Relations sulfates/carbonates pendant la diagenèse des sédiments marins

Relations sulfates/carbonates pendant la diagenèse des sédiments marins

Introduction

Les concrétions dolomitiques découvertes lors de campagnes de terrain en Juin 5 contiennent différents ciments carbonatés et sulfatés supposés s’être formés au cours de la diagenèse d’enfouissement (dolomite, calcite, célestine et barytine). Ils apparaissent dans des structures telles que des fractures septariennes, tectoniques ou encore des traces de bioturbations (Hoareau, 6). Les marnes qui contiennent ces concrétions sont elles-mêmes recoupées par des fractures tectoniques contenant de la calcite et de la célestine, témoignant de mouvements cisaillants associés à la structuration tectonique du bassin d’Ainsa. Dreyer et al. (99) ont montré que les dépôts constituant le complexe deltaïque du Sobrarbe ont subi un enfouissement inférieur à 2 km. Les concrétions contenant les phases diagénétiques étudiées au cours de ce travail ont initialement été décrites dans deux affleurements très proches (Sud et Biñas d’Ena) puis, au fur et à mesure des investigations effectuées au cours des missions de terrain (Septembre 6, Janvier 7, Novembre 7 et Mars 8), décrites à différents endroits, au nordouest du delta et toujours dans des marnes du FA1. Après avoir localisé et décrit les différents emplacements contenant les concrétions carbonatées, nous présenterons les méthodes analytiques utilisées pour leur étude. Par la suite, les premiers résultats seront présentés grâce à une étude des concrétions et des ciments qu’elles contiennent réalisée sur un emplacement découvert dès 5 (Biñas d’Ena) (Hoareau et al., 9). Dans la section suivante, nous présenterons les résultats obtenus au cours des deux années suivantes sur l’ensemble des affleurements à partir d’une étude intégrant relevés de terrain, observations pétrographiques, analyses isotopiques et microthermométriques. Une section sera par la suite consacrée aux conditions de précipitation des dolomites, grâce à une étude de la composition des marnes et des concrétions sur roche totale. Enfin, nous proposerons une interprétation des résultats en termes de conditions de précipitation des différentes phases et les comparerons aux études déjà effectuées dans le bassin d’Ainsa, au sein des dépôts du Hecho Group.

Localisation des concrétions carbonatées dans le delta

Les concrétions carbonatées étudiées au cours de ce travail ont été échantillonnées à 8 emplacements différents (Figure 2.1), qui seront nommés champ par la suite. Parmis les champs étudiés, 4 appartiennent à une seule séquence (séquence de Biñas) définie pendant le travail de Callot et al. (9) (Figure 2.2). Du sud vers le nord, nous trouvons les champs suivants, nommés en fonction de la microtoponymie locale ou de repères topographiques utiles (les noms des échantillons, prélevés lors de différentes missions depuis 6, ne respectent pas toujours la nomenclature élaborée au fur et à mesure des découvertes): – le champ Sud (Figure 2.3) dont les concrétions sont au nombre de et nommées « S », est situé à seulement m du champ Biñas d’Ena, dans la même série. La succession marneuse contenant la majorité des concrétions a une épaisseur d’environ 3 mètres. Elle repose sur une série marneuse épaisse constituant le sommet de la formation de Las Gorgas, dans laquelle passe la cicatrice d’instabilité S2 définie par Callot et al. (9). Les deux séries sont séparées par un niveau de grès silteux bioturbés (FA2) d’environ 1 m d’épaisseur et contenant aussi des concrétions dolomitiques comparables à celles décrites par Dreyer et al. (95). Le sommet de la série évolue vers le faciès FA2, marquant le passage à l’unité de Barranco El Solano. Les faciès marneux sont bien lités, ont une couleur gris foncé et sont riches en nodules d’oxydes de fer résultant de l’altération de pyrite. Les concrétions sont principalement alignées dans une même couche, 1 m au-dessus des grès FA2. Elles présentent plusieurs types de morphologies : ovoïdes, allongées ou de forme complexe (Figure 2.3C) et renferment des ciments de calcite et de célestine. Leur diamètre varie entre environ 3 cm et presque 2 m ;

