Dépôts carbonatés microbiens en domaine lacustre et fluviatile : fabriques et facteurs de contrôle

Microbial carbonate deposition lacustrine and fluvial settings : fabrics and controlling factors

• Auteur / Autrice : Adeline Roche
• Direction : Emmanuelle Vennin, Irina Bundeleva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géodynamique des enveloppes supérieures
• Date : Soutenance le 28/08/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéosciences (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Rudy Swennen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Youri Hamon, Benjamin Brigaud, Pieter Visscher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fréderic Boulvain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gîtes minéraux

Facteurs biotiques

Mots clés libres

Microbialite

Tufa

Environnement fluviatile

Environnement lacustre

Fabrique

Facteurs de contrôle

Microbialite

Tufa

Lacustrine setting

Fluvial setting

Fabric

Controlling factors

Résumé

Dans les systèmes continentaux actuels, les dépôts carbonatés liés à une activité microbienne présentent des morphologies et des compositions variées et se développent dans des environnements très différents (lacs d’eau douce, alcalins, hyper-salés, rivières, systèmes hydrothermaux, etc.). Face à la diversité des dépôts microbiens continentaux et leur spécificité, les terminologies et les classifications sont devenues multiples et complexes, rendant leur usage difficile et contraignant pour les interprétations des environnements de dépôts. Par ailleurs, la minéralisation de ces dépôts carbonatés résulte de l’interaction de facteurs biotiques (intrinsèque) et de facteurs environnementaux (extrinsèques et externes) agissant à différentes échelles. Le premier objectif de ce travail était de caractériser les morphologies et les compositions des carbonates microbiens à travers une analyse fine de ces dépôts à l’échelle macro-, méso- et microscopique. Le deuxième objectif était d’identifier les facteurs contrôlant le développement et la préservation des carbonates microbiens. Ces objectifs ont été abordés à travers trois exemples ; deux exemples lacustres fossiles : les bioconstructions à microbes et métazoaires du bassin des Limagnes (France) ; les dépôts microbiens pléistocènes du lac asséché de Winnemucca (Nevada, États-Unis) et un exemple fluviatile actuel : les tufas-microbiens de la Vallée de la Mérantaise (France). Ces trois exemples permettent de préciser et de proposer une nouvelle classification des fabriques des dépôts microbiens, de l’échelle macroscopique à microscopique. Cette classification, basée sur des critères descriptifs, facilite la caractérisation des carbonates microbiens ouvrant sur de nouvelles interprétations des environnements de dépôts. L’étude des dépôts minéralisés de la Vallée de la Mérantaise et des minéralisations obtenues lors d’expériences de précipitations des micro-organismes extraits de ces mêmes milieux ont permis de discuter du caractère biotique des minéralisations. L’origine biotique des dépôts carbonatés des Limagnes et de Winnemucca est fortement suggérée, même s’il subsiste toujours un doute quand il s’agit d’attester de l’origine biotique dans le registre fossile. Plusieurs facteurs environnementaux contrôlent la répartition, les morphologies, le développement et la préservation des dépôts microbiens dans les trois secteurs d’étude : le climat et les variations d’accommodation influencent les géométries (à l’échelle du million et du millier d’années) et les microfabriques (échelle saisonnière), le contexte géodynamique (tectonique et volcanisme) contrôle la géométrie et la répartition des dépôts microbiens à l’échelle du bassin et les failles constituent des drains pour la circulation des fluides. Les paramètres physico-chimiques des eaux s’avèrent être un facteur prépondérant dans la minéralisation des carbonates microbiens. Ils résultent de changements du bilan ionique en lien avec les apports de surface et de sub-surface dans ces différents systèmes. Enfin, la minéralisation et la préservation des dépôts microbiens sont favorisées par la présence de substrats durs et stables, qui impactent également leur morphologie. Afin de mieux comprendre l’origine et la diversité des carbonates microbiens continentaux, les études à multi-échelle s’avèrent essentielles pour discuter de l’influence des facteurs de contrôle.

The non-marine carbonates related to microbial activity display a large range of morphologies and compositions and accumulate in various settings (freshwater, alkaline, and saline lakes, fluvial environments, thermal and freshwater springs, …). The variety of non-marine microbial carbonates and their particularity led to propose numerous and complex terminologies and classifications, making their use complicated and restrictive for the interpretation of depositional settings. Mineralization of these carbonates results from the interaction between biotic factors (intrinsic) and environmental factors (extrinsic and external) at multi-scales. The first aim of this work was to characterize morphologies and compositions of microbial carbonates, through a detailed analysis of these deposits at macro-, meso- and microscales. The second aim was to identify the controlling factors acting on the development and preservation of microbial carbonates. To develop these topics, three examples have been studied: two ancient lacustrine systems: the microbial-metazoan buildups from the Limagne Basin (France), the Pleistocene microbial deposits from the dry Winnemucca Lake (Nevada, USA) and one modern fluvial system: the microbial-tufa of the Mérantaise Valley (France). From these examples, a new classification of the fabrics of microbial deposits ranging from macro to micro-scale has been proposed. Based on descriptive criteria, this classification is helpful for the characterization of microbial deposits and improves the discussion about depositional settings. The study of the mineralized deposits of the Mérantaise Valley and results from microbial culture experiments in the laboratory extracted from the same environment showed the implication of microorganisms in mineralization. The microfabrics from Limagne and Winnemucca Basin reveal a likely biotic origin of these carbonates even if doubt remains on the direct biotic origin in the fossil record. Several environmental factors control the distribution, morphologies, development, and preservation of microbial deposits in the three studied settings: climate and variation of accommodation influence the geometries (at the million- or thousand-years scale) and the microfabrics (seasonal scale), the geodynamic context (tectonics and volcanism) controls the geometry and the distribution of microbial deposits at the basin-scale and faults form drains for fluids circulation. Physico-chemical parameters of waters appear to be a major factor for the mineralization of microbial carbonates. They result from changes in the ion balance depending on surface and sub-surface inputs in these different systems. Finally, the presence of hard and stable substrates improves the mineralization and preservation of microbial deposits and impact their morphologies. To better understand the origin and diversity of non-marine microbial carbonates, a multi-scale approach is crucial to discuss the influence of controlling factors.