Étude comparative de monticules carbonatés phanérozoïques : sédimentologie, diagenèse précoce et modes d'accrétion

L’accrétion des monticules carbonatés phanérozoïques est contrôlée par trois principaux mécanismes de production de carbonates : la biominéralisation qui correspond à la squelettogénèse, l’organominéralisation qui correspond à la précipitation de carbonate de calcium en relation étroite avec des substrats organiques non vivants et la cimentation marine contrôlée par la circulation de fluides marins. Cette thèse présente une estimation de l’importance relative de ces trois processus d’accrétion dans la réalisation de la fabrique carbonatée in situ de différents cas de monticules carbonatés à faciès fins. Pour cela, une étude comparative détaillée de cinq exemples de « mudmounds » paléozoïque, mésozoïque et moderne a été menée. À la localité Chute Montmorency (Ordovicien moyen, Québec), les biohermes lenticulaires sont riches en bryozoaires in situ. La trame récifale bioconstruite par les bryozoaires trépostomes offre un large réseau de cavités où se développe la fabrique polymicritique. L’accrétion dépend principalement de la biominéralisation alors que l’organominéralisation qui prend place dans les espaces cryptiques intra-récifaux, demeure de faible importance. La cimentation marine est absente. Dans le cas de la localité Île d’Anticosti (Silurien inférieur, Québec), les monticules à bryozoaires et crinoïdes montrent deux faciès qui se distinguent par l’abondance des phases de ciment marin. Le mudstone-wackestone à bryozoaires fenestrés et crinoïdes se démarque par le volume important de la fabrique polymicritique et l’abondance des cavités d’abris et des cavités stromatactis. Pour ce faciès, le rôle joué par la biominéralisation est limité et c’est l’organominéralisation puis, dans un moindre degré, la cimentation marine associée aux stromatactis qui contrôlent l’accrétion. Pour le second faciès, le cementstone à bryozoaires fenestrés, la contribution de la biominéralisation demeure mineure et l’organominéralisation est absente. L’accrétion résulte d’une cimentation marine extensive. À la localité Foum Zidet (Jurassique inférieur, Maroc), les monticules sont riches en éponges siliceuses calcifiées très bien préservées et visibles à l’échelle macroscopique. Ces dernières, précocement indurées, ont localement servi de substrats pour les organismes encroûtants tels que les bryozoaires et les vers polychètes. L’accrétion des monticules de Foum Zidet résulte donc principalement de l’organominéralisation qui se combine, à plus petite échelle, à la biominéralisation. La cimentation marine est absente. Dans le cas de la localité Jebel Assameur (Jurassique moyen, Maroc), les monticules sont riches en coraux scléractiniens qui se combinent à d’importants volumes d’organismes épilithiques dont les bryozoaires, les vers polychètes et les éponges siliceuses calcifiées. L’accrétion est contrôlée par la biominéralisation qui a permis le développement de petits récifs de type « patch reefs ». L’organominéralisation est restreinte aux espaces cryptiques et la cimentation marine demeure de faible importance. Les monticules d’eaux profondes et froides de la localité Escarpement de Pen Duick (Océan Atlantique Est), avec leurs coraux d’eaux froides vivants en association étroite avec les faciès « coral rubble » offrent un contexte pertinent pour vérifier si l’organominéralisation est réalisée dans les monticules d’eaux profondes et froides modernes. Les fluides réactifs et potentiellement calcifiants qui combinent une signature de fluorescence protéique (pic SR) avec celle de composés humiques fraîchement produits (pic M2) ont été détectés à la surface, dans une moindre mesure à 20 cm de profondeur dans le sédiment, puis à 100 cm de profondeur. Cependant, aucune phase carbonatée authigène formée via organominéralisation n’a été observée. Dans le cas des monticules de l’Escarpement de Pen Duick, l’accrétion est principalement contrôlée par la biominéralisation. Le développement de l’organominéralisation puis de la cimentation marine ne peut être qu’envisagé lors de leur future évolution diagénétique si les conditions favorables sont réunies (e.g. courants de fond accrus, absence d’argiles). Notre approche comparative a été étendue à quinze cas d’études bien documentés dans la littérature et choisis pour illustrer la variabilité de ces objets géologiques à l’échelle spatiale et temporelle. Cette comparaison étendue illustre comment des objets géologiques comparables (géométrie, macro et micro fabrique) n’ont en réalité aucune unité génétique. L’importance relative des mécanismes d’accrétion n’apparaît pas constante au cours du temps et l’objet géologique « mudmound » est en réalité une convergence morphologique.Three mechanisms of carbonate accretion can be observed in Phanerozoic mud-rich carbonate mounds: biomineralization which refers to skeletogenesis, organomineralization correspond to by mineral precipitation that involves a non-living organic substrate and finally marine cement precipitation formed by fluid flow-through. This thesis presents an assessment of the relative importance of these three main accretionary processes through time using a detailed study of Paleozoic, Mesozoic and modern mud-rich localities, all identified as carbonate mounds. At the Chute Montmorency locality (Middle Ordovician, Quebec), bioherms are lenticular bodies where in situ bryozoans dominate the bioclastic fraction. The reefal framework built by trepostomes bryozoans provides large growth cavities hosting polymud fabrics. Accretionary mechanisms rely mainly on biomineralization whereas organomineralization remains of minor importance and takes place within intra-reefal cryptic spaces. Cementation is absent. At the Anticosti Island locality (Lower Silurian, Quebec), mud-rich buildups display two distinct facies both characterized by the abundance of marine cement. The crinoid-fenestrate bryozoan mudstone-wackestone facies stands out by its volumetrically important polymud fabric as well as both shelter cavities and stromatactis. In this facies, biomineralization is limited whereas organomineralization and, to a lesser extent, marine cementation within stromatactis control the net accretion. Regarding the fenestrate bryozoan cementstone facies, the contribution of biomineralization remains minor and organomineralization is absent. In this case, net accretion is the result of extensive marine cementation. At the Foum Zidet locality (Lower Jurassic, Morocco), mounds display large amounts of macroscopically preserved, calcified siliceous sponges locally used as substrate by encrusting bryozoans and polychètes. Thus, mound accretion combines organomineralization and, to a lesser extent, biomineralization whereas marine cement precipitation is lacking. At the Jebel Assameur locality (Mid Jurassic, Morocco), mud-rich buildups display important amounts of scleractinian corals combined with a significant volume of epilithic bryozoan, annelids worms and calcified siliceous sponges. Thus, accretionary processes consist of biomineralization that develop classical patch reefs whereas organomineralization is restricted to cryptic spaces. Cement precipitation remains minor. The modern case study, the Pen Duick escarpment (offshore Morocco) locality, with its living and non-living deep-sea coral mounds, offers an excellent setting to explore whether organomineralization takes place in modern deep-water coral mounds. Reactive fluid that combines protein-like fluorescence (peak SR) with fresh, humic compounds (peak M2) is present at the surface, to a minor degree at ~ 20 cm depth, and in a distinct layer at 100 cm depth. However, no ISOM-related authigenic carbonate was observed. Hence, mound accretion at Pen Duick escarpment is mainly controlled by biomineralization whereas the development of organomineralization and marine cementation can only be assumed if relevant conditions occur along their diagenetic evolution (e.g. decrease in argillaceous material, enhanced bottom current). Our comparative approach was further extended to fifteen case studies from the mudmound literature chosen to document the mud-rich carbonate mound variability in space and time. This comparative study illustrates how mud-rich carbonate mounds sharing similar geometry, macro and micro fabrics can evolved from the varying input of the three main accretionary processes. Hence, mound accretionary mechanisms are not constant through time and mud-rich carbonate mounds (commonly named mudmound) are indeed a morphological convergence

