Les stromatolithes

Le 10 avril 2007, par Jeff,

Les stromatolithes sont les plus anciennes structures que l’on peut rattacher à une activité biologique ; ils sont assez communs dans les carbonates précambriens.

Avril 2007, avec la participation de Pierre Thomas

Ce texte est également publié sur Planet-Terre

Les stromatolithes sont des constructions fossiles, formées de carbonates. Ce sont parmi les plus anciens fossiles connus, et certainement les plus anciens macrofossiles ; on en connaît depuis 3.5 Ga (en Australie). Ils sont formés en général par des cyanobactéries (« algues bleues ») photosynthétiques, qui existent encore à l’heure actuelle.

Définition(s)

Parmi les constructions sédimentaires (le plus souvent) carbonatées, formées d’une superposition de lamines millimétriques précipitées par des processus chimiques ou biochimiques, les stromatolithes se distinguent (de façon plus ou moins claire) par deux critères :

- Il doit s’agir de structures d’origine biologique ; les lamines sont le résultat de l’activité biochimique de micro-organismes, principalement des cyanobactéries ;
- Il doit d’agir de structures avec une morphologie qui se développe à partir d’un point ou d’une zone relativement restreinte (par opposition à des encroûtements continus). Ce sont donc des colonnes, des dômes ou des cônes.

On voit que les stromatolithes ne sont qu’un cas particulier de toutes sortes de concrétions laminaires, qu’ils soient abiotiques (quoique la plupart des structures laminaires soient plus ou moins directement liées à une activité biologique) ou liés à l’activité biologique de différentes classes d’êtres vivants allant des cyanobactéries aux eucaryotes (algues vertes). Ces concrétions incluent par exemple des stalactites ou des travertins, ou encore des encroûtements en films continus. Les limites de la définition sont donc floues.

Dans ce texte, on se limite aux structures liées à l’activité de cyanobactéries, en se concentrant sur les structures à la morphologie plus ou moins en dômes (par opposition aux encroûtements continus). Il convient cependant de noter que les cas où la présence de cyanobactéries est vraiment démontrée sont rares – dans la plupart des cas, on ne voit que la morphologie en dômes, et c’est uniquement par analogie qu’on l’attribue aux cyanobactéries.

Les stromatolithes sont importants dans l’histoire de la Terre pour deux raisons essentielles : (1) ce sont les plus anciennes structures d’origine biologique reconnaissables à l’échelle de l’affleurement, connues dès 3.5 Ga environ ; (2) leur existence de façon si précoce dans les enregistrements fossilifères démontre (a) que les cyanobactéries sont un groupe qui s’est différencié très tôt dans l’histoire de la vie ; (b) que la photosynthèse est apparu de façon très précoce sur Terre (3.5 Ga, peut être même avant). En particulier, les cyanobactéries semblent les seuls êtres photosynthétiques présents entre 2.5 et 2.0 Ga, au moment où l’atmosphère est devenue oxydante ; ce sont donc ces êtres vivants qui sont responsables de la dissociation du CO2 et de l’évolution vers une atmosphère moderne, à O2 (voir ici la discussion sur l’évolution de l’atmosphère).

NB- Ce sont des stromatolithes – de stroma, « tapis » et lithos, « roche ». Il n’y a pas de h après le premier t, ce ne sont pas des stromatholithes ! En anglais, on écrit stromatolite (sans h après le second t) : pensez-y si vous faites des recherches sur google…

Les cyanobactéries

Ce sont des eubactéries photosynthétiques. Ils ne possèdent pas de chloroplastes, les systèmes chlorophylliens sont localisés sur des thylakoïdes libres dans le cytoplasme (chez les eucaryotes, les thylakoïdes forment des piles – les « grana »— dans les chloroplastes).

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Nostoc
Cyanobactéries actuells (genre "Nostoc"). Photo I. Bonnin.

Les cyanobactéries actuelles peuvent être des unicellulaires indépendants ou filamentaires, et peuvent être coloniales. Elles forment alors des « tapis » bactériens (« microbial mat ») qui recouvrent la surface du sol. On en trouve par exemple associé à des sources chaudes (comme à Yellowstone), mais toutes les cyanobactéries ne sont pas thermophiles ! Il en existe qui se plaisent à des températures plus modérées ; elles forment par exemple les pellicules noires ou verdâtres, un peu gluantes, que l’on peut trouver sur des rochers humides.

