ABSTRACT
The changes in organic and isotopic geochemical compositions in sedimentary rocks record the palaeoenvironmental conditions prevailing during sedimentation and the postdepositional physicochemical (P, T, pH, fO2, fH2O, catalytic potential of sulfur) transformations. This thesis studies these geochemical changes in a carbonate shelf sequence deposited on the northern shallow-epicontinental Tethys margin. The first part of the thesis aims to reconstruct the palaeoenvironmental conditions that occurred during deposition of the Lower Liassic Frick sediments in the Swiss Jura. The second part evaluates the effects of prograde metamorphism on the organic compounds in the Lower Liassic black shale by studying a complete metamorphic sequence ranging from diagenesis at <100°C in the Swiss Jura (Frick) to amphibolite facies metamorphism at >550°C in the north of the Swiss Alps (Lukmanier).
The distribution and δ13C values of source-specific hydrocarbons (HCs) in Middle Hettangian to Upper Sinemuria.n sedimentary rocks of the Frick section indicate higher algal, cyanobacterial and phytoplanktonic productivity upsection. This is associated with a 13C-enrichment of cyanobacteria derivatives and kerogen, indicating isotopically heavier dissolved CO2 in the upper layers of the water column. These geochemical changes are related to increasing oxygenation and depth of the water column. In Middle Hettangian, the occurrence of anaerobic photosynthetic green sulphur bacteria (Chlorobiaceae) derivatives indicates depositional environments with euxinic conditions up to the photic zone, allowing for anaerobic photosynthesis. The 13C- depleted hopanoids (-39.5‰) are most likely derived from phototrophic purple sulphur bacteria utilizing isotopically light organic carbon at the base of the aerobic zone. These bacteria may have consumed the H2S produced by Chlorobiaceae in the deeper layers and thus, sustaining algae, cyanobacteria and dinoflagellate productivity in the upper photic zone. In this sulfur-rich environment, the higher extent of the n-alkyltoluenes isomerization and naphthalenes methylation is related to the ability of sulfur to increase the acidic potential of the source rocks and to promote the transfer of electrons among reactants.
The transformations of molecular and isotopic compositions of HCs are clearly related to metamorphism. In the diagenetic samples (<100°C), the occurrence of the thermally less stable terpenoid and steroid isomers such as 170(11)-trisnorhopane, C29 to C31 17β(H), 21α(H)-hopanes and 5α(H),14α(H),17α(H)-20R C27, C29 steranes are characteristic of immature bitumens. From diagenesis (<100°C) to the medium anchizone (~250°C), the molecular maturity parameters display the expected trend resulting from the combined preferential degradation and generation of individual HCs. From the medium anchizone to the amphibolite facies of metamorphism (~550°C), these parameters display constant values. A progressive increase of the n-C12-13 / n-Ctotal ratio and 13C-enrichment (up to 5.6‰) of the n-alkanes with metamorphism suggests the predominance of β-scission of the C-C bonds during thermal cracking of the long-chain homologs. The predominance of specific HCs in metamorphic samples (> 200°C) such as cadalene, bibenzyl, hydrogenated aromatic compounds, and the increasing relative abundance of C14, C16 and C18 n-alkylcyclopentanes formed by direct cyclization of kerogenlinked algal or bacterial fatty acids, indicate organic matter transformations occurring in reducing aqueous fluid. The coherence of the maturity parameters and of the C-isotopic compositions of n-alkanes, aromatic compounds, kerogen and the associated bitumen with increasing metamorphism, suggests that indigenous HCs may survive in metamorphic rocks at temperatures above 500°C. The thermal stability of kerogen and associated organic compounds was most likely increased by the presence of reducing aqueous fluid and elevated pressure.
RESUME LARGE PUBLIC
Moins de 0.5% du carbone organique total produit par les organismes présents dans l'environnement de dépôt est préservé dans les roches sédimentaires riches en matière organique. Au cours de l'enfouissement, la matière organique accumulée dans les sédiments montre une grande sensibilité aux changements physico- chimiques et subit des transformations moléculaires spécifiques, liées à l'augmentation de la température et aux changements des conditions chimiques du milieu. Certains composés organiques, nommés fossiles géochimiques ou biomarqueurs, gardent néanmoins un héritage des organismes précurseurs et permettent, au même titre que les macro- ou microfossiles, de reconstruire les conditions paléoenvironnementales. La composition isotopique du carbone des biomarqueurs fournit, entre autre, des informations précieuses sur les conditions de vie des organismes précurseurs.
Les roches sédimentaires étudiées sont des argiles noires riches en matière organique, déposées pendant le Lias inférieur sur la marge nord de la Téthys (mer épicontinentale peu profonde qui recouvrait à cette époque l'Europe centrale). Au cours de l'orogenèse alpine, ces sédiments ont subit un métamorphisme prograde allant de la faible diagenèse à des températures < 100°C dans le Jura suisse (Frick) au faciès amphibolite à des températures > 550°C au nord des Alpes suisses (Lukmanier). L'étude de la matière organique contenue dans ces roches sédimentaires a pour but 1) de reconstruire les conditions environnementales qui prévalaient au Lias inférieur lors du dépôt des sédiments de Frick dans le Jura Suisse et 2) d'évaluer les effets du métamorphisme prograde sur les composés organiques d'une même lithologie.
L'étude moléculaire et isotopique des biomarqueurs contenus dans les sédiments de l'Hettangien moyen au Sinémurien supérieur du profil stratigraphique de Frick, a permis de distinguer plusieurs changements de la productivité biologique marine primaire. L'Hettangien moyen était caractérisé par une colonne d'eau de faible profondeur, fortement stratifiée et dont la partie anoxique et saturée en 112S s'étendait jusque dans la zone photique. En montant dans le profil stratigraphique, l'augmentation du caractère marin de la matière organique s'explique par un accroissement de la productivité algaire, cyanobactérienne et planctonique lié à l'augmentation de l'oxygénation et de la profondeur de la colonne d'eau.
De la diagenèse (~100°C), au faible métamorphisme (~300°C) puis au métamorphisme moyen (~550°C), les composés organiques contenus dans les roches sédimentaires montrent des transformations moléculaires liées aux changements des conditions physiques et chimiques du milieu. Soumis à un stress thermique, la matière organique perd préférentiellement les isotopes légers du carbone conduisant à un alourdissement isotopique progressif des composés organiques résiduels. La cohérence des transformations moléculaires et isotopiques des composés organiques avec l'augmentation du métamorphisme supporte l'origine indigène de ces molécules dans des roches soumises à des températures supérieures à 500°C.