Pétrographie : optique, MEB et cathodoluminescence

Les concrétions carbonatées et les marnes qui les contiennent ont été caractérisées sur échantillons bruts et polis et à partir de 65 lames minces, en utilisant la pétrographie optique, la cathodoluminescence et la microscopie optique à balayage (MEB), associé à un spectromètre à énergie dispersive (EDS). Les observations optiques ont été réalisées sur échantillons bruts et polis à la loupe binoculaire, et sur lame mince polie. Les observations au MEB, réalisées au LMTG, ont été faites sur un appareil JEOL 636LV avec un voltage d’accélération électronique de kV, en mode rétrodiffusé ou secondaire selon les circonstances. La spectrométrie EDS associée au MEB utilise un détecteur Sahara PGT. Les observations en cathodoluminescence ont été faites sur un appareil CITL Cold Cathode Luminescence 8 MK4, avec un voltage d’accélération de 12.5kV en moyenne et une intensité de 2 µA au Laboratoire Géosystèmes de Lille. L’acquisition des images, réalisée avec une caméra Diagnostic SPOT FLEX, a été faite sur des temps de pose d’environ 3 minutes en raison de la très faible luminescence de la majorité des phases étudiées.

Pétrographie et microthermométrie sur inclusions fluides

Les inclusions fluides sont des cavités piégées dans les minéraux durant ou après leur croissance. Piégées dans des minéraux diagénétiques, elles peuvent fournir des informations sur la nature des fluides au moment de la précipitation du minéral considéré ou sur des fluides postérieurs à sa formation. Leur étude passe par plusieurs techniques : observations pétrographiques, analyses microthermométriques ou encore analyse géochimique direct du contenu des inclusions. Au cours de cette étude nous avons uniquement procédé à une étude pétrographique et microthermométrique détaillée des calcites, célestines et barytines. L’étude pétrographique s’est basée sur l’approche proposée Goldstein and Reynolds (94) : la discrimination de plusieurs types d’inclusions fluides pouvant avoir une origine différente au sein d’un même cristal passe par l’identification de différents assemblages d’inclusions fluides (fluid inclusion assemblage ou FIA) en fonction de leur taille, forme, rapport vapeur/liquide pour les inclusions biphasées mais aussi de leur position au sein du cristal : le long d’une fracture cicatrisée (inclusions secondaires ou pseudo-secondaires) ou le long de bandes de croissance du cristal (inclusions primaires). La pétrographie des inclusions fluides a été effectuée sur des lames minces polies, des lames épaisses polies sur les deux faces (1µm) ou sur des esquilles polies sur les deux faces à l’aide de poudre d’alumine .4 µm. La microthermométrie sur inclusions fluides consiste à chauffer puis à refroidir les inclusions afin d’obtenir, via les températures de transition de phase, des informations quantitatives sur les conditions thermiques et barométriques lors de la précipitation des minéraux ainsi sur la nature des fluides piégés dans les inclusions. Pour cela, plusieurs températures de transition de phase doivent être mesurées avec précision lors des manipulations de refroidissement : la température de début de fusion de la glace ou eutectique (Te) à partir de laquelle est déterminée la composition du sel présent dans l’inclusion, la température de fin de fusion de la glace (Tfg) qui permet de déterminer la concentration en sels de l’inclusion et la température d’homogénéisation (Th), mesurée au cours du chauffage, qui permet de déterminer une température minimale de piégeage des fluides à partir d’inclusions biphasées (liquide + vapeur). Les mesures microthermométriques ont été réalisées à l’aide d’une platine chauffante et refroidissante (cooling heating stage) USGS Fluid Inc.TM au Laboratoire Géosystèmes de Lille, ainsi qu’à l’aide d’une platine automatique Lincam THMSG6 au LMTG. La salinité des fluides piégés dans les inclusions a été déterminée dans le système NaCl-H2O à l’aide du programme BULK (Bakker, 3).

