[PDF] Evolution de la circulation océanique profonde durant le Crétacé

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Université de Bourgogne - Dijon

UMR CNRS/uB 6282 - Biogéosciences

Thèse pour l'obtention du grade de Docteur de l'Université de Bourgogne en Sciences de la Terre

Evolution de la circulation océanique profonde durant le

Crétacé - Apport des isotopes du néodyme

Par

Mathieu Moiroud

Soutenue le

02 juillet2014devant un jury composé de :

Pr. Jean-François DECONINCK Université de Bourgogne Directeur de thèse Dr. Guillaume DERA Université Paul Sabatier, Toulouse 3 Examinateur

Dr. Yannick DONNADIEU LSCE Directeur de thèse

Pr. Frédéric FLUTEAU IPGP Examinateur

Pr. Fabrice MONNA Université de Bourgogne Examinateur Dr. Emmanuelle PUCEAT Université de Bourgogne Co-encadrant de thèse

Dr. Kazuyo TACHIKAWA CEREGE Rapporteur

Pr. Nicolas TRIBOVILLARD Université de Lille 1 Rapporteur

Université de Bourgogne - Dijon

UMR CNRS/uB 6282 - Biogéosciences

Thèse pour l'obtention du grade de Docteur de l'Université de Bourgogne en Sciences de la Terre

Evolution de la circulation océanique profonde durant le

Crétacé - Apport des isotopes du néodyme

Par

Mathieu Moiroud

Soutenue le

02juillet2014 devant un jury composé de :

Pr. Jean-François DECONINCK Université de Bourgogne Directeur de thèse Dr. Guillaume DERA Université Paul Sabatier, Toulouse 3 Examinateur

Dr. Yannick DONNADIEU LSCE Directeur de thèse

Pr. Frédéric FLUTEAU IPGP Examinateur

Pr. Fabrice MONNA Université de Bourgogne Examinateur Dr. Emmanuelle PUCEAT Université de Bourgogne Co-encadrant de thèse

Dr. Kazuyo TACHIKAWA CEREGE Rapporteur

Pr. Nicolas TRIBOVILLARD Université de Lille 1 Rapporteur 4 5

Remerciements

Trois ans et demi de thèse, au final, cela représente une tranche de vie. A l'issue de la rédaction de ce

manuscrit, il est temps de rendre hommage aux personnes qui, de près ou de loin, ont contribué à cette

expérience.

Ma gratitude va en premier à mes directeurs de thèse, sans qui ce travail n'aurait pas été ce qu'il est.

Je remercie Emmanuelle, Yannick et Jean-François de m'avoir fait part de leur expérience, de leur soutien et

de leurs recommandations.

Je salue les membres du Laboratoire Biogéosciences de Dijon, avec qui j'aurais fait un bon bout de

route depuis la Licence. Salutations particulières à Rémi Laffont pour son aide sur ArcGIS et les stats,

Jérôme Th

omas pour les conseils photo (et les bonnes adresses !), Ludo Bruneau pour sa patience et son aide

au labo. Mention spéciale à Alexis pour m'avoir supporté durant de longs mois dans nos bureaux successifs

(souvenirs du Placard et du Pigeonnier !). Un grand merci également à Germain Bayon, Yoan Germain,

Emmanuel Ponzevera, et Nico bien sûr pour leur accueil à l'Ifremer de Brest, et leur aide pour les

manipulations dans le Red Lab et les analyses isotopiques sur le Neptune.

La vie à Dijon, ce sont aussi les amis rencontrés durant ces années à la fac, en colloc, à l'Asso de

Géol et en soirées. Salutations joviales à Clayman, Nono, Tyybot, Tony, ptit JD, Matthieu, Morgane, DDP,

et tous les autres. Merci pour votre bonne humeur, et pour m'avoir fait découvrir l'art de vivre bourguignon

en votre compagnie ! Une pensée affectueuse également à ceux qui m'ont suivi depuis mes années pré-

dijonnaises : merci aux amis de Quaix, de Saint-Egrève et de Grenoble ! Je remercie ma famille pour avoir toujours cru en moi et pour son soutien. Toute ma tendresse pour

mes parents, et pour mon frère qui a toujours su me faire aller de l'avant ! Enfin, tout mon amour pour celle

qui partage ma vie, mes joies et mes épreuves depuis ces quatre dernières années. 6

Résumé

Le Crétacé est décrit comme la période la plus chaude des derniers 300 millions d'années. Le

Crétacé supérieur est marqué par un refroidissement progressif du climat, la fin des épisodes d'anoxie des

eaux et de dépôts riches en matière organique, ainsi que d'importantes modifications dans la configuration

des continents. Bien que la détermination des modes de circulation océanique soit cruciale pour comprendre

le rôle de l'océan dans l'évolution du climat, la circulation océanique et l'origine des eaux profondes

alimentant les différents bassins restent encore mal connues pour le Crétacé.

