Les perturbations environnementales au cours du Toarcien inférieur. Apport de l'étude sédimentologique et géochimique de séries boréales et Ouest-Téthysiennes.

The Early Jurassic is a period marked by the dislocation of the Pangaea which is associatedto a high volcanic activity. At this time, the sea-level rise and high pCO2 in the atmosphere areresponsible for a high primary productivity context and the onset of favourable conditions for thepreservation of organic matter. The Early Toarcian records an Oceanic Anoxic Event (OAE) andthen corresponds to a high point of the long-term curve of the carbon-isotopes ratio (δ13C).However, this positive evolution of the δ13C is interrupted by a sharp, generalized and pronouncednegative excursion.Two theories are currently opposed to explain this geochemical event. The first one refers tolocal mechanisms and consists in a light carbon-isotopes flux derived from organic matterrecycling within the water column. The produced 12CO2 mass is then reincorporated into thecarbonate and the phytoplanktonic organic matter. The second hypothesis involves a global eventlinked to a dissociation of gas hydrates inducing a massive flux of isotopically-light carbon.The aim of this work is to try to settle about the interpretation of this perturbation of thecarbon-isotopes cycle and others associated events recorded in the Paris Basin and the WesternmostTethyan realm. We studied sites from various sedimentological and environmental contexts fromNorthern sections where the anoxia is strongly marked by the sedimentation down to the SouthernerEurope with more open conditions and with lowered record in the sedimentation. Our data support asingle and synchronous event. Despite discrepancies of the biostratigraphic frameworks, this eventis recorded at the top of the tenuicostatum and the base of the falciferum Zones also correspondingto the C. superbus nannoZone (NJ 6). The amplitude of the C-isotopes negative shift is higher in theNorth (-6‰) than in the South (-3,5‰). This difference seems to be parallel with the distribution oforganic matter contents across the European realm. The link of the isotopic event with the onset ofthe anoxia also depends on this palaeolatitudinal logic because for boreal sites, the anoxia (definedby the lamination of the sediment, the contents of pyrite, organic matter and manganese ofcarbonates) precedes the δ13C negative event whereas the opposite is observed for southern sites.Our dataset bring evidence that the epicontinental sediments of the Paris Basin haverecorded a primary 12C flux which had homogeneously affected the entire water column. Thatallows to exclude a diagenetic origin for this event. The high-resolution enable to highlight foursteps in the negative decrease of the δ13C as previously demonstrated for the organic matter isotopicrecord. We reject the idea that the recycling of the organic matter, as suggested by the Broecker andKüspert models during this period, could have contributed to the negative excursion of the δ13C.None organic and molecular arguments support the possibility of local controls of this event.Moreover, we also present evidences for a haline stratification of the water mass during this stage.This setting could be the consequence of enhanced fresh water inputs onto the epicontinentalshallow surface of the NW-Europe.Our results, compared with numerous datasets from the literature, confirm the global recordof this event and plead for a massive dissociation of methane hydrates into the ocean and theatmosphere, probably sustained by the methanogenesis of Gondwanan coals caused by doleriteintrusion.These perturbations of the carbon cycle affecting all the sedimentary reservoirs (OAE andδ13C negative excursion) occur during a period of major environmental changes explained by ageneralized upheaval of the geodynamic activity (oceanic opening, Karoo - Ferrar volcanism,structuring of the Western Tethys). It remains difficult to establish causal links between theseevents for want of pinpointed chronologies. Nevertheless, we can speculate a sismo-tectonichypothesis driving for the destabilization of methane hydrate reservoirs whose localization are nodefined. The mechanisms enabling the formation of hydrates during the Early Jurassicoceanographic context of the Toarcian are still misunderstood.Le Jurassique inférieur est une période marquée par la dislocation du continent unique à laquelleest associée une période de volcanisme intense. L'élévation du niveau marin (transgression liasique) etles