TPE scientifique :
l'Homme et la science
Histoire et construction de la science

Sujet : la découverte de sources hydrothermales et l'apparition
d'hypothèses questionnant ce phénomène

Problématique : En quoi la découverte des fumeurs noirs
a-t-elle permis l'explication de la genèse
de certains gisements de minerai terrestres ?

=
+
+
+

=

SOMMAIRE
il suffit de cliquer sur le titre en vert pour accéder à la partie choisie

.

.

=.Introduction

I. Découverte et étude des fumeurs noirs
• la découverte des fumeurs noirs en quelques dates
• première approche : définition rapide d'une dorsale océanique et de l'hydrothermalisme
• observation primaire d'un fumeur noir
• formation d'un fumeur noir (+ expérience)

II. Traces de fumeurs noirs à la surface de la Terre : étude de l'ophiolite d'Oman
• introduction sur les ophiolites
• les deux types d'ophiolite
• étude de l'ophiolite d'Oman, lien avec les fumeurs noirs

III. Conclusion
• tableau résumant la démarche scientifique concernant le sujet
• réponse à la problématique du sujet
• ouverture vers d'autres sujets de recherche

=

=

=

=

=

=

=

=

=

Dès la préhistoire, les hommes ont cherché à exploiter des gisements métallifères (notamment pour la fabrication d'armes). Cela fait donc un certain temps que l'Homme profite des métaux des gisements terrestres, sans même en connaître l'origine. Il nous est donc paru important de chercher à comprendre où, quand et comment s'effectue la genèse de certains de ces gisements.
Nous savons que la science progresse à petits pas, allant de découverte en hypothèses, et d'hypothèses en découverte, tout ceci afin de pouvoir assurer une explication sûre des phénomènes observés par les chercheurs. C'est pourquoi notre raisonnement ne commencera pas par l'analyse de gisements de minerai, mais par la découverte des fumeurs noirs, beaucoup plus récente que celle de ces gisements, et qui a permi de répondre aux questions posées précédemment. Nous pourrons ainsi poursuivre notre démarche avec l'étude de l'ophiolite d'Oman, lieu extrêmement intéressant pour nous, dans la mesure où l'on y trouve des gisements de minerai dont l'existence est liée à celle des fumeurs noirs.

La découverte des fumeurs noirs en quelques dates

=

Dans le but d'améliorer la recherche et les connaissances sur notre planète, des chercheurs ont tenté d'aller visiter les océans. A cause des conditions très particulières du milieu (température, pression, impossibilité de respirer et donc de survivre), ce genre d'expédition est dangereux et très difficile. L'exploration du fond des océans a donc été tardive.
Cependant, des scientifiques s'y intéressaient déjà avant 1971, date clé dans l'histoire de la recherche océanographe.
En 1948, des chercheurs suédois, à bord de l'Albatross, remarquent, dans une fosse de la Mer Rouge, une température anormalement élevée. Mais les technologies de l'époque et leur maîtrise ne permettent pas encore de s'aventurer au fond de l'eau pour chercher des réponses: ce phénomène reste ainsi inexpliqué jusqu'en 1971, où l'on émet l'hypothèse suivante : ce réchauffement serait dû à une circulation de l'eau à l'intérieur de la croûte océanique.
En 1974, les Français et les Américains, qui travaillent ensemble sur la campagne FAMOUS, envoient leurs submersibles, la Cyana, l'Archimède (qui sont des vaisseaux français), et l'Alvin (américain), sur la dorsale Atlantique. La Cyana remonte avec un bloc de manganèse : c'est la première découverte de dépôts hydrothermaux.
En 1977, l'Alvin plonge au large des Galapagos, sur la dorsale du Pacifique, et y découvre une source active, avec une eau avoisinant les 15°C, et de la vie autour. La Cyana trouve très peu de temps après des sources hydrothermales inactives, sur la dorsale Est du Pacifique. L'analyse des échatillons remontés témoigne de leur composition : ce sont des sulfures métalliques. C'est enfin en 1978 que des chercheurs américains découvrent des sources hydrothermales en activité, dont la température tourne autour de 350°C.