Les isotopes du néodyme (Nd) permettent de tracer la circulation océanique et les échanges entre les

masses d'eau, et ont été utilisés pour explorer la circulation océanique globale à la fois dans les océans

actuels et dans le passé. La composition isotopique en Nd (ε Nd ) des océans dérive de manière plus ou moins

directe de celle des continents. Pour les eaux profondes, la signature dépend des continents érodés autour des

zones de plongement des eaux et de la circulation océanique, et chaque bassin océanique est caractérisé par

une signature qui lui est propre. L'interprétation du signal du Nd des eaux océaniques au Crétacé est rendue

difficile du fait de la couverture spatiale et temporelle insuffisante des données d'ε

Nd existantes. En

particulier, les données disponibles sur les marges continentales sont encore très peu nombreuses, bien

qu'elle soient indispensables pour pouvoir identifier les zones de production d'eaux profondes par

comparaison directe de leur ε Nd avec les eaux des bassins océaniques.

L'objectif de cette thèse est dans un premier temps d'acquérir la signature en Nd sur les marges

continentales et dans les régions dépourvues de données pour le Crétacé, avec une attention particulière pour

les zones potentielles de production d'eau profonde. L'ε Nd est analysé à partir d'échantillons de dents de

poissons, d'oxydes encroûtant les tests de foraminifères, et de fraction détritique extraits des sédiments. En

parallèle, une compilation des données d'ε Nd disponibles dans la littérature pour le Crétacé et le Paléogène a

été réalisée, afin de les comparer aux données de ce travail et d'élaborer des hypothèses concernant les zones

de production des eaux profondes et la circulation des masses océaniques au cours du Crétacé.

Ces hypothèses sont ensuite confrontées avec un modèle climatique. Les résultats révèlent que les

valeurs d'ε Nd des bassins océaniques semblent suivre les variations de températures sur le long terme durant

le Crétacé supérieur et le Paléocène. Les simulations numériques montrent toutefois que le climat global

n'aurait pas d'effets significatifs sur la circulation océanique profonde. La co-variation entre ε

Nd et

températures serait plutôt liée à l'évolution de paléogéographie. En modifiant la géométrie des bassins

océaniques et les terrains à l'érosion, les changements tectoniques influenceraient la signature isotopique

continentale exportée dans les océans et la circulation océanique profonde, et parallèlement le climat.

Mots-clés : Crétacé, isotopes du néodyme, terres rares, circulation océanique, modélisation climatique.

7

Abstract

The Cretaceous is depicted as the warmest period of the last 300 Ma. The Late Cretaceous is

characterized by a long-term cooling, the cessation of oceanic anoxic events with deposits rich in organic

matter, and major changes in the configuration of the continents. Though the oceanic circulation modes are

essential to understand the role of oceans in climate evolution, the oceanic circulation and location of source

zones of deep-waters in the basins remain unclear for the Cretaceous. The neodymium (Nd) isotopes are used to track oceanic circulation and exchanges between water masses, in both past and modern oceans. The Nd isotope composition (ε Nd ) in the ocean derives more or less

directly from that of adjacent continental landmasses. In deep-waters, the isotopic signature is related to the

composition of the continents surrounding the area of water sinking and current transport, thus every oceanic

basin acquires a singular ε Nd . Unequivocal interpretations of the Cretaceous seawater ε Nd values stem from

the insufficient spatial and temporal cover of the available data. In particular, data from continental margins

remain very scarce, yet they are essential to identify the neritic regions of deep-water production by

comparing their ε Nd with basinal bottom waters. This PhD thesis firstly intents to collect the Nd signature of continental margins and in regions

without data for the Cretaceous, with special attention given to the potential source zones of deep-water

