Faculté des sciences

Sédimentologie, stratigraphie séquentielle et cyclostratigraphie du Kimméridgien du Jura suisse et du Bassin vocontien (France) : relations plate-forme - bassin et facteurs déterminants

Colombié, Claude ; Strasser, Andreas (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2002 ; no 1380.

À l'heure actuelle, peu de travaux concernent les épaisses séries calcaires soi-disant homogènes du Kimméridgien du Jura central. Ainsi, la stratigraphie comme les facteurs (tectonique, eustatisme, climat, production et accumulation de carbonates) qui déterminent la dynamique de la plate-forme sont respectivement mal définis voire inconnus. L'analyse sédimentologique détaillée,... Plus

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    Résumé
    À l'heure actuelle, peu de travaux concernent les épaisses séries calcaires soi-disant homogènes du Kimméridgien du Jura central. Ainsi, la stratigraphie comme les facteurs (tectonique, eustatisme, climat, production et accumulation de carbonates) qui déterminent la dynamique de la plate-forme sont respectivement mal définis voire inconnus. L'analyse sédimentologique détaillée, l’interprétation séquentielle et cyclostratigraphique du Kimméridgien du Jura central et des corrélations avec le Kimméridgien du Bassin vocontien aboutissent à un cadre stratigraphique précis et de haute-résolution, à la définition des principaux facteurs qui déterminent le développement de la plate-forme peu profonde du Jura au cours du Kimméridgien, et à l’établissement d’un modèle de formation des séquences de dépôt du Kimméridgien inférieur du Bassin vocontien. L’étude détaillée des faciès sédimentaires de trois coupes – Gorges du Pichoux, Gorges de Court, et Péry-Reuchenette – situées au Nord-Est de Bienne en Suisse permet d’établir un modèle de faciès et une interprétation séquentielle et cyclostratigraphique précise du Kimméridgien du Jura central. Les faciès sédimentaires sont relativement diversifiés, et correspondent principalement à des milieux de dépôt de plate-forme interne, très peu profonds, calmes et à salinité variable. Basés sur l’évolution au cours du temps des environnements de dépôt, de l’épaisseur des bancs et des discontinuités, quatre ordres de séquences de dépôt sont définis: les séquences élémentaires, de court terme, de moyen terme et de long terme. Les différents types de séquences de dépôt sont hiérarchiquement empilés, et leurs rapports suggèrent que la dynamique de la plate-forme peu profonde du Jura était au Kimméridgien en partie contrôlée par les variations des paramètres orbitaux de la Terre. En l’absence de marqueurs biostratigraphiques précis, qui sont indispensables pour dater les intervalles stratigraphiques et confirmer l’hypothèse d’un contrôle orbital sur la sédimentation, les coupes du Jura central sont corrélées avec trois coupes du Bassin vocontien parfaitement datées par ammonites. L’interprétation sédimentologique, séquentielle et cyclostratigraphique de trois coupes – Montagne de Crussol, Châteauneuf d’Oze, et Gorges de la Méouge – situées dans le Bassin vocontien en France, aboutit à la définition de plusieurs ordres de séquences de dépôt, qui correspondent aux différents types de séquences observés dans le Kimméridgien du Jura central. Les similitudes qui existent entre l’interprétation séquentielle et cyclostratigraphique des coupes du Jura et du Bassin vocontien permettent à partir d’un niveau repère de corréler les coupes de la plate-forme et du bassin. À partir de ces corrélations de haute résolution, le cadre chronostratigraphique défini pour le Kimméridgien du Jura central et du Bassin vocontien est comparé à celui qui est proposé par HARDENBOL et al. (1998) pour le Kimméridgien du domaine téthysien. Cinq limites de séquences de troisième ordre sont définies qui correspondent à cinq limites de séquences de moyen terme définies dans le Jura et dans le Bassin vocontien. La durée des séquences de troisième ordre qui est donnée par HARDENBOL et al. (1998) est divisée par le nombre de séquences élémentaires qui est compté pour le même intervalle de temps dans la coupe des Gorges de la Méouge, qui est la plus éloignée de la plate-forme du Jura. D’après ces calculs, la durée d’une séquence élémentaire est approximativement égale à la période du cycle de la précession (i.e. 20 ka). De plus, les séquences de court terme sont généralement composées