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Géologie et géochimie du Dallol Partie I
Par JJ Chevallier
Il existe, dans le nord-est de l’Éthiopie, un paysage si coloré et si étrange qu’il paraît appartenir à une autre planète.
Des vasques vertes, jaunes ou orangées ponctuent un désert de sel. Des fluides brûlants remontent du sous-sol. Des vapeurs s’échappent de petites cheminées minérales. Partout se forment des croûtes, des terrasses et des concrétions dont les couleurs semblent défier la géologie ordinaire.
Situation géographique
Le Dallol, situé dans la dépression du Danakil au nord-est de l'Éthiopie, constitue l'un des environnements géologiques les plus extrêmes et les plus spectaculaires de la planète. Au nord-est de l'Éthiopie, Dallol est un cratère situé dans le désert du Danakil, à environ 15 kilomètres de la frontière érythréenne. Ce volcan est situé à l'extrémité nord du lac salé du Karoum, dont le sel est encore utilisé par le peuple Afar. Il se trouve au sein du triangle de l'Afar, une région tectoniquement active où se rencontrent le rift est-africain, le rift de la mer Rouge et celui du golfe d'Aden. Cette zone correspond à un secteur où les plaques africaine et arabique s'écartent progressivement, provoquant un amincissement de la croûte terrestre, une subsidence du terrain et des remontées magmatiques fréquentes.wikipedia+1
Historique
La découverte par les premiers colons européens remonte certainement aux premières colonisations et expéditions dans la région au XVIIe ou XVIIIe siècle. Cependant, compte tenu de la chaleur insupportable qui y règne et des dangers du lieu (piscines acides, gaz toxiques, etc.), une expédition dans la zone proche du cratère reste périlleuse. Le volcan Erta Ale, situé dans une zone plus élevée, était beaucoup plus accessible.
La traduction littérale du mot Afar “dallol” est : désintégré. Ce volcan acide est une merveille du désert de Danakil, Éthiopie, ce volcan et cette région inhospitalière de la Vallée du Grand Rift de la Mer Rouge ont été baptisés selon ce terme autochtone. La raison peut simplement s’expliquer par les images.
Une nature fantastique
Les couleurs étranges, surréalistes, de jaune, vert, blanc et brun rouge produites par le soufre, l'oxyde de fer, les acides et des minéraux ainsi que les jolies concrétions évaporitiques étranges et fantastiques forment un paysage unique au monde. De splendides dentelles de sels blancs et de superbes sculptures minérales bariolées bordent des mares de saumure acide brûlante, des sources thermales acides. C’est le cadre d’un site hydrothermal qui regroupe des manifestations solfatariennes.
Dallol est-il l’endroit le plus hostile de la Terre ?
Le qualifier d’« endroit le plus hostile de la planète » est séduisant, mais scientifiquement difficile à établir.
L’hostilité d’un milieu dépend du critère retenu. Certains sites sont plus froids, plus chauds, plus secs, plus irradiés ou soumis à une pression plus forte. Dallol se distingue surtout par la combinaison de plusieurs extrêmes dans un même espace.
Les fluides du dôme peuvent cumuler :
-
une température atteignant 108 °C ;
-
des valeurs de pH allant jusqu’à −1,7 ;
-
une saturation en chlorure de sodium ;
-
une très forte concentration en fer ;
-
une faible disponibilité de l’eau ;
-
une chimie ionique perturbant les structures biologiques. [nature.com], [pmc.ncbi.nlm.nih.gov]
Cette combinaison fait du site l’un des meilleurs laboratoires naturels pour rechercher non seulement les capacités d’adaptation du vivant, mais également ses limites.
La question la plus intéressante n’est donc pas de lui attribuer un record. Elle consiste à comprendre pourquoi deux mares séparées de quelques mètres peuvent présenter des potentiels biologiques profondément différents.
