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Géosciences Rennes
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Accueil du site > Français > Recherche > Le rapport d’activités 2002-2005 > Paléoenvironnements

Paléoenvironnements

Personnels permanents : S. Bourquin, P. Courville, M.P. Dabart, B. Gomez, F. Guillocheau, T. Nalpas, D. Néraudeau, F. Paris, C. Robin, D. Rouby

Doctorants : A. Bourahouh, N. Brault, O. Broucke, E. du Fornel, Henniche, M., Menier, D., S. Peron, V. Perrichot, R. Vullo, B. Videt

Post-doctorants : L. Gindre, E. Pucéat, B. Videt

Financements :

• ECLIPSES

1. Quantification des flux sédimentaires au Trias : réponse des systèmes sédimentaires continentaux aux sollicitations climatiques et tectoniques, Coordinatrice : S. Bourquin. (2001-2004), ECLIPSE I

2. Reconquête végétale et impact sur les flux sédimentaires au Trias inférieur et moyen : repeuplement végétal et réponse des systèmes sédimentaires continentaux aux forçages paléogéographiques, climatiques, et tectoniques, Coordinateurs : S. Bourquin, J. Broutin (Paris7/MNHN), (depuis Juin 2004), ECLIPSE II

3. Différenciation des biotas marins atlantique et méditerranéen au Néogène. Coordinateur D. Néraudeau (2001-2003), ECLIPSE

4. Climats crétacés. Coordination : François Guillocheau (2004-), ECLIPSE II

5. Glaciations et crises biologiques : exemple de l’épisode fini-ordovicien (archives sédimentaires, paléo-environnements et biodiversité, cycle du carbone. JF Ghienne (Strasbourg), coordinateur (2004-2007), ECLIPSE II.

• RELIEFS (CNRS) « Reliefs crétacés  » (2004-), coordination : François Guillocheau

• Projet GDR MARGES (CNRS, TOTALFINAELF, IFP, IFREMER, BRGM, IRD), "Les systèmes turbiditiques carbonatés anciens : géométries, facteurs de contrôles et modélisation analogique", 1999-2001 (renouvellé en 2002-2004, en co-coordination avec T. Mulder), coordination : François Guillocheau

• Projet MEBE "Sedimentology and sequence stratigraphy of the Mesozoic Tethys margin : compared tectono - climatic evolution of the Iran and Oman domains" (2003-2006), coordination C. Robin

• IGCP n°410 « The Great Ordovician Biodiversification Event  » (1997-2002) ; leaders B. WEBBY (Australie), F. PARIS (France), M. DROSER (USA)

• IGCP n° 503 "Ordovician Palaeogeography and Palaeoclimate" (2004-2009) ; leaders : T. SERVAIS (France), A. Munnecke (Allemagne)

• Action Intégrée PICASSO « Biodiversité entomologique et paléoenvironnements de l’Ambre Crétacé  », avec l’Université de Barcelone (2005-2006), D. Néraudeau



La notion de paléoenvironnement recouvre deux réalités, différentes, mais interdépendantes.

(1) la caractérisation des paysages anciens de la terre au travers de deux disciplines complémentaires, la sédimentologie et la paléoécologie,

(2) l’évolution de ces paysages anciens en réponse àdes processus globaux, comme le climat.

Les sédimentologues et les paléoécologues reconstituent les environnements sédimentaires - les paysages anciens - par analogie avec les milieux actuels. Or, le Quaternaire est une période particulière àl’échelle des temps géologiques, tant par sa topographie (période de convergence de plaques avec formation de chaînes de montagnes) que par son climat (période de glaciation, « icehouse  »).

Le premier objectif de ces quatre ans fut de mettre en place les moyens et techniques analytiques pour comprendre la diversité des profils de dépôts et la préservation préférentielle de certains milieux de sédimentation au cours des temps géologiques, question majeure en géologie sédimentaire. L’idée récurrente àces études est de montrer que le relief global de la terre change au cours des temps géologiques en réponse aux mouvements des plaques lithosphériques sur plusieurs centaines de millions d’années (voir Projets).

Le deuxième objectif fut d’étudier l’impact des climats du passé de la Terre sur la biodiversité àdeux périodes de l’histoire de la Terre :

• une période de « Greenhouse  », le Crétacé (description de la saisonnalité et des variations climatiques exceptionnelles (tempêtes, sécheresses...), démonstration des effets du stress climatique sur la biodiversité, reconstitution des variations de pCO2 au Crétacé en fonction de la température àpartir de l’analyse des végétaux),

• Une période « Icehouse  » (mise en évidence de l’impact du refroidissement et des signaux climatiques hautes fréquences sur les faunes et les flores lors de la glaciation ordovicienne).

