Paleoenvironmental conditions during the Toarcian Oceanic Anoxie Event and the late Toarcian: Records from Switzerland, Chile and Argentina

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ID Serval
serval:BIB_133B820B0FA1
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
Paleoenvironmental conditions during the Toarcian Oceanic Anoxie Event and the late Toarcian: Records from Switzerland, Chile and Argentina
Auteur(s)
Fantasia Alicia
Directeur(s)
Adatte Thierry
Institution
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Adresse
Faculté des géosciences et de l'environnement
Université de Lausanne
CH-1015 Lausanne
SUISSE

Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2018
Langue
anglais
Résumé
Cette étude évalue les conditions paléoenvironnementales au cours du Toarcien dans les milieux marins et terrestres des hémisphères nord et sud. Dans ce but, deux sujets ont été choisis (i) l'événement anoxique océanique du Toarcien inférieur (ou T-OAE), et (ii) les sédiments lacustres qui se sont déposés dans un contexte volcanique au Toarcien supérieur.
Le T-OAE était un épisode de perturbation environnemental marqué par un réchauffement climatique, une anoxie des océans et un enfouissement important de matière organique dans le monde, accompagné par une perturbation du cycle du carbone qui est exprimée par une excursion négative des isotopes du carbone (CIE). Ce shift négatif est probablement lié à l'injection dans l'atmosphère de carbon isotopiquement léger durant la mise en place de la large province ignée du Karoo-Ferrar. De nombreuses évidences géochimiques montrent que le réchauffement global a causé une augmentation du cycle hydrologique et du taux d'altération continentale, induisant finalement des changements dans la faune, la flore et environnementaux. Jusqu'ici, la plupart des études du T-OAE ont été menées sur des successions sédimentaires déposées dans les mers épicontinentales du NW de l'Europe, ce qui limite notre compréhension de cet événement global. Dans cette étude, différents sites ont été choisis dans des domaines paléogéographiques distincts le long d'un transect dans le NW de la Téthys: le Jura, le Bassin Sub-Briançonnais et le Bassin Lombard (Suisse), ainsi que dans le Bassin Andéen (Chile), pour reconstruire, comparer et confronter les changement paléoenvironnementaux enregistrés dans les deux hémisphères. Les coupes étudiées ont été corrélées à l'aide de la biostratigraphie, la présence de la CIE négative, ainsi que par la chemostratigraphie. Dans les sites étudiés, l'expression du T-OAE est contrastée, ce qui confirme que des mécanismes locaux/régionaux se superposent à la perturbation environnementale globale. Les sections du Jura et du Bassin Sub-Briançonnais sont caractérisées par des intervalles riches en matière organique, bien que les conditions semblent être plus appauvries en oxygène dans le Jura, comme il est suggéré par les teneurs élevées en éléments traces redox (Mo, V, Ni, Cu). Le Bassin Lombard enregistre des conditions bien oxygénées. Les sédiments dans le Bassin Andéen n'enregistrent pas une expression classique du T-OAE; l'enfouissement de la matière organique n'était pas favorisé, alors que des conditions dynamiques sont enregistrées dans une alternance marne-calcaire. Dans les sites Suisses, les teneurs élevées de kaolinite and les évidences de détritisme (indice de détritisme, Ti, Zr) ainsi que les valeurs élevées de l'indice d'altération chimique (CIA) suggèrent un changement vers un climat plus chaud et plus humide couplé à une augmentation des taux d'altération chimique. Les valeurs élevées de phosphore (P) dans l'intervalle du T-OAE sont surtout liées à la présence d'une phase authigène et des débris de poissons. Les conditions appauvries en oxygène ont probablement favorisé le retour dans la colonne d eau du P lié à la matière organique et ainsi augmenté la productivité primaire, comme cela est connu d autres événements anoxiques océaniques. Les valeurs faibles de kaolinite enregistrées au Chili suggèrent que les conditions étaient arides durant le T-OAE. Le faible taux d'altération chimique, ainsi que la fermeture des détroits de connexion avec l'Océan Panthalassa ont certainement limité l'apport de nutriments dans le Bassin Andéen. La comparaison de l'ensemble des données du transect suisse et du Chile indique que la paléogéographie et les conditions climatiques semblent avoir modulé le développement de conditions anoxiques.
