Trouvé dans les bijoux, pièces de voiture, pigments, et réactions chimiques industrielles, le chrome métallique et ses composés sont souvent employés pour leur couleur, terminer, et des propriétés anticorrosives et catalytiques. Actuellement, les géoscientifiques et les paléoocéanographes du MIT et de la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) cherchent à ajouter une autre utilisation à cette liste :comme moyen d'examiner les changements chimiques dans les océans et l'atmosphère de la Terre ancienne qui sont préservés dans le paléocorde du fond marin. Plus précisement, ils veulent reconstituer la hausse des niveaux d'oxygène atmosphérique, qui a commencé il y a environ 2,4 milliards d'années, et leurs effets sur les mers. La biologie et l'environnement étant intimement liés, ces informations pourraient aider à éclairer l'évolution de la vie et du climat de la Terre.

Alors que les chercheurs ont largement appliqué le chrome comme outil pour comprendre les archives rocheuses autour de cette transition mondiale, ils sont encore en train de déterminer ce que signifient les différents signaux chimiques. Cela est particulièrement vrai pour l'évaluation des sédiments océaniques, qui pourrait révéler où et quand l'oxygène a commencé à pénétrer et à se former dans les océans. Cependant, les paléoscientifiques ont largement manqué de compréhension de la façon dont des quantités infimes de chrome interagissent mécaniquement et cyclent dans les mers oxygénées, sans parler des premiers océans - un élément clé nécessaire à toute interprétation - jusqu'à maintenant.

Des recherches récemment publiées dans le Actes de l'Académie nationale des sciences et dirigé par Tianyi Huang, étudiant diplômé du programme conjoint MIT-Woods Hole Oceanographic Institution, a étudié la promesse du métal trace en tant que paléoproxy pour l'oxygène. Pour ça, l'équipe a suivi la circulation des isotopes du chrome sensibles à l'oxygène et la façon dont ils étaient chimiquement oxydés ou réduits dans une zone d'eau pauvre en oxygène dans l'océan Pacifique tropical, un analogique pour le début, mers anaérobies. Leurs découvertes aident à valider le suivi du chrome en tant qu'instrument fiable dans la boîte à outils de la géologie.

"Les gens ont vu que les isotopes du chrome dans les archives géologiques suivaient en quelque sorte les niveaux d'oxygène atmosphérique. Mais, parce que vous utilisez quelque chose qui est enfoui dans les sédiments pour interpréter ce qui se passe dans l'atmosphère, il y a un chaînon manquant entre les deux, et c'est l'océan, " dit Huang. De plus, "comment ces cycles de chrome pourraient changer nos interprétations des enregistrements géologiques."

"L'évolution de l'oxygène sur Terre n'est connue que de façon grossière, mais il est crucial pour le développement et la survie de la vie multicellulaire complexe, " dit Ed Boyle, professeur de géochimie océanique du Département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires (EAPS); directeur du programme conjoint MIT-OMSI ; et co-auteur de l'étude, avec Simone Moos Ph.D. '18 de l'Elementar Corporation. "En outre, il y a une préoccupation constante au sujet des dernières décennies de diminution des niveaux d'oxygène océanique dans l'océan, et nous avons besoin d'outils pour mieux comprendre la dynamique de l'oxygène de l'océan."

Combler un fossé

Il y a des milliards d'années, lorsque la Terre et son atmosphère étaient essentiellement dépourvues d'oxygène moléculaire (O2), les réactions chimiques et les métabolismes biologiques se seraient produits dans un environnement chimiquement réduit, environnement anaérobie. Pendant le grand événement d'oxydation, qui s'est produit au cours de millions d'années, les niveaux d'oxygène ont augmenté à l'échelle de la planète, et la vie a changé en conséquence. Plus loin, l'environnement est devenu en grande partie un environnement oxydé aux prises avec des processus de stress tels que la rouille et les radicaux libres.

Certaines preuves ont montré que des réactions chimiques impliquant le chrome suivent ce processus, par des effets sur ses isotopes, chrome-52 et chrome-53, et leurs états d'oxydation, principalement le trivalent, forme réduite Cr (III) et un hexavalent, oxydé un Cr (VI). Ce dernier est plus susceptible d'être trouvé dans oxygéné, l'eau de mer de surface et est considéré comme un danger pour la santé et l'environnement. Des études antérieures ont montré que la partie supérieure de l'océan a tendance à avoir plus d'isotopes plus lourds que les plus légers, suggérant une certaine absorption préférentielle par les micro-organismes marins. Le problème, Huang note, c'est qu'après que le chrome pénètre dans les océans par les rivières, les scientifiques ne connaissent pas vraiment les mécanismes derrière ces observations et si les tendances sont cohérentes. Dans les eaux pauvres en oxygène d'aujourd'hui, elle dit, "le chrome pourrait potentiellement être réduit, et nous voulons connaître le signal isotopique de ce processus et d'autres processus de chrome qui pourraient laisser une empreinte isotopique."

