Abrupt global events in the Earth's history: a physics perspective

The timeline of the Earth's history reveals quasi-periodicity of the geological record over the last 542 Myr, on timescales close, in the order of magnitude, to 1 Myr. What is the origin of this quasi-periodicity? What is the nature of the global events that define the boundaries of the geological time scale? I propose that a single mechanism is responsible for all three types of such events: mass extinctions, geomagnetic polarity reversals, and sea-level fluctuations. The mechanism is fast, and involves a significant energy release. The mechanism is unlikely to have astronomical causes, both because of the energies involved, and because it acts quasi-periodically. It must then be sought within the Earth itself. And it must be capable of reversing the Earth's magnetic field. The last requirement makes it incompatible with the consensus model of the origin of the geomagnetic field - the hydromagnetic dynamo operating in the Earth's fluid core. In the second part of the paper, I show that a vast amount of seemingly unconnected geophysical and geological data can be understood in a unified way if the source of the Earth's main magnetic field is a ~200-km-thick lithosphere, repeatedly magnetized as a result of methane-driven oceanic eruptions, which produce ocean flow capable of dynamo action. The eruptions are driven by the interplay of buoyancy forces and exsolution of dissolved gas, which accumulates in the oceanic water masses prone to stagnation and anoxia. Polarity reversals, mass extinctions, and sequence boundaries are consequences of these eruptions. Unlike the consensus model of geomagnetism, this scenario is consistent with the paleomagnetic data showing that "directional changes during a [geomagnetic polarity] reversal can be astonishingly fast, possibly occurring as a nearly instantaneous jump from one inclined dipolar state to another in the opposite hemisphere".Comment: Final journal version. New title, significant changes. Supersedes v.

Spatial and temporal facies evolution of a Lower Jurassic carbonate platform, NW Tethyan margin (Mallorca, Spain)

The variety of depositional facies of a Lower Jurassic carbonate platform has been investigated on the island of Mallorca along a transect comprising six stratigraphic profiles. Twenty-nine facies and sub-facies have been recognized, grouped into seven facies associations, ranging in depositional environment from supratidal/terrestrial and peritidal to outer platform. Spatial and temporal (2D) facies distribution along the transect reflects the evolution of the carbonate platform with time showing different facies associations, from a broad peritidal platform (stage 1) to a muddy open platform (stage 2), and finally to a peritidal to outer carbonate platform (stage 3). Stage 1 (early Sinemurian to earliest late Sinemurian) corresponds to a nearly-flat peritidal-shallow subtidal epicontinental platform with facies belts that shifted far and fast over the whole study area. The evolution from stage 1 to stage 2 (late Sinemurian) represents a rapid flooding of the epicontinental shallow platform, with more open-marine conditions, and the onset of differential subsidence. During stage 3 (latest Sinemurian), peritidal and shallow-platform environments preferentially developed to the northeast (Llevant Mountains domain) with a rapid transition to middle-outer platform environments toward the northwest (Tramuntana Range domain). Stages 1 and 3 present facies associations typical of Bahamian-type carbonates, whereas stage 2 represents the demise of the Bahamian-type carbonate factory and proliferation of muddy substrates with suspension-feeders. The described platform evolution responded to the interplay between the initial extensional tectonic phases related to Early Jurassic Tethyan rifting, contemporaneous environmental perturbations, and progressive platform flooding related to the Late Triassic–Early Jurassic worldwide marine transgression and associated accommodation changes

Structural and paleogeographical evolution of the Paris Basin during the Mid-Cimmerian events