Nos doubles compétences nous ont donc conduit àtravailler sur des périodes-clés de l’histoire de la Terre :

• l’Ordovicien supérieur, brève glaciation en début de convergence des plaques (Travaux de F. Paris, MP. Dabard, chapitre 2),

• le Permo-Trias, phase d’aplanissement du supercontinent Pangée et début de divergence (Travaux de S. Bourquin, chapitre 3),

• le Crétacé, transition convergence - divergence et période chaude du Phanéorozoïque (Travaux de D. Néraudeau, P. Courville, B. Gomez, chapitre 4 & F. Guillocheau),

• le Miocène terminal-Pliocène, la crise de salinité messinienne et sa restauration (Travaux de D. Néraudeau).


1. MODELE DE FACIES EN MILIEUX PROFONDS TURBIDITIQUES

Plusieurs types de modèles de faciès ont été construits dans l’équipe depuis 2002, des systèmes fluviatiles (voir chapitre 3, travaux de Sylvie Bourquin), àla transition fluviatile-marin (Estuaires, Dévonien de Lybie, travaux de J.N. Proust) jusqu’aux prismes côtiers subactuels (Bretagne, PRIR région Bretagne, J.N. Proust coordonnateur).
Nous avons choisi de vous présenter la contribution rennaise àla connaissance des systèmes gravitaires (« turbiditiques  ») anciens (travaux de F. Guillocheau, C. Robin, D. Rouby et T. Nalpas).


Figure 1 : Modèle géométrique du système turbiditique du bassin d’avant-pays des Grès d’Annot en réponse àune variation du niveau marin de quelques centaines de milliers d’années - distribution des associations de faciès sédimentaires (FA1 àFA5, Guillocheau et al., 2004)


1.1. Les systèmes turbiditiques de bassins d’avant-pays (Grès d’Annot, Alpes)

Les bassins d’avant-pays sont caractérisés par une plaine sous-marine peu profonde (x100m) étroite (x10km) alimenté longitudinalement. Dans le cas du basin éocène terminal des Alpes françaises, l’alimentation se fait par des cônes alluviaux.
Nous avons construit (Guillocheau et al., 2004), dans un programme de recherche avec l’IFP, un double modèle sédimentologique et stratigraphique (Fig.1) en réponse àune variation du niveau marin de quelques centaines de milliers d’années. Deux systèmes de formes, préservation et faciès différents se succèdent dans le temps : un système en construction (« accretionary  ») et son alimentation amont (« feed  ») et un système en étalement (« spread  »). Ce modèle permet (1) de prédire l’architecture de ces systèmes et d’éventuels réservoirs associés et (2) par corrélation (stratigraphie séquentielle) de reconstituer la géométrie 3D du bassin d’avant-pays (Euzen et al., 2004 ; Fornel et al., 2004), base de quantification du rôle des processus tectoniques et climatiques àl’origine du remplissage de ce bassin.

1.2. Les systèmes turbiditiques de marge (Marge angolaise)

Les bassins de marge passive sont caractérisés par une plaine sous-marine profonde (x1000m). Dans le cas de la Marge angolaise, la tectonique salifère induit une transition plateau continentale - plaine sous-marine, très longue (x100 km). Les systèmes turbiditiques chenalisants se développent àpartir de quelques centaines de mètres de profondeur pour parcourir une pente de topographie complexe présentant de nombreuses ruptures de pente, associées àdes zones subsidentes de préservations sédimentaires (« ponded basins  », largeur x10km).



Figure 2 : Les systèmes de chenaux turbiditiques de la Marge angolaise : images sismiques àhaute résolution. a) forte préservation. b) baible préservation (Broucke et al., 2004)


Nous avons construit (Broucke et al., 2004), dans un programme de recherche avec Total, un double modèle sédimentologique et stratigraphique (Fig.2) afin de comprendre les variations de préservation des systèmes turbiditiques sur des échelles de temps de plusieurs millions d’années. En période faible préservation, nous avons construit un modèle de chenaux érosifs àfaible developpement des levées, tandis que dans les périodes forte préservation, nous avons développé un modèle de chenaux en construction. Toutes les échelles d’hétérogénéités du remplissage des chenaux ont été caractérisées. Le stade ultérieur de cette étude fut de comprendre l’incidence de la tectonique gravitaire sur ces chenaux.