Contexte géologique
Contrairement à un volcan classique édifié par des coulées de lave, le Dallol est aujourd'hui considéré comme un système hydrothermal complexe développé sur un vaste dôme de sel. Son origine résulte de l'intrusion de magmas basaltiques sous une épaisse série d'évaporites composées principalement de sel gemme et d'autres dépôts salins hérités d'anciennes invasions marines dans la dépression du Danakil. L'interaction entre la chaleur magmatique, les eaux souterraines et ces couches salifères a engendré des explosions phréatiques, des mouvements du sel, des circulations hydrothermales intenses et la formation du paysage actuel.wikipedia+1
La dernière éruption, de type phréato-magmatique, de ce volcan, remonte à 1926.
"L’éruption de 2011, est une éruption « seulement » phréatique, c’est-à-dire résultant de l’explosion d’une poche de vapeur d’eau surchauffée par la chaleur profonde."
JM Bardintzeff, 16 août 2016, https://blogs.futura-sciences.com/bardintzeff/2014/01/05/sources-thermominerales-dallol-ethiopie/
Dallol a été formé par l'explosion d'une grande chambre magmatique dans la vallée du Grand Rift au-dessus de la vaste zone salée à l'ouest de la mer Rouge et se trouve à 136,8 m sous le niveau de la mer, dans la dépression de Danakil.
En raison de l'accès difficile et des fumées toxiques associées à ce volcan inhabituel, les études scientifiques progressent lentement. C’est un véritable laboratoire d’études des extrêmophiles.
Géologiquement, le site n'est pas un site volcanique actif, mais plutôt constitué d'interactions complexes entre l’halocinèse* et les circulations hydrothermales provoquées par une intrusion magmatique en profondeur qui n'a jamais été observée en géophysique jusqu'à 2 200 m.
*-halocinèse : processus de formation des dômes typique des séries sédimentaires très épaisses par la migration d'une masse saline légère vers le haut.
Géochimie du site
Le site est célèbre pour ses couleurs exceptionnelles, produites par la précipitation de minéraux issus de saumures extrêmement concentrées et acides. Les surfaces blanches correspondent essentiellement à l'halite (NaCl), c'est-à-dire le sel gemme, parfois associée à du gypse. Les teintes jaunes sont principalement dues au soufre natif et à certains sulfates. Les couleurs orange et rouge résultent de l'oxydation de minéraux riches en fer, notamment des oxyhydroxydes comparables à la goethite ou à la limonite pour les teintes orangées, et des oxydes ferriques proches de l'hématite pour les teintes rouges. Les bassins verts doivent leur aspect à des saumures extrêmement concentrées en chlorures de sodium, de magnésium, de calcium et de fer, auxquelles peuvent s'ajouter des effets liés à certains micro-organismes halophiles.wikipedia+2
D'un point de vue géochimique, plusieurs types de bassins peuvent être distingués. Les bassins vert émeraude sont dominés par des saumures chlorurées hypersalines riches en sodium, magnésium, calcium et fer dissous. Les bassins jaunes sont associés à des fluides très acides enrichis en composés soufrés. Les bassins orange et rouges correspondent à des zones où le fer s'oxyde progressivement et précipite sous différentes formes minérales. Les terrasses blanches représentent les secteurs où l'évaporation est maximale et où la halite précipite presque pure. Les zones brunes ou noires correspondent généralement à des systèmes hydrothermaux plus anciens dont les dépôts ferrugineux ont subi une oxydation prolongée.wikipedia+2
Les fluides du Dallol comptent parmi les plus extrêmes connus à la surface de la Terre. Ils se caractérisent par des températures élevées, une salinité exceptionnelle et une acidité pouvant atteindre des valeurs inférieures à pH 1 dans certaines mares. Cette combinaison de température, d'acidité et de concentration en sels fait du Dallol un laboratoire naturel unique pour l'étude des environnements extrêmes et des limites de la vie. Pour cette raison, le site est également considéré comme un analogue potentiel de certains environnements présents ou passés sur Mars.wikipedia+1
Ainsi, le paysage du Dallol résulte de l'interaction étroite entre trois processus géologiques majeurs : l'ouverture tectonique du rift de l'Afar, les intrusions magmatiques profondes et la dynamique des dépôts évaporitiques. La combinaison du sel, du soufre et du fer dans des conditions hydrothermales extrêmes produit l'un des ensembles géologiques et géochimiques les plus remarquables actuellement observables à la surface de la Terre.wikipedia+2
Géochimie et minéralogie des "bassins verts" du Dallol
Les bassins verts du Dallol ne doivent pas être interprétés comme des accumulations d'un minéral vert unique. Les études minéralogiques, géochimiques et spectroscopiques montrent qu'il s'agit principalement de saumures hyperacides, hypersalées et riches en fer, dans lesquelles la couleur est contrôlée par la composition de la solution, les colloïdes minéraux et les précipitations en cours.
