Early Toarcian perturbation to the carbon cycle.
Les perturbations environnementales au cours du Toarcien inférieur. Apport de l'étude sédimentologique et géochimique de séries boréales et Ouest-Téthysiennes.
Résumé
The Early Jurassic is a period marked by the dislocation of the Pangaea which is associated
to a high volcanic activity. At this time, the sea-level rise and high pCO2 in the atmosphere are
responsible for a high primary productivity context and the onset of favourable conditions for the
preservation of organic matter. The Early Toarcian records an Oceanic Anoxic Event (OAE) and
then 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 pronounced
negative excursion.
Two theories are currently opposed to explain this geochemical event. The first one refers to
local mechanisms and consists in a light carbon-isotopes flux derived from organic matter
recycling within the water column. The produced 12CO2 mass is then reincorporated into the
carbonate and the phytoplanktonic organic matter. The second hypothesis involves a global event
linked 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 the
carbon-isotopes cycle and others associated events recorded in the Paris Basin and the Westernmost
Tethyan realm. We studied sites from various sedimentological and environmental contexts from
Northern sections where the anoxia is strongly marked by the sedimentation down to the Southerner
Europe with more open conditions and with lowered record in the sedimentation. Our data support a
single and synchronous event. Despite discrepancies of the biostratigraphic frameworks, this event
is recorded at the top of the tenuicostatum and the base of the falciferum Zones also corresponding
to the C. superbus nannoZone (NJ 6). The amplitude of the C-isotopes negative shift is higher in the
North (-6‰) than in the South (-3,5‰). This difference seems to be parallel with the distribution of
organic matter contents across the European realm. The link of the isotopic event with the onset of
the anoxia also depends on this palaeolatitudinal logic because for boreal sites, the anoxia (defined
by the lamination of the sediment, the contents of pyrite, organic matter and manganese of
carbonates) 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 have
recorded a primary 12C flux which had homogeneously affected the entire water column. That
allows to exclude a diagenetic origin for this event. The high-resolution enable to highlight four
steps in the negative decrease of the δ13C as previously demonstrated for the organic matter isotopic
record. We reject the idea that the recycling of the organic matter, as suggested by the Broecker and
Küspert 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 epicontinental
shallow surface of the NW-Europe.
Our results, compared with numerous datasets from the literature, confirm the global record
of this event and plead for a massive dissociation of methane hydrates into the ocean and the
atmosphere, probably sustained by the methanogenesis of Gondwanan coals caused by dolerite
intrusion.
These perturbations of the carbon cycle affecting all the sedimentary reservoirs (OAE and
δ13C negative excursion) occur during a period of major environmental changes explained by a
generalized upheaval of the geodynamic activity (oceanic opening, Karoo - Ferrar volcanism,
structuring of the Western Tethys). It remains difficult to establish causal links between these
events for want of pinpointed chronologies. Nevertheless, we can speculate a sismo-tectonic
hypothesis driving for the destabilization of methane hydrate reservoirs whose localization are no
defined. The mechanisms enabling the formation of hydrates during the Early Jurassic
oceanographic context of the Toarcian are still misunderstood.
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 (δ13C). Toutefois, durant cette
période, la dérive positive du δ13C 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 δ13C, 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 d'apporter de nouveaux éléments 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 échelles 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 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 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 δ13C) 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.