Perturbations des environnements marins à la limite Frasnien ...

Résumé
Le Dévonien supérieur est une période marquée par des variations climatiques importantes et
de nombreuses perturbations environnementales, tant dans le domaine continental (surrection de chaînes
de montagnes, développement des plantes vasculaires) que dans le domaine marin (fluctuations du
niveau marin, crise biologique, stockage de matière organique). La mise en place de façon quasiglobale
de niveaux riches en matière organique au Frasnien terminal, les horizons Kellwasser, et leur
impact sur le cycle du carbone ont retenu plus particulièrement notre attention au cours de ce travail.
L’étude pluridisciplinaire menée sur des séries sédimentaires situées de part et d’autre de la chaîne
éovarisque nous permet de reconstituer les variations des environnements marins à la limite Frasnien-
Famennien, dans les régions du Massif Schisteux Rhénan, des Montagnes du Harz (Allemagne), de la
Meseta occidentale et de l’Anti-Atlas (Maroc). La démarche adoptée repose principalement sur
l’analyse géochimique et l’étude du magnétisme des roches. A partir des résultats obtenus, un modèle
de formation des horizons Kellwasser au cours du Frasnien terminal est proposé.
L’analyse du signal magnétique montre que les apports détritiques ont progressivement diminué
au cours du Frasnien. Ces apports sont minimaux lors du dépôt des deux horizons Kellwasser au
Frasnien terminal. A l’inverse, le Famennien inférieur enregistre une hausse de ces apports. Ces variations
sont associées aux fluctuations globales du niveau marin reconnues au Dévonien supérieur, ainsi
qu’à des changements profonds du régime d’érosion sur les continents. Notre étude suggère que
l’évolution du détritisme et de la production carbonatée sur les marges continentales ait été contrôlée
par des variations climatiques majeures. Selon nous, la limite entre ces deux étages représente une
période de transition entre des conditions chaudes et humides de type "greenhouse", typiques du Dévonien,
et des conditions plus froides et plus sèches, annonçant les climats de type "icehouse" du Carbonifère.
L’analyse géochimique des horizons Kellwasser a mis en évidence la hausse de la productivité
primaire et a confirmé l’appauvrissement en oxygène des eaux de fonds dans la plupart des environnements
marins. Nos travaux montrent que le degré et la durée de l’appauvrissement en oxygène ne
semblent pas être identiques pour chacun de ces deux horizons. L’horizon Kellwasser inférieur est
caractérisé par la mise en place de conditions dysoxiques dans les environnements peu profonds (plates-formes
ou hauts-fonds marins), alors que l’horizon Kellwasser supérieur enregistre la mise en
place de conditions anoxiques à euxiniques dans les environnements profonds (bassins) et oxiques à
dysoxiques dans les environnements moins profonds.
Durant l’épisode de dépôt de l’horizon Kellwasser inférieur, l’appauvrissement en oxygène serait
le résultat d’une hausse importante de la productivité primaire. Cette hausse de productivité et la
consommation d’oxygène auraient été induites par l’eutrophisation des milieux marins peu profonds.
La libération accrue de nutriment proviendrait d’une intensification de l’altération chimique, faisant
suite au développement des plantes vasculaires et à la mise en place de la chaîne éovarisque à partir du
Dévonien supérieur. Ce phénomène d’altération a vraisemblablement été favorisé par un climat particulièrement
chaud et humide. Durant l’épisode de dépôt de l’horizon Kellwasser supérieur,
l’appauvrissement en oxygène résulterait de la stratification des eaux dans les environnements profonds,
due à une diminution de la circulation océanique, causée par un confinement plus important des
bassins. Cette stratification a été accrue durant la période de haut niveau marin associée à l’horizon
Kellwasser supérieur. Les eaux anoxiques ont pu se répandre dans les environnements de platesformes
à la faveur de la montée eustatique. La mise en place de conditions anoxiques, voire localement
euxiniques, a favorisé la diffusion des nutriments libérés par la reminéralisation de la matière
organique. Ces nutriments ont pu rejoindre épisodiquement les eaux de surface, à la faveur
d’interruptions temporaires de la stratification des eaux, et ainsi intensifier la productivité primaire.