Table des matières

INTRODUCTION
I. CADRE GEOLOGIQUE DU DELTA DU SOBRARBE
1.1. Formation alpine des Pyrénées
1.2. Le bassin d’avant-pays Sud Pyrénéen
1.2.1. Evolution tectonique
1.2.2. Relations tectono-sédimentaire
1.3. Le bassin d’Ainsa
1.3.1. Cadre général
1.3.2. Age des dépôts
1.3.3. Structuration du bassin à l’Éocène
1.3.4. Liens avec le bassin de Jaca: le Hecho Group
1.4. Le complexe deltaïque du Sobrarbe
1.4.1. Mise en place du delta
1.4.2. Stratigraphie des dépôts
1.4.3. Lithologie
II. LA DIAGENESE DES SEDIMENTS DU DELTA DU SOBRARBE
2.1. Introduction
2.2. Localisation de concrétions carbonatées dans le delta
2.3. Méthodes d’études
2.3.1. Introduction
2.3.2. Pétrographie : optique, MEB et cathodoluminescence
2.3.3. Pétrographie et microthermométrie sur inclusions fluides
2.3.4. Analyses isotopiques : carbone et oxygène
2.3.5. Analyses isotopiques du soufre
2.3.6. Analyses élémentaires : microsonde
2.3.7. Analyses des teneurs en carbone et soufre
2.3.8. Analyses de Diffraction des Rayons X
2.4. Résultats préliminaires: origine des concrétions dolomitiques et des ciments carbonatés et sulfatés à Biñas d’Ena
2.4.1. Introduction
2.4.2. Publication 1: Dolomitic concretions in the Eocene Sobrarbe delta (Spanish Pyrenees): Fluid circulation above a submarine slide scar infilling
2.5. Résultats obtenus sur l’ensemble des affleurements
2.5.1. Lithologie et minéralogie des sediments
2.5.1.1. Lithologie
2.5.1.2. Minéralogie
2.5.2. Description des minéraux diagénétiques
2.5.2.1. Sulfures : pyrite
2.5.2.2. Dolomites
2.5.2.2.1 Dolomite disséminée dans les sédiments
2.5.2.2.2 Dolomite des concrétions
2.5.2.2.3. Dolomites des conduits
2.5.2.2.4. Dolomites ferreuses tardives
2.5.2.3. Calcites .
2.5.2.3.1. Calcites remplaçant les microfossiles
2.5.2.3.2. Calcite microsparitique (recristallisation des marnes)
2.5.2.3.3. Calcites comblant les fractures tectoniques
2.5.2.3.4. Calcites rousses
2.4.2.3.5. Calcites télogénétiques
2.4.2.3.6. Ciment indéterminé
2.5.2.4. Sulfates
2.5.2.4.1. Barytine
2.5.2.4.2. Célestines
2.5.3. Interprétation des résultats sur les phases diagénétiques
2.5.3.1. Ordre d’apparition des phases
2.5.3.2. Conditions de précipitation des pyrites
2.5.3.3. Conditions de précipitation des dolomites
2.5.3.4. Conditions de précipitation des calcites
2.5.3.4.1. Ciment C1
2.5.3.4.2. Ciments C2a et C2b
2.5.3.4.3. Ciments C3a et C3b
2.5.3.5. Conditions de précipitation des sulfates
2.5.3.5.1. Source des sulfates
2.5.3.5.2. Mécanismes de précipitation de la barytine
2.5.3.5.3. Mécanismes de précipitation de la célestine .
2.6. Origine de la dolomitisation : apports des analyses géochimiques sur roche totale
2.6.1. Introduction : les hypothèses couramment acceptée pour la formation de la dolomite
2.6.1.1. « Dolomite problem » et mécanismes d’inhibition
2.6.1.2. Modèles de précipitation en subsurface
2.6.1.3. Modèles de formation pendant la diagenèse précoce
2.6.1.4. Cas des concrétions dolomitiques
2.6.2. Intérêt des analyses de composition sur roche totale
2.6.3. Méthodes d’échantillonnage, d’analyses et de traitement des données
2.6.3.1. Stratégie d’échantillonnage
2.6.3.2. Méthodes analytiques
2.6.3.3. Traitement des données
2.6.4. Résultats : composition des marnes .
2.6.4.1. Détermination des pôles de composition
2.6.4.2. Eléments contenus principalement dans les phases du pôle shale
2.6.4.3. Eléments contenus principalement dans les phases du pôle carbonate
2.6.4.4. Eléments contenus dans d’autres phases : pyrite diagénétique, minéraux lourds et phases indéterminées
2.6.5. Résultats : composition des concrétions
2.6.5.1. Détermination des pôles
2.6.5.2. Eléments contenus principalement dans les phases du pôle shale