Seismic reflection data, calcium/iron ratios, stable istopes, and magnetic susceptibility of sediment cores from the Pen Duick Escarpment, Gulf of Cadiz

Here we present a case study of three cold-water coral mounds in a juvenile growth stage on top of the Pen Duick Escarpment in the Gulf of Cadiz; Alpha, Beta and Gamma mounds. Although cold-water corals are a common feature on the adjacent cliffs, mud volcanoes and open slope, no actual living cold-water coral has been observed. This multidisciplinary and integrated study comprises geophysical, sedimentological and (bio)geochemical data and aims to present a holistic view on the interaction of both environmental and geological drivers in cold-water coral mound development in the Gulf of Cadiz. Coring data evidences (past or present) methane seepage near the Pen Duick Escarpment. Several sources and pathways are proposed, among which a stratigraphic migration through uplifted Miocene series underneath the escarpment. The dominant morphology of the escarpment has influenced the local hydrodynamics within the course of the Pliocene, as documented by the emplacement of a sediment drift. Predominantly during post-Middle Pleistocene glacial episodes, favourable conditions were present for mound growth. An additional advantage for mound formation near the top of Pen Duick Escarpment is presented by seepage-related carbonate crusts which might have offered a suitable substrate for coral settling. The spatially and temporally variable character and burial stage of the observed open reef frameworks, formed by cold-water coral rubble, provides a possible model for the transition from cold-water coral reef patches towards juvenile mound. These rubble "graveyards" not only act as sediment trap but also as micro-habitat for a wide range of organisms. The presence of a fluctuating Sulphate-Methane Transition Zone has an important effect on early diagenetic processes, affecting both geochemical and physical characteristics, transforming the buried reef into a solid mound. Nevertheless, the responsible seepage fluxes seem to be locally variable. As such, the origin and evolution of the cold-water coral mounds on top of the Pen Duick Escarpment is, probably more than any other NE Atlantic cold-water coral mound province, located on the crossroads of environmental (hydrodynamic) and geological (seepage) pathways