Rôle de la tectonique dans l'évolution du climat à travers l'altération continentale au cours du Crétacé supérieur : une nouvelle approche géochimique et minéralogique au sein d'un système source-to-sink

Exploring the links between climate, weathering, and dynamic topography during the upper Cretaceous : a geochemical and mineralogical approach within a source-to-sink system

• Auteur / Autrice : Camilo Gaitan Valencia
• Direction : Emmanuelle Pucéat, François Guillocheau, Pierre Pellenard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre
• Date : Soutenance le 31/05/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéosciences (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Fagel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Garçon, Aaron Bufe, Marc De Rafelis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Fagel, Guillaume Suan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Argile

Tectonique

Crétacé

Géochimie

Mots clés libres

Géochimie

Crétacé

Paléoclimat

Tectonique

Altération

Argiles

Geochemistry

Cretaceous

Paleoclimate

Tectonics

Weathering

Clays

Résumé

La phase de surrection majeure subie par la marge sud de l’Afrique au cours du Crétacé supérieur a conduit à une augmentation drastique des taux de dénudation, reflétée par les taux élevés d'accumulation sédimentaire dans les bassins adjacents à la marge sud-africaine à l'époque. Cet événement offre une opportunité unique pour explorer la réponse à long terme de l'altération continentale et de l'érosion à un soulèvement tectonique intense dans le contexte climatique du Crétacé tardif. L'importance respective de ces deux processus dans l'évolution et la distribution des flux détritiques et dans la formation des réservoirs est une question clé qui reste encore à élucider, surtout dans un contexte tectonique actif où les taux de dénudation et les taux de altération peuvent devenir découplés. L'objectif de cette thèse de doctorat est d'appliquer une approche géochimique novatrice, combinant des analyses minéralogiques des argiles avec des analyses isotopiques Hf-Nd (ΔεHf) sur des fractions argileuse pour (1) identifier la contribution respective de la altération chimique et de l'érosion durant la surrection de de la marge sud-africaine au cours du Crétacé supérieur, (2) explorer les liens entre ces deux processus et l'évolution et la distribution des flux détritiques dans ce contexte tectonique, et (3) explorer l'impact potentiel de ce surrection dans l'évolution climatique du Crétacé superieur, à travers la consommation de CO2 par les réactions d’altération des silicates.Trois sites (DSDP 361, carotte O-A1, carotte P-A1) situés au travers d'un transect proximal-distal le long du bassin du Cap ont été ciblés pour suivre l'évolution des processus de dénudation en appliquant une approche Source-to-Sink. L'evolution de processus de dénudation de ces sites montre une provenance cohérente des sédiments pour tous les trois sites provenant des régions sud-ouest-centrales du plateau sud-africain au cours du Crétacé supérieur. La minéralogie des argiles et le ΔεHf indiquent une augmentation de l’altération chimique au cours du Crétacé supérieur, à partir du Cénomanien-Turonien (ca.97 Ma), tandis qu'une augmentation de l'érosion physique est observée entre le Campanien et le Danien (77-62 Ma). Cette intensification de la dénudation survient alors que le climat global est en tendance de refroidissement depuis le Turonien (environ 94 Ma), ce qui n'est pas favorable aux épisodes de dénudation accrue. Cela suggère que cette augmentation des processus de dénudation est plutôt d'origine tectonique que climatique, et que la tectonique a contrôlé la distribution des sédiments le long de la marge sud-africaine. Finalement, l'intensification de la dénudation au cours du Crétacé supérieur, en particulier l’altération chimique, semble être l'un des principaux mécanismes responsables du début de la tendance au refroidissement climatique global au cours du Crétacé supérieur, non seulement par la diminution du CO2 par des réactions minérales, mais aussi par l’augmentaition potentielle de la productivité marine grâce à l'apport continu de nutriments continentaux dans les bassins adjacents à la marge sud-africaine.

The major uplift phase encountered by southern Africa during the late Cretaceous leaded to a drastic increase in denudation rates. This event provides a unique opportunity to explore the long-term response of chemical weathering and erosion to intense tectonic uplift within the greenhouse climate context of the late Cretaceous. The respective importance of these two processes in the evolution and distribution of detrital fluxes and in the formation of reservoirs is a key question that still remains to be elucidated. The aim of this PhD is to apply a novel geochemical approach, combining clay mineralogical analyses with Hf-Nd isotopic analyses (ΔεHf) on clay fractions to (1) decipher the respective evolution of chemical weathering and erosion during the late Cretaceous uplift of southern Africa, (2) explore the links between erosion and weathering processes and the evolution and distribution of detrital fluxes in this tectonic setting, and (3) explore the potential impact of this uplift on late Cretaceous climate evolution, through CO2 consumption by silicate weathering reactions.Three sites (DSDP core 361, borehole O-A1, borehole P-A1) located in a proximal-distal transect along the Cape Basin were targeted to track the evolution of denudation processes by applying a source-to-sink approach. The record from these sites shows consistent provenace of the sediments for all the sites coming from southwestern-central areas of the South African Plateau during the late Cretaceous. The clay mineralogy and the ΔεHf indicate an increase in chemical weathering along the late Cretaceous starting around the Cenomanian-Turonian (ca. 97 Ma), while an increase in physical erosion is observed between the Campanian – Danian (77-62 Ma). This enhancement in denudation occurs while the global climate is under a cooling trend that started around the Turonian (ca. 94 Ma), which is not favourable to enhanced denudation episodes. This suggests that this increase in denudation processes is rather tectonically driven than climatically, and that tectonics controlled the sediment distribution along the southern African margin. Finally, the enhancement in denudation during the late Cretaceous, particuarly in chemical weathering, appears to be one of the main mechanisms responsible for the triggering of the global climate cooling trend during the late Cretaceous, not only by the drawdown of CO2 through mineral reactions, but also by potentially enhancing marine productivity through sustainted input of continental nutrients into basins adjacent to the southern African margin