Sedimentology, mineralogy and geochemistry of cretaceous-tertiary (Gorgonilla, Colombia, and Zumaya, Spain) and paleocene-eocene (Douala, Cameroon) transitions: implications for paleoenvironmental reconstruction

Abstract

La limite Crétacé-Paléogène (KPB : ~66 Ma) à Gorgonilla (Colombie, Amérique Latine) et à Zumaya (Espagne, Europe Occidentale) ainsi que celle du Paléocène-Éocène (PEB : ~55,8 Ma) dans le sous-bassin de Douala (Cameroun, Afrique centrale), ont été examinées afin d'évaluer les signatures de l'extinction de masse du KPB et du maximum thermique du Paléocène-Éocène (PETM) et leurs impacts sur le paléoenvironnement et le paléoclimat. Sur la base d’une approche multidisciplinaire intégrant la lithologie détaillée, la sédimentologie, la biostratigraphie (foraminifères planctoniques et benthiques, ostracodes et pollens), la minéralogie (roche totale, argile et MEB) et la géochimie (isotopes stables, COT, mercure, éléments majeurs, traces et terres rares), il apparaît clairement que la section K/Pg de Gorgonilla est constituée de mudstones calcaires vert clair contenant diverses espèces microfossiles déposées dans un environnement bathyal entre la lysocline et la profondeur de compensation de la calcite, alternant avec des litharénites sombres-olives issues des processus volcaniques de la Grande Province Ignée des Caraïbes (CLIP) et qui ont atteint les eaux profondes par le biais des courants de turbidité. La transition entre les matériaux du Crétacé et du Paléogène est marquée par une surface d'érosion, surmontée d'une couche riche en sphérules de 3 cm qui se dissocie en trois sur un bord de l'affleurement et présente des tektites de couleur noire à jaune de taille variable (0,80-1,50 mm) présentant un granoclassement normal. Cinq zones à foraminifères planctoniques, dont CF3, CF2, CF1, P1a(2) et P1b, sont mises en évidence dans la section, ce qui indique des zones manquantes (P0, P1a(1) et P1a(2) inférieur) témoignant d'un hiatus KPB, au-dessus duquel un autre hiatus de faible amplitude est mis en évidence. La dissimilitude de composition chimique (principalement en Co, Cr et Ni) observée entre les tektites de grande taille et les plus petites témoigne d'un remaniement de celle-ci au cours duquel les larges sphérules s'enrichissent en éléments detritiques communs (avec une composition très proche de celle de la matrice), tandis que les plus petites présentent une composition chimique proche de celle de la chondrite. Aucun signe de volcanisme du Deccan (et/ou d'un autre épisode de volcanisme distal) ni de d'hydrothermalisme n’a été mis en évidence à Gorgonilla. Cependant, des particules de panaches hydrothermaux, provenant probablement de la Grande Province Ignée des Caraïbes (CLIP), et une faible diagenèse d'enfouissement ont imprégné ces matériaux. La transition K/Pg est marquée par un climat contrasté et une forte variabilité du niveau de la mer : la baisse de δ 18Ocarb (~ 3 ‰) et de l'indice du détritisme (DI) ainsi que les valeurs élevées de CIA observées juste en dessous de la KPB sont la preuve d'un Maastrichtien terminal chaud et humide associé à un niveau de la mer relativement bas, et ce contrairement Danien précoce. A Zumaya, en dehors des hiatus mineurs juste sous la couche KTB et à la limite P1a (2)/P1b, les résultats montrent deux hiatus majeurs : hiatus KPB de ̴225.000 ans au-dessus de la limite KPB (̴66 Ma) avec la zone P0 et la partie inférieure de P1a(1) manquantes, et le hiatus du Danien précoce d'environ 110.000 ans à partir de la limite P1a(1)/P1a(2) (̴65,76 Ma), avec la partie inférieure de la zone P1a(2) manquante. Les biozones CF1 (espèce Guembelitria cretacea abondante) et P1a(1) sont le théâtre d'un stress maximal dû aux processus de dissolution-acidification liés à la phase principale du Deccan (̴65 Ma). Par exemple, la zone P1a(1) est dominée par les plus petites morphologies de foraminifères planctoniques (38-63µm). La couche limite KPB est enrichie en calcite, synonyme des processus d'acidification, d'extinction de masse et de dissolution-cristallisation dans un environnement marin plus profond, caractérisé par un climat chaud/humide (rapport K/CMIS élevé). La couche KPB de Zumaya est également enrichi en certains éléments traces tels que le Ni, Co, V, Cr, Pb, U, Ba et Sr avec un indice d'apport cosmique (rapport Ni/Co élevé au KTB-2). Les premiers dépôts marneux du Danien se déposent dans un environnement moins profond sous un détritisme relativement élevé (quantité accrue en SiO2, TiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3 et K2O, CIA élevé et DI< 1) ce qui suggère des conditions plus humides au-dessus de la couche de KPB. En ce qui concerne l’évènement du PETM observé dans le bassin de Douala, la combinaison de la lithologie avec l'assemblage de microfossiles et les données sur les isotopes du carbone suggère la dernière zone P5 du Paléocène, juste en dessous du PETM, et permet de définir la limite Paléocène-Éocène (PEB). Une excursion négative de l’isotope du carbone (CIE) est indiquée depuis les dépôts du Paléocène supérieur (intervalle pré-PETM) jusqu'aux sédiments de l'Éocène le plus ancien (intervalle PETM), lieu des valeurs minimales, avec un décalage des valeurs de δ13C de 1,48 ‰ à Bongue et 2,98 ‰ à Dibamba. Ces intervalles sont affectés par une acidification généralisée, comme le révèlent la dissolution des carbonates et l'état de microfossiles (les espèces sont nanifiées, brisées et minces avec des trous). L'acidification est plus sévère dans le PETM, impliquant l'absence de carbonate et la rareté de la microfaune, où la seule espèce identifiée (Igorina broedermanni) caractérise le début de l'Éocène. Les anomalies de mercure ainsi que les données sur le COT et les éléments traces sensibles suggèrent une activité volcanique liée au magma intrusif de la future ligne volcanique du Cameroun (CVL), et une diminution de la productivité avant le PETM. Les résultats géochimiques et minéralogiques présentés dans cette partie confirment qu'en plus du changement climatique, d'autres perturbations environnementales, notamment une augmentation de la productivité et des apports de détritus, ainsi qu'une diminution de l'oxygénation des eaux de fond, se sont produites pendant le PETM et après le PETM dans le sous-bassin de Douala. Par ailleurs, les matériaux de la localité de Tondè dans le sous-bassin de Douala sont des paléosols d'âge Pléistocène à Holocène, résultant de l'altération de roches intermédiaires, probablement du socle environnant (gneiss et micaschiste), et du recyclage de matériaux sableux préexistant. Ces paléosols sont principalement constitués d'argiles pyriteuses (grises et rouges) et de grès non consolidés qui se sont mis en place à la faveur d'un climat subéquatorial à équatorial. La pyrite rencontrée, d'aspect automorphe (cristaux isolés et en grappes) et massive avec des morphologies et des tailles diverses, est un produit de la diagenèse tardive formé par un enrichissement secondaire et couplé à des précipitations dans des conditions plus réductrices, liées à la fluctuation de la nappe phréatique.