Première observation d'un fumeur noir

=

Situé sur une dorsale océanique, un fumeur noir est une source hydrothermale, qui a une structure particulière : un peu comme un volcan, c'est une sorte de cheminée. De cette cheminée sort, à première vue, un panache noir, qui retombe en pluie sur le sol. C'est en fait un fluide chaud (environ 350°C) chargé en sulfures métalliques (c'est ce qui lui donne cette couleur sombre).

Formation d'un fumeur noir

=

a) Dorsale océanique et hydrothermalisme : définition

Pour comprendre comment se forme un fumeur noir, il faut tout d'abord comprendre ce qu'est une dorsale océanique.
Un dorsale océanique, aussi appelée ride médio-océanique, est une 'frontière' entre les plaques divergentes du globe terrestre.
C'est à ce niveau que se forme la nouvelle croûte océanique (par émission de laves qui se durciront une fois sorties de la croûte 'ancienne'). Un des processus majeurs existant au niveau des dorsales océaniques est l'hydrothermalisme : c'est une circulation d'eau à l'intérieur de la croûte océanique, qui se poursuit dans le manteau supérieur, et remonte finalement hors de la croûte océanique : dans l'eau des grands fonds marins.

b) Les fumeurs noirs : une application de l'hydrothermalisme sur les dorsales océaniques

On associe à l'hydrothermalisme l'existence de sources hydrothermales. On distingue ces sources hydrothermales en plusieurs catégories :
• les émissions diffuses, qui sont des suintements d'eau et de gaz dissous dont la température varie de 3 à 50°C. Les métaux et sulfures y sont présents en très faibles concentrations.
• les fumeurs blancs (ou fumeurs gris) : ce sont des sources hydrothermales en cheminée, qui rejettent du sulfate de calcium à des températures variant entre 200 et 300°C.
• les fumeurs noirs, qui sont le type de source qui va nous intéresser au cours de ce travail : eux aussi ont une structure en cheminée, mais rejettent des sulfures métalliques, et ce à des températures comprises entre 300 et 400°C.

Nous savons que les fumeurs noirs sont dus à l'activité hydrothermale existant au niveau des dorsales océaniques. S'ils doivent leur naissance à une circulation d'eau à l'intérieur de la croûte, on peut se poser la question suivante : comment cette circulation d'eau s'effectue-t-elle ? (voir poster représentant un fumeur noir)

Les mouvements des plaques tectoniques provoqués par l’extension et l’accrétion ( formation de nouvelle croûte océanique au niveau de dorsale au fond des océans ) de la dorsale océanique génèrent des anfractuosités, c’est-à-dire de petites failles, par lesquels l’eau de mer s’infiltre et peut ainsi pénétrer dans la profondeur de la croûte océanique; l'eau s’échauffe à proximité du magma: à l'intérieur de la croûte, on atteint des pressions et des températures extrêmement élevées, ce qui permet la dissolution des minéraux présents dans les roches de la croûte océanique. La solution obtenue est donc très chaude, chargée en sulfures métalliques (qui proviennent des roches), et très acide. Le fluide hydrothermal (mélange d'eau mi vapeur mi liquide et des minéraux), en raison de sa densité faible, et des pressions importantes, remonte à une vitesse considérable hors de la croûte océanique.
Se produit alors une réaction de précipitation due à un changement brusque de température et de pH du milieu: l'eau de mer est en effet légèrement basique, quasi neutre, et à une température avoisinant les 3°C. Les métaux transportés par ce fluide hydrothermal sont le fer, le manganèse, le zinc, le cuivre, le calcium, le silicium, le baryum.
Voici l'exemple de quelques réactions de précipitation qui se produisent à cet instant:
Fe²+ + S²- ----> FeS
Zn²+ + S²- ----> ZnS ______________________ etc...
Des sulfures métalliques retombent en pluie autour de la source (endroit par lequel sort le fluide), ce qui crée, au fil du temps, une cheminée au pied de laquelle ces sulfures viennent se poser. On a l'apparition d'un fumeur noir:

=

=

Afin de matérialiser la réaction qui a lieu à la sortie du fluide hydrothermal (cette sortie est appelée "bouche" du fumeur noir), nous avons cherché à faire précipiter une solution acide, chaude et chargée en sulfures de fer, dans une solution basique et froide. En raison des conditions du milieu difficiles à reproduire (température allant jusqu'à 400°C, pression importante), nous nous sommes vus contraints d'augmenter le pH de la solution qui aurait représenté le milieu aquatique. Malheureusement, les sulfures sont presques insolubles à terre (ils se dissolvent à des températures et pressions très élevées), et, malgré nos précautions, l'expérience a échoué.
Nous avons donc choisi d'utiliser une autre espèce, plus soluble, et qui précipite d'une manière comparable au sulfure de fer: le carbonate de calcium. La variation de température que nous étions capables de créer était si faible que nous l'avons jugée négligeable dans la réalisation de notre expérience. Nous nous sommes donc focalisés sur l'influence du pH sur la précipitation de l'espèce.
On peut comparer cette réaction à celle que nous avons tenté de recréer auparavant, car elles sont semblables sur plusieurs points:
_ première expérience: Fe²+ + S²- ----> FeS
_ seconde expérience: Ca²+  + CO3²-   ----> CaCO3
Fe²+ et Ca²+ sont deux ions de même charge et tous deux sont issus de métaux.
S²- et CO3²- sont deux anions de même charge; tous deux sont aussi deux bases comparables, puisqu'ils peuvent capter deux ions H+.
Il existe une différence entre Fe²+ et Ca²+ : Fe²+ est issu d'un métal de transition, alors que Ca²+ est issu d'un métal alcalino-terreux.

PROTOCOLE DE L'EXPERIENCE

Matériel
_ agitateur magnétique
_ pHmètre
_ sonde pHmétrique
_ solution étalon (pH=4)
_ solution d'acide sulfurique concentrée
_ solution de soude concentrée
_ eau distillée
_ carbonate de calcium
_ bécher 150 mL
_ balance

Réalisation de l'expérience
Dans un bécher de 150 mL, on verse de l'eau à température ambiante (20°C, pH=7).
On verse ensuite dans le bécher 1 gramme de carbonate de calcium, cet échantillon prélevé auparavant avec l'aide de la balance. La solution est saturée: le carbonate de calcium n'est pas entièrement dissout.
On ajoute ensuite goutte à goutte de l'acide sulfurique dans le bécher (pH=2): le carbonate de calcium est au final complètement dissout. Ce résultat est comparable à ce qui se produit à l'intérieur de la croûte océanique (évidemment, de façon beaucoup plus simplifiée).

On réalise l'expérience dans l'autre sens: on ajoute à la solution acide de la soude, afin de faire augmenter le pH de la solution. Le carbonate de calcium précipite. Cette situation est comparable à la réaction qui se produit à la bouche du fumeur noir.
Equation de la réaction : Ca²+  + CO3²-   ----> CaCO3

_--(Le pHmètre, la sonde pHmétrique, la solution étalon nous ont permis de déterminer le pH de nos solutions.

Ophiolite, étude et explications

=

a) Introduction

   On trouve à la surface de la Terre, des gisements métallifères situés sur des lambeaux de lithosphère océanique, appelés ophiolites. Pour comprendre l'origine de ces gisements de minerais, il faut donc tout d'abord se pencher sur la nature de ces ophiolites.