fortes pressions partielles en CO2 dans l'atmosphère induisent un contexte de forte productivitéprimaire et des conditions environnementales favorables à la préservation de la matière organique. LeToarcien inférieur est ainsi associé à un événement anoxique océanique (OAE) qui se traduit par unpoint haut sur la courbe à long terme du rapport isotopique du carbone (δ13C). Toutefois, durant cettepériode, la dérive positive du δ13C est brutalement interrompue par une excursion négative généraliséeet de forte amplitude.Actuellement, deux théories s'opposent pour tenter d'expliquer cet accident géochimique. Lapremière fait intervenir des mécanismes locaux de dégradation de la matière organique dans la colonned'eau qui libérerait une masse importante de CO2 à très faible δ13C, CO2 qui est ensuite recyclé dans lescarbonates et la matière organique phytoplanctonique marine. La seconde hypothèse fait intervenir unphénomène généralisé (enregistrement mondial) dont l'origine serait la libération massive de carboneisotopiquement allégé au cours d'un épisode de déstabilisation d'hydrates de gaz.L'objectif de ce travail est d'apporter de nouveaux éléments sur l'interprétation de cetteperturbation isotopique du cycle du carbone et des événements associés à l'échelle du Bassin de Paris etde bassins Ouest-téthysiens. Pour cela, nous avons étudié des sites de contextes sédimentologiques etenvironnementaux différents depuis des coupes septentrionales où l'anoxie se marque nettement dans lasédimentation jusqu'à des coupes d'Europe méridionale, plus ouvertes vers l'Océan téthysien où l'impactde l'OAE paraît plus discret sur la sédimentation. Nous mettons en évidence un événement unique,synchrone. Malgré des difficultés liées à la corrélation des échelles biostratigraphiques, ces événementss'enregistrent bien au sommet de la biozone à Tenuicostatum – base Falciferum correspondant à lanannozone à C. superbus. L'amplitude de l'accident du δ13C est bien plus forte au Nord (-6‰) qu'au Sud(-3,5‰) de l'Europe. Cette différence semble parallèle à celle de la répartition des teneurs en matièreorganique. Le lien de cet événement isotopique avec la mise en place des conditions anoxiques sembleégalement dépendre d'une logique paléolatitudinale puisque dans les sites boréaux, l'anoxie définie pardes critères sédimentologiques (lamination du sédiment, teneurs en pyrite et en matière organique) etgéochimiques (évolution des teneurs en manganèse) précède l'accident isotopique alors que l'inverses'observe plus au Sud.Nos données indiquent que les séries épicontinentales du Bassin de Paris ont enregistré un fluxprimaire de carbone isotopiquement négatif qui a affecté de façon homogène toute la colonne d'eau,excluant une origine diagénétique à cet événement. L'enregistrement à haute-résolution permet de mettreen évidence quatre paliers successifs de décroissance du rapport isotopique du carbone comme cela avaitété montré pour l'enregistrement isotopique de la matière organique. Nous excluons la co-occurrence dephénomènes liés au recyclage de la matière organique tels qu'expliqués par les modèle de Broecker et deKüspert, puisqu'aucun argument de géochimie organique et moléculaire ne plaide pour des processus derecyclage plus important de la matière organique au cours de cet intervalle. Au contraire, unestratification haline de la colonne d'eau semble se mettre en place à ce niveau. Elle serait due àl'augmentation des apports d'eau douce sur la surface épicontinentale NW européenne.Nos données intégrées à celles de la bibliographie nous conduisent à soutenir un processus delibération de méthane dans l'atmosphère lié à une déstabilisation d'hydrates de gaz, éventuellementrenforcée par la méthanogenèse de charbon par intrusion doléritique dans les gisements du Sud duGondwana.Ces perturbations du cycle du carbone et du rapport isotopique de cet élément dans les différentsréservoirs (OAE et accident du δ13C) interviennent dans un cadre de grands bouleversementsenvironnementaux qui semblent liés à un à-coup généralisé de l'activité géodynamique (ouvertureocéanique, volcanisme du Karoo - Ferrar, structuration de la Téthys occidentale, …). Il est difficiled'établir des liens de causalité entre ces événements, faute d'une chronologie suffisamment précise, maison peut toutefois envisager une déstabilisation d'origine sismo-tectonique des hydrates de gaz dont lalocalisation du stockage reste inconnue. Les mécanismes de stockage des hydrates de gaz dans lecontexte océanique particulier du Toarcien restent à comprendre