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Mattes thermophiles autour de sources chaudes, Yellowstone.
Les cyanobactéries sont représentées par les zones oranges. Le centre de la source est à des températures très élevées (> 80 °) que même les cyanobactéries ne supportent pas ; elles sont restreintes à la zone entre 40 et 80°, en anneau autour de la source chaude.
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Mattes thermophiles autour de sources chaudes, Yellowstone.
Les cyanobactéries sont représentées par les zones oranges. Le ruisseau de gauche, plus froid, contient une flore d’algues vertes tandis que celui de droite, plus chaud, est habité par des cyanobactéries.
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Cyanobactéries modernes formant un tapis (« matte ») dans le fond d’un étang. Notez
Notez la couleur noire-bleuâtre, qui a donné leur nom à ce groupe. http://earth.geology.yale.edu/ reb29/index.cgi ?page-selection=2
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Sources pétrifiantes de Saint-Nectaire (63).
L’eau qui suinte est riche en H2S et donc réductrice. Proche des suintements se développent des colonies de cyanobactéries (ici de couleur vert-bleutée). Plus bas, H2S s’est échappé ; en milieu plus oxydant, ce sont des eucaryotes (couleur bronze) qui sont présents (Photos P. Thomas)
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Sources pétrifiantes de Saint-Nectaire (63).
L’eau qui suinte est riche en H2S et donc réductrice. Proche des suintements se développent des colonies de cyanobactéries (ici de couleur vert-bleutée). Plus bas, H2S s’est échappé ; en milieu plus oxydant, ce sont des eucaryotes (couleur bronze) qui sont présents (Photos P. Thomas)

Les cyanobactéries sont au moins tolérantes aux milieux anaérobies, ou ont une préférence pour ces conditions. On les trouve donc préférentiellement dans ce genre de milieux – que ce soit parce que c’est leur environnement de prédilection, ou simplement parce que c’est le seul où la concurrence d’espèce oxygéno-tolérantes ne leur nuit pas.

Les stromatolithes

Les constructions biogéniques laminaires, formées par les cyanobactéries, sont appelées stromatolithes. Il s’agit le plus souvent de carbonates, mais il peut y avoir des "stromatolithes" siliceux.

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"Stromatolithes" (ou concrétions chimiques ?) siliceux à Yellowstone.
Ils forment de petites boules, plus petites que les stromatolithes classiques mais avec la même forme, clairement associés au tapis de cyanobactéries.

Deux modèles de croissance sont possibles :

(1) le piégeage mécanique de minéraux sous la surface des mattes bactériens, suivi du dépôt (mécanique) de nouveaux grains, eux-même à leur tour encroûtés par la matte ;

(2) La précipitation biochimique de minéraux, par exemple liée à l’activité photosynthétique. Dans ce cas, la précipitation se fait par le couplage des deux réactions suivantes :

(a) la photosynthèse (effectuée par les cyanobactéries) : CO2 + H2O = CH2O + O2

(b) la précipitation des carbonates : 2 HCO3- + Ca++ = CaCO3 + CO2 + H2O

Dans un système où des ions carbonates (ou hydrogénocarbonates) existent en solution, on voit donc que, si on soustrait du CO2 au système, l’équation (b) est déplacée vers la droite, c’est à dire vers la précipitation de carbonates, et la libération de CO2. La photosynthèse (équation (a) ) consomme du CO2, si bien qu’elle induit localement la précipitation de carbonates.

D’autres actions chimiques (par exemple modifications du pH liée à la présence de matière organique) peuvent aussi déplacer l’équilibre (b) et causer la précipitation de carbonates.

Dans les deux cas, la « couche » de bactéries est étouffée par les minéraux, et une nouvelle couche bactérienne se forme sur ce nouveau substrat, ce qui résulte en une structure en couches concentriques, alternativement minérales et riches en fossiles de cyanobactéries.

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Coupe dans un stromatolithe de Rhynie.
Elle montre une alternance de niveaux de calcite (blancs, l’essentiel de la photo) avec des petits niveaux à reliques de matière organique (noir, indiqués par (b) ). http://www.abdn.ac.uk/rhynie/cyano.htm

Il faut noter que des structures laminaires avec des morphologies similaires peuvent exister, catalysées par l’action d’autres formes de vies (algues vertes), voire abiotique.

Morphologie et sédimentologie des stromatolithes

Les stromatolithes peuvent adopter une grande variété de formes, depuis des tapis bactériens légèrement onduleux, jusqu’aux spectaculaires formes en boules ou en colonnes, les plus connues. Si les différences géométriques sont assez faciles à reproduire par des modèles mathématiques, en revanche ce qui détermine ces variations est mal compris.

