Perturbations biogéochimiques à la limite Crétacé-Paléogène : apport des isotopes du Soufre et du Calcium

Biogeochemical disruptions across the Cretaceous-Paleogene boundary : insights from Sulfur and Calcium isotopes

• Auteur / Autrice : Arbia Jouini
• Direction : Raphaël Pik, Guillaume Paris, Guillaume Pierre Caro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 22/03/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (Vandoeuvre-lès-Nancy, Meurthe-et-Moselle)
• Jury : Président / Présidente : Laurie Reisberg
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Pik, Guillaume Paris, Christophe Thomazo, Nathalie Vigier, Damien Lemarchand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Thomazo, Nathalie Vigier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Limite Crétacé-Tertiaire

Biogéochimie

Calcium

Isotopes

Soufre

Paléoenvironnement

Mots clés libres

Limite KPg

Paléoenvironnement

Isotopes du Soufre et du Calcium

KPg boundary

Paleoenvironment

Sulphur and Callcium isotopes

Résumé

La limite Crétacé-Paléogène (KPg, -66 Ma) est associée à l'une des plus grandes perturbations environnementale de l'histoire récente de la Terre. Cette crise, liée à la mise en place d'une province magmatique de premier ordre (traps du Deccan) et/ou à un impact météoritique (formation du cratère de Chixculub) se traduit entre autres par une perturbation profonde de la bioproduction carbonatée océanique. Si de nombreuses questions subsistent quant à l'importance relative de l'impact et du volcanisme dans les perturbations de la limite KPg, la modification de la composition chimique du système océan-atmosphère par l'émission d'énormes quantités d'acide sulfurique et carbonique d'origines volcaniques a probablement joué un rôle clé dans la crise Crétacé-PaléogèneDurant ce projet de thèse j'ai réalisé des enregistrements isotopiques à haute résolution des isotopes stables du soufre et du calcium à travers la transitons Crétacé-Paléogène. Ces enregistrements sont basés sur des échantillons monospécifiques de foraminifères planctoniques et benthiques issue du pacifique équatorial.Les enregistrements de δ44/40Ca benthiques et planctoniques avant et après la limite K-Pg nous ont permis de mettre en évidence une succession d'épisodes de changements de l'alcalinité océanique liés à l'augmentation de l'altération continentale et à la crise de biocalcification causée par les émissions de CO2 du volcanisme du Deccan. La compensation des carbonates par la dissolution des sédiments carbonatés, la réduction de la biocalcification et/ou l'augmentation de l'altération continentale ont dû se produire pour compenser l'excès de CO2. Par conséquence, cela a entraîné des changements rapides dans la chimie des carbonates océaniques, en combinaison avec une réduction de l'exportation de l'alcalinité de surface en réponse à la crise de biominéralisation planctonique du Paléogène précoce.L'examen de la perturbation du cycle du soufre quant lui, soutient plutôt l'idée que l'extinction de masse à travers la transition K-Pg n'est pas être associée à une expansion globale de conditions anoxique, contrairement aux différents événements d'extinction de masse du Phanérozoïque, où il existe des preuves multiples du de développement de condition anoxique associé aux perturbations du cycle du carbone. Ces conclusions est en accord avec les observations micropaléontologiques qui ne montrent pas d'extinction de masse des foraminifères benthiquesCette approche géochimique multiproxies a l'avantage de permettre donc une évaluation plus pousser de certains paramètres clés tel que la chimie des carbonates et l'anoxie océanique à travers la transition Crétacé -Paléogène permettant ainsi d'avoir un schéma global plus clair des perturbations biogéochimiques autour de cette période.

The Cretaceous-Paleogene boundary (KPg, -66 Ma) is associated to one of the deepest biogeochemical cycle disruptions in Earth's recent history. The events associated to the KPg boundary include one of the strongest known oceanic calcareous bioproduction crisis and are coeval with a bolid impact (that formed the Chixculub crater) and the emplacement of a Large Igneous Province (Deccan traps). Many studies investigated the mechanism(s) triggering the environmental perturbations and many questions remain unanswered regarding the relative contribution of the volcanic event and the impact on the KPg crisis. Yet, modification of the ocean-atmosphere system composition through massive input of sulfuric and carbonic acid very likely played a key, underconstrained, role.During this thesis project, I conducted high-resolution stable sulphur and calcium isotope records across the Cretaceous-Paleogene transition. These records are based on monospecific samples of planktonic and benthic foraminifera from the equatorial Pacific.The benthic and planktonic δ44/40Ca records before and after the K-Pg boundary allowed us to demonstrate a succession of episodes of ocean alkalinity change related to the increase in continental weathering and the biocalcification crisis caused by CO2 emissions from Deccan volcanism. Carbonate compensation through dissolution of carbonate sediments, reduction of biocalcification and/or increase in continental weathering had to occur to compensate for the excess CO2. As a result, this led to rapid changes in oceanic carbonate chemistry, in combination with a reduction in the export of surface alkalinity in response to the early Paleogene planktonic biomineralisation crisisExamination of sulphur cycle disruption instead supports the idea that mass extinction through the K-Pg transition is not associated with a global expansion of anoxic conditions, in contrast to the various Phanerozoic mass extinction events, where there are multiples evidences for the development of anoxic conditions associated with carbon cycle disruption. These findings are consistent with micropalaeontological observations that show no benthic foraminiferal mass extinction.This multi-proxy geochemical approach has the advantage of allowing a more detailed assessment of key parameters such as carbonate chemistry and oceanic anoxia across the Cretaceous-Paleogene transition, thus providing a clearer global picture of biogeochemical perturbations around this time.