Faculté des sciences

History of a Middle Berriasian transgression (Switzerland, France, and southern England)

Tresch, Jonas ; Strasser, Andreas (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2007 ; no 1550.

Le but de cette étude est de corréler et d’interpréter les dépôts transgressifs de trois différentes zones de dépôt avec haute résolution: les carbonates marginaux de la plate-forme du Jura (Suisse et France) et de la région du Dorset (Angleterre). En plus, une coupe hémipélagique du bassin Vocontien (France) a été intégrée dans le schéma de corrélation haute résolution. La... Plus

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    Résumé
    Le but de cette étude est de corréler et d’interpréter les dépôts transgressifs de trois différentes zones de dépôt avec haute résolution: les carbonates marginaux de la plate-forme du Jura (Suisse et France) et de la région du Dorset (Angleterre). En plus, une coupe hémipélagique du bassin Vocontien (France) a été intégrée dans le schéma de corrélation haute résolution. La transgression du Berriasien moyen a été choisie parce que, en combinaison avec la subsidence, les intervalles transgressifs créent de l’espace d’accommodation, qui peut être rempli par des sédiments. La meilleure chance pour préserver les sédiments et obtenir une succession sédimentaire relativement complète est durant l’augmentation de l’espace d’accommodation. La transgression du Berriasien moyen est positionnée entre les limites de séquence de 3ème ordre Be4 et Be5 selon la charte chronostratigraphique et séquentielle de Hardenbol et al. (1998). Les coupes étudiées sont déjà bien décrites et datées dans la littérature. Dans cette étude, les coupes ont été échantillonnées à une échelle décimétrique afin de documenter l’évolution des faciès en détail. Les zones de faciès observées ont été intégrées dans deux différents modèles de faciès représentant les paléoenvironnements de la plate-forme du Jura et de la région du Dorset. Les changements de faciès et d’accommodation détectés dans chaque coupe sont reliés aux fluctuations du niveau marin relatif et interprétés avec les outils de la stratigraphie séquentielle (séquences élémentaires, à court terme et à moyen terme). La plupart des coupes de la plate-forme du Jura suisse et français ont déjà été interprétées par la stratigraphie séquentielle haute-résolution au niveau des séquences à court terme (Waehry 1989, Pasquier 1995, Hillgärtner 1999). La partie inférieure des coupes (Formation de Goldberg et base de la Formation de Pierre Châtel) a été datée par ammonites (Clavel et al. 1986) et avec l’aide des assemblages de charophytes et d’ostracodes (Mojon 2002), tandis que la partie supérieure a été datée par les foraminifères benthiques (Formation de Pierre Châtel supérieure et Formation de Vions; p. ex., Clavel et al. 1986). Un remarquable changement environnemental de dépôts intertidaux et supratidaux (Formation de Goldberg) à des dépôts marins peu profonds (Formation de Pierre Châtel) sur la plate-forme du Jura représente la transgression du Berriasien moyen. Les coupes dans la région du Dorset ont été décrites banc par banc dans la littérature (Ensom 1985, Clements 1993). La partie supérieure de la Formation de Lulworth et la partie inférieure de la Formation de Durlston sur les coupes de Durlston Bay et de Worbarrow Tout ont été re-levées à une échelle décimétrique et interprétées par la stratigraphie séquentielle haute-résolution au niveau des séquences à court terme et élémentaires. La succession sédimentaire implique une transgression d’environnements saûmatres-lagunaires à des environnements marins plus ouverts. Les conditions marines sont indiquées par des bancs d’huîtres caractérisant le Cinder Member, qui correspond à la transgression du Berriasien moyen. La coupe de Durlston Bay a été datée par magnétostratigraphie (Ogg et al. 1991, 1994) et par les assemblages de charophytes et d’ostracodes (Mojon 2002). Une interprétation séquentielle à haute-résolution des coupes du Dorset au niveau des séquences élémentaires et à court terme est présentée dans cette étude pour la première fois. La coupe de Montclus du Bassin Vocontien est bien datée par les ammonites et les calpionelles et a été interprétée en termes de stratigraphie séquentielle et cyclostratigraphie (Pasquier 1995, Hillgärtner 1999). Dans le bassin, la transgression est marquée par un changement de bancs calcaires irreguliers et relativement épais à des alternances marne-calcaire. Une étude de stratigraphie séquentielle haute