Interactions entre l'altération des silicates, le climat et la précipitation carbonatée : Impact sur la productivité primaire et les communautés microbiennes dans les bassins Éocène-Miocène du Massif central et ses contreforts

La séquestration naturelle du carbone et le stockage de certains métaux traces reposent sur l’altération des roches cristallines silicatées sur les continents associés à la précipitation des carbonates, processus interconnectés qui capturent durablement le CO₂ atmosphérique. Bien que les facteurs qui influencent l’altération des silicates soient largement étudiés, les facteurs de contrôle de la formation des carbonates restent quant à eux encore mal compris, et en particulier l’importance relative des facteurs abiotiques et de l’intervention de communautés microbiennes. Des études récentes ont suggéré que la précipitation de carbonates par les communautés microbiennes pourrait en particulier agir sur des échelles de temps courtes, à l’échelle de l’histoire humaine. Les carbonates d’origine microbienne pourraient ainsi représenter un réservoir de carbone réactif, ayant le potentiel, en association avec l’altération continentale, de limiter le réchauffement climatique à court terme.

L’objectif de ce projet est d’apporter de nouvelles connaissances sur les facteurs de contrôle de la production carbonatée microbienne, susceptibles d’être mobilisés pour stimuler ce processus. L’étude des environnements anciens offre une multitude d’opportunités d’observer la réaction des producteurs de carbonates face à des forçages abiotiques variés liés à différents contextes climatiques, tectoniques, ou lithologiques. Ils fournissent ainsi des laboratoires d’étude naturels sur différentes échelles de temps, donnant accès à des informations précieuses pour identifier les facteurs de contrôle de la production carbonatée. Les paléo-lacs en particulier en font des milieux réactifs, dont les paramètres physico-chimiques des eaux sont rapidement impactés par les variations de température, d’apport d’eau douce ou d’évaporation, ou encore d’apport de nutriments et d’ions en solution par l’altération des roches silicatées des reliefs adjacents. Ce projet cible les paléo-lacs du Massif Central (Éocène-Miocène) comme laboratoires naturels pour étudier les facteurs de contrôle de la production carbonatée, en particulier d’origine microbienne, dans un contexte de changements environnementaux majeurs.

Les différents bassins lacustres du Massif Central et de ces contreforts (Bassin du Sud-Est : Ales, Issirac, Narbonne, Vistrenque ; bassin du Massif Central : Forez, les Limagnes) sélectionnés pour cette étude, préservent des sédiments lacustres datés de la fin de l'Eocène au début du Miocène (entre 35 et 20 millions d'années), offrant un enregistrement continu et détaillé des changements climatiques et écologiques sur cette période. Le remplissage sédimentaire de ces différents bassins est déjà bien contraint dans la littérature, et se marque par des séquences sédimentaires qui évoluent depuis des systèmes fluvio-lacustres détritiques à des systèmes lacustres carbonatés ou évaporitiques et plus particulièrement par l’installation de dépôts microbiens au cours de cet intervalle de temps. En particulier, les bassins du Sud-Est de la France présentent d’épaisses séries lacustres à l’Éocène supérieur et à l’Oligocène, une période cruciale marquant à la fois la transition climatique majeure Eocène-Oligocène (EOT), correspondant à la première installation des calottes polaires permanentes en Antarctique, et l’évolution tectonique du passage de la compression pyrénéenne au rifting liguro-provençal (Létteron et al., 2022 ; Semmani et al., 2023 ; Fournier et al., 2024). Le développement des dépôts carbonatés microbiens précède la limite EOT et intervient à la fin du Priabonien (Eocène sup.). Par comparaison, les bassins des Limagnes enregistrent plusieurs événements climatiques majeurs, dont deux refroidissements globaux à la fin de l'Eocène et à la limite Oligocène-Miocène séparés par une phase de réchauffement (Roche et al., 2018 ; Wattinne et al., 2018 ; Vennin et al., 2022), avec un développement de la sédimentation carbonatée microbienne au Chattien (Oligocène). Ces événements climatiques et tectoniques, par leur influence sur le cycle hydrologique local et l'efficacité de l'altération des silicates, sont susceptibles d’impacter la production primaire par des variations dans les apports en nutriments aux paléo-lacs, et la précipitation de carbonates microbiens.