Morphologie quantitative

On peut décrire mathématiquement, de façon assez simple, les différentes formes des stromatolithes ; deux paramètres sont suffisants pour reproduire la diversité des formes observées. L’un (G, sur la figure) est lié au degré d’anisotropie de la croissance du stromatolithe (pour des G élevés, la croissance se fait à la même vitesse dans les directions verticales et horizontales) ; l’autre (E sur la figure) représente l’ellipsité du substrat d’origine (pour des E élevés, on part d’un substrat déjà très allongé verticalement, alors que pour des E faibles on part d’un substrat applati).

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Morphologie quantitative.
La forme des stromatolithes peut être décrite par eux paramètres mathématiques appelés E et G (Hofmann 1973).

Diverses approches par modélisation mathématique des phénomènes de croissance, arrivent aussi à assez bien reproduire (empiriquement) la diversité des formes de stromatolithes. Par exemple Dupraz (2006), avec un modèle simple où les stromatolithes se construisent par « piégeage » de particules en suspension dans le milieu, montre que deux paramètres (une « distance d’attraction », qui est la distance à laquelle le stromatolithe attire les particules libres ; et une « distance de stabilité », qui est la distance que peuvent parcourir les particules déjà fixées pour acquérir une position plus stable au point de vue gravité ou énergie de surface) suffisent à balayer l’ensemble du champ morphologique des stromatolithes.

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Modélisation mathématiques de stromatolithes (Dupraz et al. 2006).
Un modèle simple basé sur le piégeage de particules par le stromatolithe en croissance permet, en faisant varier deux paramètres, de reproduire une large gamme de formes.

Les problèmes inhérents à ces approches sont le manque de contrôle biologique ou environnemental : ces paramètres mathématiques, si ils décrivent certes les formes des stromatolithes, ne permettent pas de prédire comment des facteurs comme la température, la salinité, la profondeur, l’éclairement, etc. vont jouer sur la croissance des stromatolithes.

Répartition des morphologies et paléo-environnements

1) De façon empirique, il a parfois été possible de relier la paléogéographie aux formes des stromatolithes, par exemple pour les sédiments du Protérozoïque inférieur dans le Supergroupe du Transvaal (Eriksson and Altermann 1998). Dans ces dépôts tidaux ou subtidaux, on observe successivement :

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Morphologie et milieu de croissance des stromatolithes
Morphologie des stromatolithes dans le Supergroupe du Transvaal, en fonction de la profondeur du milieu de formation (Eriksson and Altermann 1998)

-  En milieu intertidal, des dômes surbaissés, puis des stromatolithes en colonnes assez élevées, ou en champignon (ce sont les stromatolithes « classiques », que l’on observe à Shark Bay (Hamelin Pool) ) ;

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Stromatolithes en boules (ou en champignons).
Boetsap, Northern Cape (Afrique du Sud). Reivilo formation, Campbellrand Subgroup, Ghaap Group, Transvaal supergroup – Entre 2.51 et 2.55 Ga). Milieu intertidal. (McCarthy and Rubidge 2005)
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Stromatolithes actuels en champignons.
Hamelin Pool, Shark Bay, Western Australia (McCarthy and Rubidge 2005). Milieu intertidal.
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Stromatolithes actuels en champignons.
Hamelin Pool, Shark Bay (Carte postale publiée par le Geological Survey of Western Australia). Milieu intertidal.

-  Dans la zone d’agitation des vagues, où les conditions sont trop agitées pour permettre des grandes constructions, on trouve surtout des oncolites (des petits encroûtements formant des billes millimétriques ou centimétriques) ;

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“Perles” stromatolithiques – Source pétrifiante de Réotier (63).
On constate la différence entre les zones agitées, où tombent les gouttes d’eau et où se développent des perles ; et les zones calmes où on forme plutôt un encroûtement continu. On voit aussi le voile bactérien (traces rouille sur les concrétions, et couleur bleue sombre sur les feuilles de chêne – il n’est ici pas certain que ce soient des cyanobactéries mais le processus de précipitation est le même). Photos P. Thomas.
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“Perles” stromatolithiques – Source pétrifiante de Réotier (63).
Zoom sur les perles
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“Perles” stromatolithiques – Source pétrifiante de Réotier (63).
Les perles, en milieu agité (chute de gouttes d’eau)
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Oncolithes sans doute stromatolithiques, Chadrat, Limagne
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-excursion-limagne2.xml. Photo P. Thomas.
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Oncolithes stromatolithiques, region de Barberton.
(McCarthy and Rubidge 2005).

-  Puis, en dessous du niveau d’agitation des vagues, des dômes allongés dans la direction du courant, de taille de plus en plus grande quand la profondeur augmente (de tels dômes sont aussi présents à Shark Bay, bien que moins connus !)

