quand ils sont en surface en présence de l'oxygène atmosphérique et des bactéries ferroxydantes (voir Retrait glaciaire et oxydation de la pyrite, et la figure ci-après).

Figure 8. Illustration de « l'intransportabilité » de la pyrite par les cours d'eau

Cette image Google Earth provient des environs de Chizeuil, commune de Chalmoux (Saône et Loire). On y a exploité de la pyrite jusqu'en 1963. La tache blanche à gauche de l'image correspond à l'extrémité d'un terril, gros tas de déchets principalement constitué de quartz et de pyrite broyés, de granulométrie assez fine (< 1 cm). Cette pyrite s'oxyde en continu et devient oxyde ferrique. Ces terrils sont lessivés et les eaux gagnent le ruisseau voisin. À chaque grosse pluie d'orage, ce sable pyriteux est entraîné dans le ruisseau. Mais si on fouille le sable de ce ruisseau, on n'y trouve plus de pyrite, mais une boue et des dépôts rougeâtres d'oxydes ferriques hydratés. La pyrite n'est pas transportable par les eaux oxydantes ; elle s'y détruit. Le lit rougeâtre de ce ruisseau se voit très bien sur l'image Google Earth qu'il traverse de gauche à droite.


Cette instabilité de la pyrite en présence d'une atmosphère (ou d'une hydrosphère) oxydante pose le problème de l'existence de ces galets de pyrite. De tels galets arrondis ont été transportés par des eaux à haute énergie, c'est-à-dire rapides et donc certainement « aérées » par l'agitation et la vitesse du courant (torrent de montagne, vagues déferlantes…). De telles eaux sont en équilibre avec l'atmosphère ; elles sont donc oxydantes et contiennent de l'O2 dissout quand l'atmosphère contient de l'O2 comme actuellement. Les eaux qui ont transporté ces galets de pyrite à l'Archéen n'étaient donc pas oxydantes, et ne contenaient pas d'O2 en solution. L'atmosphère de cette époque (-2,9 Ga) ne contenait donc (quasiment) pas d'O2. C'est avec des données de ce type que les géologues ont pu reconstituer l'évolution de la teneur de l'atmosphère en O2 au cours du temps.

Figure 9. Évolution de la quantité de dioxygène dans l'atmosphère terrestre (échelle log) en fonction du temps

La valeur 1 correspond à la quantité actuelle d'O2 atmosphérique, soit 21% de l'atmosphère d'aujourd'hui, c'est-à-dire 213 hPa ~106 Gt d'O2. La position chronologique du Witwatersrand (de -2,98 à -2,71 Ga) est figurée par les deux pointillés rouges ; les conglomérats à pyrite (et or) sont figurés par le trait jaune. L'évolution de la teneur de l'atmosphère en O2 est l'objet de nombreuses incertitudes. La courbe présentée ici synthétise les données et les incertitudes les plus récentes (2008). Les données, comme la présence de pyrite détritique, ne permettent pas toujours de quantifier avec précision la teneur atmosphérique en O2, et de grandes incertitudes demeurent. Le trait noir et la zone vert foncé indiquent la valeur « probable » de cette teneur. Les rectangles verts indiquent le domaine d'incertitude où pourrait se trouver la valeur réelle. La « brusque » augmentation de l'O2 atmosphérique vers -2,5 Ga est selon toute probabilité une réalité, mais la taille des incertitudes permet que cette augmentation soit beaucoup moins brusque entre –2,5 et –2 Ga. Des progrès dans les datations ont « légèrement vieilli » cette augmentation par rapport à ce qu'ont pensait il y a quelques dizaines d'années. Par contre, au vu des incertitudes, l'augmentation encore assez nette sur le schéma vers –0,7 à –0,6 Ga pourrait être beaucoup moins brutale que ne l'indique le « trait noir ». L'incertitude au cours du Paléozoïque depuis 0,6 Ga est beaucoup plus faible ; le pic à 35% d'O2 atmosphérique à 0,3 Ga (Carbonifère) est très vraisemblablement une réalité géologique.

D'après : Lee R. Kump, 2008. The rise of atmospheric oxygen, Nature 451, modifié.


Si la teneur de l'atmosphère en O2 est sujette à débats, il en est de même de l'origine de l'or du Witwatersrand. Pour la majorité des géologues, cet or, abondant dans les conglomérats à pyrite, est lui aussi détritique. Pour une importante minorité, cet or est d'origine hydrothermale. L'échantillon et la lame mince présentés ici prouvent la réalité de cet hydrothermalisme, mais ne permet pas de favoriser telle ou telle origine.

Figure 10. Zoom sur la partie centrale de l'échantillon de conglomérat à galets de pyrite, Archéen du Witwatersrand, Afrique du Sud

Un très mince filon à dominante quartzeuse traverse l'échantillon de gauche à droite. Du quartz entoure plus ou moins complètement aussi deux galets de l'image. Cela prouve que des eaux chaudes (hydrothermalisme) contenant (entre autres) de la silice dissoute a traversé ce niveau de conglomérat à galets de pyrite. Il n'est pas impossible que ces eaux, en plus de la silice, aient déposé des micro-grains d'or natif.

Échantillon : Pr. Hiroshi Ohmoto, Pennsylvania State University


Figure 11. Lame mince (lumière polarisée-analysée) d'un autre fragment de ce conglomérat à galets de pyrite, Archéen du Witwatersrand, Afrique du Sud

Champ de la photo : 3 x 2 cm.

Les galets de pyrite sont noirs. En bas à droite, on voit un galet de quartzite, et, entre les galets, des grains de quartz remplissent les vides. Le plus gros des galets de pyrite, ainsi que quelques autres plus petits, sont partiellement entourés d'une couronne de quartz, preuve d'une circulation hydrothermale d'eaux chargées en silice et de réactions de type métamorphique.

Échantillon : Pr. Hiroshi Ohmoto, Pennsylvania State University


Figure 12. Gros plan (LPA) sur une demi-couronne entourant un galet de pyrite, conglomérat à galets de pyrite, Archéen du Witwatersrand, Afrique du Sud

Zoom de la figure précédente.

Les cristaux ont crû perpendiculairement au bord du galet. En plus des cristaux de quartz blanc à gris, des minéraux « vert foncé » en LPA montrent que ces eaux ont déposé un assemblage complexe de divers minéraux. L'examen détaillé de cette lame mince montre qu'une deuxième couronne, très fine, a poussé à l'extérieur de l'auréole principale. Cette double auréole montre que l'histoire hydrothermale du Witwatersrand est une histoire polyphasée, qui a pu participer à la richesse en or de ce bassin sédimentaire.

Échantillon : Pr. Hiroshi Ohmoto, Pennsylvania State University