La péridotite de Ronda, au sud de l’Andalousie (Espagne), a été imagée par AVIRIS en 1991 et partiellement échantillonnée par nous-même sur le terrain à l’aide d’un spectromètre GER 3700 en 1997 dans le but d’acquérir une expérience dans le traitement des images hyperspectrales des surfaces planétaires à l’aide de sondes telle que ISM Phobos (1989), OMEGA Mars Express (2003) and VIMS Cassini (2004). La haute résolution spectrale des images (224 canaux répartis entre 400 et 2 455 nm) est nécessaire à la conduite d’une analyse géologique avec identification à distance des faciès pétrologiques. Sur Terre, il est aussi nécessaire de déterminer les espèces végétales à cause de leur grande influence sur la cartographie des faciès pétrologiques, même dans des régions relativement arides comme celle de la péridotite de Ronda. Cependant, la péridotite de Ronda reste un bon site test. L’image AVIRIS de Ronda est d’abord analysée par photo-interprétation. Des compositions colorées (affichées sur les canaux rouge, vert et bleu visibles) sont construites à partir de 3 canaux visibles et/ou infrarouge choisis parmi les 150 canaux utiles (le dernier détecteur AVIRIS ne fonctionnant pas en 1991). Ces compositions colorées permettant de visualiser les principales caractéristiques géologiques du visible à l’infrarouge, il est alors possible de les comparer à des cartes géologiques, puis aux mesures de terrain de la campagne de juillet 1997. Cette analyse visuelle permet de distinguer très facilement le massif de péridotite de ses roches avoisinantes (gneiss, marbres, grès et calcaires) ainsi que de mettre en évidence une nette zonation en serpentine habituellement non cartographiée. Ce travail faisant suite à celui de Chabrillat et al. [2000] nous avons pris le parti d’explorer une autre voie que celle des analyses en composantes principales en cherchant à retirer couche par couche les différents éléments à l’origine de la réponse spectrale de la péridotite de Ronda. Nous avons aussi pris le parti de ne nous fier qu’aux mesures de terrain et de ne jamais avoir recours à des échantillons d’image pour effectuer des classifications car notre expérience du terrain nous a clairement montré qu’aucun pixel n’était constitué d’une seule composante à 100 %. Parmi les couches d’éléments entrant dans la formation d’un spectre, il ya d’abord l’atmosphère et la végétation. Nous avons retiré la contribution de l’atmosphère de façon empirique en estimant sa contribution par l’analyse du rapport spectral (AF) entre des références blanches (spectralon) mesurées sur le terrain au sommet (1400 m) et au pied de la péridotite (350 m). Un modèle numérique de terrain est construit à partir de cette détection de l’épaisseur de l’atmosphère autour de la bande de la vapeur d’eau à 940 nm et comparé à une carte topographique pour contrôler la qualité de cette détection. Il suffit alors de diviser le spectre par une fraction de AF proportionnelle à l’épaisseur de l’atmosphère. Suivant le même principe, il est possible d’utiliser le spectre de la végétation moyenne couvrant la péridotite pour retirer sa contribution, pourvu que celle-ci ne dépasse pas 40 %. Grâce à ces deux corrections (atmosphère, végétation moyenne), nous avons pu clairement distinguer roches crustales et roches mantelliques ainsi que quelques variations de teneurs en pyroxènes. Mais c’est la serpentine qui a donnée les meilleurs résultats, notamment avec la lizardite blanche. Si toute la péridotite est le plus souvent serpentinisée, il est remarquable de constater que la lizardite s’est plutôt développée dans des failles tardives caractéristiques d’une tectonique extensive alors que le chrysotile s’est préférentiellement développé dans les failles de compression. La lizardite est blanche et le chrysotile vert et tous les deux s’assombrissent en fonction de leur teneur en magnétite. Comme la magnétite est souvent concentrée dans la lizardite en petits filonets, la signature de cette lizardite est très blanche, ce qui la rend extrêmement difficile à distinguer des plagioclases dans le domaine de longueur d’onde disponible de 440 à 1800 nm. Comme pour le plagioclase, la détection des autres minéraux de classification des faciès de la péridotite de Ronda n’a pas été possible en raison de leur trop faible pourcentage modal au regard des fortes variations modales en olivine, pyroxènes, serpentines et magnétite. La spectrométrie infrarouge hyperspectrale devrait donc permettre de réaliser de bonnes cartes géologiques des principales roches des surfaces planétaires, mais seulement si l’image peut être calibrée par des mesures de terrain in-situ qui seules, à l’opposé des modèles, n’oublierons pas de prendre en compte toutes les composantes, même les plus inattendues. Des ambiguïtés resteront toujours présentes entre certains faciès pétrologiques de composition proche (comme harzburgite et lherzolite) ou qui présentent des spectres semblables les uns aux autres (comme pour les péridotites à plagioclase ou à lizardite entre 440 et 1 800 nm). D’autres ambiguïtés entre spectres sont encore introduites par l’emploi de méthodes d’analyse utilisant des mesures relatives de réflectance. En effet, la non prise en compte des intensités de réflectance absolue, pour éviter les effets d’ombrage de rugosité des surfaces et de leur topographie, peut entraîner une mauvaise détection de faibles variations minéralogiques

Les formations d'âge Crétacé de l'Atlantique Nord et leur matière organique : paléogéographie et milieux de dépôt The Cretaceous Series in the Northern Atlantic and Their Organic Matter: an Attempt At Reconstruction of Paleoenvironments