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Stromatolithes en petits dômes
R512 entre Pretoria et Hartebeespoort, Gauteng, Afrique du Sud. Malmani subgroup, Chuniespoort group, Transvaal supergroup, ca. 2.5 Ga (Eriksson and Altermann 1998).
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Stromatolithes en petits dômes allongés, Shark Bay.
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Stromatolithes en grands dômes, milieu subtidal profond.
Sudwala Pass (R539), Mpumalanga, Afrique du Sud. Lyttleton formation, Malmani subgroup, Chuniespoort Group, Transvaal Supergroup – plus jeune que 2.55 Ga.
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Stromatolithes en grands dômes, milieu subtidal profond.
Sudwala Pass (R539), Mpumalanga, Afrique du Sud. Lyttleton formation, Malmani subgroup, Chuniespoort Group, Transvaal Supergroup – plus jeune que 2.55 Ga.
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Stromatolithes en grands dômes, milieu subtidal profond.
Sudwala Pass (R539), Mpumalanga, Afrique du Sud. Lyttleton formation, Malmani subgroup, Chuniespoort Group, Transvaal Supergroup – plus jeune que 2.55 Ga.

2) Les stromatolithes du Protérozoïque supérieur et du Précambrien adoptent souvent, dans la zone intertidale, des formes en colonnes hautes et étroites

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Stromatolithes columnaires.
Protérozoïque (environ 1,2 milliard d’années), région d’Atar, Mauritanie. (P.A. Bourque, http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s4/stromatolites.anciens)
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Colonnes stromatolitiques datant du Protérozoïque (2 milliards d’années).
Bloc erratique provenant du nord du Québec. Hauteur : 60 cm. (P.A. Bourque, http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s4/stromatolites.anciens)

3) Dans d’autres contextes, cependant, les stromatolithes adoptent des morphologies différentes. Ainsi en Limagne, en milieu probablement lacustre, on observe des stromatolithes en boule (Jussat), mais aussi des encroûtements qui se construisent sur la végétation présente (Chadrat). Ici aussi, les boules correspondent à des milieux proches de la surface. On peut se demander si le terme de stromatolithes est approprié pour les concrétions qui se forment sur les roseaux, comme à Chadrat – quoi qu’il en soit il s’agit bien de concrétions biochimiques, sans doute dues à des cyanobactéries et formées par le même phénomène que les stromatolithes, même si la morphologie est différente.

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Boules stromatolithiques en Limagne (Jussat)
Photo P. Thomas
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Concrétions calcaires sur des roseaux (ou autre végétation).
Oligocène de Limagne, Chadrat. (P. Thomas http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-excursion-limagne2.xml). Echantillon in-situ.
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Vue extérieure de roseaux “stromatolithisés” (Chadrat
Photo P. thomas
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Coupe de roseaux “stromatolitisés” (Chadrat).
Photo P. Thomas

D’autres concrétions calcaires d’origine biologiques sont connues dans divers travertins, par exemple dans le Jura ou en Croatie.

4) Les stromatolithes archéens, par exemple dans la région du Pilbara (Nord-Ouest australien) ne forment quant à eux que rarement de boules, dômes ou champignons, mais plutôt des encroûtements laminaires, à forme ondulante, ou conique. Ils sont associés à des figures comme des fentes de dessication ou des ripple-marks, et l’ensemble de l’affleurement est interprété comme formé en milieu intertidal (Allwood et al. 2006). (Voir l’article « Pilbara »)

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Types de stromatolithes dans le Strelley Pool Chert du Pilbara (3430 Ma).
(Allwood et al. 2006). http://www.nature.com/nature/journal/v441/n7094/abs/nature04764.html
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Stromatolithes en cônes, Strelley Pool Chert
3430 Ma
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Stromatolithes en cônes, Strelley Pool Chert
3430 Ma
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Stromatolithes en cônes, Strelley Pool Chert
3430 Ma
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Ripple marks associées aux stromatolithes du Strelley Pool Chert.
3430 Ma.

A Barberton, on trouve aussi de (rares) stromatolithes dans le Groupe d’Onverwacht. Ils présentent également une morphologie très surbaissée, en encroûtements plats plutôt qu’en dômes.

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Stromatolithes de la région de Barberton, Afrique du Sud
Probablement dans le Groupe d’Onverwacht, ca. 3.5 Ga (Viljoen and Reimold 1999).