résolution de la coupe de Montclus et des coupes de la plate-fome du Jura a été publiée par Strasser et al. (2004). La magnétostratigraphie établie pour la coupe-type de l’étage du Berriasien à Berrias (France) par Galbrun (1985) et Galbrun et al. (1986) peut être corrélée vers la coupe de Montclus grâce à l’interprétation séquentielle de la coupe de Berrias faite par Strohmenger & Strasser (1993). Une corrélation haute-résolution des différentes coupes entre les limites de séquence de 3ème ordre a été accomplie. Ce cadre de corrélation s’accorde bien avec les schémas biostratigraphiques et magnétostratigraphiques publiés dans la littérature. L’hypothèse que la base de la Formation de Pierre Châtel sur la plateforme du Jura corresponde à la base de la Formation de Durlston dans le Dorset (Cinder Member), discutée pendant des années dans la littérature, peut être confirmée dans cette étude. Selon Hardenbol et al. (1998), la durée entre les limites de séquence de 3ème ordre Be4 et Be5 est d’environ 1.7 millions d’années. Dix-huit à vingt séquences à court terme ont été identifiées dans cette intervalle. Basé sur cette durée et l’empilement hiérarchique des bancs, il est admis que le dépôt des séquences à court terme a été contrôlé par les fluctuations du niveau marin relatif en liaison avec les cycles orbitaux d’excentricité de 100 ka. Pour une résolution de temps encore meilleure, onze coupes de la plate-forme du Jura et deux coupes du Dorset ont été sélectionnées pour examiner l’enregistrement sédimentaire de quatre séquences à court terme autour de la transgression à long terme. Plusieurs séquences à court terme bien préservées sont composées de 5 séquences élémentaires. Par conséquent, il est admis que les séquences élémentaires représentent des cycles orbitaux de précession de 20 ka. L’interprétation des changements environnementaux subtiles à l’intérieur des séquences à court terme est complexe. Certaines séquences élémentaires peuvent être corrélées entre les coupes et sont considérées comme étant contrôlées par des changements du niveau marin relatif (facteurs extrinsèques). D’autres, cependant, ne peuvent pas (ou seulement partiellement) être interprétées en termes de stratigraphie séquentielle puisque que les processus intrinsèques (autocycliques) dominaient durant le dépôt. Cependant, des intervalles autocycliques peuvent au moins être délimités à la base et au sommet par les corrélations par stratigraphie séquentielle. Malgré certaines incertitudes dans la corrélation des séquences élémentaires, de telles interprétations séquentielles haute résolution donnent l’opportunité de reconstruire les changements environnementaux haute fréquence dans différents domaines de dépôt avec une résolution temporelle de quelques dizaines de milliers d’années. La corrélation séquentielle et cyclostratigraphique haute résolution permet d’examiner en détail l’inondation de la plate-forme du Jura et de la région du Dorset. Il peut être montré que la transgression est fortement diachrone sur la plateforme du Jura principalement à cause de la morphologie de la plate-forme et de la subsidence différentielle. De rapides changements de faciès surviennent dans les environnements marins marginaux principalement dû à des effets de seuil (p. ex., inondation des hauts topographiques). Il est bien connu qu’un changement climatique d’un climat aride méditerranéen vers des conditions plus humides prirent place durant le Berriasien dans l’Europe centrale et du nord-ouest (p. ex., Deconinck 1987, Hallam et al. 1991, Allen 1998, Abbink et al. 2001). L’interprétation séquentielle et cyclostratigraphique haute résolution de cette étude permet d’analyser le changement climatique plus en détail. Il est suggéré que les changements océanographiques principalement reliés à l’influence des eaux de surface boréales froides et téthysiennes chaudes furent responsables du changement climatique dans ces parties de l’Europe. Un rôle-clé dans l’échange de ces masses d’eau joua dans l’évolution du détroit entre le Groenland et la Norvège durant le Berriasien. Des facteurs additionnelles comme l’ouverture persistante du proto-Atlantique Nord et l’ouverture et la fermeture des détroits entre les bassins épicontinentaux de l’Europe contribuèrent au changement climatique dans les zones étudiées. Les changements climatiques dans la bande de fréquence de Milankovitch peuvent avoir été contrôlés par des variations dans l’extension des cellules de circulation atmosphérique et dans leurs positions paléogéographiques.
