Paléo-environnements et cycles bio-géochimiques

Le groupe « Paléoenvironnements »  regroupe des compétences très larges (sédimentologie, paléontologie, géochimie et isotopie stable/radiogénique, paléomagnétisme, modélisation numérique : GEOCLIM et WITCH) autour d’une question commune : quelle est la dynamique des enveloppes externes(océan-atmosphère-biosphère)de la Terre aux échelles de temps géologiques. Ce groupe dispose d’une compétence particulière sur les périodes anté-cénozoïques en général et une spécificité sur la Terre mésozoïque, paléozoïque et protérozoïque (deep- & very deep-time).

Nous envisageons l’évolution des enveloppes externes en lien direct avec la géodynamique des surfaces continentales. Au-delà de la description et de la reconstruction des paléoenvironnements, il s’agit surtout d’identifier les causes de l’évolution à très long terme de la surface de la Terre. Ces études incluent désormais le champ océanique, avec la volonté de relier l’évolution de la lithosphère océanique à l’évolution de l’état chimique de l’océan d’une part, et de reconstruire la dynamique tri-dimensionelle des océans anciens. Le « groupe » paléoenvironnement travaille en étroite collaboration avec des modélisateurs des climats anciens basés au LSCE et à l’IPGP.

1. Causes et dynamique des événements anoxiques.

2. Dynamique biologique de périodes clés de l’histoire de la Terre (Ordovicien/Carbonifère, Mésozoïque).

3. Dynamique océanique, reconstruction et impact sur le climat et le vivant (Mésozoïque et Paléozoïque).

4. Interactions lithosphère océanique / biologie & enveloppes externes.

1. Causes et dynamique des événements anoxiques

Quelle est l’importance relative des apports continentaux et des apports de l’hydrothermalisme marin ? Quelles sont les causes de l’anoxie au Protérozoïque, Paléozoïque et Mésozoïque ?

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EXEMPLE : Enregistrement de l'évolution de la plate-forme carbonatée au cours de l'événement anoxique cénomano-turonien (Lebedel et al., 2014)

2. Dynamique biologique de périodes clés de l’histoire de la Terre (Ordovicien/Carbonifère, Mésozoïque):

Quelle histoire pour la biodiversité au cours du Cambrien et de l’Ordovicien ? Comment cette histoire se relie-t-elle aux forçages géodynamiques ? Mêmes questions dans le Carbonifère et le Mésozoïque.

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EXEMPLE : L'étude des bioconstructeurs et de leur paléoenvironnement sur la marge marocaine de la paléothéthys au Carbonifère (Aretz & Herbig, in press)

3. Dynamique océanique, reconstruction et impact sur le climat et le vivant (Mésoz. et Paléoz.).

En collaboration étroite avec des chercheurs de l’IPGP et du LSCE, nous abordons pour la première fois les reconstructions de la dynamique 3D des océans, en fonction des configurations continentales.

EXEMPLE : Les liens climat-tectonique au Paléozoïque
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Evolution de la teneur en CO2 au cours du Paléozoïque inférieur. Les barres d'erreur en gras sont les valeurs calculées par GEOCLIM. En bleu, le seuil de glaciation. Au-dessus du graphique, figure un résumé de l'histoire climatique basée sur des données isotopiques et sédimentologiques

Nous avons montré, dans le cadre de l’ANR Accro-Earth, que l’évolution temporelle de la configuration des continents et de la nature lithologique des surfaces continentales créent les conditions de la mise en place d’une période de refroidissement climatique s’étendant de l’Ordovicien Moyen au début du Silurien (470 à 430Ma). Le facteur forçant principal de ce refroidissement est la dérive à travers l’équateur des continents Siberia, Baltica et Laurentia. Ce déplacement optimise la consommation de CO2 atmosphérique par l’altération des silicates, et donc un refroidissement en accord avec de nombreuses données sédimentologiques. L’outil utilisé était le modèle numérique climat 3D-carbone GEOCLIM.

Référence : Nardin E., Goddéris Y., Donnadieu Y., Le Hir G., Blakey R.C., Pucéat E., Aretz M., 2011. Modeling the early Paleozoic long-term climatic trend. GSA Bulletin, 123, 1181-1192.

4. Interactions lithosphère océanique / biologie & enveloppes externes

L’étude du fonctionnement actuel de l’hydrothermalisme marin devrait ouvrir des pistes quant aux interactions passées et à leurs conséquences (p.e. les LIP océaniques et leur lien ou leur absence de lien avec les grandes extinctions de masse).

EXEMPLE : Hydrothermalisme hyperalcalin, carbonatation des péridotites et production naturelle d’hydrogène
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Une source hyperalcaline en Oman

La serpentinisation est le processus qui conduit à la production simultanée d'hydrogène et d'eaux à pH très basique par réduction de l'eau et oxydation du fer ferreux contenu dans les silicates ferromagnésiens (olivines, pyroxènes). Ce type d’hydrothermalisme est responsable du champ de fumeurs d'un type nouveau découvert en 2000 sur la ride médio-Atlantique au site de Lost City, caractérisé par des cheminées de carbonates de calcium et des hydroxydes de magnésium. Dans le cadre de projets INSU-SYSTER et GOPS, nous avons étudié des équivalents terrestres de ce site sous-marin lors de campagnes de terrain dans les ophiolites d'Oman, d'Italie du nord (Ligurie) et de Nouvelle Calédonie. Notre étude des sources hyperalcalines, des gaz et des précipités a mis en évidence (1) une production d'hydrogène et de méthane, (2) la formation de paragenèses minérales (Ca-carbonates et brucite) semblables à celles observées à Lost City, (3) une composition hyperalcaline des eaux (pH jusqu'à 12). Ceci nous a conduit à proposer des hypothèses pour la circulation des fluides dans ces formations ultrabasiques. Une collaboration active avec des biologistes a conduit à la caractérisation d'une biosphère particulière adaptée à cet environnement extrême sur le site de Prony (Nouvelle Calédonie).

Référence : Chavagnac V., Monnin C., Ceuleneer G., Boulart C., Hoareau G., 2013.Characterization of hyperalkaline fluids produced by low-temperature serpentinization of mantle peridotites in the Oman and Ligurian ophiolites.Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 14, doi: 10.1002/ggge.20147.

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