Pour étudier ces phénomènes, Huang a rejoint deux croisières de recherche dans la zone déficiente en oxygène (ODZ) de l'océan Pacifique Nord tropical oriental et a rassemblé des profils verticaux d'échantillons d'eau de mer jusqu'à 3, 500 mètres de l'autre côté d'un transect maritime. Certains de ces échantillons d'eau de mer ont été congelés pour être analysés pour les concentrations de chrome trivalent et hexavalent. Après avoir été renvoyé au laboratoire, ces échantillons ont été décongelés et purifiés. L'équipe a analysé la composition isotopique des échantillons de Cr (III). Ils ont ensuite acidifié les échantillons de Cr (VI) pour les convertir en Cr (III) avant d'effectuer la même analyse isotopique que précédemment. Les chercheurs ont également mesuré le chrome total dans les échantillons pour pouvoir tenir compte de toute transformation chimique ou migration au sein de l'ODZ. Avec l'ajout des données d'une autre campagne, Boyle, Moos, et Huang a examiné la fraction de chaque isotope sur la plage de profondeur, par rapport à un partitionnement moyen, pour voir s'il y avait eu un enrichissement dans une zone particulière de l'ODZ et dans quel état d'oxydation il existait. Ils ont comparé cela aux niveaux d'oxygène des échantillons et ont mis les résultats dans le contexte des caractéristiques océaniques connues pour aider à expliquer le cycle du chrome.

Une vérité fondamentale pour le cyclisme du chrome

Les océanographes ont trouvé un modèle. En superficie, océan oxygéné, du chrome hexavalent a été consommé, probablement par la vie microbienne, et transporté plus profondément, dans l'ODZ. Autour de la barre des 200 mètres, le métal a commencé à s'accumuler dans l'eau de mer, et l'isotope plus léger, chrome-52, a été préférentiellement réduite. Cette profondeur coïncide avec l'anaérobie, microbes dénitrifiants qui produisent du nitrite. Huang dit que cela pourrait être un signe que les cycles de l'azote et du chrome sont enchevêtrés, mais cela n'exclut pas d'autres mécanismes biotiques ou abiotiques, comme la réduction par le fer, qui pourraient affecter les enregistrements de sédiments océaniques.

Le chrome ne s'attarde pas ici pour toujours, bien que. Alors que les données ont montré que la plupart restait dans une zone pauvre en oxygène, qui s'étend de 90 à 800 mètres, pendant environ 20-50 ans, une petite partie de celui-ci s'est attachée à des particules en train de couler, a coulé dans l'océan profond où il y a plus d'oxygène dissous, et plus tard oxydé en chrome hexavalent. Ici, il pourrait commencer à s'incorporer et à interagir avec les sédiments.

"Je pense qu'il est passionnant que nous puissions déterminer les espèces de chrome [oxydation], et de là, nous pourrions calculer son fractionnement isotopique, " dit Huang. " Personne n'a fait ça de cette manière auparavant. "

Leur travail, Huang dit, aide à valider le chrome comme indicateur de différents environnements redox. "Nous voyons ce signal et il ne disparaît pas." Plus loin, il semble cohérent au fil des saisons. Cependant, l'équipe n'est pas encore convaincue. Ils prévoient de tester cela dans d'autres zones pauvres en oxygène dans le monde pour voir si une signature de chrome similaire apparaît, ainsi que d'étudier la composition des particules descendantes transportant le chrome trivalent et la surface des sédiments océaniques, afin d'avoir une image plus complète de l'implication de l'océan.

Pour l'instant, ils déconseillent de tirer des conclusions, mais sont prudemment optimistes quant à son potentiel. "Je pense que les gens doivent interpréter cette procuration avec plus de prudence, " dit Huang. " Ce n'est peut-être pas uniquement l'oxygène atmosphérique qui détermine la mesure, mais il pourrait y avoir d'autres processus [biotiques ou abiotiques] dans l'océan qui pourraient altérer leurs paléoenregistrements. ils suggèrent de ne pas trop lire les signaux de chrome dans le paléocorde, encore.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.