    Zusammenfassung
    Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, transgressive Sedimente verschiedener Ablagerungsräume in hoher Auflösung zu interpretieren und zu korrelieren: küstennahe Karbonate der Jura Plattform (Frankreich und Schweiz) und in Dorset (England). Zusätzlich ist eine hemipelagische Abfolge des Vocontischen Beckens (Frankreich) in die hochauflösende Korrelation integriert worden. Die Transgression im Mittleren Berriasium wird näher untersucht, weil in transgressiven Intervallen durch Zusammenspiel von Meeresspiegelanstieg und Subsidenz Akkommodationsraum geschaffen wird, der mit Sedimenten gefüllt werden kann. Die beste Möglichkeit, Sedimente zu konservieren und relativ komplette Abfolgen zu generieren, ist demzufolge während einer Zunahme von Akkommodation. Die Transgression im Mittleren Berriasium liegt zwischen den Sequenzgrenzen 3. Ordnung Be4 und Be5 gemäss der sequenz- und chronostratigraphischen Skala von Hardenbol et al. (1998). In der Fachliteratur sind alle ausgewählten Profile gut beschrieben und datiert. Jedes Profil ist in der vorliegenden Arbeit nochmals in einem Dezimetermassstab beprobt worden, um die Faziesentwicklung im Detail zu studieren. Anhand der Faziesinterpretation jeder Probe sind mehrere Fazieszonen ausgeschieden worden, die in zwei Faziesmodellen (Jura Plattform und Dorset Region) integriert worden sind. Die Fazies- and Akkommodationsänderungen in den Profilen können relativen Meeresspiegelschwankungen zugeordnet und mit Hilfe der Sequenzstratigraphie interpretiert werden (Elementar-, “small-scale”- und “mediumscale”- Sequenzen). Die meisten Profile der Jura Plattform sind bereits mit Hilfe der Sequenzstratigraphie in einer Auflösung von “small-scale”-Sequenzen analysiert worden (Waehry 1989, Pasquier 1995, Hillgärtner 1999). Der untere Abschnitt der Profile (Goldberg Formation und Pierre Châtel Formation) ist mit Ammoniten (Clavel et al. 1986) und Charophyten-Ostrakoden- Vergesellschaftungen (Mojon 2002) datiert worden. Die Datierungen der oberen Abschnitte der Profile (Pierre Châtel Formation und Vions Formation) basieren auf benthischen Foraminiferen (z.B. Clavel et al. 1986). Die Transgression im Mittleren Berriasium der Jura Plattform ist durch einen bemerkenswerten Fazieswechsel von inter- bis supratidalen Sedimenten der Goldberg Formation zu flach-marinen Ablagerungen der Pierre Châtel Formation gekennzeichnet. Die beiden Profile in Dorset sind in der Literatur detailliert beschrieben (Ensom 1985, Clements 1993). Der obere Teil der Lulworth Formation und der untere Teil der Durlston Formation der Profile in Durlston Bay und in Worbarrow Tout sind nochmals aufgenommen (im Dezimetermassstab) und mit Hilfe der Sequenzstratigraphie mit einer Auflösung von “small-scale”- und Elementarsequenzen interpretiert worden. Die Gesteinsabfolgen der Dorset Profile spiegeln einen Fazieswechsel von brackisch-lagunären zu eher marinen Ablagerungen wieder. Die Austernbänke des Cinder Members weisen auf marine Verhältnisse hin, die der Transgression im Mittleren Berriasium entsprechen. Das Profil in Durlston Bay ist mit Magnetostratigraphie (Ogg et al. 1991, 1994) und Charophyten-Ostracoden-Vergesellschaftungen (Mojon 2002) datiert worden. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals eine hochauflösende Sequenzstratigraphie der Dorset Profile basierend auf Elementar- und “small-scale”-Sequenzen präsentiert. Das Profil Montclus im Vocontischen Becken ist mit Ammoniten und Calpionellen datiert und mit Hilfe hochauflösender Sequenz- und Zyklostratigraphie interpretiert worden (Pasquier 1995, Hillgärtner 1999). Die Transgression im Becken ist durch eine Änderung des Sedimentationsmusters von relativ dicken, unregelmässigen Kalkbänken zu dünneren und homogenen Kalk-Mergel Wechsellagerungen gekennzeichnet. Eine hochauflösende sequenzstratigraphische Korrelation des Montclus Profils mit Profilen der Jura Plattform ist in Strasser et al. (2004) publiziert worden. Die Magnetostratigraphie von Galbrun (1985) und Galbrun