   Les ophiolites ont été charriées lors de l'obduction de la lithosphère océanique sur la lithosphère continentale, c'est-à-dire que deux plaques tectoniques (une sur laquelle est située la lithosphère océanique et une la continentale) se sont chevauchées jusqu'a ce que la litosphère océanique recouvre une partie de la continentale. Elles peuvent également être issues de la collision de deux plaques. Ce phénomène se produit donc au niveau des dorsales océaniques.

   Dans un complexe classique ophiolitique, on retrouve la succession des différentes couches qui structurent la lithosphère océanique. Ainsi, on observera, de haut en bas :

• des roches sédimentaires d'origine marine profonde : sédiments siliceux, argiles… (radiolarites) ;
• une couche formée d'un empilement de basaltes en coussins (pillow-lavas) ;
• un complexe de filonien (infiltration de basalte dans des fissures traversant les gabbros) ;
• des gabbros en masse, très épais, correspondant à un magma basaltique ayant cristallisé entièrement en profondeur ;
• des gabbros lités ;
• le moho qui correspond à la limite gabbro/péridotite, c’est une couche épaisse caractérisée par des intrusions péridotitiques dans des gabbros lités ;
• des péridotites serpentinisées au sommet desquelles se trouvait l'ancien moho (discontinuité minéralogique entre la croûte et le manteau lithosphérique). Une ophiolite se compose essentiellement de serpentinite (une roche verte à l'aspect craquelé, semblable à une peau de reptile) de laquelle elle hérite son nom: ophis signifie serpent et lithos pierre en grec. Il existe quatre types de péridotite : les dunites (composées à 90% d'olivine), les wehrlites (composées d'olivine mais aussi de clinopyroxène), les harzburgites (constituées d'olivine, d'orthopyroxène et d'autres composés basaltiques) et enfin les lherzolites (composées d'olivine, d'orthopyroxène, de clinopyroxène et d'autres composés basaltiques). Parmi ces quatre sortes de péridotites les harzburgites et les lherzolites sont les plus répendues et permettent d'établir une distinction entre les deux grands types d'ophiolites. Il faut noter la similarité entre harzburgite et lherzolite qui ne doivent leur différence qu'à l'intensité de la fusion partielle du manteau supérieur qui faible donne des lherzolites et forte des harzburgites. La fusion partielle est une séparation du manteau en deux phases : une solide et une liquide, le tout formant une sorte de fluide, soit des cristaux solides baignant dans un liquide. (Elle se fait au cours de l'augmentation de la température). Il est important de comprendre ici que la composition des phases solides et liquides change au fil de l'évolution thermique du fluide.

b) Les deux types d'ophiolite

   * Les Lherzolite Ophiolite Types (LOT) :

   Les ophiolites LOT ont une croûte océanique réduite, discontinue, voire absente et un manteau de nature lherzolitique. Le manteau est souvent métamorphisé en serpentine, car la croûte mince ou absente fait que la serpentinisation qui est une transformation de la péridotite par hydratation importante peut se produire. Les ophiolites LOT sont issues de dorsales à croissance lentes (environ 1cm/an, comme celle de l'océan Atlantique). C'est le cas de l'ophiolite du Chenaillet dans les Alpes.

   * Les Harzburgite Ophiolite Types (HOT) :

   Les HOT ont une croûte océanique épaisse, continue, et un manteau lithosphérique de nature harzburgitique. C'est le cas de l'ophiolite d'Oman située dans la péninsule arabique. Cette ophiolite est équivalente à ce que l’on trouve  au niveau de la ride Pacifique, dorsale à croissance rapide (environ 10 cm/an). Les HOT sont dues au taux de fusion élevé du manteau qui entraine une production plus importante de magma d'où une croûte plus épaisse.

