Signatures paléoenvironnementales et diagenétiques d’une intrusion sub-volcanique au sein d’une plateforme carbonatée

Paleoenvironmental and diagenetic signatures of a sub-volcanic intrusion into a carbonate platform

• Auteur / Autrice : Ophélie Pascault-Gauci
• Direction : Thomas Saucède, Aurélien Virgone
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre
• Date : Soutenance le 17/01/2024
• 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 : Emmanuelle Vennin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arantxa Bodego
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Elias Samankassou, Benjamin Brigaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde de carbone

Crétacé inférieur

Plates-formes carbonatées

Diagenèse

Paléoenvironnement

Mots clés libres

Paléoenvironnement

Diagenèse précoce

Plateforme carbonatée

Intrusion sub-Volcanique

Système hydrothermal

Crétacé inférieur

Paleoenvironment

Early diagenesis

Carbonate platform

Sub-Volcanic intrusion

Hydrothermal system

Lower Cretaceous

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans une démarche de compréhension des phénomènes de dégazages naturels de CO2 en milieu marin. Les systèmes hydrothermaux liés à l’emplacement d’intrusions sub-volcaniques représentent une fenêtre pour comprendre ces phénomènes, notamment dans l’actuel. Bien que nombreuses, les signatures paléoenvironnementales et diagenétiques de ces systèmes restent peu étudiées, en particulier en domaine marin peu profond et notamment en contexte carbonaté. Une intrusion sub-volcanique correspond à l’arrêt d’une progression magmatique à quelques centaines ou dizaines de mètres sous l’interface eau-sédiment. Celle-ci reste parfois invisible sur le fond marin, ce qui explique pourquoi les études portant sur les effets de ce type d’intrusion sont rares. Dans d’autres cas, son emplacement peut générer des cellules hydrothermales majoritairement riches en CO2 d’origine magmatique. L’un des objectifs de cette thèse est de décrypter l’impact de l’incorporation de ce CO2 d’origine magmatique sur la genèse et la diagenèse des carbonates en domaine marin ouvert où les effets de dilution sont importants. Le corps igné de Larrano recoupant une plateforme carbonatée urgonienne (Crétacé inférieur), située dans le domaine hyper-aminci du Bassin Basco Cantabre (Espagne) a été étudié. Une approche pluridisciplinaire combinant géologie structurale, sédimentologie, paléontologie, diagenèse, géochimie et datation U-Pb a été nécessaire pour déconvoluer les signatures de l’emplacement de ce corps igné. Cette méthodologie innovante a permis de requalifier ce corps magmatique en intrusion sub-volcanique. L’ensemble de ce travail a également permis d’établir une chronologie d’emplacement de cette intrusion sub-volcanique. Les résultats soulignent la possibilité d’une influence sur la production carbonatée et sur la diagenèse par l’intrusion sub-volcanique. Trois éléments principaux permettent de discriminer cette relation : 1) Paléontologique : les spiculites décrites historiquement sur le site comportent des communautés de spongiaires hyper-silicifiantes (Demosponges, Lithistides). Leur développement ponctuel et atypique au sein de la plateforme carbonatée semble conditionné par des apports massifs en silice dissoute dont la teneur peut atteindre jusqu’à 10 fois celle de l’eau de mer. Ces afflux siliceux sont compatibles avec des exhalations de fluides riches en silice, courantes en domaine magmatique. 2) Diagenétique : l’anomalie éogenétique découverte comprend des fractures cataclastiques, des dissolutions de calcites, des coatings d’oxyhydroxydes de fer, de la dolomie baroque ferreuse et des ciments de calcite magnésienne. Ces phases éogenétiques enregistrent essentiellement les étapes syn- et post-intrusives. 3) Structurale : les multiples déformations synsédimentaires observées dans la série pré-intrusive encadrent une zone de dômes et de plis forcés. Ces manifestations géométriques et topographiques sont cohérentes avec une remontée de magma, déformant localement la série pré-intrusive. Ces déformations sont recouvertes par des onlaps de la série post-intrusive peu déformée. Ces signatures paléontologiques, diagenétiques et structurales témoignent de la complexité liée à l’emplacement d’une intrusion sub-volcanique en domaine marin peu profond carbonaté. Pour enrichir cette thématique, une synthèse bibliographique portant sur ces interactions complexes a été réalisée à partir d’une centaine d’exemples anciens et actuels. De celle-ci ont été identifiés 14 critères, pour l’initiation d’un outil permettant de contraindre l’emplacement d’une intrusion sub-volcanique au sein d’une plateforme carbonatée. Pour approfondir l’impact des phénomènes de dégazages de CO2 en milieu marin, cette thèse s’est intéressée à un système actuel (le lagon de Mayotte) où plusieurs similitudes avec les exemples traités ont été observées. Ces résultats aident à comprendre la faculté des systèmes marins à s’adapter aux phénomènes de dégazages naturels de CO2.

