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Sommaire :
CHAPITRE 4 129 LA SIGNATURE ISOTOPIQUE EN SR DES MCS ACTUELS : IMPLICATIONS CHIMIOSTRATIGRAPHIQUES 129
I. INTRODUCTION 138 II. MATERIAL AND METHODS 139 III. RESULTS 140 IV. DISCUSSION 140 1. Homogeneity versus heterogeneity of 87Sr/86Sr values 140 2. Biologic and environmental biases 144 3. Chronostratigraphic Implications 147 V. RÉSULTATS SUPPLÉMENTAIRES ET DISCUSSION 149 1. Influence de la minéralogie sur le rapport 87Sr/86Sr des MCS 149 2. Biais géographique 153 VI. CONCLUSION GENERALE 157
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Tables des figures :
Figure 1 A: Box-and-whisker plots and mean (X) and median (M) of compiled 87Sr/86Sr data for river water, coastal groundwater (CGW), shelf water, and oligotrophic oceanic water (OOW). Boxes delimit the first and third quartiles (Q), and whiskers end at largest data point with value <1.5 times interquartile range (IQR) from each box side. Outliers are represented by dots. B: Measured marine carbonate skeleton 87Sr/86Sr values compared to range of OOW values (internal precision measurement on 87Sr/86Sr ratios was reported as error bars; 3–23 × 10–6, 2σD). Moroccan CGW data are from Vinson et al. (2013)... 130
Figure 2 Worldwide distribution of marine carbonate skeleton (MCS) 87Sr/86Sr values (new and published), with corresponding Miocene, Pliocene, and Quaternary (Quat.) ages calibrated to Phanerozoic 87Sr/86Sr curve of Veizer et al. (1999). Box-and-whisker plots show compiled 87Sr/86Sr data for oligotrophic oceanic water (OOW) and marine carbonate skeletons (MSC) without outliers. ... 130
Figure 3 Comparison of marine carbonate skeleton (MCS) 87Sr/86Sr values according to taxonomy, ecology, and life environments of taxa. Box-and-whiskers plots are defined for each subcategory as in Figure 1. Outliers are represented by dots, and bold values correspond to the median. ... 130 Figure 4 Phanerozoic seawater 87Sr/86Sr variations (white line) and corresponding time calibration accuracy (blue) calculated from data of Veizer et al. (1999) smoothed with Gaussian filter (Prokoph et al., 2013). Data are adjusted to strontium carbonate NIST standard reference NBS 987 value of 0.710250. Numbers and arrows represent published isotopic shifts between past oligotrophic oceanic water (OOW) and fossil marine carbonate skeletons (MCSs) likely related to river water (RW) and coastal groundwater (CGW) influences: 1—Wierzbowski et al. (2012); 2—Cochran et al. (2003); 3— Eidvin et al. (2014). Cam—Cambrian; Ord—Ordovician; Sil—Silurian; Devo—Devonian; Carbo— Carboniferous; Perm—Permian; Pg—Paleogene; Ng—Neogene... 130 Figure 5 Box-plots qui représentent la composition isotopique en Sr des MCS en fonction de leur minéralogie, avec ‘’M’’ qui représente la médiane, ‘’n’’ le nombre d’individus et OOW qui signifie océan oligothrophe. ... 130
Figure 6 Image MEB (x25) du crochet de Crassostrea gigas OU4 (Table 1, Chapitre 2) .... 130 Figure 7 87Sr/86Sr des différentes microstructures foliées, crayeuse et du muscle adducteur de l'huître Crassostrea gigas de la lagune de Oualidia (Maroc). ... 130
Figure 8 Représentation de la composition isotopique des MCS et oolithes en fonction de la latitude. ... 130
Figure 9 Evolution de la composition isotopique du mélange entre des rivières qui lessivent de socles précambriens et des sédiments phanérozoïques appartenant aux bassins versants qui bordent la mer Baltique. Les compositions isotopiques et la concentration en Sr des rivières et des eaux côtières sont d'après Widerlund & Andersson, (2006) et les valeurs correspondant à l’eau océanique sont d’après Meredith et al. (2017) ... 130
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L’article sera accompagné d’une introduction détaillée et d’un abstract en français. Il sera également accompagné de résultats supplémentaires et d’une conclusion générale en français.