Il est proposé que cette période de stockage accrue de carbone organique dans les sédiments
ait fortement perturbé le cycle du carbone à long terme, conduisant, au final, à une chute notable de la
pression de CO2 atmosphérique et au refroidissement du climat à la base du Famennien. Ainsi, ces
travaux suggèrent que la formation des horizons Kellwasser résulte de la conjonction de divers phénomènes,
comprenant la tectonique s.l., l’évolution des végétaux, la physiographie des océans, la productivité
marine, le tout en interactions directes et indirectes avec le climat.

Abstract
The Late Devonian times are a transitional period characterized by important climatic variations
and by several environmental perturbations recorded both in the continental domain (mountain
uplift, development of vascular plants) and marine domain (sea-level fluctuations, biological crisis,
burial of organic matter). For this study, we focus our attention to the deposition of worldwide organic
matter-rich sedimentary levels: the Late Frasnian Kellwasser horizons, and their impact on carbon
cycle. The pluridisciplinary study of sedimentary sections, located on the both sides of the Eovariscan
belt, allows to reconstruct the variations affecting marine environments at the Frasnian-Famennian
boundary, in the areas of the Rhenisch Massif, Harz Mountains (Germany), Western Meseta and Anti-
Atlas (Morocco). Our works are based mainly on geochemical analyse and rock magnetism studies.
From our results, a model is proposed to account for the formation of the Late-Frasnian Kellwasser
horizons.
The analyses of magnetic signal show the detrital inputs gradually decreased during the Frasnian.
Detrital inputs were the lowest during the two Late Frasnian Kellwasser horizons. Conversely,
the Early Famennian recorded an increase of detrital inputs. These variations were associated with
global sea-level fluctuations, recorded during the Late Devonian, and profound changes of erosional
rates on land. Our study suggests the evolution of detritism and carbonate productivity on the continental
margins were controlled by major climatic variations. This boundary would correspond to transitional
period from hot and humid conditions of the Devonian greenhouse climate to cooler and drier
conditions, resulting in the establishment of an icehouse climate during the Carboniferous.
The geochemical analyses of the Kellwasser horizons highlight the increase of primary productivity
and confirm the oxygen-depleted conditions in bottom-water in most of the studied marine
environments. Our study evidences contrasting degrees and duration of oxygen depletion for the two
Kellwasser horizons. The lower Kellwasser horizon is characterized by the onset of dysoxic conditions
in shallower environments (platforms or submarine rises), whereas the upper Kellwasser horizon records
the onset of anoxic to euxinic conditions in the deepest environments (basins) and oxic to dysoxic
in the shallower environments.
During the lower Kellwasser horizon deposition, the oxygen depletion would have resulted
from the eutrophication of shallow marine environments, induced by an enhanced supply of nutrients
derived from continents that stimulated primary productivity. This mechanism would be the result of
the intensification of weathering, caused by the development of vascular plants and the uplift of
Eovariscan belt, and favoured by warm and humid climate. During the upper Kellwasser horizon
deposition, the oxygen depletion would have resulted from water stratification confining the deepest
environments, in relation with oceanic water circulations. The water stratification was accentuated
during the highstand period of the late Kellwasser horizon. The anoxic water may have impinged on
the platform environments because of sea-level rise. The onset of anoxic to euxinic conditions favoured
the diffusion of nutrients released by the anaerobic decay of organic matter. The transfer of
dissolved nutrients from anoxic bottom water to ocean surface could happen during episodic disruptions
of water stratification and could enhance the primary productivity.
It is proposed that this period of organic carbon burial in the sediments had highly perturbed
the long-term carbon cycle, leading to a noticeable drop of the atmospheric CO2 pressure and to a
cooling phase during the early Famennian. Thus, the formation of the Kellwasser horizons resulted
from a conjunction of diversified phenomena, including tectonics, evolution of plants, physiography of
oceans, marine productivity, all of these being in direct or indirect interactions with the climate.