et al. (1986), die am Typusprofil des Berriasiums in Berrias (Frankreich) gemacht worden ist, kann dank der hochauflösenden Sequenzstratigraphie von Strohmenger & Strasser (1993) zum Montclus Profil korreliert werden. Eine hochauflösende Korrelation von mehreren Profilen zwischen den Sequenzen 3. Ordnung ist in der vorliegenden Studie ausgearbeitet worden. Dieses Korrelationsgerüst passt gut in die publizierten biound magnetostratigraphischen Schemas. Die über Jahrzehnte in der Literatur diskutierte Annahme, dass die Basis der Pierre Châtel Formation der Jura Plattform der Basis der Durlston Bay Formation in Dorset (Cinder Member) entspricht, kann bestätigt werden. Gemäss Hardenbol et al. (1998) beträgt die Zeitspanne zwischen den Sequenzgrenzen 3. Ordnung Be4 und Be5 ungefähr 1.7 Millionen Jahre. In diesem Interval sind achtzehn bis zwanzig „small-scale“- Sequenzen identifiziert worden. Basierend auf dieser Zeitspanne und der Ablagerungsmuster der Profile wird angenommen, dass die Ablagerung der “small-scale”- Sequenzen durch relative Meeresspiegelschwankungen im Takt mit orbitalen Exzentrizitätszyklen mit Perioden von 100000 Jahren (100 ka) kontrolliert worden sind. Um eine höhere Zeitauflösung zu erreichen, sind die Sedimentabfolgen der vier “small-scale”-Sequenzen im Bereich der grossen Transgression von elf Profilen der Jura Plattform und von zwei Profilen der Dorset Region näher untersucht worden. Mehrere gut ausgebildete “small-scale”-Sequenzen bestehen aus fünf Elementarsequenzen, was auf eine Kontrolle orbitaler Präzessionszyklen mit Perioden von 20 ka hindeutet. Die Interpretation von subtilen Änderungen in den Paläoablagerungsräumen innerhalb der “smallscale”-Sequenzen ist ziemlich komplex. Einige Elementarsequenzen können zwischen den Profilen korreliert werden. Es wird deshalb angenommen, dass diese Sequenzen hauptsächlich durch relative Meeresspiegelschwankungen hervorgerufen worden sind (extrinsische Faktoren). Andere Sedimentabfolgen innerhalb von “small-scale”-Sequenzen können nicht (oder nur teilweise) mit Hilfe von hochauflösender Sequenzstratigraphie interpretiert werden. Diese Ablagerungen sind durch intrinsische (autozyklische) Prozesse kontrolliert worden. Autozyklische Sedimentabfolgen können jedoch zumindest durch sequenzstratigraphische Korrelationen an ihrer Basis und ihrem Top begrenzt werden. Abgesehen von Korrelationsunsicherheiten der Elementarsequenzen, ermöglichen hochauflösende sequenzstratigraphische Interpretationen Rekonstruktionen der hochfrequenten Änderungen der Paläoablagerungsräumen verschiedener Sedimentationsmilieus mit einer zeitlichen Auflösung von einigen zehntausend Jahren. Die Überflutung der Jura Plattform und der Dorset Region kann dank der hochauflösenden sequenz- und zyklostratigraphischen Korrelation im Detail rekonstruiert werden. Die ausgeprägte Plattformmorphologie und differenzielle Subsidenz führen zu einer starken Diachronie der Transgression auf der Jura Plaform. Schwelleneffekte (z.B. Überflutung von morphologischen Hochzonen) führen zu abrupten Fazieswechsel in küstennahen Ablagerungsräumen. Es ist bekannt, dass im Berriasium von Nordwest und Zentraleuropa ein Klimawechsel von ariden, mediterranen zu feuchteren Bedingungen stattfand (z.B. Deconinck 1987, Hallam et al. 1991, Allen 1998, Abbink et al. 2001). Mit Hilfe der hochauflösenden sequenz- und zyklostratigraphischen Interpretation kann dieser Klimawechsel detailliert untersucht werden. Es wird angenommen, dass hauptsächlich ozeanographische Strömungsänderungen für diesen Klimawechsel in Nordwest und Zentraleuropa verantwortlich sind. Das Zurückdrängen von kalten borealen Oberflächenströmungen durch warme Wassermassen der Tethys hat wahrscheinlich zu diesem Klimawechsel im Mittleren Berriasium geführt. Eine Hauptrolle im Austausch von verschiedenen marinen Wassermassen im Berriasium hat die Entwicklung der Meeresenge zwischen Grönland und Norwegen gespielt. Zusätzliche Faktoren wie die fortschreitende Öffnung des Proto-Atlantiks sowie die Öffnung und Schliessung von Meerengen zwischen den epikontinentalen Becken in Europa haben zu dem Klimawechsel in den untersuchten Regionen beigetragen. Klimawechsel im Bereich von Milankovitch-Frequenzen (Orbitalzyklen) sind wahrscheinlich durch Änderungen in der Ausdehnung der atmosphärischen Zirkulationszellen und deren paläogeographischen Positionen hervorgerufen worden.