Composition chimique dominante des saumures
Les fluides sont souvent proches de la saturation en halite et peuvent présenter des pH proches de 0, voire négatifs dans les systèmes les plus concentrés.
Comment une eau peut-elle avoir un pH négatif ?
Les mares du dôme hydrothermal figurent parmi les milieux naturels les plus acides étudiés. Des mesures ont révélé des valeurs de pH légèrement négatives dans certaines eaux. Leur température s’échelonne entre environ 30 et 108 °C, tandis que leur teneur en sels est extrêmement élevée. [inee.cnrs.fr], [nature.com]
Un pH négatif peut surprendre, car l’échelle est souvent enseignée comme allant de 0 à 14. Cette présentation simplifiée convient à de nombreuses solutions aqueuses ordinaires, mais les solutions très concentrées peuvent se situer en dehors de cet intervalle.
À Dallol, l’extrême acidité ne constitue qu’une partie du problème biologique. Les organismes éventuels doivent affronter plusieurs contraintes simultanées :
-
une concentration considérable en sels ;
-
une forte acidité ;
-
des températures élevées ;
-
une très faible disponibilité effective de l’eau ;
-
une forte concentration de certains ions susceptibles de perturber les molécules biologiques.
C’est cette superposition des contraintes qui conduit les scientifiques à qualifier Dallol de milieu polyextrême.
Origine de couleurs
Les teintes vertes résultent principalement de l'absorption sélective de la lumière par les espèces ferriques dissoutes dans des saumures extrêmement concentrées en chlorures. Elles sont renforcées par la présence de particules colloïdales de taille micrométrique ou nanométrique.
Minéraux et phases réellement documentés à Dallol
Les analyses XRD (diffraction des rayons X), Raman, SEM-EDS (microscopie électronique à balayage couplée à la microanalyse) et spectroscopiques ont mis en évidence :
Minéraux possibles mais non démontrés
Les études récentes montrent également l'importance de minéraux extrêmement fins, parfois mal cristallisés, formés par précipitation rapide dans les fluides hydrothermaux.
Les bassins verts : ce que montrent réellement les analyses
Les travaux récents concluent que le vert n'est généralement pas la couleur d'un minéral vert solide. Les bassins verts correspondent à des saumures :
-
hyperacides ;
-
hypersalées ;
-
riches en Fe³⁺ ;
-
dominées par les chlorures Mg-Cl-Na.
Les couleurs vertes à turquoise sont attribuées à :
-
des complexes chlorurés ferriques dissous ;
-
des nanoparticules ferriques colloïdales ;
-
les propriétés optiques des saumures saturées ;
-
la réflexion sur les croûtes de halite sous-jacentes.
C'est pourquoi deux bassins très proches peuvent présenter des teintes différentes sans changement minéralogique majeur.