2. PALEOENVIRONNEMENTS DU PALEOZOÃ QUE ANCIEN (Travaux de M.P. Dabard et F. Paris)

2.1. Variations très haute fréquence du climat, accès au temps et préservation des milieux de sédimentation

L’établissement de chartes eustatiques pour le Paléozoïque est actuellement un des objectifs des cherceheurs travaillant sur le Paléozoïque (e.g., Nielsen 2004, pour Baltoscandia ; Haq & Al Qahtani 2005 pour la Plaque arabe ; B. Videt et al. 2006 pour le nord Gondwana). Il nécessite d’identifier des outils permettant d’accéder au temps. Récemment, Webby et al. (2004) ont proposé une calibration chronostratigraphique de certaines biozones pour l’Ordovicien. La marge nord gondwanienne a récemment fait l’objet de recherches micropaléontologiques approfondies (thèse de A. BOURAHROUH 2002 ; travaux sur l’Ordovicien Supérieur du Maroc dans le cadre de projets ECLIPSE II, Post Doctorat de B. VIDET). Les régions nord-gondwaniennes ont donc servi de cadre paleogéographique àce projet.

Les calibrations biostratigraphiques et chronostratigraphiques ne permettent pas d’accéder en routine aux variations àhaute et très hautes fréquences (<1 Ma). Cependant, celles-ci peuvent s’exprimer dans l’enregistrement sédimentaire par des faciès spécifiques. En fonction de leur signification stratigraphique, ces faciès constituent des niveaux repères pour la calibration du temps (relations entre vitesse de sédimentation, durée des biozones et ordre des séquences) et pour l’établissement de corrélations àgrande échelle. Des travaux menés sur des plates-formes terrigènes paléozoïques dans les régions nord gondwaniennes ont ainsi montré que les diminutions du flux terrigène pendant les phases de rétrogradation àhaute et très haute fréquence peuvent se traduire par des accumulations coquillières spécifiques (Type B d’après Botquelen et al. 2002, 2004) et/ou des enrichissements siliceux (Loi & Dabard 2002) (voir figure jointe). D’autres lithologies (roches phosphatées ou ferrugineuses) peuvent y être associées et une modélisation est actuellement en cours d’élaboration.

Un second volet des recherches a été consacré àl’évaluation des variations du niveau marin au cours de l’Ordovicien. Ce thème a été développé par Blaise VIDET, au cours d’un Post-doctorat financé par TOTAL S.A. (2005-2006). Une stratigraphie haute résolution s’appuyant sur les biozones de chitinozoaires, calibrées en âges absolus (Webby et al. 2004 ; Paris et al. 2004) a permis d’étalonner l’analyse séquentielle au niveau du 3ème ordre. En démontrant la contemporanéité de certains événements transgressifs et régressifs àl’échelle du Nord Gondwana, les événements àsignature gondwanienne, voire globale, ont pu être séparés des manifestations plus locales (généralement contrôlées par réactivations tectoniques).

2.2. Incidence des fluctuations environnementales sur la paléobiodiversité

Dans l’actuel et pour les périodes plus anciennes, les principes physico-chimiques régissant les environnements (e.g., dynamique de la sédimentation, circulations océaniques ou atmosphériques) répondent aux mêmes lois. Pour les communautés fauniques, en revanche, il existe une spécificité Paléozoïque, qui implique des approches adaptées. Plusieurs projets (PICG n°410, puis n°503 ; thèse de A. BOURAHROUH, projet ECLIPSE II) ont donc été successivement développés pour étudier plus précisément les relations entre les fluctuations de la diversité faunique et les modifications des paléoenvironnements au Paléozoïque ancien. L’exemple de l’Ordovicien a été privilégié car il intègre une période dite « Ã effet de serre  », suivie d’une dégradation climatique aboutissant àune glaciation majeure àla fin du Système (Bourahrouh 2002 ; Monod et al. 2003 ; Bourahrouh et al. 2004) La récupération post-crise a également abordée (Kriz et al. 2003 ; Piçarra et al. 2002 ; Bourahrouh 2002). Le PICG 410 (1997-2002) s’est traduit par une avancée significative des connaissances sur la dynamique de la biodiversité ordovicienne. Celle-ci a été quantifiée groupe par groupe, selon un même protocole (« tranches de temps  » prédéfinies ; méthodes de calcul uniformisées ; mesures portant sur les familles, les genres et les espèces). Les résultats, impliquant une centaine de chercheurs de 20 nationalités différentes, ont été publiés dans un ouvrage de près de 500 pages « The Great Ordovician Biodiversification Event  » (voir Webby, Paris, Droser & Percival eds. 2004, Columbia University Press ). Dans le cadre du PICG 503 et d’un projet ECLIPSE, tous deux en cours, l’influence des principaux paramètres environnementaux sur les perturbations majeures de la biodiversité ordovicienne (e.g., phases de radiation, phases d’extinction) a ensuite été évaluée. Il en ressort, pour l’instant, que les modifications paléogéographiques, elles-mêmes intimement liées àla géodynamique interne, paraissent avoir l’impact le plus déterminant sur les populations ordoviciennes, qu’elles soient benthiques, nectiques, ou àmode de dispersion pélagique (Achab et Paris, 2006). L’analyse du rapport entre les valeurs du d13Corg sur chitinozoaires triés et les fluctuations de diversité de ce groupe a été entreprise en 2004-2005 (ECLIPSE II) et se poursuit sur du matériel algérien de subsurface (avant-projet ANR).