This thesis is included in an understanding process of natural CO2 degassing phenomena in marine environment. Hydrothermal systems associated to sub-volcanic intrusions emplacement represent an open window towards these phenomena, particularly in modern systems. Although numerous, paleoenvironmental and diagenetic signatures of such systems remain poorly investigated in shallow marine domain, particularly in carbonate context. A sub-volcanic intrusion corresponds to an interruption of the magma rising up to few hundreds, or tens of meters just below the paleo-seafloor. This type of igneous body sometimes remains invisible on the paleo-seafloor, explaining why studies on the impact of such intrusions are rare. In other cases, hydrothermal cells with magmatic CO2-rich fluids can be induced by their emplacement. One of the aims of this thesis is to decrypt the impact of CO2-rich fluids of magmatic origin, on the genesis and diagenesis of carbonates in the open marine domain where the effects of dilution are important. The Larrano igneous body crosscutting the urgonian carbonate platform (Lower Cretaceous) located in the hyper-thinned Basque-Cantabrian Basin (Spain) has been studied. A multi-proxy approach combining structural geology, sedimentology, palaeontology, diagenesis, geochemistry and U-Pb dating, has been necessary to decode signatures associated to this igneous body emplacement. This innovative methodology has led to requalify the magmatic body into a sub-volcanic intrusion. Moreover, a chronology of the sub-volcanic intrusion emplacement has been established thanks to this work. The results highlight the possibility of an influence on carbonate production and diagenesis induced by the sub-volcanic intrusion. Three main elements make it possible to discriminate this relationship:1) Paleontological, the spiculites described historically on the site include hyper-silicified sponge communities (Demosponges, Lithistids). Their development is local and atypical within the carbonate platform and seems to be controlled by massive inputs of dissolved silica (in proportion potentially up to 10 times higher that of the modern seawater). These siliceous influxes are compatible with exhalations of silica-rich fluids, common in magmatic domains.2) Diagenetic, the eogenetic anomaly discovered contains cataclastic fractures, early calcite dissolutions, Fe-rich coatings, ferroan saddle dolomite and magnesian calcite. These eogenetic phases essentially record the syn- and post-intrusive stages.3) Structural, the numerous synsedimentary deformations discovered in the pre-intrusive series surround doming and forced folding structures. These geometric and topographical manifestations are consistent with a magma ascent, inducing local deformations in the pre-intrusive series. These deformations are sealed by onlaps from the poorly deformed post-intrusive series.These paleontological, diagenetic and structural signatures demonstrate the complexity linked to a sub-volcanic intrusion emplacement in a shallow marine carbonate domain. To go further on this thematic, a bibliographic synthesis on these complex interactions has been produced from around a hundred of ancient and current examples. From this work, 14 criteria have been identified, to start building a tool helping to constrain a sub-volcanic intrusion emplacement within a carbonate platform.To deal with the impact of natural CO2 degassing phenomena in the marine environment, this thesis focuses on a modern system (the Mayotte lagoon) where several similarities with the examples treated are observed. These results open up a multidisciplinary field of study to understand the natural ability of marine systems to adapt to natural CO2 degassing phenomena.