Climatic and environmental changes during the Early Jurassic: a comparison between the Wessex, South German and Lombardian Basins

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Serval ID
serval:BIB_779E76C93C8A
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Title
Climatic and environmental changes during the Early Jurassic: a comparison between the Wessex, South German and Lombardian Basins
Author(s)
Schöllhorn Iris
Director(s)
Föllmi Karl
Codirector(s)
Adatte Thierry
Institution details
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Publication state
Accepted
Issued date
2019
Language
english
Abstract
De la fin du Trias au Jurassique inférieur, deux grands évènements ont profondément bouleversé la Terre : la crise de la fin du Trias (201.56 Ma) et l’événement anoxique du Toarcien (≈183 Ma). La crise du Trias terminal, qui est une des cinq plus grandes extinctions de masse, a provoqué la disparition de 50-75 % des espèces, laissant ainsi de nombreuses niches écologiques à la disposition des dinosaures qui ont dès lors dominé durant le Jurassique. Elle fut causée par la mise en place d’une grande province magmatique (Central Atlantic Magmatic Province, CAMP) située sur les bordures de l’Atlantique, de l’actuel Canada au Brésil et du Portugal au Sénégal. L’événement anoxique du Toarcien inférieur, lui, a été marqué par une forte réduction de la concentration en oxygène dans de nombreux bassins océaniques affectant ainsi la vie marine. Cet événement est également lié à un volcanisme induit par une gigantesque province magmatique (Karro-Ferrar) mais cette fois-ci située plus au Sud en Afrique du Sud et en Antarctique.
Bien que ces deux évènements aient été intensément étudiés, l’intervalle entre ces deux crises a reçu moins d’attention et est donc encore relativement méconnu. Cette période est caractérisée par la dislocation de la Pangée qui était encore un continent unique à la fin du Trias. Sa fracturation a créé de nombreux nouveaux bassins et passages océaniques provoquant ainsi de grands changements dans les courants océaniques et dans la répartition des climats à échelle mondiale. L’Europe a alors été submergée et recouverte de mers tropicales peu profondes. En outre, le climat a également été influencé par des variations des paramètres orbitaux et par des événements volcaniques. Cependant, beaucoup de questions restent encore ouvertes. Comment la biosphère a-t-elle récupéré après l’importante crise à la fin du Trias ? Comment le climat a-t-il évolué lors de l’ouverture de la Pangée ? A-t-il varié de façon homogène à travers l’Europe ? Quelle est la répartition et l’ampleur des anoxies durant cet intervalle de temps ? Le climat était-il influencé par des évènements volcaniques ? Afin d’apporter des éléments de réponses à ces questions, nous avons étudié cette période entre ces deux crises. Dans ce but, nous avons effectué une vaste gamme d’analyses géochimiques, sédimentaires et palynologiques sur des échantillons de roches allant de l’Hettangien jusqu’au Pliensbachien (201.35 à 183.8 Ma) et représentant trois domaines paléogéographiques distincts en Europe (bassin de Wessex – S.O. de l’Angleterre ; bassin Alémanique S. – N. de la Suisse ; bassin Lombard – S. de la Suisse).
Ces analyses nous ont permis de reconstituer un climat qui était changeant plutôt que stable. Durant le tout début du Jurassique des conditions appauvries en oxygène et une chute de la production carbonatée occasionnées par des conditions plus hydrolysantes en climat chaud et humide ont été enregistrées dans les bassins de Wessex et Alémanique. Des conditions climatiques et environnementales stressantes ont donc perduré après la crise jusque dans le jurassique inférieur dans ces deux bassins. Un autre événement a été enregistré à la limite Sinémurien-Pliensbachien. Ce dernier était caractérisé, aux alentours du bassin de Wessex, par des conditions plus sèches et probablement plus froides tandis que le bassin Lombard, au contraire, a enregistré des conditions plus hydrolysantes et probablement un climat plus chaud.
Par la suite, durant le Pliensbachien, les alentours du bassin de Wessex étaient caractérisés par des conditions globalement plus arides que l’Hettangien et le Sinémurien entrecoupées par des périodes plus humides. Cette évolution reflète des changements à long-terme impliquant soit une diminution de la pression partielle du dioxyde de carbone atmosphérique due à une réduction des émissions de gaz à effet de serre d’origine volcanique soit des variations dans les courants océaniques liés à l’ouverture de la Pangée. Des analyses en mercure ont permis de mettre en évidence de potentiels évènements volcaniques durant cette période.
