La Géobiotropie

Marie-Paule Bassez

► To cite this version:

Marie-Paule Bassez. La Géobiotropie. CNRS-université de Bourgogne. Séminaire du Réseau Matière Organique; thème 2: MO extraterrestres et précambriennes, Mar 2024, Semur-en-Auxois, France. , Résumés en ligne à: https://resmo2024.sciencesconf.org/data/pages/book_resmo2024.pdf, en ligne sur le site ResMO2024, p. 28, 2024. hal-04530622

HAL Id: hal-04530622

https://hal.science/hal-04530622

Submitted on 3 Apr 2024

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entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
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abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

<figure><img src="image_1.png" /></figure>
# La Géobiotropie

Marie-Paule Bassez

► To cite this version:

Marie-Paule Bassez. La Géobiotropie. CNRS-université de Bourgogne. Séminaire du Réseau Matière Organique; thème 2: MO extraterrestres et précambriennes, Mar 2024, Semur-en-Auxois, France., Résumés en ligne à: https://resmo2024.sciencesconf.org/data/pages/book_resmo2024.pdf, en ligne sur le site ResMO2024, p. 28, 2024. hal-04530622

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émanant des établissements d'enseignement et de
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publics ou privés.

<figure><img src="image_1.png" /></figure>
# La Géobiotropie

## Formation de molécules organiques azotées dans une eau anoxique, très basique, proche de l'état supercritique

Marie-Paule Bassez,

marie-paule.bassez@unistra.fr

https://www.chemphys.fr/mpb

ORCID 0000-0002-7548-8894

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Fig.1</figcaption></figure>

Tumbiana 2018

## Question

Au temps archéen, plusieurs structures stromatolithiques sont expliquées par la présence de micro-organismes qui auraient permis leur construction, telles celles de la **Formation Tumbiana**, Groupe Fortescue, Craton de Pilbara, Australie, datant de 2.72 Ga.

**Quelle est l'origine des molécules organiques qui composent ces microorganismes?**

## Une hypothèse: le processus de géobiotropie dans les cavités du quartz

1. Les molécules organiques azotées se forment en milieu anoxique, à partir de molécules élémentaires.

Des expériences de laboratoire (cf § 5) montrent que **CO, H₂, T et P proches de l'état supercritique de l'eau sont requis**

2. L'eau proche de l'état supercritique montre des propriétés physico-chimiques particulières: densité ↓, moment dipolaire ↓

$$ \mu^{\text{T,P}} \text{eau liq. } (1 \text{ g/cm}^3 \text{ à } 25^{\circ}\text{C}) = 2.35 \text{ D}, (0.7 \text{ g/cm}^3 \text{ - } 300^{\circ}\text{C}) = 2.30 \text{ D}, (0.6 \text{ g/cm}^3 \text{ - } 400^{\circ}\text{C}) = 2.25 \text{ D} \quad \text{Matubayasi et al. J.Chem.Phys. (1999)} $$

$$ \text{l'eau à 300°-350°C, 10-25 MPa a une faible densité 600-700 kg/m}^3 \text{ et } \mu = 2.30 \text{ debyes} $$

explication possible: **la structure de l'eau change**

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Fig.2 Dimère inverse de l'eau ($\mu=0$ D), caractéristique de l'eau sous pression.</figcaption></figure>

Sa présence fait diminuer le moment dipolaire de l'eau

Bassez J. Phys. Cond. Matter (2003)

3. Dans un milieu géologique, H₂ est produit au contact d'une eau proche de l'état supercritique

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Fig.3 Diagramme de Pourbaix à 350°C, 25 MPa, $10^{-6}$ mol/kg; Fig.7a, Cook et Olive, Corr. Sci. (2012)</figcaption></figure>

A partir de cette région, je conclue que $Fe^{2+}$ est oxydé par l'eau avec émission de H₂ à pH 11-14

$$ \text{Fe}^{\text{II}}(\text{OH})_3^{-} + \text{eau anoxique proche état supercritique} \rightarrow \text{Fe}^{\text{III}}(\text{OH})_4^{-} + \text{H}_2 \quad \text{pH très basique} $$

(Bassez EGU2013 - OLEB 2023)

Rem: **L'oxydation en eau supercritique n'est pas encore connue. Des expériences sont en préparation.**

4. Les molécules organiques azotées peuvent se former dans une roche au contact d'une eau proche de l'état supercritique

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Fig.4 La géobiotropie. L'interaction d'un silicate de fer ferreux, par exemple la fayalite $Fe^{II}SiO_4$ avec de l'eau proche de l'état supercritique explique la formation des silicates quartz et greenalite et de l'oxyde hématite. Dans les cavités (inclusions fluides) du quartz, lieux de concentration, peuvent se former le méthane, le carbone, et des molécules organiques azotées; en violet : les molécules observées dans le Buck Reef Chert (3.4 Ga). Trois spectres Raman: hématite et quartz; eau et méthane dans des cavités de ~2 µm ou inclusions fluides.</figcaption></figure>

5. Expériences de laboratoire en phase gaz

* (CO + N₂) ou (CO + NH₃) au dessus de H₂Oliq + rayons cosmiques → macromolécules d'acides aminés (Kobayashi et al. (1990 – 2008...))

