Enregistrement des évènements hyperthermiques de l'Eocène inférieur et moyen (Yprésien à Bartonien) dans le Bassin parisien (France) et le Bassin de Mons (Belgique) : Impact climatique sur la dynamique sédimentaire en milieu littoral à continental

The lower-to-middle Eocene (Ypresian to Bartonian) in the Paris Basin (France) and Mons Basin (Belgium): A record of hyperthermal events and climate impacts on sedimentary dynamics in coastal to continental environments

• Auteur / Autrice : Julien Talon
• Direction : Pierre Pellenard, Jean-Marc Baele
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géodynamique des enveloppes supérieures
• Date : Inscription en doctorat le 15/11/2021
• Etablissement(s) : Dijon, Université Bourgogne Europe en cotutelle avec Université de Mons
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéosciences

Mots clés

Mots clés libres

Evènements hyperthermiques

Eocène

Altération continentale

Minéraux argileux

Isotopie du carbone organique

Hyperthermal events

Eocene

Continental weathering

Clay minerals

Organic carbon isotopes

Résumé

Dans le Bassin parisien, de nombreux enjeux socio-économiques dépendent du sous-sol et particulièrement de la couverture cénozoïque : ressources aquifères et minérales, aléas et risques géotechniques, etc. Répondre à ces problématiques nécessite une connaissance fine de l'enregistrement sédimentaire, impliquant des études à haute résolution spatiale et stratigraphique, qui permettent la compréhension des processus géodynamiques gouvernant la formation, le transport, le dépôt et l'hétérogénéité des sédiments. Les processus climatiques contrôlent en particulier les mécanismes d'altération et d'érosion conduisant à la production et au transport des sédiments. Leur connaissance est donc de première importance pour comprendre la dynamique et le remplissage des bassins sédimentaires. L'Eocène (-56 à -34 millions d'années) représente la période la plus chaude du Cénozoïque, marquée par une concentration en CO2 atmosphérique élevée et des évènements de réchauffement brefs et intenses (évènements hyperthermiques), considérés comme analogues au réchauffement climatique moderne. Bien qu'historiques pour la définition de cette période, les Bassins parisien et belge restent peu étudiés en termes de paléoclimat. Si certains des évènements hyperthermiques éocènes y ont été identifiés, leurs potentiels impacts sur la sédimentation restent cependant mal contraints. L'objectif de ce travail, qui s'inscrit dans le cadre du chantier RGF Bassin parisien du BRGM, est (1) de caractériser l'enregistrement des évènements hyperthermiques de l'Eocène dans le Bassin parisien et le Bassin de Mons (Belgique) ; et (2) d'évaluer l'impact de ces évènements sur les conditions de sédimentation dans des environnements littoraux à continentaux, particulièrement sensibles aux changements climatiques. Les principales méthodes mises en oeuvre sont l'isotopie du carbone de la matière organique dispersée dans les sédiments, utilisée afin d'identifier les évènements hyperthermiques, et la minéralogie des argiles, permettant de remonter aux conditions d'altération. L'étude à haute résolution de 5 forages et 6 affleurements du Bassin parisien, ainsi que de 2 forages (dont un réalisé au cours de la thèse) du Bassin de Mons permet (1) de préciser l'enregistrement du PETM, de l'EECO et du MECO dans le Bassin parisien ; (2) d'identifier le LLTM, pour la première fois dans le Bassin parisien et en milieu littoral ; et (3) de caractériser le PETM, l'ETM2 et l'EECO dans le Bassin de Mons. Dans un contexte général où les grandes tendances sont contrôlées par des déformations tectoniques à grande longueur d'onde, les données isotopiques et minéralogiques issues de ce travail montrent que, pendant les périodes les plus hydrolysantes, une sédimentation silicoclastique est favorisée, tandis que les périodes peu hydrolysantes sont plus propices à un système sédimentaire carbonaté à évaporitique. Le PETM, l'EECO et le MECO sont associés à des conditions d'hydrolyse et de ruissellement intenses. Le PETM est notamment marqué par des gradients de transformation entre smectite et kaolinite, qui ont lieu dans les profils d'altération contemporains de la sédimentation. L'existence de ces processus met en évidence que le délai entre la formation des argiles au cours de la pédogenèse, leur remobilisation, et leur enregistrement dans les environnements côtiers à continentaux est plus court que celui généralement admis. Dans ces environnements proximaux, la paléogéographie, l'hydrodynamisme et les processus de néoformation peuvent influencer la distribution des assemblages argileux et ainsi introduire des biais préjudiciables à une lecture trop directe du message terrigène en termes d'interprétation climatique, ce qui a pu être ici documenté pour l'EECO. Les périodes de faible hydrolyse comme le LLTM exacerbent des processus complexes de formation précoce de dolomite et d'argiles fibreuses, influencés par l'activité microbienne et la pédogenèse dans les environnements côtiers.

In the Paris Basin, many socio-economic challenges are closely linked to the subsurface, particularly the Cenozoic cover. These challenges include water and mineral resources, as well as geotechnical risks. Tackling these issues requires a detailed understanding of the sedimentary record, involving studies with a high spatial and stratigraphic resolution. These studies help us better understand the geodynamic processes that control the formation, transport, deposition, and variability of sediments. Climate, in particular, plays a crucial role in regulating weathering and erosion processes, which lead to the production and transport of sediments. Therefore, understanding these climate processes is essential for deciphering the dynamics and infilling of sedimentary basins. The Eocene epoch (56 to 34 million years ago) represents the warmest period of the Cenozoic, characterised by high atmospheric CO2 levels and short, intense warming events (hyperthermal events), which are thought to be similar to modern climate warming. Despite the historical significance of the Paris and Belgian Basins in defining this period, they remain relatively poorly studied in terms of palaeoclimate. While some Eocene hyperthermal events have been identified in these basins, their potential impacts on sedimentation are still not well understood. This study, which is part of the BRGM's RGF Paris Basin project, aims to (1) document the record of Eocene hyperthermal events in the Paris Basin and the Mons Basin (Belgium), and (2) investigate how these events influenced sedimentation in coastal and continental environments, which are particularly sensitive to climate change. The main methods used include carbon isotope analysis of sedimentary organic matter to identify hyperthermal events, and clay mineralogy to reconstruct past weathering conditions. The high-resolution study of five boreholes and six outcrops from the Paris Basin, as well as two boreholes (one drilled as part of this PhD) from the Mons Basin, allowed us to (1) clarify the PETM, EECO, and MECO records in the Paris Basin; (2) identify the LLTM for the first time in the Paris Basin and in a coastal setting; and (3) characterise the PETM, ETM2, and EECO in the Mons Basin. In a context where large-scale tectonic deformations control major trends, isotopic and mineralogical data from this study indicate that intense weathering favours siliciclastic-dominated sedimentation, while weaker weathering promotes carbonate to evaporite deposition. The PETM, EECO, and MECO are linked to enhanced weathering and runoff conditions. The PETM, in particular, is marked by the transformation of smectite to kaolinite in weathering profiles that developed at the same time as sediment deposition. This suggests that the delay between clay formation in soils, its transport and preservation in coastal and continental environments is shorter than previously thought. In these proximal settings, factors such as palaeogeography, hydrodynamics, and neoformation processes can influence the distribution of clay assemblages, potentially introducing bias that could hinder the interpretation of the terrigenous signal in terms of climate. This has been observed here for the EECO. Low-weathering periods, such as the LLTM, intensify complex processes of early dolomite and fibrous clay formation, driven by microbial activity and soil development in coastal environments.