Fossilisation des apatites biologiques : approche cristallochimique et applications géochimiques Julie Aufort To cite this version: Julie Aufort. Fossilisation des apatites biologiques : approche cristallochimique et applications géochimiques. Paléontologie. Sorbonne Université, 2018. Français. NNT : 2018SORUS484. tel- 02611818 HAL Id: tel-02611818 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02611818 Submitted on 18 May 2020 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Thèse de Doctorat Sorbonne Université Ecole doctorale 397 – Physique et Chimie des Matériaux Fossilisation des apatites biologiques : Approche cristallochimique et applications géochimiques Julie Aufort Réalisée à l’Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie Dirigée par Etienne Balan Présentée et soutenue publiquement le 9 juillet 2018 Devant un jury composé de : Pascale ROY DR CNRS Rapportrice Christophe DROUET DR CNRS Rapporteur Maguy JABER Professeur Sorbonne Université Examinatrice Antoine ZAZZO DR CNRS Examinateur Etienne BALAN Professeur Sorbonne Université Directeur de thèse Christel GERVAIS Professeur Sorbonne Université Invitée Loïc SEGALEN Professeur Sorbonne Université Invité Remerciements Les années de doctorat constituent une expérience haute en couleurs, riche en émotions et source de satisfaction immense, et c’est avec le plus grand bonheur que je contemple ces trois années. Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse Etienne Balan de m’avoir débauchée à la fin de mon stage de master 2 et de m’avoir proposé ce fantastique sujet à l’interface entre de nombreuses disciplines, mêlant théorie et expérience, calculs ab initio et fouilles paléontologiques, au point qu’il fut tout simplement impossible de s’ennuyer au cours de ces trois années. Ce travail a été réalisé au sein de trois laboratoires, non seulement à l’IMPMC mais également à l’ISTEP et au LCMCP sous l’encadrement de Loïc Ségalen et de Christel Gervais respectivement. Je tiens à souligner la très grande complémentarité de mes trois encadrants, ainsi que leur disponibilité et réactivité. De façon générale j’ai bénéficié d’un encadrement sans faille de la part de mes trois encadrants, d’encouragements, de soutien et de retours positifs qui ont sans nul doute instauré un cercle vertueux de motivation, me permettant de tenir les échéances, parfois un peu folles d’Etienne, comme celle de soutenir quelques mois avant la fin de mon contrat... Il est bien sûr important de mentionner le labex Matisse qui a financé ma thèse et m’a permis de bénéficier d’un environnement idéal, notamment grâce à l’accès aux différentes plateformes expérimentales et de calculs disponibles au sein de l’IMPMC, l’ISTEP et le LCMCP, pour mener à bien mes travaux. Je remercie également les membres du jury d’avoir accepté de relire et juger ce travail. Bien que la rédaction du manuscrit soit un travail très solitaire, le doctorat, lui, est avant tout une affaire d’équipe et je tiens à remercier tous les collaborateurs impliqués dans les travaux présentés à travers ce manuscrit. A l’IMPMC, un grand merci à Christian Brouder pour son implication dans les aspects mathématiques de la modélisation des spectres ATR-FTIR, à Olivier Beyssac pour m’avoir montré puis fait confiance avec le spectromètre Raman, à Lorenzo Paulatto pour son aide sur Quantum Espresso, à Marc Blanchard pour son implication dans les calculs de fractionnement isotopique et à Benoît Baptiste pour son aide avec le Rietvelt. A l’ISTEP, je remercie Nathalie Labourdette pour toute son aide apportée avec les mesures isotopiques et les analyses chimiques, toujours dans une ambiance de travail très sympathique. Au LCMCP, un grand merci à Cristina Coelho pour son aide au spectromètre et de façon générale à toute l’équipe SMILES dont j’ai découvert la richesse scientifique grâce à ses séminaires. Au-delà de mes trois laboratoires d’accueil, l’IMPMC, l’ISTEP et le LCMCP, plusieurs collaborations ont également été nouées avec le CR2P, le HNHP ainsi que le LGL. Je suis extrêmement reconnaissante envers Dominique Gommery du CR2P de m’avoir invitée à participer à une mission en Afrique du Sud en octobre 2016, qui s’est avérée une expérience scientifique et humaine inoubliable et m’a permis d’obtenir la majorité du matériel fossile étudié dans ce travail. Cette mission a pour moi été une opportunité incroyable : ne venant pas d’un cursus de géosciences cela a consisté en ma toute première expérience de terrain et j’ai pu ainsi découvrir tout le processus des fouilles paléontologiques. Sur le plan scientifique j’ai appris beaucoup sur le contexte géologique et les enjeux paléontologiques de mon travail, et des mots de géologues tels que brèche et karst ont enfin pris tout leur sens ! Plongée deux semaines dans la peau des paléontologues, dans le cadre exceptionnel qu’est celui du berceau de l’Humanité, j’ai pu découvrir le