de 5 séquences élémentaires, et les séquences de moyen terme contiennent 4 séquences de court terme. En supposant qu’une séquence élémentaire dure 20 ka, la durée des séquences de court terme et de moyen terme correspond respectivement à la période du premier et du deuxième cycle de l’excentricité (i.e. 100 et 400 ka). De même, la durée des séquences de long terme varie entre 800 ka et 1,2 Ma, et correspond au troisième ordre de VAIL et al. (1991). Enfin, l’intervalle étudié comprend 32 séquences de court terme, qui représentent une durée totale de 3,2 Ma. La durée du Kimméridgien obtenue à partir des données radiométriques est égale à 3,12 Ma (GRADSTEIN et al., 1994; 1995; HARDENBOL et al., 1998). Par conséquent, la durée calculée à partir de l’interprétation cyclostratigraphique des coupes du Jura et du Bassin vocontien correspond aux résultats obtenus par ailleurs, et confirme la validité de la méthode employée dans ce travail. L’analyse des isotopes stables de l’oxygène et du carbone et des éléments traces (Sr, Mg, Na, Fe et Mn) a été réalisée sur la coupe des Gorges du Pichoux pour confirmer les corrélations entre la plate-forme et le bassin. La relation entre les résultats obtenus dans ce travail et ceux qui sont publiés pour les coupes de Châteauneuf d’Oze et de la Méouge (DE RAFÉLIS, 2000) n’est à priori pas évidente. Néanmoins, les variations du ∂13C et des concentrations en éléments traces sont cohérentes avec l’évolution de la plateforme du Jura au cours du Kimméridgien, et offrent de très intéressantes perspectives de recherche. Les corrélations des coupes du Jura central mettent en évidence deux parties principales. La partie inférieure s’étend de la zone d’ammonites à Platynota à la zone à Acanthicum. Elle est essentiellement composée de bancs calcaires fins à moyennement épais, et présente une quantité relativement importante de terrigènes (argiles, quartz et charbon) et de nombreux indices d’émersion. La partie supérieure comprend les zones d’ammonites à Eudoxus et à Beckeri. Elle se distingue par une grande proportion de bancs calcaires épais, par la quasi-disparition des terrigènes et des indices d’émersion, et par le développement des algues vertes. La limite entre ces deux parties correspond à la plus importante augmentation d’espace d’accommodation enregistrée au cours du Kimméridgien dans le Jura central. Par ailleurs, la partie inférieure se compose de deux parties distinctes qui sont interprétées comme des séquences de dépôt de long terme. La première séquence est comprise entre les zones d’ammonites à Platynota et à Divisum, et enregistre une diminution de l’espace d’accommodation et de la production de carbonates, alors que la deuxième séquence coïncide avec la zone à Acanthicum, et enregistre une importante augmentation de l’espace disponible et de la production de carbonates. Les deux séquences qui composent la partie inférieure de l’intervalle étudié correspondent respectivement à la fin du dépôt de haut-niveau (lHD) et au dépôt de bas niveau et transgressif (LD et TD) d’une séquence de dépôt de plus basse fréquence, alors que la partie supérieure est interprétée comme le début du dépôt de haut niveau (eHD). Enfin, les variations latérales de l’épaisseur des séquences de dépôt et l’évolution dans le temps des faciès sédimentaires mettent en évidence des événements tectoniques d’extension croissante de la partie inférieure à la partie supérieure du Kimméridgien du Jura central. Sur la base de l’ensemble des résultats obtenus dans ce travail, la diminution de l’espace disponible et de la production de carbonates entre les zones d’ammonites à Platynota et à Divisum résulte probablement des effets combinés d’un climat semiaride avec une saison humide relativement importante et d’une diminution du niveau marin eustatique de long terme. De plus, l’augmentation de l’espace disponible et de la production de carbonates dans la zone à Acanthicum est vraisemblablement la conséquence d’une augmentation de l’aridité, de la vitesse de subsidence du bassin et/ou du niveau marin eustatique. Enfin, les mêmes facteurs sont probablement la cause de l’importante augmentation de l’espace disponible et de la production de carbonates qui caractérise le Kimméridgien supérieur du Jura central. Conformément au Kimméridgien du Sud de l’Angleterre (TAYLOR et al., 2001), l’approfondissement majeur enregistré dans le Jura central