Le traçage des variabilités au sein des barrières de confinement par la géochimie organique. Application aux dépôts du Callovo-Oxfordien de l'Est du bassin de Paris. Je vais vous présenter les résultats et aboutissements de ma thèse intitulée « Géochimie organique des séries argilo-carbonatées du Callovo-Oxfordien de l’Est du bassin de Paris et d’Angleterre. Variabilités et implications paléoenvironnementales ». Y. Hautevelle, R. Michels, F. Malartre, M. Elie, A. Trouiller

Barrière géologique Les dépôts callovo-oxfordiens Intro- duction Variabilité physico-chimique des barrières de confinement Introduction Les dépôts callovo-oxfordiens de l’Est du bassin de Paris Échelle des temps géologiques ≈ 164 – 154 Ma Etude sur la faisabilité d'un stockage de déchets radioactifs I. Présentation des sites étudiés II. Protocole analytique Bure (Meuse) III. Résultats Barrière géologique – apparente homogénéité ; – caractérisation de la variabilité des paramètres physico-chimiques au sein de cette barrière. Argilites callovo-oxfordiennes Oxfordien Kimméridgien Dans l’enregistrement sédimentaire du bassin de Paris, l’épisode Callovo-Oxfordien appartient au cycle de 1er ordre de la Mer du Nord et il est centré sur l’épisode d’inondation maximal d’un cycle de second ordre bien reconnu dans le bassin de Paris. Au niveau des bassin Ouest-européens, au Jurassique, la sédimentation est essentiellement carbonatée et cette sédimentation est périodiquement interrompue par des épisodes à sédimentation argilo-détritique qui ont lieu lors des épisodes d’inondation maximale de second ordre qui sont ici représentés par des points bleus. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Conclusions

Histoires sédimentologique et diagénétique Intro- duction Informations portées par la matière organique Histoires sédimentologique et diagénétique Introduction Variabilités physico-chimiques intrinsèques Matière minérale Matière organique Phase fluide I. Présentation des sites étudiés Matière Organique extractible Kérogène II. Protocole analytique dinostérane hopanes III. Résultats produits diagénétiques dinostérols biohopanoïdes origine : bactérienne dinoflagellés Le Callovo-Oxfordien correspond justement à l’un de ces épisodes de crise importante de la production carbonatée. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Conclusions

Histoires sédimentologique et diagénétique Intro- duction Informations portées par la matière organique Histoires sédimentologique et diagénétique Introduction Variabilités physico-chimiques intrinsèques Matière minérale Matière organique Phase fluide I. Présentation des sites étudiés Matière Organique extractible Kérogène II. Protocole analytique dinostérane hopanes III. Résultats produits diagénétiques dinostérols biohopanoïdes origine : bactérienne dinoflagellés Le Callovo-Oxfordien correspond justement à l’un de ces épisodes de crise importante de la production carbonatée. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Conclusions

Histoires sédimentologique et diagénétique Intro- duction Informations portées par la matière organique Histoires sédimentologique et diagénétique Introduction Variabilités physico-chimiques intrinsèques I. Présentation des sites étudiés Matière minérale Matière Organique extractible Matière organique Kérogène II. Protocole analytique Phase fluide III. Résultats préservation des groupes fonctionnels et des insaturations ➜ bonne préservation, faible thermicité diagenèse Le Callovo-Oxfordien correspond justement à l’un de ces épisodes de crise importante de la production carbonatée. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites hydrogénation vs. aromatisation ➜ Eh, thermicité, … réarrangements ➜ conditions chimiques, minéralogie Conclusions

Histoires sédimentologique et diagénétique Intro- duction Informations portées par la matière organique Histoires sédimentologique et diagénétique Introduction Variabilités physico-chimiques intrinsèques I. Présentation des sites étudiés Matière minérale Matière Organique extractible Matière organique Kérogène II. Protocole analytique Phase fluide III. Résultats préservation des groupes fonctionnels et des insaturations ➜ bonne préservation, faible thermicité diagenèse Le Callovo-Oxfordien correspond justement à l’un de ces épisodes de crise importante de la production carbonatée. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites hydrogénation vs. aromatisation ➜ Eh, thermicité, … réarrangements ➜ conditions chimiques, minéralogie Conclusions