Une étude chronostratigraphique, sédimentologique et géochimique des black-shales recoupés par les forages DSDP dans l'Atlantique Nord, a été menée avec la double préoccupation de reconstituer, d'une part les milieux de dépôt par l'étude des séquences élémentaires et d'identifier, d'autre part, les unités stratigraphiques majeures et les discontinuités qui les séparent. Les types de séries illustrées dans ce texte à titre d'exemple sont les suivantes : I. Séries à matière organique marine conservée. - Séries avec faciès autochtones et resédimentés comportant tous de la matière organique marine. - Séries avec sédiments autochtones à matière organique marine mais avec sédiments redéposés à matière organique résiduelle. Dans ces deux cas, la présence de matière organique marine dans les sédiments autochtones montre que le milieu de dépôt était réduit (type euxinique). I I. Séries à matière organique terrigène ou résiduelle. - Argilites noires ou alternance d'argilites noires et d'argilites vertes ou encore alternance d'argilites et de marnes noires. - Alternances de calcaires blancs (à matière organique indéterminée) et de marnes silteuses (à matière organique terrigène). La reconstitution du milieu de sédimentation n'implique pas nécessairement la présence d'un milieu réducteur au lieu du dépôt, la matière organique terrigène ayant une meilleure résistance à l'oxydation que la matière organique marine, surtout avec un taux d'accumulation assez élevé. III. Séries à faciès alternant, dont l'un à matière organique marine et l'autre à. matière organique détritique résiduelle. - Alternances d'argilites noires (à matière organique marine) et verdâtres (à matière organique indifférenciée). - Séquences avec, de bas en haut, marnes sombres laminées (matière organique terrigène et marine associées), argilites noires (matière organique terrigène) et argilites vertes (matière organique résiduelle). Plusieurs hypothèses sont avancées pour justifier de l'existence de telles récurrences. Les grands ensembles stratigraphiques reconnus peuvent se décrire ainsi A) Ensemble inférieur ou formation de Blake Bahama alternance de calcaires micritiques blancs à radiolaires et de calcaires argilo-silteux sombres (Valanginien-Bédoulien). B) Ensemble moyen ou formation de Hatteras : alternance d'argilites noires ou verdâtres, avec ou sans resédiments carbonatés (sommet Aptien supérieur à Cénomanien moyen ou supérieur. C) Ensemble supérieur ou formation de Plantagenet argilites versicolores pour les sites profonds et craies, claires ou versicolores elles aussi, pour les autres sites (Turono-Sénonien). L'ensemble inférieur correspond à des conditions de sédimentation assez homogènes d'un bord à l'autre du bassin vis-à-vis des conditions rédox, avec des périodes de confinement périodique probable. Les paragenèses argileuses montrent la différenciation entre un bassin oriental et un bassin occidental séparés par la ride médiane, illustrant l'influence des continents sur les apports sédimentaires. Le passage à l'ensemble moyen (évènement E1) est marqué par une remontée rapide de la CCD et souvent par une lacune, mais non par une variation sensible du spectre des minéraux argileux. La paléogéographie lors du dépôt de l'ensemble moyen est franchement diversifiée, avec (1) un bassin oriental situé entre la ride, les Canaries et l'Afrique, caractérisé par le maintien des conditions euxiniques, (2) un bassin occidental, entre la ride et la marge américaine avec des alternances possibles de phases de confinement et de phases de circulation, (3) un bassin Nord, entre la ride et les marges marocaine et européenne, sans indication positive de confinement, (4) la ride elle-même où le milieu était plus nettement oxydé. Les smectites dominent largement sur les autres minéraux pendant cette période ; toutefois l'étude attentive des paragénèses argileuses suggère que la barrière des influences entre continents américain et africain coïncidait avec une dorsale située à l'ouest de la ride médiane et passant par les Bermudes. L'étude des paragénèses minéralogiques complètes suggère une plus grande ouverture dans le bassin américain situé à l'ouest de cette dorsale, vis-à-vis d'un confinement plus marqué, observé à l'Est. Entre les ensembles moyen et supérieur (évènement E² ), une nouvelle lacune fréquente ou (et) une condensation sédimentaire sont soulignées par une accumulation d'argilites noires à matière organique marine, répondant à une phase de stagnation généralisée à l'ensemble du bassin. Celle-ci persistera jusqu'au Coniacien dans un fond de bassin compris entre la ride médiane, les Canaries et la marge africaine. Une uniformisation des dépôts intervient le plus souvent après l'évènement E². Elle conduit à des sédiments oxydés, carbonatés ou non suivant la profondeur, avec des paragénèses minéralogiques comparables d'un puits à l'autre, témoignant d'une reprise, nuancée mais générale, du détritisme terrigène. Ce renouvellement se produit d'abord à l'Ouest de la dorsale au Sud dès le Vraconnien (donc avant E²); ensuite à l'Est, en progressant à partir (supérieur ?) au Nord jusqu'au Campanien Sud. <br> A chronostratigraphic, sedimentological and geochemical survey of the black shales recovered by DSDP boreholes in the Northern Atlantic was carried out with the dual preoccupation of reconstituting the depositional environments by studying the elementary sequences on one hand and identifying the major stratigraphic units and the discontinuities separating them on the other hand. The types of series illustrated in this text as examples are the following: A chronostratigraphic, sedimentological