2.6.5.3. Eléments contenus principalement dans les phases du pôle carbonate
2.6.5.4. Eléments contenus dans d’autres phases : pyrite diagénétique, minéraux lourds et phases indéterminées
2.6.6. Comparaison des concentrations entre marnes et concrétions
2.6.6.1. Détermination des éléments enrichis ou appauvris dans les concrétions
2.6.6.2. Origine des enrichissements et appauvrissements
2.6.7. Variations de compositions au sein des concrétions
2.6.7.1. Cas des concrétions PR1 et ES1
2.6.7.1.1. Profils radiaux des variations de concentration des éléments
2.6.7.1.2. Interprétation
2.6.7.2. Cas de la concrétion BE2
2.6.7.2.1. Profils radiaux des variations de concentration des éléments
3.6.7.2.2. Interprétation
2.6.8. Impact du concrétionnement sur la composition des marnes
2.6.9. Calcul de compaction des sédiments autour des marnes suivant la méthode de Gresens
2.6.1. Synthèse : mécanismes de croissance des concrétions dolomitiques
2.7. Diagenèse : comparaison avec les dépôts antérieurs du bassin
2.7.1. Comparaison des structures dolomitiques (concrétions du delta et Yellow Beds du Hecho Group)
2.7.1.1. Dolomitisation dans les faciès turbiditiques : les Yellow Beds
2.7.1.2. Comparaison des observations pétrographiques des concrétions et des YB
2.7.1.3. Comparaison des analyses de composition sur roche totale
2.7.1.4. Comparaison des valeurs isotopiques
2.7.1.5. Interprétation
2.7.2. Diagenèse des grès du Hecho Group
2.7.3. Précipitation de sulfates et carbonates en zone de cisaillement – NE du bassin
2.7.4. Interprétation : enregistrement de la diagenèse à l’échelle du bassin d’Ainsa
2.7.4.1. Similarités texturales et compositionnelles entre faciès profonds et deltaïques
2.7.4.1.1. Dolomitisation
2.7.4.1.2. Formation des calcites
2.7.4.2. Influence de l’enfouissement sur les valeurs d’isotopes stables
2.7.4.2.1. Dolomites
2.7.4.2.2. Calcites
2.7.4.3. Apports des isotopes stables et inclusions fluides des carbonates sur la nature des fluides interstitiels à
l’échelle du bassin d’Ainsa
2.7.5. Synthèse : évolution des fluides diagénétiques dans le bassin d’Ainsa
III. ETUDE DE LA STABILITE DES SULFATES ET DES CARBONATES DANS LES SEDIMENTS MARINS : DEMARCHE ET METHODES
3.1. Introduction
3.2. Démarche suivie pour le calcul de la stabilité des minéraux dans les sédiments marins
3.2.1. Équilibre chimique, solubilité, produit d’activité ionique, produit de solubilité
3.2.2. L’indice de saturation
3.3. Choix de la base de la base de données
3.4. Présentation des données DSDP/ODP/IODP
3.3.1. Historique des programmes DSDP/ODP/IODP
3.4.2. Méthodes de prélèvement des eaux interstitielles
3.4.3. Méthodes de préparation et d’analyse des eaux interstitielles
3.4.4. Contenu de la base de données de composition des eaux interstitielles
3.4.5. Organisation des échantillons dans la base de données .
3.4.6. Corrections appportées à la base de données
3.4.7. Calcul des pressions et températures in situ
3.4.7.1. Température
3.4.7.2. Pression
IV. CALCUL DE L’EQUILIBRE DE LA CELESTINE, DE LA CALCITE ET DE L’ARAGONITE DANS LES EAUX INTERSTITIELLES DES SEDIMENTS MARINS
4.1. Introduction
4.2. Publication 2 (accepté à Geochimica et Cosmochimica Acta): A study of celestine equilibrium in marine sediment porewaters using the entire ODP/IODP data base
4.2.1 Introduction
4.2.2. Data selection
4.2.2.1. Correction of data base errors and typos
4.2.2.2. Borehole temperatures and pressures
4.2.2.3. Density calculations and conversion of molarities to molalities
4.2.3. Thermodynamic models for the calculation of mineral saturation indices
4.2.4. Results: the saturation state of marine sediment porewaters with respect to celestine
