Formation des latérites du bouclier amazonien : apports du couplage minéralogie – géochimie - géochronologie

Formation of laterites of the Amazonian Shield : mineralogy – geochemistry – geochronology contributions

• Auteur / Autrice : Claire Ansart
• Direction : Cécile Quantin, Damien Calmels
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et des autres planètes
• Date : Soutenance le 09/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Courtin-Nomade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Cornu, Jean-Jacques Braun, Sophie Opfergelt, Mathieu Chassé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Cornu, Jean-Jacques Braun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Altération (géologie)

Boucliers (géologie)

Géochimie

Géochronologie

Latérite

Mots clés libres

Latérite

Altération

Bouclier amazonien

Géochronologie

Laterite

Amazonian Shield

Weathering

Geochronology

Résumé

Les latérites sont des formations d’altération épaisses, se formant sous des climats chauds et humides pendant de longues périodes de temps, mais la chronologie de leur développement et les conditions climatiques prévalentes lors de leur formation demeurent complexes. Toutefois, les minéraux secondaires formés dans de ces contextes (e.g. la kaolinite, l’hématite ou la goethite) peuvent témoigner des conditions de formation des latérites et de leur fonctionnement, mais aussi enregistrer des informations sur les conditions paléoclimatiques au moment de leur formation. Alors que de nombreuses investigations géochimiques et minéralogiques ont été menées sur des couvertures latéritiques épaisses, seules quelques récentes études ont eu pour but d’apporter des contraintes temporelles sur ces formations et les relier aux variations paléoclimatiques ou paléoenvironnementales. En ce sens, le Bouclier amazonien est tout particulièrement intéressant car cette zone est restée en position équatoriale depuis le Crétacé et a ainsi enduré un climat favorable à la fois au développement et à la préservation des latérites. Néanmoins, des évènements géodynamiques à grande échelle durant le Cénozoïque ont affecté la région (e.g. la formation de la cordillère des Andes, la mise en place de l’actuelle Amazone), et ont pu impacté le climat local et, en conséquence, les régimes d’altération. Les travaux de cette thèse portent sur deux profils latéritiques du Bouclier amazonien, le premier profil développé sur un ensemble métamorphique paléoprotérozoïque au Brownsberg (Suriname), le second développé sur la formation sédimentaire crétacée Alter do Chão au nord de Manaus (Brésil). Des études minéralogiques, géochimiques, et géochronologiques ont été menées afin d’identifier et de dater les processus responsables de la formation de ces profils. Dans les deux sites d’études, la datation (U-Th)/He sur des oxydes de fer issus les matériaux latéritiques échantillonnés a révélé une longue histoire d’altération depuis la période Eocène – Oligocène. Des épisodes ultérieurs ont pu, par la suite, conduire à un rajeunissement de ces profils. Ces épisodes peuvent être corrélés à des évènements géodynamiques ou climatiques globaux ou locaux, confirmant le comportement épisodique de la formation des latérites et des conditions environnementales fluctuantes des systèmes d’altération. Au Brownsberg, de multiples cycles de dissolution – reprécipitation ont pu être enregistrés au sein de la cuirasse latéritique (~30 Ma, >13.5 Ma, 15 – 10 Ma, ~4 Ma), conduisant à un enrichissement progressif dans cette unité en éléments sensibles aux processus rédox, tel que le vanadium. Au contraire, dans la région de Manaus, la cuirasse s’est formée lors d’un court épisode d’altération empêchant un enrichissement aussi important en éléments. Toutefois, la kaolinite dominant l’ensemble du profil, montre une évolution progressive depuis une kaolinite large et bien ordonnée en bas de profil, vers une kaolinite peu ordonnée semblable à de la dickite dans le Ferralsol, attestant ici de la transformation d’une génération initiale de kaolinite en sommet de profil. Les compositions isotopiques en oxygène et hydrogène de ces kaolinites ont révélé deux périodes d’altération distinctes, probablement reliées à des évènements globaux et locaux. Bien qu’ils soient tous deux situés en Amazonie, l’étude de ces deux profils latéritiques a montré des mécanismes et des dynamiques de formation spécifiques, liés à des épisodes d’altération distincts d’âges et de durées différents.

Laterites are thick regoliths known to form under warm and humid conditions over long time period but, reconstructing the timing of laterite development and prevailing climate conditions remains challenging. However, secondary minerals formed through chemical weathering conditions (e.g. kaolinite, hematite or goethite) can be good indicators of laterite formation and functioning and can also record paleoclimatic information. While numerous geochemical and mineralogical studies have been conducted on thick lateritic covers, only a handful of recent studies aimed at giving time constraints on laterite formation and related to paleoclimatic or paleoenvironmental variations. In that regard, the Amazonian Shield is of particular interest it has remained in equatorial position since the Cretaceous and, has therefore experienced a climate favorable for laterite development and preservation. However, large-scale geodynamic events impacted the region during the Cenozoic (e.g. the Andean uplift or the change of Amazon River course), which may have modified the climate and therefore weathering system.This thesis focuses on two lateritic profiles from the Amazonian shield, one developed on Paleoproterozoic metamorphic rock in the Brownsberg mountain (Suriname) and one developed on the Alter do Chão Cretaceous sedimentary formation, north of Manaus (Brazil). Mineralogical, geochemical, and geochronological investigations have been performed to identify and date the mechanisms responsible for their formation. At both sites, (U-Th)/He dating on Fe-oxides from present-day lateritic material reveals a long chemical weathering history initiated, at least, in the Eocene – Oligocene. Subsequent weathering episodes have led to rejuvenation of lateritic profiles. These episodes can be related to global or local geodynamic or climatic events confirming the episodic nature of laterite formation and the fluctuating geochemical conditions of the weathering environment. In Brownsberg multiple cycles of dissolution and reprecipitation are recorded within the duricrust (~30 Ma, >13.5 Ma, 15 – 10 Ma, ~4 Ma), which led to progressive enrichment in redox-sensitive elements such as vanadium. On the contrary, the duricrust sampled near Manaus is consistent with a single and short episode of formation (17 – 12 Ma) that hamper significant element concentration. The lateritic profile is however dominated by kaolinite that shows progressive evolution from large and well-ordered kaolinite at the bottom of the profile to a dickite-like kaolinite in the Ferralsol. This evolution supports the transformation of an initial generation of kaolinite at the top of the profile. Oxygen and hydrogen isotopic investigations revealed two distinct weathering conditions that are likely due to both global (i.e. Late Eocene – Oligocene global cooling at 37 – 22 Ma) and local event (i.e. onset of Amazonian monsoon ca. 8 – 6 Ma). Despite they are both localized in the Amazon area, the study of these two lateritic profiles reveals specific mechanisms and dynamics of formation that are related to different weathering events, i.e. related to different time period and weathering duration.