Coccolith-derived isotopic proxies in palaeoceanography: where geologists need biologists

Coccolithophore biominerals, the coccoliths, represent an important part of the Meso-Cenozoic sedimentary archive. Geochemical analyses of coccoliths can be used to unravel climatic fluctuations in the oceanic realm, but such reconstructions are complicated due to the problem of the "vital effect". This concept refers to the modulation in the record of the physico-chemistry of seawater in calcite due to algal physiology. For decades, it was thought that the magnitude of the vital effect was species-specific and constant for a given species. Recent studies aiming at a mechanistic understanding of these processes point towards a plastic and environmental-dependent interplay between the physiology of coccolithophores and isotopic composition in coccolith calcite. This "mobilis in mobili" relationship opens the door to the possibility to explore the vital effects as palaeoenvironmental proxies undertaking an interspecies approach. New physiological parameters, such as the quantification of calcification rates, pH, and calcium and carbon pools in the coccolith vesicle would further help geologists to constrain the vital effect. Emerging "non-traditional" isotope systems will also contribute to refine the transfer functions between coccolith geochemistry, vital effect, and palaeoenvironments

Continental weathering and climatic changes inferred from clay mineralogy and paired carbon isotopes across the early to middle Toarcian in the Paris Basin.

9 pagesInternational audienceLower Toarcian strata (Lower Jurassic) have been extensively studied with a view to understanding the oceanographic, climatic and biological processes that drove the Earth's system into an Oceanic Anoxic Event (OAE). For this time period, the evolution of the European marine seaways is now relatively well constrained owing to multiple geochemical studies, but investigations regarding climatic trends in the continental realm remain sparse. In the present study, we test the clay mineralogy as a continental climate-sensitive proxy in the well-documented Sancerre core (southern Paris Basin). We compare variations in the kaolinite content with pCO2 fluctuations (derived from paired carbon isotopes; ∆13C = δ13Ccarb− δ13Corg), taking advantage of the detailed chemostratigraphic, palaeoenvironmental and sequence stratigraphy frameworks established for this core material. The results indicate a substantial decrease in kaolinite abundance at the end of the Pliensbachian, which is compatible with a long-term diminution in continental weathering and an inferred temperature decrease. The early Toarcian, prior to the carbon cycle perturbation and deposition of black shale facies, remained relatively cold with minima in both the proportion of kaolinite and reconstructed pCO2. The mineralogical and geochemical responses across the prominent negative carbon isotope excursion (CIE) itself are not univocal. The first of four steps that compose the negative limb of the CIE at Sancerre is associated with decreased kaolinite and pCO2, and increased carbonate oxygen isotope ratios. Taken together, these trends are compatible with a transient cooling phase immediately preceding the onset of black shale deposition. Conversely, the subsequent steps are marked by substantial enrichment in kaolinite that matches increased osmium isotope ratios measured in Yorkshire, providing compelling evidence for rapid increases in continental weathering and riverine runoff forced by intensification of greenhouse conditions during the CIE. Relaxation in the intensity of continental weathering, as suggested by resumed low kaolinite abundance is seen immediately after the cessation of CO2 input (after the fourth step of the CIE). The interval spanning the upper portion of the early Toarcian and the middle Toarcian records a subsequent long-term increase in the proportion of kaolinite synchronous with significant clay enrichment of the sediment. Continued greenhouse conditions, even after the recovery from the carbon isotope perturbation and "regional" black shale deposition, are likely related to sustained CO2 emission by Karoo-Ferrar volcanism through the considered interval

Continental weathering and climatic changes inferred from clay mineralogy and paired carbon isotopes across the early to middle Toarcian in the Paris Basin