Introduction générale :
La composition isotopique en Sr (87Sr/86Sr) de l’océan est homogène à l’échelle globale, car le temps de résidence du Sr, de l’ordre de 2 Ma, est supérieur au temps de brassage océanique de 1600 ans (Mokadem et al., 2015). La reconstruction de la composition isotopique en Sr de l’océan global (87Sr/86Sr = 0,709178) au cours des temps géologiques est possible grâce à l’analyse de la composition isotopique en Sr des tests carbonatés des organismes marins (MCS) (Burke et al., 1982; Prokoph et al., 2008; Veizer et al., 1999, Mokadem et al., 2015). Cette reconstruction se base sur le consensus que les MCS précipitent leurs tests carbonatés à l’équilibre isotopique avec l’eau de mer environnante (Mokadem et al., 2015). Par conséquent, le signal isotopique en Sr des MCS est considéré à l’équilibre isotopique avec l’eau de mer environnante, donc représentatif du signal de l’eau océanique qui est homogène à l’échelle globale (Kuznetsov et al., 2012). Ce consensus peut paraître surprenant puisque les MCS vivent majoritairement en milieux côtiers influencés par des apports continentaux provenant des rivières et/ou des résurgences sous-marines, qui affichent des signatures isotopiques en Sr très différentes comparées à celles de l’eau océanique (Beck et al., 2013; Krabbenhöft et al., 2010; Milliman and Farnsworth, 2013; Peucker-Ehrenbrink et al., 2010; Peucker-Ehrenbrink and Fiske, 2019; Trezzi et al., 2017).
En effet, ce consensus est potentiellement remis en cause par quelques anomalies du rapport 87Sr/86Sr enregistrées dans des MCS actuels, mais également dans des MCS fossiles, dont les signatures isotopiques dévient du signal de l’eau de mer de l’époque. Par exemple, Cochran et al. (2002) montrent que des coquilles de mollusques bien préservées (sans aucune évidence optique ou géochimique d’effets diagénétiques) du Crétacé du bassin du Western Interior présentent des signatures isotopiques plus radiogéniques que la composition isotopique
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en Sr considérée pour l’océan à cette période. L’étude de Wierzbowski et al. (2012) montre également des signatures isotopiques en Sr différentes entre la composition isotopique en Sr entre des bélemnites et des ammonites au sein de mêmes niveaux datés du Jurassique moyen (i.e., Bajocien supérieur à Callovien). Les ammonites montrent systématiquement des valeurs plus radiogéniques que les bélemnites qui sont considérées comme plus fiables que les ammonites pour les reconstructions de la composition isotopique de l’eau de mer au Jurassique, car les ammonites sont en aragonites donc plus sensibles aux processus diagénétiques que les bélemnites qui sont en calcites donc plus résistantes. Ces deux études interprètent les déviations de la composition isotopique des MCS fossiles comme la conséquence d’apport d’eau douce par les rivières qui perturberait la composition isotopique de l’eau mer côtière. Par ailleurs, ces déviations sont également observées dans l’actuel. L’étude de Widerlund & Andersson (2006) montre que des gastéropodes de la mer Baltique affichent des signatures très radiogéniques, pouvant aller jusqu’à 0,710483. Ces déviations de grande ampleur de l’ordre de 1311 ppm comparé à la composition isotopique en Sr de l’eau de mer observées à la fois sur des MCS fossiles et modernes, interprétées comme la conséquence de décharges d’eau douce provenant des rivières, interrogent donc sur le consensus d’une composition isotopique en Sr des MCS systématiquement fidèle à celle de l’océan global.
Les environnements côtiers qui constituent l’environnement de vie des MCS représentent une interface de transfert entre un océan oligotrophique (sans apports continentaux ; OOW) et la surface continentale émergée. En effet, il a été montré que certains environnements côtiers, malgré des conditions euhalines normales (35 ‰) peuvent présenter des fluctuations de la composition isotopique en Sr. Ces fluctuations sont là aussi interprétées par Huang et al. (2011) comme étant induites par des apports d’eau douce par les rivières et les eaux souterraines. De plus, les processus de dissolution de matières particulaires amenées par les rivières appelés ‘’boundary exchange’’ peuvent entrainer un relargage de Sr dans l’eau de
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mer côtière (Jones et al., 2012). Ces apports de matières particulaires montrant actuellement des taux de dissolution qui sont variables dans le temps (pouvant atteindre plusieurs mois) peuvent modifier la composition isotopique en Sr des eaux côtières. Ces processus de ‘’boundary exchange’’ sont très peu étudiés et quantifiés, mais Jones et al. (2012) ont montré que ces apports de matières particulaires sont une composante très importante du cycle du Sr à l’échelle globale. Ce processus, bien que très peu étudié, peut influencer localement la composition des eaux côtières de l’ensemble des côtes érodées par des rivières.