Couplage géochimie / stratigraphie Intro- duction Couplage géochimie / stratigraphie BUTS : Introduction 1) Caractériser les variabilités du contenu organique des argilites callovo-oxfordiennes et des carbonates encaissants. I. Présentation des sites étudiés 2) Déterminer les facteurs qui contrôlent la répartition de ces variabilités au sein de ces dépôts sédimentaires. II. Protocole analytique Combinaison des approches moléculaire et chimiostratigraphique. APPROCHE UTILISÉE : III. Résultats De plus, ces dépôts ont également un fort intérêt paléoenvironnemental, notamment d’un point de vue paléoclimatique comme je le présenterai dans la suite de mon exposé. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Détermination de la logique qui préside la répartition des variabilités Conclusions

Les puits de l'Est du bassin de Paris II.01 Les puits de l'Est du bassin de Paris Localisation géographique Cadre paléogéographique Introduction I. Présentation des sites étudiés puits de l’Est puits de l’Est II. Protocole analytique 150 éch. EST 312 EST 342 MSE 101 HTM 102 EST 205 III. Résultats Plusieurs origines de cette crise de la production carbonate ont été avancées et aujourd’hui, il n’existe pas de consensus à ce sujet. D’un point de vue eustatisque, il est maintenant admis que le Callovo-Oxfordien constitue une période de haut-niveau marin. Cependant quelques études semblent indiquer un bref épisode de régression forcée au Callovien supérieur. D’un point de vue paléoclimatique, il est généralement admis que le Jurassique est une période au cours de laquelle le climat était tropical et peu variable. Cependant, récemment, plusieurs études ont présenté des indices de changements climatiques remarquables aussi bien au Callovien qu’à l’Oxfordien. Donc tout cela justifie l’intérêt porté à cet épisode Callovo-Oxfordien. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Conclusions

Le puits A 901 (Nord du bassin de Paris) II.02 Le puits A 901 (Nord du bassin de Paris) Localisation géographique Cadre paléogéographique Introduction I. Présentation des sites étudiés A 901 A 901 II. Protocole analytique 33 éch. A 901 III. Résultats Les trois premières parties de mon exposé concerneront successivement : La notion de biomarqueur moléculaire ; Le contexte géologique des séries sédimentaires étudiées ; Et le protocole analytique utilisé. La quatrième partie concernera le traçage et la caractérisation des variabilités de la matière organique au sein de la barrière géologique ; La cinquième partie traitera des évidences d’un changement paléofloristique et paléoclimatique qui est enregistré par les biomarqueurs. La sixième partie concernera les implications paléoenvironnementales à l’échelle Ouest-Européenne. Dans ma dernière partie, je discuterai de la mise au point d’une technique analytique de paléochimiotaxonomie expérimentale. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Puits de l’Est Conclusions

Protocole analytique : extraction de la MO Introduction 1ère étape : broyage fin de la roche après description pétrographique. I. Présentation des sites étudiés 2ème étape : extraction de la matière organique soluble au dichlorométhane. Extraction automatique DIONEX. II. Protocole analytique III. Résultats De plus, ces dépôts ont également un fort intérêt paléoenvironnemental, notamment d’un point de vue paléoclimatique comme je le présenterai dans la suite de mon exposé. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Conclusions

Protocole analytique : fractionnement Introduction 3ème étape : fractionnement de l’extrait par chromatographie liquide sur phase solide. Trois fractions sont récupérées : I. Présentation des sites étudiés Fraction aliphatique hydrocarbures aliphatiques II. Protocole analytique Fraction aromatique hydrocarbures aromatiques + quelques composés soufrés et oxygénés III. Résultats De plus, ces dépôts ont également un fort intérêt paléoenvironnemental, notamment d’un point de vue paléoclimatique comme je le présenterai dans la suite de mon exposé. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Fraction polaire composés fonctionnalisés Conclusions

Protocole analytique : analyse moléculaire (GC-MS) Introduction 4ème étape : analyse des 3 fractions par couplage chromatographie en phase gazeuse (GC, séparation des composés) et spectrométrie de masse (MS, détermination des composés). I. Présentation des sites étudiés Chromatographie en phase gazeuse Séparation des composés Spectrométrie de masse Identification des composés II. Protocole analytique III. Résultats De plus, ces dépôts ont également un fort intérêt paléoenvironnemental, notamment d’un point de vue paléoclimatique comme je le présenterai dans la suite de mon exposé. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Acquisition & traitement Conclusions