Ce projet vise à examiner l’impact relatif des facteurs abiotiques (température de l’eau, humidité/aridité, et altération continentale qui apporte ions et nutriments dans les masses d’eau adjacentes) sur la productivité primaire et la formation des dépôts carbonatés microbiens dans ces environnements anciens. Le développement des communautés microbiens étant diachrone à l’échelle des différents secteurs géographiques, l’un des objectif sera de mettre en regard les changements de productivité carbonatée et le développement de ces communautés microbiennes avec la variabilité spatiale dans l’intensité de l’altération des silicates des masses continentales, pouvant être liées à une déclinaison locale de changements climatiques globaux ou aux différentes phases d’uplift et de volcanisme du Massif Central (Olivetti et al., 2020).

Pour répondre à ces objectifs, des méthodes géochimiques et minéralogiques seront utilisées afin de contraindre l’évolution des paramètres abiotiques : l’hydrolyse en lien avec l’altération continentale qui apporte les ions nécessaires à la production carbonatée (notamment la source du Ca, Mg, Si mais également de nutriments comme le phosphate en particulier) et les variations de température des masses d’eaux dans les bassins lacustres étudiés. L’évolution des températures sera déterminée par l’analyse de la composition isotopique de l’oxygène de dents de mammifères et de carbonates issus de gastéropodes et d’ostracodes, abondants dans les séries. Les variations de l’intensité de l’altération des silicates des bassins versants seront approchées par un nouveau traceur géochimique, basé sur la combinaison des systèmes isotopiques Lu-Hf et Sm-Nd dans la fraction argileuse des sédiments, développé sur des systèmes actuels et récemment appliqué avec succès dans les environnements anciens (Bayon et al., 2016 ; Corentin et al., 2022 ; Gaitan et al., 2023). La composition élémentaire des sédiments sera également analysée, par fluorescence X (XRF), spectroscopie par plasma induit par laser (LIBS) et par ICP-MS, fournissant une approche complémentaire de l’intensité de l’altération chimique des silicates (Davies et al., 2015). Ces données seront comparées avec les celles des roches magmatiques et métamorphiques disponibles dans le Massif Central (Negrel et al., 2000 ; Steinmann & Stille, 2008). L’utilisation de certains rapports élémentaires est adaptée à la reconstruction des paléoenvironnements (i.e. K/Al, K/Ti ; Zr/Rb ; Rb/Sr) et des changements de productivité primaire (i.e. Ba/Ca, Ba/Sr ; P/Ti ; P/Al). Ces données géochimiques seront couplées à des données minéralogiques, en particulier des assemblages argileux, qui aportent des renseignements complémentaires sur les conditions d’hydrolyse (indice d’altération CMAI ; Warr et al., 2023) et l’érosion mécanique (Corentin et al., 2022). Ces nouvelles données seront mises en regard de l’évolution des communautés microbiennes, dans le contexte tectonique extensif et physiographique des bassins lacustres du Massif Central et de ses contreforts SE.

Les objectifs de la thèse s’inscrivent pleinement dans les thématiques portées par l’équipe SEDS (Systèmes, Environnements et Dynamique Sédimentaire) sur l’altération continentale et le rôle des processus microbiens dans la sédimentation. L’encadrement de la thèse se déroulera au sein du laboratoire Biogéosciences et de l’équipe SEDS (E. Pucéat, E. Vennin ; P. Pellenard) et s’appuiera sur l’environnement disponible du laboratoire et sa plateforme analytique GISMO.

Une collaboration opérationnelle et scientifique sera établie avec le BRGM (Justine Briais et Eric Lasseur), notamment à travers le PEPR sous-sol Massif Central (porté par F. Cagnard) ainsi qu’avec le laboratoire CEREGE (François Fournier, Philippe Léonide) et Géosciences Rennes (Guillaume Dupont-Nivet).

Bayon, G., Skonieczny, C., Delvigne, C., Toucanne, S., Bermell, S., Ponzevera, E., André, L. 2016. Environmental Hf–Nd isotopic decoupling in World River clays. Earth and Planetary Science Letters 438, 25–36.