              Schéma en coupe des séquences ophiolitiques.

c) Etude de l'ophiolite d'Oman

A présent, nous allons nous intéresser plus particulièrement à l'ophiolite d'Oman, située dans la péninsule arabique et qui présente de nombreux avantages. Premièrement elle est issue d'une obduction de la lithosphère océanique de l'ancien océan Thétys, datant du crétacé (voir planisphère ci-dessous) sur la plaque arabique entrainant ainsi sa fermeture. De plus c'est à ce jour la plus grande (500 Km) et mieux conservée des nappes ophiolitiques, elle fait partie de ces ophiolites entièrement métamorphisée (les roches qui les constituent sont donc entièrement cristallisées). Ce sont les plus rares mais surtout les plus intéressantes à étudier. Le choix de l'ophiolite d'Oman est d'autant plus pertinent pour nous qu'on y trouve des gisements de minerais sur les roches charriées.

Lors de l'obduction, la plaque océanique, auparavant plus basse que la plaque continentale, chevauche cette dernière. La lithosphère océanique se retrouve alors à la surface de la Terre. En recouvrant la lithosphère continentale, la plaque océanique a entrainé une couche de sédiments (formant la nappe d'Hawasina en Oman) comme le montre le schéma suivant (ayant pour fond des pillows lavas).

        Schémas explicatif de l'obduction omanienne.

En Oman, plusieurs milliers de mètres de lithosphère océanique se sont empilés; et sur environ 4 km le manteau est visible.

Les géologues ont retrouvé sur le site d'Oman des gisements metallifères de manganèse, de fer, de cuivre et de zinc. Sur ce gisement, on a trouvé un amas sulfuré ayant une forme de cheminée. 

                                                L'ancien fumeur noir  Zuha

En se souvenant de l'origine d'une ophiolite, on peut facilement émettre une hypothèse sur l'existence d'amas sulfurés au fond des océans. C'est la découverte des sources hydrothermales, postérieure à celle des ophiolites, qui nous a permis d’établir un lien direct entre la présence de minerais sur l’ophiolite et la composition de la cheminée d’un fumeur noir. Suite à ces observations, on peut en  conclure que lors de son obduction la lithosphère océanique a entrainé avec elle une source hydrothermale et l’a déposée sur le continent. En Oman, le plancher océanique étant remonté à la surface lors de l'obduction, des fumeurs noirs et donc des gisements métallifères ont pu être charriés comme c'est le cas pour  la colline de Zuha, ancien fumeur noir: elle est donc constituée de sulfures.

La découverte des sources hydrothermales, ou fumeurs noirs dans notre cas, a permis d'établir un lien direct entre les gisements de minerais (sulfures métalliques) situés sur certaines ophiolites comme celle d'Oman et les sédimentations sulfurées qui constituent les cheminées des fumeurs noirs. En effet, une séquence ophiolitique étant un morceau de lithosphère océanique, sur laquelle on trouve des fumeurs noirs par endroits, il est décent d'en conclure que l'ophiolite a entrainé des fumeurs noirs avec elle lors de l'obduction, les déposant sur la lithosphère continentale et formant ainsi des gisements plus ou moins importants. Le document suivant établi un parallèle concluant entre les deux phénomènes:

Nous avons ainsi vu la progression de la recherche scientifique en ce qui concerne les gisements de minerai. La découverte des fumeurs noirs fut non seulement l'apport de nouvelles hypothèses en géologie, mais aussi en biologie: en effet, il existe de la vie autour de ces fumeurs noirs, malgré les conditions extrêmes du milieu.
Cette découverte a donc conduit la science à envisager la vie sur d'autres planètes: des organismes seraient capables de s'adapter à des milieux fortement toxiques, dans une absence de lumière et de dioxygène totales. L'intérêt de l'étude des fumeurs noirs ne se limite donc pas seulement à la géologie. Certains chercheurs approprient aux organismes vivant aux alentours des fumeurs noirs l'origine de la vie; d'autres sont plus sceptiques à ce sujet. D'autres découvertes à venir nous donneront peut être la réponse...