Un autre aspect, améliorant la compréhension des changements paléocéanographiques, a été l’étude de sédiments très condensés et riches en phosphore dans le sud du bassin Alémanique (Jura Est). Ces observations et leur comparaison avec d’autres études laissent supposer que le Jurassique inférieur pourrait être considéré comme un précurseur ayant mené à la mise en place d’un événement de phosphatogenèse global durant le Jurassique moyen et supérieur.
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Following the end Triassic mass extinction event (ETME), the Early Jurassic epoch witnessed important climatic, environmental and sedimentological perturbations due to tectonic and geographic changes related to the break-up of the Pangea, pulses in volcanic activity, astronomical parameters and changes in oceanic current patterns. However, the effect, relationship and timing of these changes are still not completely understood. We therefore performed a wide array of sedimentological, geochemical and palynological analyses on Hettangian to Pliensbachian rocks from three different paleoenvironmental settings through Europe (Wessex Basin – SW. UK; S. German Basin – N. Switzerland; Lombardian Basin – S. Switzerland).
Carbon isotopes (δ13C) were measured on all sections recording a suite of carbon isotope excursions (CIEs) including the negative main CIE (T-J boundary to early Sinemurian), the Sinemurian-Pliensbachian boundary negative CIE, the margaritatus Zone positive CIE (late Pliensbachian) and the negative spinatum Zone CIE (latest Pliensbachian).
During the main CIE, oxygen depleted conditions were recorded in the Wessex and Southern German Basins (e.g. TEs, TOC, HI, pyrite content, framboidal pyrite and palynofacies descriptions) caused by high runoff in a warm and humid climate (e.g. mineralogical clay content, CIA, δ18O and palynological data). This led to an inefficient carbonate factory (e.g. calcite content). These results emphasize that the climate and environment conditions remained perturbed following the ETME event and that the recovery was delayed in these two different basins. This stressful interval was not stable but witnessed fluctuations.
The Sinemurian-Pliensbachian negative CIE records the reverse pattern in the Wessex and Lombardian Basins. The Wessex basin is characterised by dryer and possibly cooler conditions (e.g., CIA, δ18O and mineralogical clay content) during the early Pliensbachian whereas in the Lombardian Basin increased runoff and/or strengthened winds and possibly higher temperature (e.g. δ18O and P content) were recorded.
Within the Wessex Basin, the Pliensbachian time interval compared to the Hettangian-Sinemurian records drier conditions (e.g., CIA and clay mineralogical content) superimposed by short-term intervals of more humid conditions (davoei and margaritatus Zones). Short-term fluctuations were also observed in the Lombardian basin (e.g. δ18O and P content). The long-term trend to drier conditions is explained by (1) diminished atmospheric CO2 contents due to a reduction in emissions of volcanogenic greenhouse gases; and/or (2) changes in the palaeogeography and in current patterns related to the break-up of Pangaea. We performed the first mercury (Hg) records for the entire Pliensbachian stage (Lombardian and Wessex Basins). Correlatable Hg spikes during the Sinemurian-Pliensbachian negative CIE, in the davoei and in part of the margaritatus Zones may go in line with magmatic pulses. A further aspect that assisted in an improved understanding of the peculiar paleoceanographic conditions and their dynamics following the ETME was the study of highly condensed and P-rich sediments, which developed during the late Hettangian to early late Sinemurian and from the late Sinemurian to the late Pliensbachian along the S. German Basin. These sediments formed alternating with thicker mudstone successions and were formed in a shallower and higher energy environment compared to the mudstone. The occurrence of phosphate-rich sediments in other basins may indicate that not only regional conditions were implied in their formation. This period could be considered as a prelude leading up to a global phosphorite giant during the Middle and Late Jurassic.
TE: Trace elements; TOC: total organic carbon; HI: hydrogen index; δ18O: stable oxygen isotope ratio, CIA: chemical index of alteration; δ13C: stable carbon isotopic record; P: phosphorus; Hg: mercury; ETME: end Triassic mass extinction; T-J: Triassic-Jurassic; CIE: carbon isotopic excursion
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Suite à l’extinction de masse qui a eu lieu à la fin du Trias, le Jurassique Inférieur a connu des perturbations climatiques, environnementales et sédimentologiques importantes provoquées par l’ouverture de la Pangée, des évènements volcaniques, des variations des paramètres orbitaux et par des changements de la circulation océanique. Néanmoins, les implications, les relations et le timing de ces perturbations sont encore relativement méconnus. Afin de mieux les comprendre, nous avons effectué une vaste gamme d’analyses géochimiques, sédimentaires et palynologiques sur des sections allant de l’Hettangien jusqu’au Pliensbachien représentant trois domaines paleogéographique distincts en Europe (bassin de Wessex – S.O. de l’Angleterre ; bassin Alémanique S. – N. de la Suisse ; bassin Lombard – S. de la Suisse).