Lower Toarcian strata (Lower Jurassic) have been extensively studied with a view to understanding the oceanographic, climatic and biological processes that drove the Earth’s system into an Oceanic Anoxic Event (OAE). For this time period, the evolution of the European marine seaways is now relatively well constrained owing to multiple geochemical studies, but investigations regarding climatic trends in the continental realm remain sparse. In the present study, we test the clay mineralogy as a continental climate-sensitive proxy in the well-documented Sancerre core (southern Paris Basin). We compare variations in the kaolinite content with pCO2 fluctuations (derived from paired carbon isotopes; Δ13C = δ13Ccarb – δ13Corg), taking advantage of the detailed chemostratigraphic, palaeoenvironmental and sequence stratigraphy frameworks established for this core material. The results indicate a substantial decrease in kaolinite abundance at the end of the Pliensbachian, which is compatible with a long-term diminution in continental weathering and an inferred temperature decrease. The early Toarcian, prior to the carbon cycle perturbation and deposition of black shale facies, remained relatively cold with minima in both the proportion of kaolinite and reconstructed pCO2. The mineralogical and geochemical responses across the prominent negative carbon isotope excursion (CIE) itself are not univocal. The first of four steps that compose the negative limb of the CIE at Sancerre is associated with decreased kaolinite and pCO2, and increased carbonate oxygen isotope ratios. Taken together, these trends are compatible with a transient cooling phase immediately preceding the onset of black shale deposition. Conversely, the subsequent steps are marked by substantial enrichment in kaolinite that matches increased osmium isotope ratios measured in Yorkshire, providing compelling evidence for rapid increases in continental weathering and riverine runoff forced by intensification of greenhouse conditions during the CIE. Relaxation in the intensity of continental weathering, as suggested by resumed low kaolinite abundance is seen immediately after the cessation of CO2 input (after the fourth step of the CIE). The interval spanning the upper portion of the early Toarcian and the middle Toarcian records a subsequent long-term increase in the proportion of kaolinite synchronous with significant clay enrichment of the sediment. Continued greenhouse conditions, even after the recovery from the carbon isotope perturbation and “regional” black shale deposition, are likely related to sustained CO2 emission by Karoo-Ferrar volcanism through the considered interval

Les perturbations environnementales au cours du Toarcien inférieur (apport de l'étude sédimentologique et géochimique de séries boréales et Ouest-Téthysiennes)

Le Jurassique inférieur est une période marquée par la dislocation du continent unique à laquelle est associée une période de volcanisme intense. L'élévation du niveau marin (transgression liasique) et les fortes pressions partielles en CO2 dans l'atmosphère induisent un contexte de forte productivité primaire et des conditions environnementales favorables à la préservation de la matière organique. Le Toarcien inférieur est ainsi associé à un événement anoxique océanique (OAE) qui se traduit par un point haut sur la courbe à long terme du rapport isotopique du carbone ( 13C). Toutefois, durant cette période, la dérive positive du 13C est brutalement interrompue par une excursion négative généralisée et de forte amplitude. Actuellement, deux théories s'opposent pour tenter d'expliquer cet accident géochimique. La première fait intervenir des mécanismes locaux de dégradation de la matière organique dans la colonne d'eau qui libérerait une masse importante de CO2 à très faible 13C, CO2 qui est ensuite recyclé dans les carbonates et la matière organique phytoplanctonique marine. La seconde hypothèse fait intervenir un phénomène généralisé (enregistrement mondial) dont l'origine serait la libération massive de carbone isotopiquement allégé au cours d'un épisode de déstabilisation d'hydrates de gaz. L'objectif de ce travail est de trancher sur l'interprétation de cette perturbation isotopique du cycle du carbone et des événements associés à l'échelle du Bassin de Paris et de bassins Ouest-téthysiens. Pour cela, nous avons étudié des sites de contextes sédimentologiques et environnementaux différents depuis des coupes septentrionales où l'anoxie se marque nettement dans la sédimentation jusqu'à des coupes d'Europe méridionale, plus ouvertes vers l'Océan téthysien où l'impact de l'OAE paraît plus discret sur la sédimentation. Nous mettons en évidence un événement unique, synchrone. Malgré des difficultés liées à la corrélation des cadres biostratigraphiques, ces événements s'enregistrent bien au sommet de la biozone à Tenuicostatum base Falciferum correspondant à la nannozone à C. superbus. L'amplitude de l'accident du 13C est bien plus forte au Nord (-6 ) qu'au Sud (-3,5 ) de l'Europe. Cette différence semble parallèle à celle de la répartition des teneurs en matière organique. Le lien de cet événement isotopique avec la mise en place des conditions anoxiques semble également dépendre d'une logique paléolatitudinale puisque dans les sites boréaux, l'anoxie définie par des critères sédimentologiques (lamination du sédiment, teneurs en pyrite et en matière organique) et géochimiques (évolution des teneurs en manganèse) précède l'accident isotopique alors que l'inverse s'observe plus au Sud. Nos données indiquent que les séries épicontinentales du Bassin de Paris ont enregistré un flux primaire de carbone isotopiquement négatif qui a affecté de façon homogène toute la colonne d'eau, excluant une origine diagénétique à cet événement. L'enregistrement à haute-résolution permet de mettre en évidence quatre paliers successifs de décroissance du rapport isotopique du carbone comme cela avait été montré pour l'enregistrement isotopique de la matière organique. Nous excluons la co-occurrence de phénomènes liés au recyclage de la matière organique tels qu'expliqués par les modèle de Broecker et de Küspert, puisqu'aucun argument de géochimie organique et moléculaire ne plaide pour des processus de recyclage plus important de la matière organique au cours de cet intervalle. Au contraire, une stratification haline de la colonne d'eau semble se mettre en place à ce niveau. Elle serait due à l'augmentation des apports d'eau douce sur la surface épicontinentale NW européenne. Nos données intégrées à celles de la bibliographie nous conduisent à soutenir un processus de libération de méthane dans l'atmosphère lié à une déstabilisation d'hydrates de gaz, éventuellement renforcée par la méthanogenèse de charbon par intrusion doléritique dans les gisements du Sud du Gondwana. Ces perturbations du cycle du carbone et du rapport isotopique de cet élément dans les différents réservoirs (OAE et accident du 13C) interviennent dans un cadre de grands bouleversements environnementaux qui semblent liés à un à-coup généralisé de l'activité géodynamique (ouverture océanique, volcanisme du Karoo - Ferrar, structuration de la Téthys occidentale, ). Il est difficile d'établir des liens de causalité entre ces événements, faute d'une chronologie suffisamment précise, mais on peut toutefois envisager une déstabilisation d'origine sismo-tectonique des hydrates de gaz dont la localisation du stockage reste inconnue. Les mécanismes de stockage des hydrates de gaz dans le contexte océanique particulier du Toarcien restent à comprendre.PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Mass and Fine-Scale Morphological Changes Induced by Changing Seawater pH in the Coccolith Gephyrocapsa oceanica