    Summary
    The aim of this study is to correlate and interpret transgressive deposits of three different depositional regions with high resolution: the marginal-marine carbonates of the Jura platform (France and Switzerland) and the Dorset region (UK). Additionally, a hemipelagic section of the Vocontian basin (France) has been integrated into the high-resolution correlation scheme. The Middle Berriasian transgression has been chosen because, in combination with subsidence, transgressive intervals create accommodation space, which can be filled with sediments. The best chance to preserve sediments and to obtain a relatively complete sedimentary succession is during increasing accommodation space. The Middle Berriasian transgression lies between the 3rd-order sequence boundaries Be4 and Be5 according to the sequence and chronostratigraphic chart of Hardenbol et al. (1998). The chosen sections are already well described and dated in the literature. In this study, all sections have been sampled on a decimetric scale in order to document their facies evolution in great detail. The observed facies zones have been integrated in two different facies models representing the palaeoenvironments of the Jura platform and the Dorset region. The facies and accommodation changes detected in each section are related to relative sea-level fluctuations and interpreted in terms of sequence stratigraphy (elementary, smallscale, and medium-scale sequences). Most of the sections of the French and Swiss Jura platform have already been interpreted in terms of high-resolution sequence stratigraphy on the level of small-scale sequences (Waehry 1989, Pasquier 1995, Hillgärtner 1999). The lower part of the sections (Goldberg Formation and base of the Pierre Châtel Formation) has been dated by ammonites (Clavel et al. 1986) and with the help of charophyte-ostracode assemblages (Mojon 2002) and the upper part by benthic foraminifera (upper Pierre Châtel Formation and Vions Formation; e.g., Clavel et al. 1986). A remarkable environmental change from inter- and supratidal (Goldberg Formation) to shallow marine deposits (Pierre Châtel Formation) on the Jura platform represents the Middle Berriasian transgression. Both investigated sections of the Dorset region are described bed-by-bed in the literature (Ensom 1985, Clements 1993). The upper part of the Lulworth Formation and the lower part of the Durlston Formation of the Durlston Bay and Worbarrow Tout sections have been re-logged on a decimetric scale and interpreted in terms of high-resolution sequence stratigraphy on the level of small-scale to elementary sequences. The rock succession implies a transgression from brackish-lagoonal to more marine environments. Marine conditions are indicated by the oyster banks of the Cinder Member, which corresponds to the Middle Berriasian transgression. The Durlston Bay section has been dated by magnetostratigraphy (Ogg et al. 1991, 1994) and charophyte-ostracode assemblages (Mojon 2002). A high-resolution sequence-stratigraphical interpretation of the Dorset sections on the level of elementary and small-scale sequences is presented in this study for the first time. The Montclus section of the Vocontian basin is well dated by ammonites and calpionellids and has been interpreted in terms of sequence- and cyclostratigraphy (Pasquier 1995, Hillgärtner 1999). The transgression in the basin is marked by a change from relatively thick, irregular limestone beds to thinner and more homogeneous limestone-marl alternations. A highresolution sequence-stratigraphical correlation of the Montclus section with sections of the Jura platform has been published