* CO + N₂ + H₂ à 300°, 400°C → CH₃NH₂, CH₃CN, CH₃N=CH₂ (Hill et Nuth (2003))

* CO + NH₃ + H₂ à 370°C → acides-aminés (Pizzarello (2012))

en phase liquide * CO₂ + H₂ dissous dans eau de mer à 250°-300°C, 25 MPa, catalyseur Fe₃O₄, → CO et CH₄ observés (Fu, Seyfried (2009))

## La géobiotropie

### la formation de molécules organiques azotées dans une eau anoxique, très basique et proche de l'état supercritique

$$ \text{Fe}^{\text{II}}(\text{OH})_3^{\text{−}}(\text{diss}) + \text{H}_2\text{O}_{\text{anoxique, proche supercritique}} \rightarrow \text{Fe}^{\text{III}}(\text{OH})_4^{\text{−}}(\text{diss}) + \frac{1}{2}\text{H}_2(\text{g, diss}) \quad \text{pH} \sim 9.5-14 $$

$$ \text{Fe}^{\text{II}}_2\text{SiO}_4(\text{s}) + \text{H}_2\text{O}_{\text{(anox. proche supercrit.)}} \rightarrow \text{Fe}^{\text{II+3}} + \text{Fe}^{\text{III+3}} + \text{SiO}_2(\text{quartz, diss}), \text{H}_2(\text{g, diss}) $$

$$ \text{Fe}^{\text{III}}(\text{OH})_4^{\text{−}}(\text{diss}) \rightarrow \text{hématite} \text{ Fe}_2\text{O}_3 $$

$$ (\text{Fe}^{\text{II+3}}, \text{Fe}^{\text{III+2}})\text{SiO}_2\text{O}(\text{OH})_4 $$

Fe^{III}-greenalite

exothermic

$$ \text{Fe}^{\text{II+2}}\text{SiO}_4(\text{s}) + \text{CO}_2(\text{diss}) \rightarrow \text{SiO}_2, \text{Fe}^{\text{II+3}}\text{CO}_3 \quad \text{sidérite} $$

Quartz, hématite, sidérite et probablement greenalite sont observés dans le Buck Reef Chert de 3.4 Ga.

(H₂ + CO₂) diss dans eau proche de l'état supercritique → CO, CH₄, C, H₂O

avec N₂ → molécules organiques azotées

CH₄, H₂O et probablement greenalite sont observés dans des cavités du quartz du Buck Reef chert (3.4 Ga) (Bassez 2023)

L'étude des molécules organiques dans ces cavités est en cours.

(Bassez 2024, adapté de Bassez 2023,2019, 2018)
# La Géobiotropie

## Formation de molécules organiques azotées dans une eau anoxique, très basique, proche de l'état supercritique

Marie-Paule Bassez,

marie-paule.bassez@unistra.fr

https://www.chemphys.fr/mpb

ORCID 0000-0002-7548-8894

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Fig.1</figcaption></figure>

Tumbiana 2018

## Question

Au temps archéen, plusieurs structures stromatolithiques sont expliquées par la présence de micro-organismes qui auraient permis leur construction, telles celles de la **Formation Tumbiana**, Groupe Fortescue, Craton de Pilbara, Australie, datant de 2.72 Ga.

**Quelle est l'origine des molécules organiques qui composent ces microorganismes?**

## Une hypothèse: le processus de géobiotropie dans les cavités du quartz

1. Les molécules organiques azotées se forment en milieu anoxique, à partir de molécules élémentaires.

Des expériences de laboratoire (cf § 5) montrent que **CO, H₂, T et P proches de l'état supercritique de l'eau sont requis**

2. L'eau proche de l'état supercritique montre des propriétés physico-chimiques particulières: densité ↓, moment dipolaire ↓

$$ \mu^{\text{T,P}} \text{eau liq. } (1 \text{ g/cm}^3 \text{ à } 25^\circ\text{C}) = 2.35 \text{ D}, (0.7 \text{ g/cm}^3 \text{ - } 300^\circ\text{C}) = 2.30 \text{ D}, (0.6 \text{ g/cm}^3 \text{ - } 400^\circ\text{C}) = 2.25 \text{ D} \quad \text{Matubayasi et al. J.Chem.Phys. (1999)} $$

$$ \text{l'eau à 300°-350°C, 10-25 MPa a une faible densité 600-700 kg/m}^3 \text{ et } \mu = 2.30 \text{ debyes} $$

explication possible: **la structure de l'eau change**

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Fig.2 Dimère inverse de l'eau ($\mu=0$ D), caractéristique de l'eau sous pression.</figcaption></figure>