est situé dans la zone d’ammonites à Eudoxus, et résulte de changements environnementaux majeurs liés au renforcement de l’activité tectonique globale. Les corrélations de haute résolution entre le Jura et le Bassin vocontien révèlent que les périodes de diminution ou d’augmentation de la production de carbonates mises en évidence sur la plate-forme coïncident respectivement avec des périodes de diminution ou d’augmentation de l’accumulation de carbonates dans le bassin. Par conséquent, le mécanisme déterminant dans la formation des séquences de dépôt au Kimméridgien dans le Bassin vocontien est probablement l’exportation de carbonates de la plate-forme vers le bassin. Différents modèles basés sur la combinaison des variations du potentiel de production des environnements marins peu profonds et du potentiel d’exportation, qui sont probablement influencées par plusieurs ordres superposés de variations du niveau marin relatif, sont proposés pour expliquer la formation des séquences de plus basse fréquence d’une part et des séquences de long, de moyen et de court terme d’autre part.
    Summary
    A detailed sedimentological, sequential and cyclostratigraphic interpretation of the Kimmeridgian in the Swiss Jura defines the principal factors which control the different stages in the development of a shallow-water carbonate platform. A comparative study in the Vocontian Basin reveals their impact on hemipelagic and pelagic sedimentation. The sedimentary facies of three platform sections – Gorges de Court, Gorges du Pichoux, and Péry- Reuchenette – located to the North of Biel in the central Jura have been studied in great detail. Facies are representative of restricted to open-marine depositional environments. Low-energy lagoonal deposits such as mudstones and bioclast-peloid wackestones to packstones are dominant. Higher-energy grainstones composed of bioclasts, peloids, and ooids occur in lesser proportion. The analysis of the evolution through time of sedimentary facies, bed thicknesses, and sedimentological features of bedding surfaces results in a precise sequential and cyclostratigraphic interpretation of the Kimmeridgian in the central Jura. Different orders of depositional sequences are defined: elementary, small-scale, medium-scale and large-scale sequences, which are hierarchically stacked and suggest an orbital control on sedimentation. In order to confirm the cyclostratigraphic interpretation of the Kimmeridgian in the central Jura, where a precise biostratigraphic and chronostratigraphic framework is lacking, the platform sections are correlated with welldated sections in the Vocontian Basin. The sedimentological, sequential and cyclostatigraphic interpretation of three basinal sections – Montagne de Crussol, Châteauneuf d’Oze, and Gorges de la Méouge – leads to the definition of different orders of depositional sequences, which are comparable to the ones defined on the platform. The Vocontian Basin sections are correlated with the Jura sections according to the similarity that exists between the sequential and cyclostratigraphic framework defined in both realms. Thanks to the high-resolution platform-to-basin correlations, the Kimmeridgian chronostratigraphy defined in the Jura and in the Vocontian Basin is compared with the one proposed by HARDENBOL et al. (1998). The thirdorder sequence boundaries defined by HARDENBOL et al. (1998) in the Kimmeridgian of the Tethyan realm correspond to five medium-scale sequence boundaries revealed in the Jura and the Vocontian Basin. The third-order sequence duration given by HARDENBOL et al. (1998) is divided by the number of elementary sequences counted in the same time interval in the Gorges de la Méouge section, which is the section remotest from the Jura platform. According to these calculations, the duration of an elementary sequence is approximately equivalent to the 20 ky orbital precession cycle. Furthermore, small-scale sequences are generally composed of five elementary sequences, and medium-scale sequences contain four small-scale sequences. Assuming that an elementary sequence is equal to 20 ky, small-scale and medium-scale sequences coincide with the first and second eccentricity cycles respectively (i.e. 100 and 400 ky). The duration of the large-scale sequences is comprised between 800 ky and 1.2 My, which corresponds to the third order of VAIL et al. (1991). The