Ce que disent les études de terrain récentes
L'équipe de López-García et collaborateurs a montré que le Dallol constitue un système « halo-volcanique » particulier où :
-
une intrusion magmatique profonde chauffe les évaporites ;
-
les fluides hydrothermaux dissolvent les couches salines ;
-
les saumures remontent le long des fractures ;
-
l'évaporation rapide provoque la précipitation continue des minéraux observés aujourd'hui.
Ces travaux expliquent pourquoi les couleurs changent très rapidement dans le temps : la minéralogie et la chimie de surface évoluent constamment sous l'effet de l'activité hydrothermale.
Les travaux les plus récents utilisent la spectroscopie Raman, la diffraction X et la microscopie électronique pour établir une cartographie minéralogique précise des dépôts. Ils montrent que les couleurs vertes du Dallol sont essentiellement un phénomène géochimique de saumures ferrifères hyperchlorurées, alors que les couleurs jaunes, orange et rouges correspondent davantage à des phases minérales.
Synthèse actuelle
L'interprétation moderne est que les bassins verts du Dallol ne sont pas dominés par des minéraux verts cristallisés comme la malachite, la chlorite ou l'épidote. Les données géochimiques indiquent plutôt des saumures Mg-Fe-Na-Cl extrêmement concentrées, où la couleur résulte principalement de la chimie du fer dissous et de colloïdes ferriques, tandis que les couleurs jaunes, orange et rouges correspondent davantage à des précipitations de soufre et d'oxydes/hydroxydes de fer.
Bibliographie
1. Géologie du complexe de Dallol
López-García, J.M. et al. (2020)
Origin and Evolution of the Halo-Volcanic Complex of Dallol: Proto-Volcanism in Northern Afar (Ethiopia)
DOI : 10.3389/feart.2019.00351
Lien : Frontiers in Earth Science
C'est aujourd'hui l'article de référence sur la géologie, l'hydrothermalisme et l'évolution structurale du Dallol.
2. Géochimie des saumures hyperacides
Belilla, J. et al. (2019)
Dallol geothermal area: an extreme environment where the limits of life are explored
DOI : 10.1038/s41586-019-1735-2
Lien : https://doi.org/10.1038/s41586-019-1735-2
Article majeur sur la géochimie des bassins hyperacides et hyperhalins.
3. Minéralogie et biosignatures
Belilla, J. et al. (2022)
Microbial life and mineral self-organized structures in the Dallol hydrothermal area
DOI : 10.1111/gbi.12522
Lien : https://doi.org/10.1111/gbi.12522
Analyse détaillée des interactions entre minéraux ferriques, évaporites et structures abiotiques.
4. Contexte tectonique du Danakil
Nobile, A. et al. (2012)
Danakil Depression and Northern Afar Rift evolution
DOI : 10.1130/G32483.1
Dallol est-il l’endroit le plus hostile de la Terre ?
Le qualifier d’« endroit le plus hostile de la planète » est séduisant, mais scientifiquement difficile à établir.
L’hostilité d’un milieu dépend du critère retenu. Certains sites sont plus froids, plus chauds, plus secs, plus irradiés ou soumis à une pression plus forte. Dallol se distingue surtout par la combinaison de plusieurs extrêmes dans un même espace.
Les fluides du dôme peuvent cumuler :
-
une température atteignant 108 °C ;
-
des valeurs de pH allant jusqu’à −1,7 ;
-
une saturation en chlorure de sodium ;
-
une très forte concentration en fer ;
-
une faible disponibilité de l’eau ;
-
une chimie ionique perturbant les structures biologiques. [nature.com], [pmc.ncbi.nlm.nih.gov]
Cette combinaison fait du site l’un des meilleurs laboratoires naturels pour rechercher non seulement les capacités d’adaptation du vivant, mais également ses limites.
La question la plus intéressante n’est donc pas de lui attribuer un record. Elle consiste à comprendre pourquoi deux mares séparées de quelques mètres peuvent présenter des potentiels biologiques profondément différents.
