Le mémoire porte sur les changements paléoenvironnementaux et paléocéanographiques enregistrés dans les sédiments marins et littoraux de la séquence stratigraphique d’Arrifes datant du Crétacé inférieur. Le projet a été supervisé par Paulo Fernandes et Gilda Lopes.
1. INTRODUCTION
1.1 Motivation
Le présent est la clé du passé, c’est le principe de l’actualisme. Les phénomènes d’aujourd’hui se sont déroulés de la même manière dans le passé, et vice versa.
Le Crétacé peut aider à paramétrer les futurs modèles climatiques car il a connu de nombreux bouleversements environnementaux connus dans les débats actuels, comme l’élévation globale du niveau de la mer, les anoxies océaniques et le réchauffement climatique. De nombreuses successions sédimentaires du Crétacé inférieur ont été étudiées en Algarve pour reconstituer les paléoconditions climatiques et océanographiques de la région. La formation d’Arrifes n’a jamais été étudiée avec précision, ce qui détermine les objectifs du projet.
1.2 Objectifs principaux
Rey et Ramalho (1974) lui ont attribué un âge Aptien-Albien. Cependant après des observations de terrain, nous n’avons pas pu faire cette corrélation. Pour comprendre les conditions de dépôt, une datation précise était essentielle, ce qui a donné un âge de la fin de l’Hauterivien à la fin du Barrémien. L’objectif principal est de reconstruire les changements environnementaux qui ont contrôlé la mise en place en utilisant plusieurs techniques d’analyse complémentaires : (1) observation de terrain et log stratigraphique détaillé ; (2) palynologie ; (3) géochimie de la roche entière ; (4) géochimie des isotopes stables.
2. ÉTAT DE LA LITTÉRATURE
2.1 Paléogéographie
Depuis le Jurassique, le supercontinent Pangée s’est disloqué, perturbant les circulations climatiques et océaniques mondiales. Les océans Téthys et Atlantique Nord-Central se sont ouverts et ont été reliés par une voie maritime qui a permis des échanges physico-chimiques importants. Au Crétacé, la proportion de terres émergées était relativement faible, et le relief était presque plat.
2.2 Paléoclimat
La dislocation a entraîné une activité volcanique prolongée. Globalement, le climat était en mode serre avec des températures et un taux de CO2 atmosphérique plus élevés. Le climat du début du Crétacé oscillait entre des régimes humides et secs. Le régime humide est accompagné de précipitations où l’altération et les flux continentaux (nutriments et sédiments) sont plus importants et peuvent renforcer la productivité primaire. En régime sec, ces facteurs sont limités. S’ils sont maintenus pendant une longue période, les océans peuvent se stratifier et connaître également des diminutions de l’oxygène dissous. En outre, les températures élevées peuvent favoriser l’activité de la foudre et déclencher des feux de forêt. De la fin de l’Hauterivien à la fin du Barremien, le climat était humide, puis aride, puis redevenait humide.
2.3 Paléo-océanographie et niveau marin
Trois variables contrôlent le niveau des mers : (1) la température des océans, (2) le volume global de glace, et (3) le volume disponible dans les bassins océaniques. Les roches détritiques et carbonatées sont influencées par la profondeur et l’énergie de l’environnement, fournissant des proxies largement utilisés pour comprendre les fluctuations eustatiques. Le Crétacé a connu plusieurs cycles de transgression-régression, bien qu’une tendance générale à la transgression ait été observée. Le niveau de la mer a été associé à un niveau bas pour un climat aride et à un niveau élevé pour un climat humide.
2.4 Événements d’anoxie océanique (EAO)
Les anoxies océaniques peuvent être détectées dans les sédiments sombres et plusieurs origines sont possibles (1) de faibles concentrations d’oxygène dissous (par exemple, stratification de la densité) ; (2) une activité primaire élevée (par exemple, eutrophisation en climat humide ou températures plus élevées dues à l’activité volcanique) ; (3) des taux de sédimentation élevés et (4) des transgressions qui provoquent la croissance des plateformes. Cette période a connu de nombreuses OAE majeures, avec un accent particulier sur l’épisode Faraoni de l’Hauterivien tardif (133-131My).