4.2.4.1. Characteristics of sites at equilibrium with respect to celestine
4.2.4.1.1. Lithological characteristics
4.2.4.1.2. Main characteristics of porewater compositions
4.2.4.1.3. Porewater saturation with respect to celestine: a synthesis of the main . results
4.2.5. Discussion
4.2.5.1. Implications of the extended celestine stability in marine sediments
4.2.5.1.1. The agreement between celestine saturation calculations and petrographical observations
4.2.5.1.2. Implications for diagenetic models of marine sediments
4.2.5.1.3. Implications for diagenetic studies of ancient sediments
4.2.5.2. Controls on celestine stability in marine sediments
4.2.5.2.1. Role of CaCO3 and organic carbon content of sediments on the stability of celestine
4.2.5.2.2. Dynamic fronts of celestine precipitation .
4.2.5.3. The apparent solubility product of celestine .
4.2.6. Conclusions
4.3. La stabilité de l’aragonite et de la calcite dans les sédiments marins
4.3.1. Introduction
4.3.2. Caractéristiques du système carbonaté en solution aqueuse
4.3.2.1. Définition du système
4.3.2.2. Définition de l’indice de saturation
4.3.3. Validité des calculs d’indices de saturation des carbonates dans les eaux interstitielles ODP/IODP
4.3.4. Utilisation du programme CO2SYS
4.3.4.1. Intérêt du programme
4.3.4.2. Choix du modèle et des paramètres
4.3.4.3. Etapes de calcul
4.3.4.4. Traitement des données
4.3.5. Résultats
4.3.5.1. Synthèse des variations de pH et alcalinité
4.3.5.2. Variation des indices de saturation de la calcite et de l’aragonite
4.3.6. Discussion : l’état de saturation de la calcite et de l’aragonite dans les eaux interstitielles comme
indication de la recristallisation des carbonates
V. A STUDY OF GYPSUM EQUILIBRIUM IN MARINE SEDIMENTS USING THE ENTIRE ODP/IODP POREWATER DATABASE
5.1. Introduction
5.2. Publication 3: The stability of gypsum in marine sediments using the ODP/IODP porewater data base (en preparation pour soumission à Marine Geology)
5.3. Introduction
5.4. Data selection
5.5. Thermodynamic model for the calculation of gypsum saturation index
5.6. Results: the saturation state of ODP/IODP porewaters with respect to gypsum
5.6.1: Gypsum saturation linked to the presence of evaporites or evaporitic brines
5.6.1.1. Saturation in sediment containing evaporite layers: example of sites 652 and 654
5.6.1.2: Saturation in brines in sediments devoid of evaporites: the example of Leg 2
5.6.2: Gypsum saturation due to the alteration of volcanogenic material
5.6.2.1 Saturation due to the alteration of volcanogenic material in sediments: example of Leg 126
5.6.2.2. Saturation due to the alteration of volcanogenic material with increasing salinity: case of Leg 134 – site
5.6.3. Other mechanisms leading to saturation
5.6.3.1. Saturation due to the alteration of the basaltic basement: case of Leg 4 – site 18
5.6.3.2. Saturation at sites of hydrothermal discharge: Leg 9 – site 138B
5.6.3.3. Case of Leg 1 – site 863 (Chile Triple Junction)
5.7. Discussion
5.7.1. Consequences on the formation of gypsum in marine sediments
5.7.2. The gypsum/anhydrite transition
5.8. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
Annexe 1: Composition des dolomites
Annexe 2: Composition des calcites
Annexe 3: Composition des sulfates
Annexe 4: Données de microthermométrie sur inclusions fluides
Annexe 5: Résultats des analyses ICP
Annexe 6: Corrections de la base de données Janus
Annexe 7: Complétion de la base de données Janus
Annexe 8: Gradients de température et températures à l’interface eau-sédiments
employés pour les calculs
Annexe 9: Annexe de la publication 2
Annexe 1: Échelles de pH employées lors des missions ODP
Annexe 11: Annexe de la publication