Ce que Dallol nous apprend sur le vivant
La vie terrestre est extraordinairement adaptable, mais elle n’est pas toute-puissante.
Les organismes peuvent développer des membranes particulières, stabiliser leurs protéines, réguler les concentrations internes en sels ou utiliser des réactions chimiques inhabituelles pour produire de l’énergie. Néanmoins, des contraintes simultanées peuvent finir par rendre impossible le maintien d’une cellule fonctionnelle.
La grande leçon de Dallol est donc double.
Premièrement, la vie peut se maintenir très près de limites que l’on aurait autrefois jugées infranchissables.
Deuxièmement, certains environnements liquides peuvent effectivement se trouver au-delà de ces limites.
Cette seconde conclusion est aussi importante que la première. Dans la recherche de vie extraterrestre, découvrir un environnement apparemment favorable ne suffit pas. Il faut déterminer si les conditions permettent réellement la stabilité des molécules, des membranes et des réactions nécessaires au vivant.
Un monde gouverné par la chimie
Devant les terrasses de Dallol, l’observateur est tenté d’interpréter les couleurs et les formes comme les produits d’une activité biologique. Sur Terre, certaines structures minérales sont effectivement associées à des organismes.
Mais à Dallol, la géochimie peut, à elle seule, créer une extraordinaire diversité de formes.
L’oxydation progressive du fer, l’évaporation des saumures, la cristallisation du sel et la précipitation de minéraux suffisent à construire des architectures complexes. L’étude géochimique du site conclut d’ailleurs que la vie, si elle est présente dans ces conditions, ne joue pas un rôle dominant dans le cycle du fer ni dans la précipitation des minéraux. [pmc.ncbi.nlm.nih.gov]
Le site rappelle ainsi que la complexité n’est pas nécessairement une preuve de vie.
La matière non vivante peut produire de l’ordre, des motifs, des couleurs et des structures d’une remarquable finesse.
Les grandes questions encore ouvertes
Où se trouve exactement la frontière de l’habitabilité ?
Les chercheurs doivent déterminer quels paramètres deviennent incompatibles avec la vie lorsqu’ils sont combinés. La température, le pH et la salinité ne peuvent pas toujours être étudiés séparément.
Certaines communautés ne sont-elles actives que temporairement ?
La composition des fluides hydrothermaux peut varier. Un milieu actuellement inhabitable pourrait avoir traversé des épisodes différents, tandis qu’une zone habitable pourrait devenir plus sévère.
Comment reconnaître une cellule authentique ?
Les biomorphes minéraux de Dallol montrent qu’une simple ressemblance visuelle est insuffisante. Des critères chimiques, moléculaires et contextuels doivent être associés.
Comment éviter les contaminations ?
Plus les organismes recherchés sont rares et minuscules, plus le risque de confondre une présence locale avec une contamination ou un transport depuis une zone voisine devient important.
Comment ces connaissances amélioreront elles l’exploration planétaire ?
Les futures missions devront apprendre à cartographier finement la chimie d’un site avant d’interpréter d’éventuelles structures comme des traces biologiques.
Conclusion : le lieu où l’eau ne garantit plus la vie
Dallol attire d’abord par ses couleurs. Mais son véritable intérêt apparaît lorsqu’on comprend que cette beauté résulte d’un équilibre chimique profondément hostile.
Sous le désert de sel du Danakil, la chaleur met en mouvement des fluides qui dissolvent, transportent et redéposent les éléments de la croûte. Le fer s’oxyde. Les sels cristallisent. Des terrasses se forment. Des mares changent de couleur. Un paysage entier naît de réactions géochimiques.