2.5 Biodiversité
La faune et la flore ont subi des changements majeurs. Sur les continents, l’arrivée des plantes à fleurs est une révolution. Au début du Barremien, les plantes reflétaient un climat chaud et sec. Puis, la diminution des conifères Classopollis indique un régime plus humide. Du côté de l’océan, les eaux chaudes et peu profondes ont favorisé la croissance de vastes plateformes carbonatées. Cependant, une grande partie d’entre elles se sont noyées sous la transgression générale, entraînant la mort des organismes.
2.6 Le bassin de l’Algarve au Crétacé inférieur
Le bassin de l’Algarve s’est principalement déposé au cours du Mésozoïque et du Cénozoïque. Sa forme allongée est-ouest est due aux multiples événements tectoniques d’extension. Il peut être divisé en trois parties, occidentale, centrale et orientale. La sédimentation côtière a été contrôlée par la dynamique côtière, les oscillations eustatiques et parfois la tectonique. La forte présence de kaolinite indique que le climat était parfois tropical, entraînant une forte altération des continents. Enfin, une halogénèse a eu lieu, notamment le diapir d’Albufeira.
3. ZONE D’ÉTUDE
3. La séquence stratigraphique d’Arrifes
Dans la zone d’étude, les couches sédimentaires ont été basculées par ce diapir au Crétacé supérieur et au Paléogène, et sont maintenant verticales. 187 couches ont été observées pour un total de 193,8m. L’Hauterivien supérieur est à l’est, et la succession se termine à l’ouest par une discordance angulaire entre le Barrémien et le Miocène inférieur. On trouve des grès, des calcaires, des mudstones, des fossiles et des structures sédimentaires, qui témoignent de variations du niveau de la mer ou de conditions anoxiques.
4. MÉTHODES ET MATÉRIELS
4.1 Sédimentologie
Tout d’abord, un log stratigraphique fournit diverses informations lithologiques (lithologie, épaisseur, structures sédimentaires, granulométrie, couleur, fossiles, etc.) et permet une première interprétation des dynamiques environnementales passées. ) et permet une première interprétation de la dynamique environnementale passée. Cette tâche est essentielle pour interpréter les faciès sédimentaires et sert de modèle d’échantillonnage. Trois méthodes complémentaires ont été réalisées à partir d’échantillons prédéfinis. Ils ont tous été préparés à l’Université et envoyés à différents laboratoires.
4.2 Palynologie
Pour la palynologie, 48 échantillons ont été observés et les différentes matières organiques ont été attribuées aux palynomorphes, aux pytoclastes et à la matière organique amorphe. Une datation précise, effectuée par Márcia Mendes et Zélia Pereira à Porto, était essentielle pour établir une corrélation avec les connaissances régionales et mondiales. L’étude des palynofaciès aide à comprendre les oscillations du niveau de la mer, en particulier le rapport SP/D. En effet, les palynomorphes marins sont plus abondants pendant les périodes de haut niveau marin, alors que les palynomorphes continentaux dominent pendant les phases de régression.
4.3 Géochimie inorganique et organique
Les analyses géochimiques sont pertinentes car la sédimentation rocheuse est en équilibre avec l’environnement et peut donc servir de proxies pour les conditions passées. 22 échantillons ont été envoyés au laboratoire Actalabs au Canada pour l’analyse de la roche entière. Ils ont fourni les abondances de nombreux éléments (majeurs, mineurs, terres rares) pour calculer des ratios et indices géochimiques largement utilisés dans l’étude des paléoclimats. L’origine et le recyclage des sédiments ont également été déterminés et corrélés à l’échelle de l’Algarve avec les travaux de Dinis et al (2020). L’analyse du C-13 et du contenu organique total a été réalisée sur les débris organiques de 29 échantillons par le laboratoire MARE de Coimbra. Les excursions négatives du delta C-13 organique indiquent une augmentation du C organique dans les sédiments, et donc, une possible diminution de l’oxygène dissous.
5. RÉSULTATS
On distingue six lithologies principales : marne, calcaire marneux, calcaire, grès, conglomérat et calcarénite. Les fossiles dominants sont des coquilles de bivalves, des terriers et du matériel végétal. Neuf lithofaciès ont été définis, qui sont des groupes de couches déposées dans des conditions similaires car elles présentent les mêmes caractéristiques (lithologie, caractéristiques sédimentaires, contenu paléontologique).