and geochemical survey of the black shales recovered by DSDP boreholes in the Northern Atlantic was carried out with the dual preoccupation of reconstituting the depositional environments by studying the elementary sequences on one hand and identifying the major stratigraphic units and the discontinuities separating them on the other hand. The types of series illustrated in this text as examples are the following 1. Series with preserved organic matter of marine origin. - Series with autochthonous(Le. not redeposited) sediments and associated redeposited sediments, both containing preserved organic matter of marine origin. - Series with autochthonoussediments containing marine organic matter but with redeposited sediments containing only residual organic natter. In both cases the presence of marine organic matter in the autochthonous sediments shows that the environnent was anoxic (euxinic type) at the place of final deposition. 2. Series with terrigenous or residual organic matter. - Black shales or alternating black and greenish shales or even calcareous and not calcareous shales. - Alternating white bioturbated limestones (with undetermined organic matter) and siltose shales (with terrigenous organic matter). The reconstitution of the sedimentary environment does not necessarily imply an anoxic environment at the site of deposition because terrigenous organic matter is more resistant to oxidation than marine organic matter, especially when the rate of accumulation is relatively high. 3. Series with alternating facies, including one with marine organic matter and the cher with detrital or residual organic matter. - Alternating black shales (with marine organic malter) and greenish claystones (with undifferentiated organic matter). - Sequences comprising from bottom to top : (1) dark laminated calcareous shales (with associated terrigenous and marine organic matter) (2) black shales (with terrigenous organic matter) and (3) greenish claystones or shales (with residual organic matter). Several hypotheses are put forward to justify the existence of such recurrences. The major stratigraphical units of Cretaceous age drilled in the North Atlantic are the following from bottom to top . A) Blake Bahama Formation : alternating white micritic limestones with Radiolaria and dark shaly-silty limestones (Valanginian-Bedoulian). B) Hatteras Formation : aiternating black or greenish claystones with or without carbonate resediments (late late Aptian to middle or late Cenomanian). C) Plantagenet Formation varicoloured claystones and shales for the deeper sites, and light-colored or varicoloured chalks for the shallower sites (Turono-Senonian). Blake Bahama Formation corresponds to relatively homogeneous depositional conditions on the whole basin with respect to the redox conditions, comprising periods of probably periodic confinement. The clay minerai assemblages show the differentiation between an eastern and a western portion of the basin separated by the mid-oceanic ridge, illustrating the influence of continents on the sedimentary influx. The transition from Blake Bahama Formation to Natteras Formation is not marked by any appreciable variation in the spectrum of clay minerais. But it is underlined by a quick rise of the CCD and in several wells by a sedimentary gap ; therefore we caf) here E, the sedimentary event which corresponds to this boundary. The paleogeography during the deposition of Hatteras Formation is well diversified with (1) the eastern part of the basin situated between the mid-atlantic ridge, the Canary Islands and Africa, characterized by persistent euxinic conditions ; (2) the western part of the basin between the mid-atlantic ridge and the American margin, with possible alternating phases of anoxia and of oxygenation ; (3) a northern basin between the mid-atlantic ridge and the Moroccan to European margins, without any positive indication of anoxia ; (4) the mid-atlantic ridge itself where the environment was well oxidized. The smectites were largely dominant over other clay minerais during the deposition of Hatteras Formation. However, examination of clay assemblages suggests that the barrier of influences between the American and African continents coincided with a ridge situated to the west of the median ridge and was more or less superimposed to the present day Bermuda rise. An examination of the complete mineralogical assemblages suggests a wider opening in the Western (American) part of the basin located to the west of the ridge with regard to a more marked confinement observed in the Eastern one. Between the Natteras and Plantagenet formations, a new and frequent gap or/and a sedimentary condensation are emphasized by an accumulation of black claystones containing sea derived organic matter. This is indicative of a phase of generalized stagnation for the entire basin. The corresponding sedimentary event is called E2. The period of anoxia lasted until the Conacian for a limitated part of the basin which is located between the mid-atlantic ridge, the Canary Islands and the African margin. A uniformization of the depositional environments occurred usually after event E2. It led to oxidized sediments, carbonate rich or not depending on the depth, with comparable mineralogical assemblages from one well to another, attesting a nuanced but general resumption of terrigenous detritism. This resumption occurred first to the West of the mid-atlantic ridge as early as the Vraconian (hence prior to E2) for the southern part. It occurred then in the East progressing from the (Late ?) Turonian in the North to the Lower Campanian in the South