À proximité, des archées adaptées au sel démontrent l’extraordinaire plasticité de la vie. Pourtant, dans certaines saumures où se combinent hyperacidité, chaleur, saturation saline, magnésium et faible activité de l’eau, aucun organisme n’a été mis en évidence par l’étude interdisciplinaire la plus complète publiée en 2019. [inee.cnrs.fr], [nature.com]
C’est peut-être la découverte la plus importante de Dallol : l’eau liquide est nécessaire à la vie terrestre connue, mais sa présence ne suffit pas à créer un monde habitable.
Le site nous apprend aussi à nous méfier des apparences. Un objet microscopique ressemblant à une cellule peut être un cristal. Une eau colorée peut être dépourvue de vie. Une molécule biologique peut avoir été transportée depuis un autre milieu.
Là où Surtsey montre comment la vie conquiert une terre nouvelle, Dallol révèle le point où cette conquête pourrait s’arrêter.
L’un est un laboratoire de la construction des écosystèmes.
L’autre est un laboratoire de leurs limites.
Et c’est ce qui fait de Dallol bien plus qu’un paysage spectaculaire : un lieu où la Terre nous aide à formuler correctement la question que nous poserons un jour à d’autres mondes.
Non pas seulement : « Y a-t-il de l’eau ? »
Mais : « Cette eau peut-elle réellement accueillir la vie ? »
Bibliographie
Études scientifiques fondamentales
-
Jodie Belilla, David Moreira, Ludwig Jardillier et collaborateurs, « Hyperdiverse archaea near life limits at the polyextreme geothermal Dallol area », Nature Ecology & Evolution, 2019, vol. 3, p. 1552-1561. Cette étude interdisciplinaire identifie deux barrières physico-chimiques à la vie et met en garde contre la confusion entre cellules et biomorphes minéraux. [nature.com], [nature.com]
-
Felipe Gómez, Barbara Cavalazzi, Nuria Rodríguez et collaborateurs, « Ultra-small microorganisms in the polyextreme conditions of the Dallol volcano, Northern Afar, Ethiopia », Scientific Reports, 2019, vol. 9, article 7907. Les auteurs présentent des indices morphologiques et moléculaires de microorganismes ultrafins apparentés aux Nanohaloarchaea. [nature.com], [pubmed.ncb...lm.nih.gov]
-
Electra Kotopoulou, Antonio Delgado Huertas, Juan Manuel García-Ruiz et collaborateurs, « A Polyextreme Hydrothermal System Controlled by Iron: The Case of Dallol at the Afar Triangle », ACS Earth and Space Chemistry, 2019, vol. 3, p. 90-99. Une étude essentielle pour comprendre le rôle du fer, de l’évaporation et des processus abiotiques dans la formation des couleurs et des minéraux. [pmc.ncbi.nlm.nih.gov], [ncbi.nlm.nih.gov]
-
Barbara Cavalazzi et collaborateurs, « The Dallol Geothermal Area, Northern Afar (Ethiopia): An Exceptional Planetary Field Analog on Earth », Astrobiology, 2019, vol. 19, p. 553-578. Synthèse consacrée au cadre géologique, aux environnements extrêmes et à l’intérêt de la région comme analogue planétaire. [journals.sagepub.com]
-
Ressources scientifiques accessibles au grand public
-
CNRS Écologie & Environnement, « Le champ géothermal de Dallol, aux frontières physico-chimiques de la vie », 5 novembre 2019. Présentation claire des environnements polyextrêmes, de l’absence de vie détectée dans certaines saumures et des implications pour l’habitabilité planétaire. [inee.cnrs.fr]
-
CNRS Le Journal, « Un souffle de vie dans l’enfer de Dallol ». Récit d’une mission scientifique consacrée à la recherche de microorganismes dans les différents milieux hydrothermaux. [lejournal.cnrs.fr]
-
Société française d’exobiologie, « Dallol, aux frontières physico-chimiques de la vie », 3 décembre 2019. Synthèse des principaux résultats publiés sur les limites de la vie dans le système hydrothermal. [exobiologie.fr]