Pour mieux comprendre les conditions environnementales au Toarcien sur les continents, trois successions lacustres ont été étudiées dans la Formation Canadon Asfalto (Argentine). Elles sont charactérisées par des carbonates, des sédiments riches en matière organique, des marnes, des grès, des conglomérats et des tuffs, qui sont intercalés avec des coulées de basaltes et des intrusions. Ces sédiments se sont déposés dans le Bassin de Canadon Asfalto, qui s'est formé par extension lors de la dislocation du Gondwana et était donc affecté par l'activité volcanique. Les analyses U-Pb effectuées sur les tuffs donnent des âges qui placent la Formation de Canadon Asfalto dans le Toarcien supérieur (179.4 ±0.2 Ma; 180.3+0.1; 180.1+0.1). Ces nouveaux âges suggèrent que le dépôt de la Formation Canadon Asfalto était contemporain au magmatism dans le sud du Gondwana, qui a généré les larges provinces ignées du Chon Aike et Karoo-Ferrar. Le taux de matière organique (TOC) s'élève jusqu'à 7wt.%. Les valeurs de l'indice d'hydrogène (HI) et d'oxygène (OI) montrent que la matière organique est d'origine terrestre et lacustre. La forte corrélation entre les valeurs de HI et de <5l3Corg suggèrent que le type et la préservation de la matière organique déterminent le signal isotopique du carbone, et masque ainsi les changements liés aux variations globales. La composition isotopique des carbonates (<5l3Ccarb and <5,8Ocarb) indique qu'ils sont probablement de différents origines: d'eau douce, pédogeniques, influencés par hydrothermalisme. Les évidences d'activité hydrothermale sont fournies par les minéraux agileux, dominés par la corrensite, la smectite, les interstratifiés de types mica-vermiculite et le talc. Comme les enregistrements terrestres du Toarcien sont peu étudiés, ces données apportent des nouvelles pistes pour mieux comprendre le développement de sédiments lacustres riches en matière organique dans un contexte volcanique.
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L'histoire de la Terre a été ponctuée par des périodes de réchauffement climatique, de changements environnementaux et d'extinctions de masse qui coïncident avec des phases majeures de volcanisme associées au largage de gaz volcaniques à effet de serre tels que le C02 et le S02. Les reconstructions paléoenvironnementales et paléoclimatiques de ces épisodes marquants de l'histoire de la Terre permettent de mieux comprendre et appréhender les conséquences du réchauffement climatique actuel.
L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer les conditions paléoenvironnementales au cours du Toarcien. Deux sujets ont été traité : (i) l'Evénement Anoxique Océanique du Toarcien inférieur (ou T-OAE) et (ii) les sédiments lacustres de la Formation Canadon Asfalto en Argentine, qui se sont déposés dans un contexte volcanique au Toarcien supérieur. Une approche multidisciplinaire a été choisie et différentes méthodes d'analyse ont été utilisées, telles que isotopes stables, phosphore, minéralogie, géochimie des éléments majeurs et traces, mercure, qualité et quantité de la matière organique.
Le Toarcien inférieur (Jurassique, ~ 180 Ma) était marqué par un épisode d'envergure mondiale d'anoxie des océans et de dépôt de sédiments riches en matière organique (T-OAE), ainsi que par une perturbation globale du cycle du carbone qui était probablement liée au volcanisme du Karoo-Ferrar dans le sud du Gondwana. En effet, les sédiments déposés durant le T-OAE enregistrent une anomalie négative dans le rapport isotopique du carbone, qui est vraisemblablement liée à la mise en place de la large province ignée du Karoo-Ferrar et l'injection dans l'atmosphère de carbone isotopiquement léger. La plupart des études sur le T- OAE sont concentrées en Europe mais très peu ont été menées dans l'hémisphère sud, ce qui limite notre compréhension globale de cet événement et pose des questions quant à l'étendue réelle des conditions anoxiques. Un des buts de cette thèse est de montrer l'expression sédimentaire et géochimique du T-OAE et d'évaluer son impact dans les hémisphères nord et sud. Cinq sections ont donc été étudiées en Suisse et plus particulièrement dans le Jura, les Préalpes Médianes Plastiques et les Alpes du Sud, pour caractériser l'expression du T-OAE dans une mer peu profonde épicontinentale (Jura) et plus proche de l'océan ouvert (Bassin du Sub-Briançonnais et Bassin Lombard). De plus, deux coupes ont été sélectionnées au Chili pour évaluer les changements environnementaux et climatiques qui se sont produits dans l'hémisphère sud durant le T-OAE. Les résultats montrent que l'expression du T-OAE est contrastée et que donc les conditions régionales/locales ont probablement modulé l'impact de cet événement global. Le volcanisme du Karoo-Ferrar est probablement responsable du climat plus chaud et plus humide, ainsi que de l'augmentation du cycle hydrologique en Europe durant le Toarcien inférieur. Ces conditions ont favorisé l'altération chimique des continents, ce qui a augmenté l'apport de nutriments dans les mers et favorisé ainsi la productivité primaire. Cette productivité primaire a favorisé le développement de zones appauvries en oxygène, en particulier dans les bassins restreints fortement stratifiés, ainsi que l'enfouissement de matière organique. Au contraire, dans l'hémisphère sud, les résultats de cette étude montrent que l'intervalle du T-OAE était marqué par un climat aride et que les conditions de dépôt n'étaient pas du tout favorable au développement de conditions anoxiques ainsi qu'à la préservation de la matière organique.
Pour mieux comprendre les conditions paléoenvironnementales sur les continents au Jurassique, trois sections ont été étudiées dans la formation Canadon Asfalto en Argentine. Cette formation est représentée par des sédiments riches en matière organique déposés dans milieu lacustre influencé par du volcanisme syn-rift au Toarcien supérieur. Etablir un âge précis de ces sédiments était primordiale puisqu'ils renferment une faune et une flore remarquablement bien préservées, essentielles à la reconstruction de la vie au Jurassique. De plus, ces sections représentent une occasion unique d'évaluer la réponse d'environnements terrestres à une phase de volcanisme.