Corentin, P., Puceat, E., Pellenard, P., Freslon, N., Guiraud, M., Blond, J., Adatte, T., Bayon, G., (2022). Hafnium-neodynium isotope evidence for enhanced weathering and uplift-climate interactions during the Late Cretaceous. Chemical Geology, 120724 https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2022.120724 (IF= 4.015)

Davies, S., Lamb, H., Roberts, S., 2015. Micro-XRF Core Scanning in Palaeolimnology: Recent Developments. pp. 189–226. https://doi.org/10.1007/978-94-017-9849-5_7

Fournier F., Semmani N., Lettéron A., Suc J.P., Tosal A.. Fauquette S., Séranne M., Popescu S-M., Melinte-Dobrinescu M-C, Borgomano J. Les climats et la géographie du Sud-Est de la France au Paléogène enregistrés dans les lacs. Géochronique, 2024, 169, pp.51-55.

Gaitan, C.E., Pucéat, E., Pellenard, P., Blondet, J., Bayon, G., Adatte, T., Israel, C., Robin, C., Guillocheau, F. (2023). Late Cretaceous erosion and chemical weathering record in the offshore Cape Basin: Source-to-sink system from Hf-Nd isotopes and clay mineralogy. Marine Geology https://doi.org/10.1016/j.margeo.2023.107187.

Lettéron, A., Hamon, Y., Fournier, F., Demory, F., Séranne, M., Joseph, P., 2022. Stratigraphic architecture of a saline lake system: From lake depocentre (Alès Basin) to margins (Saint-Chaptes and Issirac basins), Eocene–Oligocene transition, south-east France. Sedimentology, 69, 2, 651-695.

Négrel, P., Guerrot, C., Cocherie, A., Azaroual, M., Brach, M., & Fouillac, C. (2000). Rare earth elements, neodymium and strontium isotopic systematics in mineral waters: evidence from the Massif Central, France. Applied Geochemistry, 15(9), 1345-1367.

Olivetti, V., Godard, V., Bellier, O., & Aster Team. (2016). Cenozoic rejuvenation events of Massif Central topography (France): Insights from cosmogenic denudation rates and river profiles. Earth and Planetary Science Letters, 444, 179-191.

Semmani, N., Fournier, F., Suc, J.-P, Fauquette, S., Godeau, N., Guihou, A., Popescu, S.-M., Melinte-Dobrinescu, M., Thomazo, C., Marié, L., Deschamps, P., Borgomano, J., 2023. The Paleogene continental basins from SE France: New geographic and climatic insights from an integrated approach. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology, 615, 111452.

Steinmann, M., & Stille, P. (2008). Controls on transport and fractionation of the rare earth elements in stream water of a mixed basaltic–granitic catchment basin (Massif Central, France). Chemical Geology, 254(1-2), 1-18.

Roche, A.; Vennin E., Bouton A., Olivier N., Wattinne A., Bundeleva I., Deconinck J.F., Virgone A., Gaucher E.C., and Visscher P.T., 2018. Oligo-Miocene lacustrine microbial and metazoan buildups from the Limagne Basin (French Massif Central), Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 10.1016/j.palaeo.2018.05.001.

Vennin, E., Bouton, A., Roche, A., Gérard, E., Bundeleva, I., Boussagol, P., Wattinne A., Kolodka C., Gaucher E., Virgone A & Visscher, P. T. 2022. The Limagne Basin: a journey through modern and fossil microbial deposits Le bassin des Limagnes: une excursion à travers les dépôts microbiens modernes et fossiles. Bulletin de la BSGF-Earth Sciences Bulletin, 192(1).

Warr, L. N., Grathoff, G. H., & Haberzettl, T. (2024). The Clay Mineral Alteration Index (CMAI) as an improved indicator of climate change. Applied Clay Science, 256, 10741Wattinne A., Lécuyer C., Vennin E., Châteauneuf J.-J. & Martineau F. 2018. Environmental changes around the Oligocene/Miocene boundary in the Limagne graben, Massif Central, France. Bulletin de la Société Géologique de France, 189, (4-6): 19.

Université de Bourgogne Europe - DIJON

Laboratoire d'accueil : BIOGEOSCIENCES

Sujet de Emmanuelle Puceat

- connaissances et compétences requises

Connaissance en sédimentologie de faciès (description de coupes et forages) ;

Connaissance en minéralogie (diffraction des rayons X) ;

Connaissance en géochimie isotopique (O, C, Nd, Hf) et élémentaire (majeurs et traces) ;

Connaissance en pétrographie sédimentaire (microfaciès) ; caractérisation et interprétation de structures microbiennes ;

Compétences rédactionnelles et orales en français et en anglais (écriture de rapports, articles scientifiques, communications orales lors de colloques nationaux et internationaux).