Cette figure montre les quatre principaux environnements de dépôt où les lithofaciès sont contrôlés par la profondeur. Nous avons (1) la zone supratidale proximale, exposée et tidale ; (2) la zone intertidale à subtidale d’eau peu profonde ; (3) la zone offshore entièrement marine avec des preuves de vie ; enfin (4) la zone offshore sans preuves de vie, où la profondeur d’eau est la plus grande.
Le log a été divisé en 25 sections représentant chacune un environnement spécifique et les premières interprétations des paléoconditions ont été possibles. Nous avons ensuite préparé une stratégie d’échantillonnage pour les analyses palynologiques et géochimiques.
5.1 Sédimentologie
5.2 Palynologie
Pour l’étude des palynofaciès, sur 48 échantillons, 22 sont dominés par des palynomorphes, 21 par des phytoclastes, 4 par des OMA et 1 présente des proportions égales de ces deux derniers.
En observant les dinokystes, les palynologues Mendes et Pereira ont identifié trois âges : (1) de la fin de l’Hauterivien au début du Barrémien ; (2) du début du Barrémien au début de la fin du Barrémien ; et (3) de la fin du Barrémien. Ils ont également fourni des rapports SP/D et les valeurs fluctuent tout au long de la succession. Grâce à ceux-ci, nous avons pu discerner si deux mêmes lithologies ont été déposées dans le même environnement, et mieux déterminer les variations eustatiques.
5.3.1 Géochimie de la roche entière (1)
La géochimie de la roche entière a été réalisée sur de la poudre de marne et de calcaire marneux déshydratés et décarbonatés. L’objectif est de retracer l’histoire des sédiments pour comprendre les changements climatiques tels que les transitions d’un régime humide à un régime sec ou sec à un régime humide. Les 22 échantillons ont été divisés en deux groupes : G1 pour la fin de l’Hauterivien au début du Barremien et G2 pour le milieu et la fin du Barremien.
Les éléments ont été normalisés avec PAAS et UCC qui sont des valeurs moyennes standardisées utilisées pour comparer les sédiments avec les roches ignées moyennes de la croûte continentale supérieure. Dans l’ensemble, les compositions suivent les mêmes tendances que PAAS avec quelques exceptions en rouge, notamment des teneurs plus faibles en sodium et en calcium qui sont solubles, indiquant une altération chimique importante.
5.3.2 Géochimie de la roche entière (2)
Les éléments des terres rares ont été normalisés sur la base des données des chondrites et les moyennes totales de G1 et G2 (105 et 115 ppm) sont inférieures à celles de l’UCC (146,4 ppm). Comme les éléments majeurs et traces, les terres rares suivent la même tendance avec quelques exceptions mineures. Dans la discussion, ces résultats ont été mis en rapport pour interpréter les conditions paléoclimatiques du bassin de l’Algarve de la fin de l’Hauterivien à la fin du Barremien.
5.4 Géochimie des isotopes 13Corg
Grâce aux variations du delta C-13 de la matière organique, nous avons pu observer des perturbations dans le cycle du carbone où des excursions isotopiques négatives peuvent induire des périodes de diminution de l’oxygène dissous.
La courbe isotopique peut être divisée en quatre segments. Le premier point est très bas et la tendance augmente ; elle diminue légèrement, puis plus fortement. Le début du déclin coïncide avec l’âge 2 où une transgression générale s’est installée. Le dernier segment est piqueté bien que la tendance principale soit à la baisse. Sans tendance apparente, le contenu organique total montre une grande variabilité avec une valeur minimale de 0,04% principalement dans les environnements offshore, et un maximum de 38% pour les systèmes subtidaux-intertidaux.
6. DISCUSSION
6.1 Datation
Trois âges ont été définis dans l’intervalle Hauterivien tardif à Barrémien tardif. Il s’agit de la première succession stratigraphique datée de cette période pour le bassin central de l’Algarve. A l’échelle régionale, nous avons pu la corréler avec la séquence de Salema de l’Algarve occidental.
6.2.1 Paléoaltération et climat
Des ratios et des graphiques communs aux travaux de Dinis et al. ont été produits pour comparer Arrifes avec d’autres formations de l’Algarve.