Sa présence fait diminuer le moment dipolaire de l'eau

Bassez J. Phys. Cond. Matter (2003)

3. Dans un milieu géologique, H₂ est produit au contact d'une eau proche de l'état supercritique

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Fig.3 Diagramme de Pourbaix à 350°C, 25 MPa, $10^{-6}$ mol/kg; Fig.7a, Cook et Olive, Corr. Sci. (2012)</figcaption></figure>

A partir de cette région, je conclue que $Fe^{2+}$ est oxydé par l'eau avec émission de H₂ à pH 11-14

$$ \text{Fe}^{\text{II}}(\text{OH})_3^{-} + \text{eau anoxique proche état supercritique} \rightarrow \text{Fe}^{\text{III}}(\text{OH})_4^{-} + \text{H}_2 \quad \text{pH très basique} $$

(Bassez EGU2013 - OLEB 2023)

Rem: **L'oxydation en eau supercritique n'est pas encore connue. Des expériences sont en préparation.**

4. Les molécules organiques azotées peuvent se former dans une roche au contact d'une eau proche de l'état supercritique

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Fig.4 La géobiotropie. L'interaction d'un silicate de fer ferreux, par exemple la fayalite $Fe^{II}SiO_4$ avec de l'eau proche de l'état supercritique explique la formation des silicates quartz et greenalite et de l'oxyde hématite. Dans les cavités (inclusions fluides) du quartz, lieux de concentration, peuvent se former le méthane, le carbone, et des molécules organiques azotées; en violet : les molécules observées dans le Buck Reef Chert (3.4 Ga). Trois spectres Raman: hématite et quartz; eau et méthane dans des cavités de ~2 µm ou inclusions fluides.</figcaption></figure>

## La géobiotropie

### la formation de molécules organiques azotées dans une eau anoxique, très basique et proche de l'état supercritique

$$ \text{Fe}^{\text{II}}(\text{OH})_3^{\text{−}}(\text{diss}) + \text{H}_2\text{O}_{\text{anoxique, proche supercritique}} \rightarrow \text{Fe}^{\text{III}}(\text{OH})_4^{\text{−}}(\text{diss}) + \frac{1}{2}\text{H}_2(\text{g, diss}) \quad \text{pH} \sim 9.5-14 $$

$$ \text{Fe}^{\text{II}}_2\text{SiO}_4(\text{s}) + \text{H}_2\text{O}_{\text{(anox. proche supercrit.)}} \rightarrow \text{Fe}^{\text{II+3}} + \text{Fe}^{\text{III+3}} + \text{SiO}_2(\text{quartz, diss}), \text{H}_2(\text{g, diss}) $$

$$ \text{Fe}^{\text{III}}(\text{OH})_4^{\text{−}}(\text{diss}) \rightarrow \text{hématite} \text{ Fe}_2\text{O}_3 $$

$$ (\text{Fe}^{\text{II+3}}, \text{Fe}^{\text{III+2}})\text{SiO}_2\text{O}(\text{OH})_4 $$

Fe^{III}-greenalite

exothermic

$$ \text{Fe}^{\text{II+2}}\text{SiO}_4(\text{s}) + \text{CO}_2(\text{diss}) \rightarrow \text{SiO}_2, \text{Fe}^{\text{III+2}}\text{CO}_3 \text{ sidérite} $$

Quartz, hématite, sidérite et probablement greenalite sont observés dans le Buck Reef Chert de 3.4 Ga.

$(H_2 + CO_2)_{\text{diss dans eau proche de l'état supercritique}} \rightarrow CO, CH_4, C, H_2O$

avec $N_2$ — molécules organiques azotées

CH₄, H₂O et probablement greenalite sont observés dans des cavités du quartz du Buck Reef chert (3.4 Ga) (Bassez 2023)

L'étude des molécules organiques dans ces cavités est en cours.

(Bassez 2024, adapté de Bassez 2023,2019, 2018)

5. Expériences de laboratoire en phase gaz

* (CO + N₂) ou (CO + NH₃) au dessus de H₂O̲_{liq} + rayons cosmiques → macromolécules d'acides aminés Kobayashi et al. (1990 – 2008...)

* CO + N₂ + H₂ à 300°, 400°C → CH₃NH₂, CH₃CN, CH₃N=CH₂ Hill et Nuth (2003)

* CO + NH₃ + H₂ à 370°C → acides-aminés Pizzarello (2012)

en phase liquide * CO₂ + H₂ dissous dans eau de mer à 250°-300°C, 25 MPa, catalyseur Fe₃O₄, → CO et CH₄ observés Fu, Seyfried (2009)