production. Fossil fish teeth, oxide coatings on foraminifera tests and detrital fraction from Late Cretaceous

sediments are analyzed for their ε Nd . The results of this work are compared to a compilation of ε Nd values

available in the literature for the Cretaceous and the Paleogene, in order to propose hypotheses for the

location of the potential deep-water source zones and their evolution throughout the Cretaceous. These hypotheses are then confronted to a coupled ocean-atmosphere circulation model. The results show that the ε Nd values seem to follow the long-term temperature variations during the Late Cretaceous and

the Paleocene. However the numerical simulations suggest that deep oceanic circulation is not significantly

altered by global climate. Instead, the tectonic evolution may be the primary cause of fluctuations in the

continental ε Nd exported to the oceans, as well as the changes in oceanic circulation and climate, through modifications of the basinal configurations and the eroded landmasses. Keywords: Cretaceous, neodymium isotopes, rare earth elements, oceanic circulation, climate model. 8

Table des matières

Remerciements

............................................................ 5 Résumé ........................................................................ ........................................................................ 6 Abstract ........................................................................ ....................................................................... 7 Table des matières ........................................................................ ...................................................... 8

Introduction générale - Objectifs de la thèse .......................................................... 15

Partie 1

Néodyme, océanographie et paléo-océanographie

1. Le néodyme comme traceur de la circulation océanique .......................................................... 25

1.1. Généralités sur le néodyme ........................................................................................................... 25ε

1.2. Terres rares et isotopes du néodyme dans les océans actuels ...................................................... 26ε

1.2.1. Les terres rares dans les océans ..................................................................................... 26ε

1.2.2. La composition isotopique en Nd comme traceur de la circulation océanique

actuelle

............................................................................................................................. 27

1.3. Budget en néodyme des océans et comportements non-conservatifs du néodyme ........................ 31ε

1.3.1. Les sources de néodyme dans les océans ...................................................................... 31ε

1.3.2. Le " Nd paradox » et le " reversible scavenging » ....................................................... 33ε

1.3.3. Le " boundary exchange » ............................................................................................ 34ε

1.3.3. "

Reversible scavenging » et comportement non-conservatif du Nd : le cas

particulier du Pacifique .................................................................................................... 35

2. Le néodyme dans l'étude des océans ancie

ns ..... 36

2.1. Transposition du néodyme en paléo

-océanographie .................................................................... 36ε

2.2. Archives sédimentaires et enregistrement du signal isotopique ................................................... 38ε

2.2.1. Les concrétions riches en fer et en manganèse ............................................................. 38ε

2.2.2. Les phosphates et les apatites biogènes ........................................................................ 40ε

2.2.3. Les oxydes authigènes encroûtant les sédiments .......................................................... 42ε

2.2.4. La calcite biogène et les encroûtements des tests de foraminifères .............................. 43ε

2.2.5. Bilan des supports et matériel sélectionné pour cette étude .......................................... 46ε

Résumé de la Partie 1 ........................................................................ ............................................... 49 9

Partie 2

Méthodologie analytique et protocoles

1. Sélection et acquisition du matériel à analyser ........................................................................

.. 53

1.1. Obtention du matériel ................................................................................................................... 53ε

1.2. Tri et nettoyage ............................................................................................................................. 53ε

2. Procédures d'attaque et chimie du néodyme ........................................................................

..... 55

2.1. Procédures d'attaque des différents supports ............................................................................... 55ε

2.1.1. Restes fossiles de poissons ............................................................................................ 55ε

2.1.2. Encroûtement des tests de foraminifères ....................................................................... 55ε

2.1.3. Fraction détritique de la roche totale ............................................................................. 57ε

2.2. Extraction sur les colonnes de résine ........................................................................................... 58ε

2.2.1. Première série de colonnes et séparation de la fraction terres rares .............................. 58ε

2.2.2. Deuxième série de colonnes et séparation de la fraction néodyme ............................... 58ε

3. Mesures analytiques ........................................................................

............................................. 60

3.1. Analyses élémentaires des terres rares ......................................................................................... 60ε

3.2. Analyse isotopique du néodyme .................................................................................................... 61ε

4. Calculs et modèles d'âges ........................................................................

..................................... 62quotesdbs_dbs43.pdfusesText_43

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