3. LES PALEOENVIRONNEMENTS FLUVIATILES TRIASSIQUES

L’originalité de la contribution rennaise (travaux de S. Bourquin) est de quantifier les variations de préservation des systèmes continentaux àl’échelle des plus petits cycles stratigraphiques, permettant ainsi de restituer les paléogéographies anciennes et de quantifier l’impact de la tectonique, de l’eustatisme et du flux sédimentaire sur le message stratigraphique (Bourquin et al., 2002 ; Brault, 2002 ; Brault et al., 2004 ; Péron, 2004 ; Bourquin et al., 2006 ; Hamouche, 2006 ; Bourquin et al., acceptée). Ces travaux ont contribué àune meilleure compréhension de cette période de l’histoire de la Terre qu’est le Trias, grâce notamment aux reconstitutions paléogéographiques et climatiques (Péron et al., 2005 ; Brayard et al., 2006).

3.1.Évolution des systèmes continentaux triasiques : géodynamique européenne (Péron, 2004 ; Bourquin et al., 2006)

L’évolution depuis des systèmes fluviatiles en bassins endoréiques de grandes tailles, vers des systèmes côtiers, puis des systèmes en bassins endoréiques de taille plus petites, peuvent résulter de l’éclatement du supercontinent qu’est la Pangée. La cause de la préservation des systèmes fluviatiles et leur extension dans l’espace peut donc être l’expression de contrainte tectonique alors que l’architecture stratigraphique observée àl’intérieur d’un système donné peut résulter des variations de pluviosité en contexte climatique aride.


Figure 3 : Reconstitutions paléogéographiques au Trias inférieur (245 Ma). (A) carte àl’échelle globale àpartir de données bibliographiques, (B) carte détaillée du domaine ouest-téthysien àpartir des données sédimentologiques (Péron et al., 2005)


3.2. Reconstitutions paléoenvironnementales (Fig. 3) et simulations climatiques (Fig. 4) : influence de la topographie et du flux d’eau et de sédiments sur la préservation des systèmes fluviatiles (Péron et al., 2005)

Les séries fluviatiles préservées sur de fortes épaisseurs, contrairement aux idées communément admises, ne reflètent pas obligatoirement le climat du bassin mais celui de la zone d’apport. Les sédiments ne sont alors pas le reflet du climat de la zone de préservation, il peut y avoir confusion entre climat du bassin (aride) et de la zone d’alimentation avale (humide).

Figure 4 : Simulations climatiques au Trias inférieur (245 Ma), dans le cas des topographies basses (Péron et al., 2005)



4. LES PALEOEVIRONNEMENTS CRETACES COTIERS

Parmi les différentes projets menés par le groupe de paléontologie, structuré autour de D. Néraudeau (P. Courville, actuellement en délégation CNRS àLille et B. Gomez) - description des rythmes des changements de la biodiversité marine entre les zones boréales et téthysiennes au Jurassique supérieur (travaux de P. Courville), les bassins messiniens àla transition Méditerranée / Atlantique (travaux de D. Néraudeau) - celui qui a eut le plus grand retentissement concerne le Crétacé (D. Néraudeau, animateur) avec la découverte d’insectes dans de l’ambre fossilisée dans des sédiments côtiers (environnements « paraliques  »), associé àdifférents restes de vertébrés et de végétaux (travaux de B. Gomez).

Etudiants : V. Girard (doctorant), V. Perrichot (DEA + doc.), B. Videt (DEA + Doc.), R. Vullo (DEA + doc.), A. Flotté (DEA), M. Lak (DEA), T. Le Diouron (DEA),

Les actions menées par les paléontologues de l’UMR 6118 sur le Crétacé ont été de 3 types : • nombreuses missions de prospection de gisements et de collecte de biomarqueurs fossiles (ambre, plantes, invertébrés, vertébrés) utilisables dans les interprétations paléoclimatiques et paléocéanographiques du Crétacé moyen et supérieur (intervalle Aptien-Maastrichtien) ; • analyses qualitatives et quantitatives de ces biomarqueurs en termes de paléoenvironnements, paléotempératures, paléosaisons et variations des lignes de côtes ; • publications de résultats sur les paléoenvironnements et la biodiversité des sites, fondamentaux pour les perspectives de recherche en paléoclimatologie du Crétacé.