International audienceCoccolithophores have been extensively studied to understand the environmental control on calcification in a key biological group influencing the alkalinity of seawater. Previous studies have established that bulk calcification scales with cell division rates under a wide range of pH conditions. Yet, the fine scale ultrastructural changes of the coccoliths and therefore the pH-sensitive underlying mechanisms altering biomineralization of the coccoliths remain largely under-constrained. Using circularly polarized light and high-resolution microscopy, we have generated mass estimates of cultured Gephyrocapsa oceanica coccoliths grown in media with pH values ranging from 7.4 to 9.0. These mass estimates representing a bulk calcification response were related to the morphological changes within the coccoliths. From optimal (pH 8.6) down to pH 7.4 conditions, we have observed that impaired cell growth and lower calcite quota are accompanied by a 35% decrease in mean coccolith mass. The data further show that seawater acidification does not homogenously affect calcification of the coccoliths, as a clear decrease of the breadth of the tube (a structure surrounding the central area of the coccoliths) was detected, whereas all other ultrastructural components were far less impacted. We discuss this specific sensitivity to acidification as the possible consequence of the altered interaction of the acidic polysaccharides used for biomineralization and ambient concentration of protons released by calcification that substantially modify the growth patterns, the morphology, and ultimately the mass of the coccoliths

Coccolith-derived isotopic proxies in palaeoceanography: where geologists need biologists

Coccolithophore biominerals, the coccoliths, represent an important part of the Meso-Cenozoic sedimentary archive. Geochemical analyses of coccoliths can be used to unravel climatic fluctuations in the oceanic realm, but such reconstructions are complicated due to the problem of the "vital effect". This concept refers to the modulation in the record of the physico-chemistry of seawater in calcite due to algal physiology. For decades, it was thought that the magnitude of the vital effect was species-specific and constant for a given species. Recent studies aiming at a mechanistic understanding of these processes point towards a plastic and environmental-dependent interplay between the physiology of coccolithophores and isotopic composition in coccolith calcite. This "mobilis in mobili" relationship opens the door to the possibility to explore the vital effects as palaeoenvironmental proxies undertaking an interspecies approach. New physiological parameters, such as the quantification of calcification rates, pH, and calcium and carbon pools in the coccolith vesicle would further help geologists to constrain the vital effect. Emerging "non-traditional" isotope systems will also contribute to refine the transfer functions between coccolith geochemistry, vital effect, and palaeoenvironments.</p

Reconstruction des pCO2 atmosphériques quaternaires par la géochimie des coccolithes

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Enhancing our palaeoceanographic toolbox using paired foraminiferal and coccolith calcite measurements from pelagic sequences

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