Les isotopes stables du carbone (δ13C), mesurés sur l’ensemble des sections, ont permis l’enregistrement de plusieurs fluctuations (CIEs) incluant une excursion négative appelée « main CIE » (limite T-J jusqu’au Sinémurien), une excursion négative à la limite Sinémurian-Pliensbachien, une excursion positive dans la zone à margaritatus (Pliensbachien supérieur) et une excursion négative dans la zone à spinatum (Pliensbachien supérieur).
Durant le « main CIE », des conditions appauvries en oxygène ont été enregistrées dans les bassins de Wessex et Lombard (e.g. ETs, COT, IH, contenu minéralogique en pyrite, pyrite framboidale et observation de palynofacies) occasionnées par des conditions plus hydrolysantes en climat chaud et humide (e.g. composition minéralogique des argiles, CIA, δ18O et descriptions palynologiques). Cela a provoqué une chute de la production carbonatée (e.g. contenu minéralogique en calcite). Ces résultats démontrent que des conditions climatiques et environnementales stressantes ont perduré après la crise de la fin du Trias jusque dans le jurassique inférieur dans ces deux bassins. Cet intervalle a été modulé par des fluctuations climatiques et environnementales.
L’évènement ayant eu lieu à la limite Sinémurien-Pliensbachien, lui, a enregistré des caractéristiques différentes dans les bassins Lombard et de Wessex. Ce dernier était caractérisé par des conditions plus sèches et probablement plus froides (e.g., CIA, δ18O et composition minéralogique en argile) tandis que le bassin Lombard a enregistré des conditions plus hydrolysantes et/ou des vents accrus ainsi qu’un climat probablement plus chaud (e.g. δ18O et contenu en P).
Durant le Pliensbachien le bassin de Wessex a enregistré des conditions généralement plus sèches (e.g. CIA et composition minéralogique en argile), par rapport à l’Hettangien et au Sinémurien, entrecoupées par des périodes plus humides (zones à davoie et margaritatus). Ces fluctuations ont également été observées dans le bassin Lombard (e.g. δ18O et contenu en P). L’évolution vers un climat plus sec a été causé soit (1) par une diminution de la pCO2 atmosphérique due à une réduction des émissions de gaz à effet de serre d’origine volcanique soit (2) par des changements paléogéographiques et des variations dans les courants océaniques liés à l’ouverture de la Pangée. Nous avons réalisé les premiers enregistrements en mercure (Hg) recouvrant l’ensemble du Pliensbachien permettant l’observation d’enrichissements corrélables en Hg durant les événements à la limite Sinémurien-Pliensbachien ainsi que dans les zones à davoei et margaritatus potentiellement témoignant d’évènements volcaniques.
Un autre aspect, améliorant la compréhension sur les changements paléocéanographiques après la crise de la fin du Trias, a été l’étude de sédiments très condensés et riches en P, déposés entre l’Hettangien supérieur jusqu’à la base du Sinémurien supérieur ainsi que du Sinémurien supérieur jusqu’au sommet du Pliensbachien dans le sud du bassin Alémanique. Ces sédiments se sont formés en alternance avec des dépôts plus épais de mudstone et se sont déposés dans un environnement moins profond et plus énergique que les mudstone. La présence de sédiments riches en P dans d’autres bassins démontre que ce ne sont pas seulement des conditions locales qui ont été impliquées dans leur formation. Cette période pourrait être considérée comme un précurseur ayant mené à la mise en place d’un événement de phosphatogénèse global durant le Jurassique moyen et supérieur.
ET: élément trace; COT: carbone organique total; IH: indice d’hydrogène; δ18O: ratio des isotopes stables de l’oxygène, CIA: indice chimique d’altération; δ13C: ratio des isotopes stables du carbone; P: phosphore; Hg: mercure; T-J: Trias-Jurassique; CIE: excursion isotopique du carbone
Create date
03/02/2020 10:25
Last modification date
26/02/2020 7:20
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