Indices et conditions de paléoaltération : L’altération continentale reflète le climat. L’humidité et les précipitations intensifient la dégradation chimique et les indices tels que le CIX (Chemical Weathering Index) sont plus forts. G1 et G2 sont comparables à d’autres successions, notamment Barrancão et Salema. Ainsi, la région était soumise aux mêmes conditions climatiques à cette époque. (Age 1) Les valeurs élevées de G1 correspondent aux conditions humides de l’Hauterivien tardif. (Age 2) Le CIX plus faible de G1 indique des conditions localement plus sèches au début du Barrémien. (Age 3) Le CIX G2 plus élevé indique des conditions plus humides à la fin du Barrémien. Ceci est en bonne corrélation avec les connaissances régionales.
6.2.2 Paléoaltération et climat
Recyclage : Ces ratios permettent d’observer le degré de recyclage des sédiments. G1, G2, Luz et Salema sont similaires indiquant les mêmes conditions de recyclage. Mais comme ils sont relativement plus faibles que Barrancão et Burgau, l’altération était plus faible, donc le climat était moins humide que dans le Barrémien très tardif – Aptien précoce.
6.2.3 Paléoaltération et climat
Source des sédiments : Ces rapports montrent la constitution de la roche mère, plutôt felsique (basalte) ou mafique (granite). G1 et G2 indiquent une domination felsique et les formations du Crétacé inférieur sont plutôt silicatées. De plus, G1 et G2 sont relativement concentrés autour du même point, ce qui indique une source de sédiments similaire et, encore une fois, Salema est le plus proche d’Arrifes. L’origine la plus probable du matériel est le socle varisque de la zone sud du Portugal (unités siliciclastiques) et le complexe volcano-sédimentaire de la ceinture pyriteuse ibérique (dominée par des roches felsiques).
6.3 Conditions environnementales – ÂGE 1
En corrélant les interprétations des quatre techniques, nous avons pu reconstituer l’environnement passé d’Arrifes.
L’âge 1 commence par une transgression de la zone exposée supratidale à la zone subtidale-intertidale où les valeurs élevées de SP/D (P003.1 0.99 et P005.1 0.93) indiquent des conditions proximales.
Il y a une manifestation possible de l’anoxie de Faraoni avec une forte excursion isotopique négative pour P003.1 (-23.598), probablement due à un climat humide.
La transgression a continué jusqu’à P017.1 dans des conditions entièrement marines, soutenues par un faible SP/D (P017.1 0,28).
>>> CONCLUSION : L’Hauterivien tardif montre une phase de transgression et peut-être l’événement anoxique de Faraoni.
6.3 Conditions environnementales – ÂGE 2
L’âge 2 commence par une régression carbonatée qui peut être liée à un déclin eustatique global.
Il y a beaucoup de phytoclastes noirs (P020.1 75% ; P028.1 74% ; P030.1 44% et P032.1 52%) qui peuvent indiquer des feux de forêt déclenchés par le climat chaud et sec du début du Barrémien.
Ensuite, une succession détritique montre une tendance à l’approfondissement, car sa lithologie s’affine et ses figures sédimentaires montrent une énergie plus faible vers le haut.
Puis une régression générale se produit avec encore une forte influence continentale (SP/D P081.1 0.69 P085.1 0.96). De nombreux débris opaques (P066.1 87%) montrent une proximité continentale et un climat aride. De plus, la géochimie organique a montré que les organismes marins ont proliféré.
>>> CONCLUSION : Le Barremien précoce était aride et chaud, comme le montrent les observations régionales. L’influence continentale a dominé les environnements de marée et d’eau peu profonde où les plateformes carbonatées ont prospéré.
6.3 Conditions environnementales – ÂGE 3
Les conditions offshore et l’élévation à long terme du niveau de la mer sont corrélées à la transgression globale du Barrémien moyen, ce qui est confirmé par un SP/D relativement faible (P095.1 0,35 et P097.1 0,33).
Comme le montre la géochimie inorganique (P095.1 -22.402 et augmentation du COT), la stratification de l’océan (aride) et/ou la croissance des plates-formes carbonatées ont pu déclencher l’appauvrissement en oxygène dissous.
Ensuite, une régression à long terme d’un environnement offshore à un environnement de plaine de marée s’est produite. Les fossiles carbonatés sont nombreux, indiquant des conditions optimales pour la vie. La courbe isotopique montre des conditions climatiques et océanographiques relativement stables.