5) L’ensemble suggère 3 grands types de calcaires biochimiques, liés à des cyanobactéries :

- Des stromatolithes « primitifs » archéens, qui apparaissent surtout comme des encroûtements coniques, formant des tapis bactériens ;

- Des stromatolithes s.s., en dômes, champignons, colonnes, etc. (Shark Bay, Transvaal, etc.), qui semblent associés à des milieux tidaux et infratidaux à partir du Protérozoïque. On peut s’interroger sur la raison de ce changement de morphologie : est-il du à des facteurs internes (évolution au sein des cyanobactéries), ou externes (on passe d’un milieu sans doute proche de sources chaudes, réducteur, à un milieu plus ouvert et peut-être plus oxydant) ?

- Des encroûtements carbonatés qui recouvrent le substrat, en particulier en eau douce ou dans des conditions non tidales (Limagne, rivières et lacs actuels, Yellowstone…).

Les stromatolithes et l’évolution de l’atmosphère

L’évolution séculaire de l’atmosphère se caractérise par deux tendances majeures :

- La diminution du taux de CO2 ;
- L’augmentation du taux de O2.

La première est surtout du au piégeage net de CO2 par l’altération des roches : le CO2 est dissous dans l’eau à l’occasion des processus d’altération, puis précipité sous forme de carbonates. Les cyanobactéries sont un agent de cette précipitation. La seconde est due à la dissociation photosynthétique du CO2 en O2. Elle est due également à l’action des cyanobactéries. Dans les deux cas, le changement n’est définitif que si on piège les produits autres : carbonates ou matière organique, ce qui impose des conditions géodynamiques permettant le piégeage de sédiments.

Voir cet article sur ce site, ou celui-ci sur Planet-Terre.

Références

Quelques liens trouvés en préparant ce texte :

http://www.symbiose.asso.nc/res_local/geol/stromato.htm Quelques photos de Shark Bay (FR)

http://www.abdn.ac.uk/rhynie/cyano.htm : les cyanobactéries et stromatolithes de Rhynie, en Ecosse (EN)

http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s4/stromatolites.html : De nombreux exempls de stromatolithes modernes et fossiles chez Pierre-André Bourque (FR)

http://waynesword.palomar.edu/cyano1.htm : tout sur les cyanobactéries ! (EN)

Publications :

Allwood, A. C., M. R. Walter, B. S. Kamber, C. P. Marshall and I. W. Burch (2006). "Stromatolite reef from the early Archaean era of Australia." Nature 441 : 714-718.

Dupraz, C., R. Pattisina and E. P. Verrecchia (2006). "Translation of energy into morphology : simulation of stromatolite morphospace using a stochastic model." Sedimentary Geology 185(3-4) : 185-203.

Eriksson, K. A. and W. Altermann (1998). "An overview of the geology of the Transvaal Supergroup dolomites (South Africa)." Environmental geology 36(1-2) : 179-188.

Grotzinger, J. P. and A. H. Knoll (1999). "Stromatolites in precambrian carbonates : evolutionary mileposts or environmental dipsticks ?" Annual Review of Earth and Planetary Sciences 27 : 313-358.

Hofmann, H. J. (1973). "Stromatolites : characteristics and utility." Earth Science Reviews 9 : 339-373.

McCarthy, T. S. and B. Rubidge (2005). The story of Earth and life — a southern african perspective. Cape Town, Struik publishers.

Viljoen, M. J. and W. U. Reimold (1999). An introduction to South Africa’s geological and mining heritage. Johannesburg, Geological Society of South Africa.

Post-Scriptum :

Le numéro de "Precambrian Research" en date du 5 Octobre 2007 est intitulé "Earliest Evidence of Life on Earth". Comme on peut s’en douter, il contient pas mal d’articles où il est question de stromatolithes (mais pas seulement).
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Commentaires de l'article

 
Anonyme
Le 1er décembre 2009

Merci pour cet article très détaillé qui a pu aider mes enfants à faire un exposé.

babyphone babymoov

 

Attention !

Suite à un bug que je n’arrive pas à résoudre, vous êtes peut-être arrivés sur cette page, ou d’ailleurs sur n’importe quelle page du site, avec une adresse (url) incorrecte. Si c’est le cas, il y a des choses qui marcheront mal (documents liés, commentaires...).

Les adresses correctes sont de la forme

http://jfmoyen.free.fr/spip.php ?articleXXX

Toute autre version (avec des choses en plus entre le "... free.fr/" et le "spip.php") n’est pas bonne.

Si vous n’arrivez pas à écrire un commentaire ou voir une photo, vérifiez que vous pointez bien sur la bonne adresse ; si vous faites un lien vers ce site, merci d’utiliser la version correcte de l’URL.

 

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Dernière mise à jour le :
28 février 2008
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