Ciblées sur le Crétacé des Charentes, et dans une moindre mesure de l’Espagne et du Liban, les campagnes de terrain ont permis d’identifier de nombreux faciès paraliques, albiens ou cénomaniens, fournissant 4 gammes de biomarqueurs utilisables en paléobiologie, paléoclimatologie et paléogéographie du Crétacé, dont les premiers résultats sont en cours de publication ou déjàpubliés (Geol. Mag, 2003 ; Ann. Entomol. Soc. Amer., 2003 ; Eur. J. Entomol., 2004 ; Palaeontology, 2004 ; Acta Pal. Pol., 2006 ; J. Syst . Paleont., 2004 ; Cret. Research, 2005 ; Eclogae Geol. Helv., 2003 ; Géobios, 2002 ; Neues Jarb., 2005 ; ...).

Gamme I : des végétaux terrestres sous formes de : (a) pollen & spores pouvant donner un signal par assemblage du contexte climatique régional de chaque moment stratigrahique étudié ; (b) cuticules fournissant une lecture directe du climat contemprain de la vie de la plante, àl’échelle de la saison, notamment via la structure et l’arrangement des stomates ; (c) empreintes de feuilles fournissant une lecture directe du climat contemporain de la vie de la plante, àl’échelle de la saison, notamment via le découpage du pourtour de la plante (type multilobé plus « chaud « que le type unilobé, feuilles d’ombre ou de lumière selon l’aspect global, ...) ; (d) bois lignitisé, limonitisé ou silicifié donnant une lecture directe des variations climatiques saisonnières, notamment via la présence et la rythmicité des cernes.

Figure 5 : Variations des signaux isotopiques des Pycnodonte au cours de leur croissance. Les figurés grisés représentent les périodes les plus froides. A) Pycnodonte biauriculata de la Dionnière, Cénomanien supérieur. B) Pycnodonte biauriculata de l’Ile Madame, Cénomanien supérieur. C) Pycnodonte biauriculata de Roulet, Cénomanien supérieur. D) Pycnodonte biauriculata de la coupe des Nonnes, Campanien supérieur.

Gamme II : des arthropodes et des microorganismes préservés dans l’ambre pouvant donner des signaux climatiques directs, àl’échelle de la vie des organismes fossilisés, avec possibilité de mettre en évidence des congruences saisonnières. Ainsi, les ambres àorthoptères (grillons, criquets) et scorpions signeraient des saisons très sèches qui ont pu être corrélées àdes phases de non-production pollinique (pas de pollen dans l’ambre) tout en étant des phases de blooms micro-algaires (abondances des diatomées, dinoflagellés, et cyanophycées dans l’ambre) ; des ambres riches en moustiques et autres insectes appréciant l’humidité ont également été découverts par ailleurs.

Gamme III : des vertébrés sous formes d’ossements, de dents, de coprolithes, ou de mues pouvant donner : (a) un signal isotopique du climat àl’échelle de la vie des espèces via leurs dents (requins, dinosaures) ou leurs carapaces (tortues) ; (b) un signal saisonnier via la mise en évidence de « nurseries  » àrequins témoignant des saisons de recrutement démographique ; (c) un signal saisonnier via leur croissance osseuse ou dentaire, leurs mues, ... (d) un signal paléogéographique de premier ordre, les vertébrés littoraux (aquatiques ou terrestres) soulignant par leur présence en un site donné le tracé précis des liges de côte passées et les possibilités d’échanges transcontinentales qui en découlent. Gamme IV : des invertébrés marins, sous forme de test (échinodermes) ou de coquilles (huîtres) donnant soit : (a) un signal qualitatif de la température des eaux et de la productivité (maximum chaud signé par la surabondance et la surépaisseur des coquilles chez les mollusques et par l’hypertrophie des ambulacres chez les échinides irréguliers) ; (b) un signal quantitatif de la saisonalité via les variations isotopiques du carbone et de l’oxygène dans les stries de croissaance des coquilles d’huîtres (cf. Figure 1) ; (c) un signal qualitatif de la saisonalité via le recrutement démographique des cohortes et leur fossilisation « spontanée  » suite àdes mortalités catastrophiques.



PUBLICATIONS

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