by Strasser et al. (2004). The magnetostratigraphy established for the type-section of the Berriasian stage in Berrias (France) by Galbrun (1985) and Galbrun et al. (1986) can be correlated to the Montclus section due to the sequence stratigraphical interpretation of the Berrias section by Strohmenger & Strasser (1993). A high-resolution correlation of several sections between the 3rd-order sequence boundaries has been worked out. This correlation framework fits well the bio- and magnetostratigraphical schemes published in the literature. The assumption that the base of the Pierre Châtel Formation on the Jura platform corresponds to the base of the Durlston Formation in Dorset (Cinder Member), discussed over decades in the literature, can be confirmed in this study. According to Hardenbol et al. (1998), the time span between the 3rd-order sequence boundaries Be4 and Be5 is about 1.7 million years. Eighteen to twenty small-scale sequences have been identified within this interval. Based on this time span and the investigated stacking pattern of the sections, it is assumed that the deposition of the small-scale sequences has been controlled by relative sea-level fluctuations in tune with 100-ka orbital eccentricity cycles. For an even higher time resolution, eleven sections of the Jura platform and the two Dorset sections have been selected to examine the sedimentary record of the four small-scale sequences around the large-scale transgression. Several well-preserved small-scale sequences are composed of five elementary sequences. Therefore, it is assumed that elementary sequences represent orbital precession cycles (20 ka). The interpretation of the subtle palaeoenvironmental changes within the small-scale sequences is more complex. Some elementary sequences can be correlated between the sections and are considered to be controlled by relative sea-level changes (extrinsic factors). Others, however, cannot (or only partly) be interpreted in terms of sequence stratigraphy because intrinsic (autocyclic) processes dominated their deposition. However, autocyclic intervals can at least be delimited at the base and top by sequencestratigraphical correlations. Despite of the uncertainties in the correlation of elementary sequences, such high-resolution sequencestratigraphical interpretations give the opportunity to reconstruct high-frequency palaeoenvironmental changes in different depositional realms with a time resolution of a few ten thousand years. The highresolution sequence- and cyclostratigraphic correlation permits to monitor in detail the flooding of the Jura platform and the Dorset region. It can be shown that the transgression on the Jura platform is strongly diachronous mainly because of an important platform morphology and differential subsidence. Rapid facies changes occur in marginal-marine environments mainly due to threshold effects (e.g., flooding of morphological highs). It is well known that a climate change from an arid, Mediterranean climate to more humid conditions took place during the Berriasian in NW and Central Europe (e.g., Deconinck 1987, Hallam et al. 1991, Allen 1998, Abbink et al. 2001). The high-resolution sequence- and cyclostratigraphical interpretation of this study enables to analyze this climate change in more detail. It is assumed that oceanographic changes mainly related to the influence of cold Boreal and warm Tethyan surface waters were responsible for the climate change in these parts of Europe. A key role in the exchange of these water masses played the evolution of the Greenland-Norwegian Seaway during the Berriasian. Additional factors like the further widening of the proto-North Atlantic and the opening and closing of seaways between the epicontinental basins of Europe contributed to the climate change in the investigated regions. Climate changes on the Milankovitch-frequency band (orbital cycles) may have been controlled by variations in the extension of the atmospheric circulation cells and their palaeogeographic positions.