studied interval is composed of 32 small-scale sequences or 8 medium-scale sequences, implying a duration of 3.2 My for the Kimmeridgian. This cyclostratigraphic interpretation is consistent with the radiometrically deduced duration of 3.12 My (GRADSTEIN et al. 1994, 1995; HARDENBOL et al., 1998). Consequently, the dynamics of the Jura platform and the Vocontian Basin were partly controlled by cyclic environmental changes induced by insolation variations in the Milankovitch frequency band. The combination of detailed sedimentology, sequence stratigraphy, cyclostratigraphy, and high-resolution platform-to-basin correlation represents an excellent alternative to biostratigraphy for the dating of the Upper Jurassic shallow-water carbonate deposits, which are devoid of precise biostratigraphic markers. Analysis of stable isotopes and trace elements (Sr, Mg, Na, Fe, and Mn) has been performed in the Gorges du Pichoux section in order to confirm the high-resolution platform-to-basin correlation. The correlation between the variations of ∂13C and trace elements defined on the platform and the ones available in the basin (DE RAFÉLIS, 2000) seems a priori difficult. However, the variations of ∂13C and trace elements are consistent with the platform evolution during the Kimmeridgian, and their contribution to a better understanding of the global system is important. The correlation of the platform sections reveals two parts with different characteristics, corresponding approximately to the Lower and Upper Kimmeridgian. The first part exhibits thinly bedded limestones with siliciclastics and desiccation features. The second part is characterised by thickly bedded limestones, the quasidisappearance of siliciclastics and desiccation features, and the development of green algae. The transition between the Lower and the Upper Kimmeridgian corresponds to the strongest increase of accommodation recorded in the central Jura during the Kimmeridgian. Furthermore, the Lower Kimmeridgian comprises two different intervals, which correspond to largescale sequences. The first one is comprised between the Platynota and Divisum ammonite zones and records a decrease of accommodation and carbonate production, while the second interval coincides with the Acanthicum zone and implies an important increase of accommodation and carbonate production. The two lower intervals correspond respectively to the late highstand deposit (lHD) and to the lowstand and transgressive deposits (LD and TD) of a lowerfrequency depositional sequence, while the upper part coincides with the early highstand deposit (eHD). Finally, lateral variations of sequence thicknesses and the evolution through time of sedimentary facies reveal local to regional tectonic events, which occur in pulses during the Lower and Upper Kimmeridgian. According to the results obtained in this work, the decrease of accommodation and carbonate production between the Platynota and Divisum ammonite zones is probably due to the combination of a semi-arid climate with a prominent humid season and a eustatic sea-level drop. The increase of accommodation and carbonate production in the Acanthicum zone results from a more arid climate, an increased subsidence rate and/or a rise of eustatic sea-level. The same factors are probably responsible for the strong increase of accommodation and carbonate production that characterise the Upper Kimmeridgian. In conformity with southern England (TAYLOR et al., 2001), the most important gain in accommodation recorded in the central Jura coincides with the second-order Upper Jurassic transgression, which reached its maximum in the Eudoxus ammonite zone. This evolution is probably linked to major environmental changes due to global tectonics. The sedimentological features of the Kimmeridgian hemipelagic and pelagic facies in the Vocontian Basin, the variations of carbonate production in the Jura and carbonate accumulation in the basin reveal that carbonate export from the platform to the basin is probably the controlling process for cycle formation in the Vocontian Basin. Different models combining carbonate productivity in shallow-water marine environments and carbonate export from the platform to the basin (influenced by several superimposed orders of sea-level fluctuations) are proposed for the generation of lower-frequency, largescale, medium-scale, and small-scale sequences.