Au vu de tous ces éléments qui perturbent la composition isotopique en Sr de MCS actuels et fossiles considérés comme exclusivement marins, il s’agira dans un premier temps de vérifier si les MCS enregistrent bel et bien un signal global homogène et fidèle à la valeur de référence (0,7091778) ou alors un signal d’eau de mer très local influencé par des apports continentaux (e.g. eaux de rivières, eaux souterraines et dissolution de matière particulaire). Pour ce faire le rapport isotopique 87Sr/86Sr a été mesuré sur 62 coquilles de mollusques marins. Ces coquilles de mollusques ont été choisies car elles sont des organismes marins spatialement très répandus qui présentent des caractéristiques écologiques, environnementales et minéralogiques très variées similaires aux caractéristiques des MCS fossiles utilisés par les paléoenvironnementalistes et les chimiostratigraphes. Les résultats seront ensuite inclus dans une compilation spatialement très large qui recense les compositions isotopiques en Sr publiées de 312 MCS modernes. Cette étude à l’échelle mondiale permettra d’étudier la distribution spatiale de la signature isotopique en Sr des MCS actuels à travers le monde. Elle permettra également de déterminer les caractéristiques taxinomiques, environnementales et écologiques les plus représentatives de la composition isotopique en Sr de l’océan global.
D’autre part, cette étude basée dans l’actuel permet de s’affranchir des biais diagénétiques et des biais d’interprétations paléoenvironnementales par une détermination rigoureuse avec toujours la même dénomination du type de côte des différents environnements
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de vie des MCS. Ceci permet une interprétation solide sans biais interprétatifs liés aux appellations variées des différents types de côte par les différentes communautés scientifiques présentes en géosciences.
Cette étude proposera également une réévaluation de la composition isotopique de l’eau de mer. La gamme de variabilité de la composition isotopique en Sr des MCS et de l’eau de mer permettront de tester la fiabilité des résolutions temporelles concernant les datations chimiostratigraphiques établies via la courbe Prokoph et al. (2008). Ce chapitre s’articule autour de résultats, d’interprétations et de discussions valorisées dans la revue Geology. Cette publication sera agrémentée par des résultats supplémentaires et une conclusion générale à la fin de ce chapitre.
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Résumé :
La reconstruction de la variabilité temporelle du rapport isotopique en strontium de l'eau de mer (87Sr /86Sr) à partir des organismes carbonatés marins (MCS) repose sur l'hypothèse que la composition isotopique du Sr de l’océan est homogène à l’échelle mondiale. Cependant, les tests carbonatés fossiles proviennent principalement des domaines côtiers dont le budget en Sr est reconnu pour être très sensible aux flux de Sr continentaux. Leur fiabilité en tant qu'outils chimiostratigraphiques peut donc être remise en question, notamment parce qu'aucune évaluation formelle des biais biologiques et environnementaux n'a été réalisée à l'échelle mondiale. Nous fournissons ici les nouvelles valeurs du rapport 87Sr/86Sr de MCS actuels qui présentent des caractéristiques environnementales, écologiques et taxinomiques très différentes. Ces caractéristiques et leur influence sur la composition isotopique en Sr sera évalué statistiquement en regard aux compilations précises du rapport 87Sr/86Sr de MCS actuels, des eaux océaniques, des eaux de rivières et des eaux souterraines. Cette étude montre que la plupart des valeurs MCS 87Sr/86Sr se situent dans l’intervalle de variation de l’eau océanique (0,709172 ± 23). Néanmoins d’autres MCS, sur 30% des localités étudiées, peuvent présenter des déviations légères et considérables par rapport à la signature 87Sr /86Sr de l'eau de mer actuelle (± 250 × 10–6). Ces anomalies concernent principalement les bivalves et les gastéropodes, ou plus généralement les organismes épibenthiques et eurytopiques, issus de domaines côtiers restreints, à faible salinité ou soumis à des apports continentaux très importants (fjords, lagons, bassins endoréiques). Au-delà des influences classiques des eaux de rivières, les rejets d'eaux souterraines sous-marines peuvent conduire à une signature isotopique en Sr moins radiogénique des MCS. Ces diminutions de la composition isotopique en Sr peuvent se produire dans des lagunes aux conditions euhalines (par exemple, la lagune d'Oualidia, Maroc). Tous les biais considérés nécessitent une certaine prudence dans la datation relative, car nous calculons que la moitié des valeurs de la courbe phanérozoïque 87Sr/86Sr ne peut pas fournir une précision d'étalonnage temporel supérieure à ± 3 Ma. Les calibrations temporelles effectuées via les isotopes du Sr sont souvent d’une plus faible résolution que 3 Ma.
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