Ensuite, SP/D a diminué (P130.1 0.30 et P134.1 0.46) en faveur de conditions offshore avec une transgression marquée par des tempêtes (coquilles brisées) et des périodes calmes (marnes régulières et fossiles bien préservés).
Ensuite, il y a à nouveau un bas niveau marin montré par des lithofaciès subtidaux et des sporomorphes abondants (P153.1 0.66 et P155.1 0.69). De nombreux Thalassinoïdes indiquent que les sédiments étaient oxygénés.
Plusieurs échantillons montrent des excursions négatives du delta C-13 (P153.1 P155.1 le deuxième P158.1 et P168.1). Comme aucune OAE majeure n’est connue pour le Barremian, nous pensons qu’elles étaient dues à une eutrophisation induite par le climat lorsque l’âge 3 est revenu à un climat humide avec une altération chimique intensifiée et des flux plus élevés vers les océans qui déclenchent la productivité primaire et/ou la bonne préservation de la matière organique.
6.3 Conditions environnementales – ÂGE 3
Les empreintes de dinosaures indiquent la régression maximale.
Ensuite, une remontée eustatique majeure vers des conditions offshore s’est produite, brièvement au-delà de 50 m de profondeur, mise en évidence par la valeur SP/D la plus faible de la succession (P173.2 0.21).
Nous pouvons voir des valeurs isotopiques négatives notables, y compris P173.1, la plus basse d’Arrifes (-24.779 ; autres P173.2 -22.157 et P175.2 -23.039), probablement induites par le climat à nouveau.
Ensuite, un environnement tidal a duré où les plateformes carbonatées se sont épanouies, démontrées par la forte présence de coquilles et de terriers.
La succession d’Arrifes se termine par une phase transgressive et un environnement offshore. Le climat humide est à nouveau révélé par l’excursion négative du delta C-13 (P193.1 -22,965).
>>> CONCLUSION : Cette période connaît un retour au climat humide et de nombreuses variations du niveau de la mer bien que l’on observe une transgression générale, corrélée aux données régionales. Les organismes marins ont proliféré et certaines périodes d’appauvrissement en oxygène dissous induites par le climat sont observables.
7. CONCLUSIONS
1. Environnements de dépôt : L’environnement principal était les eaux subtidales peu profondes représentant 55,5% de la succession. De la fin de l’Hauterivien à la fin du Barremien, les conditions étaient généralement côtières et tidales avec un certain retour à des conditions relativement offshore (23%).
2. Conditions climatiques : Le climat était encore relativement chaud mais il a quelque peu changé. Il est passé d’humide à aride à la limite Hauterivien-Barrémien (132,9My), et est redevenu humide à la fin du Barrémien, ce qui est bien connu pour le monde du Crétacé.
3. Océanographiques et changements associés du niveau marin : De nombreuses fluctuations du niveau de la mer autour des systèmes subtidaux-intertidaux se sont produites, contrôlant le dépôt sédimentaire. Les trois tendances générales sont (âge 1) la transgression ; (âge 2) la régression et (âge 3) la transgression. L’âge 3 est marqué par une plus grande proportion d’environnements offshore.
4. Événements d’anoxie océanique (EAO) : Un seul événement d’appauvrissement en oxygène dissous peut être corrélé à un véritable événement d’anoxie océanique, l’événement Faraoni de la fin de l’Hauterivien. Les autres phénomènes ont plusieurs origines, notamment les stratifications de densité, l’augmentation des flux continentaux vers les océans (nutriments = eutrophisation, sédiments = taux de sédimentation élevé qui préserve la matière organique), ou l’augmentation des activités biologiques.
5. Biodiversité : Les eaux chaudes et peu profondes ont permis à de nombreuses plateformes carbonatées de s’installer et les nombreux terriers d’animaux benthiques témoignent de sédiments régulièrement oxygénés.
6. La succession d’Arrifes dans le contexte du bassin de l’Algarve : Si l’on considère Arrifes à l’échelle de l’Algarve, les données géochimiques indiquent des conditions d’altération et de recyclage similaires à celles de Salema et Barrancão. Ceci est dû au fait qu’ils sont contemporains les uns des autres. Et c’est particulièrement vrai pour Salema, qui montre également des environnements carbonatés d’eau peu profonde soumis à l’action des marées.