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In this study, paleoenvironmental conditions during the Toarcian were evaluated in the marine and terrestrial realm from the northern and southern hemispheres. For this purpose, two topics were chosen: (i) the Early Toarcian Oceanic Anoxie Event (or T-OAE) and (ii) the lacustrine sediments, which were deposited in a volcanic-dominated setting during the late Toarcian.
The T-OAE was an episode of environmental perturbation marked by greenhouse conditions, oceanic anoxia and significant burial of organic carbon in globally distributed sites, accompanied by a carbon-cycle perturbation, which is expressed by a large negative carbon isotope excursion (CIE). This negative shift is likely resulted from the injection of isotopically Iight carbon into the atmosphere-ocean reservoirs during the emplacement of the Karoo-Ferrar Large Igneous Province. A variety of geochemical evidence show that global warming caused a général change in the hydrological cycle and increased the continental weathering rates, triggering ultimately the faunal, floral and environmental changes. Hitherto, most T-OAE studies were conducted on sedimentary successions deposited in epicontinental seas in NW Europe, which limits our understanding of this global event. In this study, différent sites were chosen in distinct paleogeographic settings of the NW Tethys area along a transect: Jura, Sub-Briançonnais Basin and Lombardian Basin (Switzerland), as well as from the Andean Basin (Chile), to reconstruct, compare and confront the paleoenvironmental changes recorded in each hemisphere. The sections were correlated using the biostratigraphy, the occurrence of the negative CIE and the chemostratigraphy. In the studied sites, the expression of the T-OAE is contrasted confirming that local/regional mechanisms are superimposed on the global environmental perturbation. The sections from the Jura and the Sub-Briançonnais Basin have in common that they are characterized by organic-rich intervais, though more severe oxygen-deficient conditions were apparently present in the Jura as revealed by increasing redox-sensitive trace elements (Mo, V, Ni, Cu). The Lombardian Basin records well oxygenated conditions. Sediments from the Andean Basin do not record a classical expression of the T-OAE; organic-matter burial was not favoured, while dynamic conditions are recorded in a marl-limestone alternation. In the Swiss sites, high kaolinite content and detrital proxies (detrital index, Ti, Zr) together with high chemical index (CIA) values suggest a change towards a warmer and more humid climate coupled with an increase in the chemical weathering rates. High phosphorus (P) values during the T-OAE are mostly due to the presence of an authigénie phase and fish remains. The development of oxygen- depleted conditions likely promoted the release of organic-bound P back into the water column, thereby further sustaining the primary productivity in a positive feedback loop known from other OAEs. Low kaolinite content recorded in Chile, suggests that arid conditions prevailed during the T-OAE. The low rate of chemical weathering, together with the possible closure of the connecting straits with the Panthalassa Océan, likely limited the nutrient input into the Andean Basin. The comparison of the dataset from the Swiss transect and from the Chile indicates that the paleogeography and the climatic conditions seem to have modulated ultimately the potential to develop anoxie conditions.
To better understand the environmental conditions during the Toarcian in the continental realm, three lacustrine successions were studied from the Canadon Asfalto Formation (Argentina). They are characterised by carbonate, organic-rich sediments, mudstone, sandstone, conglomerate, and tuffaceous material, which are interbedded with basai tic flows and dykes. These sediments were deposited in the Canadon Asfalto Basin, which formed by extensional tectonics (pull-apart or rift basin) related to the breakup of Gondwana and was thus affected by volcanic activity. U-Pb analyses of a selection of volcanogenic deposits place the Canadon Asfalto Formation in the late Toarcian (179.4 ±0.2 Ma; 180.3±0.1; 180.1±0.1). The new âges are indicative that the déposition of the Canadon Asfalto Formation at least partly overlapped with the magmatism in southern Gondwana, which generated the Chon Aike and the Karoo-Ferrar large igneous provinces. Total organic carbon (TOC) content shows values up to 7 wt.% and hydrogen index (HI) and oxygen index (01) values show typical values for terrestrial and lacustrine organic matter. The strong corrélation between HI and <5'3Corg values suggests that the type and préservation of the organic matter determined the carbon-isotope signal and likely masked any change related to global exogenic variations. The isotopic composition of carbonates (<5l3Ccarb and <518Ocarb) may indicate variable origins: freshwater carbonate, pedogenic carbonate, influence of hydrothermalism. Evidences for hydrothermal activity in the Canadon Asfalto Basin are provided by the clay minerai assemblage dominated by corrensite, smectite, mica-vermiculite mixed-layers, and talc. Since Toarcian continental records are less well studied, this dataset provides important dues to better understand the development of organic-rich lacustrine successions in a volcanic context.
Création de la notice
08/05/2018 12:18
Dernière modification de la notice
20/05/2019 11:51
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