The Archaean silicon cycle insights from silicon isotopes and Ge/Si ratios in banded iron formations, palaeosols and shales

The external silicon cycle during the Precambrian (4.5-0.5 Ga) is not well understood despite its key significance to apprehend ancient dynamics at the surface of the Earth. In the absence of silicifying organisms, external silicon cycle dramatically differs from nowadays. Our current understanding of Precambrian oceans is limited to the assumption that silicon concentrations were close to saturation of amorphous silica. This thesis aims to bring new insights to different processes that controlled the geochemical silicon cycle during the Archaean (3.8-2.5 Ga). Bulk rock Ge/Si ratio and Si isotopes (δ30Si) offer ideal tracers to unravel different processes that control the Si cycle given their sensitivity to fractionation under near-surface conditions. First, this study focuses on Si inputs and outputs to ocean over a limited time period (~2.95 Ga Pongola Supergroup, South Africa) through the study of a palaeosol sequence and a contemporaneous banded iron formation. The palaeosol study offers precious clues in the comprehension of Archaean weathering processes and Si transfer from continent to ocean. Desilication and iron leaching were shown to be the major Archaean weathering processes. The occurrence of weathering residues issued of these processes as major component in fine-grained detrital sedimentary mass (shales) attests that identified weathering processes are widely developed and suggest an important dissolved Si flux from continent to the ocean. In parallel, banded iron formations (BIFs), typically characterised by alternation of iron-rich and silica-rich layers, represent an extraordinary record of the ocean-derived silica precipitation throughout the Precambrian. A detailed study of a 2.95 Ga BIF with excellent stratigraphic constraints identifies a seawater reservoir mixed with significant freshwater and very limited amount of high temperature hydrothermal fluids as the parental water mass from which BIFs precipitated. In addition, the export of silicon promoted by the silicon adsorption onto Fe-oxyhydroxides is evidenced. Then, both Si- and Fe-rich layers of BIFs have a common source water mass and a common siliceous ferric oxyhydroxides precursor. Thus, both palaeosols and BIFs highlight the significance of continental inputs to ocean, generally under- estimated or neglected, as well as the close link between Fe and Si cycles. In a second time, this study explores secular changes in the Si cycle along the Precambrian. During this timespan, the world ocean underwent a progressive decrease in hydrothermal inputs and a long-term cooling. Effects of declining temperature over the oceanic Si cycle are highlighted by increasing δ30Si signatures of both chemically precipitated chert and BIF through time within the 3.8-2.5 Ga time interval. Interestingly, Si isotope compositions of BIF are shown to be kept systematically lighter of about 1.5‰ than contemporaneous cherts suggesting that both depositions occurred through different mechanisms. Along with the progressive increase of δ30Si signature, a decrease in Ge/Si ratios is attributed to a decrease in hydrothermal inputs along with the development of large and widespread desilication during continental weathering.Le cycle externe du silicium au precambrien (4.5-0.5 Ga) reste mal compris malgre sa position cle dans la comprehension des processus operant a la surface de la Terre primitive. En l’absence d’organismes secretant un squelette externe en silice, le cycle precambrien du silicium etait vraisemblablement tres different de celui que nous connaissons a l’heure actuelle. Notre conception de l’ocean archeen est limitee a l’hypothese d’une concentration en silicium proche de la saturation en silice amorphe. Cette these vise a une meilleure comprehension des processus qui controlaient le cycle geochimique externe du silicium a l’archeen (3.8-2.5 Ga). Dans cette optique, le rapport germanium/silicium (Ge/Si) et les isotopes stables du silicium (δ30Si) representent des traceurs ideaux pour demeler les differents processus controlant le cycle du Si. Dans un premier temps, cette etude se focalise sur les apports et les exports de silicium a l’ocean sur une periode de temps restreinte (~2.95 Ga Pongola Supergroup, Afrique du Sud) via l’etude d’un paleosol et d’un depot sedimentaire de precipitation chimique quasi-contemporain. L’etude du paleosol apporte de precieux indices quant aux processus d’alteration archeens et aux transferts de silicium des continents vers l’ocean. Ainsi, la desilicification et le lessivage du fer apparaissent comme des processus majeurs de l’alteration archeenne. La presence de residus issus de ces processus d’alteration en tant que composants majeurs de depots detritiques (shales) atteste de la globalite de ces processus et suggere des flux significatifs en silicium dissout des continents vers l’ocean. En parallele, les « banded iron formations » (BIFs), caracterises par une alternance de niveaux riches en fer et en silice, representent un enregistrement extraordinaire et caracteristique du precambrien de precipitation de silice a partir de l’ocean. Une etude detaillee d’un depot de BIFs permet d’identifier une contribution importante des eaux douces dans la masse d’eau a partir de laquelle ces roches sont precipitees. Par ailleurs, un mecanisme d’export de silicium via absorption sur des oxyhydroxydes de fer est mis en evidence. Ainsi, les niveaux riches en fer et riche en silice constituant les BIFs auraient une meme origine, un reservoir d’eau de mer melangee avec des eaux douces et une contribution minime de fluides hydrothermaux de haute temperature, et un meme precurseur commun. Des lors, tant les paleosols que les BIFs mettent en evidence l’importance des apports continentaux a l’ocean, souvent negliges ou sous estimes, ainsi que le lien etroit entre les cycles du fer et du silicium.Dans un second temps, cette etude explore l’evolution du cycle du silicium au cours du precambrien. Durant cette periode, l’ocean voit les apports hydrothermaux ainsi que sa temperature diminuer. Dans l’intervalle de temps 3.8-2.5 Ga, les effets de tels changements sur le cycle du silicium sont marques par un alourdissement progressif des signatures isotopiques des cherts et des BIFs. Le fort parallelisme entre l’evolution temporelle des compositions isotopiques des deux precipites met en evidence leur origine commune, l’ocean. Cependant, les compositions isotopiques des BIFs sont systematiquement plus legeres d’environ 1.5‰ que les signatures enregistrees pas les cherts. Cette difference est interpretee comme le reflet de mecanismes de depots differents. L’alourdissement progressif des compositions isotopiques concomitant a une diminution des rapports Ge/Si refletent une diminution des apports hydrothermaux ainsi que la mise en place d’une desilicification de plus en plus importante et/ou generalisee lors de l’alteration des continents.