monde fou et passionnant de la paléontologie humaine. A mon sens, cela a rajouté une dimension supplémentaire à mon travail de thèse aussi bien en termes de motivation que de compréhension du sujet. Enfin, s’agissant de mes premiers pas en Afrique on peut parler d’une véritable aventure humaine, et nul doute que je trouverai un moyen de retourner dans ce fantastique pays. Bien sûr un grand merci aux membres du Ditsong Museum de Pretoria et tout particulièrement à Nony et Lazarus, ainsi qu’aux camarades de fouille, Franck et Brian. La diagénèse de l’os étant autant une affaire de paléontologie que d’archéologie, je remercie également Matthieu Lebon et Xavier Gallet du HNHP au HNHP, pour les échantillons d’os archéologiques qui nous ont permis d’évaluer l’effet de la matrice collagénique sur les signatures ATR-FTIR des bandes structurales des phosphates de l’apatite. Un grand merci également à Christope Lécuyer et Romain Amiot qui m’ont accueillie au Laboratoire de Géologie de Lyon, le temps de quelques mesures de la composition isotopique des phosphates de l’apatite, qui se sont avérées indispensables pour nos conclusions sur les expériences d’alération d’os actuel en conditions controllées. Sur le plan scientifique aussi bien qu’humain je remercie ma « seconde famille » qu’a été l’équipe de Minéralogie Environnementale au sein de l’IMPMC. Mes compagnons du quotidien, mes cobureaux, Lucie, avec qui j’ai fait mes premiers pas au labo en stage de Master 2, Maximilien et ses sujets de discussions toujours plus fous et Pauline qui m’a particulièrement soutenue, supportée et écoutée pendant ma période de rédaction. Merci à Manoj mon collègue isotopiste, à Maya et Jessica pour les pauses thés et à Sylvain le convoyeur de champagne. Il m’est important de souligner la disponibilité de tous les chercheurs de l’IMPMC avec qui j’ai pu discuter, aussi bien dans l’équipe que dans le reste du laboratoire, notamment Guillaume Morin, Thierry Allard, George Ona, Karim Benzerara, George Calas, François Guyot, Fabio Pietrucci, Paola Giura, Agnès Elmaleh, Amélie Juhin et tant d’autres. Il me tient à cœur de saluer les différentes générations de doctorants que j’ai pu cotoyer, aussi bien les anciens dont Flo, Henri, Clémence, Aisha, Sara… que la relève avec Jaysen, Laura, Silvia, Francesca, Léon, Amrita… et bien sûr tous ceux qui ont fait le chemin en même temps que moi : Maud, Natan, Pauline, Eric, Ornella, Edoardo… Je suis donc fière de pouvoir compter parmi mes amis nombre de ces doctorants mais également de nombreux collègues : Mélanie, Hortense, Yoann, Fériel, Johan, Guillaume (et une mention spéciale au Maï Taï dans les derniers instants de la rédaction de thèse) … Je tiens également à saluer quelques personnes qui ont été de véritables jalons dans mon parcours : mes maîtres de stage Nathalie Capron avec qui j’ai découvert la DFT, Gilles Wallez avec qui j’ai fait mes premiers pas dans le patrimoine, et Ekhard Salje pour ma véritable bascule dans le monde de la minéralogie. Sortir de cet univers fou de la thèse et s’échapper dans le monde réél est bien sûr indispensable et pour cela je remercie mes amis « en dehors du labo », notamment Laurène et Louise (Docteure en houmous) et tout particulièrement mes punkettes, Nastassia et Bettina, que je cotoie depuis si longtemps. Ce travail de thèse constitue l’achèvement de vingt-cinq années d’études, je tiens donc à remercier ma tante pour son soutien infaillible depuis le tout début. Mille mercis à mon père, l’instigateur de ma toute première collection de minéraux, celui qui m’a emmenée dans les conférences les plus obscures du Muséum d’Histoire Naturelle et qui a fait naître en moi cette curiosité pour les merveilles de notre univers. Enfin, rien de ceci n’aurait été possible sans les valeurs de travail, d’effort et de persévérance inculquées par ma mère, à qui je dois tout. Sommaire Introduction Générale 1 Partie I : Généralités et Méthodes 5 Chapitre 1 : Fossilisation des apatites biologiques 7 1.1 Structure des apatites et impuretés moléculaires : unité et diversité des apatites............ 7 1.2 Structure des bioapatites actuelles : émail dentaire et tissus osseux ............................. 11 1.2.1 L’os ........................................................................................................................ 12 1.2.2 La dentine .............................................................................................................. 15 1.2.3 L’émail ................................................................................................................... 16 1.3 Apports de la géochimie isotopique des tissus biominéralisés fossiles à la reconstitution des environnements et climats passés ........................................................... 17 1.3.1 Géochimie isotopique : quelques définitions ........................................................