Protocole analytique : Identification des biomarqueurs Introduction chromatogramme I. Présentation des sites étudiés spectre de masse II. Protocole analytique III. Résultats De plus, ces dépôts ont également un fort intérêt paléoenvironnemental, notamment d’un point de vue paléoclimatique comme je le présenterai dans la suite de mon exposé. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Identification Conclusions

Composition moléculaire de la matière organique III.01 Composition moléculaire de la matière organique Introduction Argilites callovo-oxfordiennes contribution marine contribution continentale 13 : n-alcanes Pr, Ph : pristane et phytane : autres isoprénoïdes acycliques MSE 101; 575 m Fraction aliphatique m/z 57 14 15 I. Présentation des sites étudiés 16 17 Pr 13 18 27 25 II. Protocole analytique 19 29 23 Ph 21 20 22 24 31 26 28 30 33 32 35 34 36 37 III. Résultats … se compose de deux fractions. Le kérogène, qui est constitué de macromolécules polymérisés et insolubles dans les solvants organiques; La matière organique extractible qui est constituée d’une très grande diversité de molécules de bas poids moléculaire… IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Conclusions

Distribution des composés linéaires III.02 Distribution des composés linéaires Introduction Argilites callovo-oxfordiennes contribution marine contribution continentale 13 : n-alcanes Pr, Ph : pristane et phytane : autres isoprénoïdes acycliques MSE 101; 575 m Fraction aliphatique m/z 57 14 15 I. Présentation des sites étudiés 16 17 Pr 13 18 27 25 II. Protocole analytique 19 29 23 Ph 21 20 22 24 31 26 28 30 33 32 35 34 36 37 III. Résultats Carbonates de plate-forme 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 EST 312; 315 m Fraction aliphatique m/z 57 13 : n-alcanes MSE 101; 460 m Fraction aliphatique TIC … qui proviennent de la diagenèse de biomolécules synthétisées par les organismes vivants qui vivaient à l’époque du dépôt. Ce sont donc ces composés que l’on appelle les biomarqueurs moléculaires. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Conclusions

Distribution des composés linéaires III.03 Distribution des composés linéaires Introduction Argilites callovo-oxfordiennes contribution marine 13 : n-alcanes Pr, Ph : pristane et phytane : autres isoprénoïdes acycliques MSE 101; 575 m Fraction aliphatique m/z 57 14 15 I. Présentation des sites étudiés 16 17 Pr contribution continentale 13 18 27 25 II. Protocole analytique 19 29 23 Ph 21 20 22 24 31 26 28 30 33 32 35 34 36 37 III. Résultats Carbonates de plate-forme 5-Et-5-Me alcanes 5,5-diEt alcanes 3,3-diEt alcanes 6,6-diEt alcanes 15 16 17 18 19 21 20 ? Pr Ph 14 I n-alcanes isoprénoïdes acycliques 3-Me alcanes Un biomarqueur moléculaire peut donc se définir comme un composé organique qui dérive de la diagenèse d’un autre composé qui est typiquement d’origine biologique et dont la structure initiale a été assez bien préservée pour être reconnaissable. Certains de ces biomarqueurs sont génériques car il ont pour origine un grand nombre de taxons biologiques. C’est par exemple le cas des n-alcanes. D’autres sont plus spécifiques et ont pour origine un nombre limité de taxons. C’est par exemple le cas de l’isoréniératane et des 2,3,6-triméthylalkylbenzènes qui dérivent de la diagenèse d’un caroténoïde bien particulier qui est l’isoréniératène. L’isoréniératène est un composé exclusivement synthétisé par les Chlorobiaceae. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites cyclo-alcanes 2,2-diMe alcanes 5-but-5-Et alcanes 3-Et-3-Me alcanes Conclusions ➜ Cyanobactéries ?

Distribution des stéroïdes III.04 Distribution des stéroïdes Argilites callovo-oxfordiennes Introduction C25 C23 C26 Stéranes MSE 101; 575 m Fraction aliphatique m/z 203, 217, 231 C29 C28 C27 I. Présentation des sites étudiés dino sté rane Me- II. Protocole analytique MSE 101; 575 m Fraction aliphatique m/z 203, 217, 257, 271 diastérènes Me-diastérènes C27 C28 C29 III. Résultats Ces Chlorobiaceae sont des bactéries chlorophyliennes sulfato-réductrices qui vivent dans un environnement très particulier qui sont les zones photiques dont les eaux sont anoxiques et riches en H2S. Par conséquent, la présence de ces biomarqueurs de Chlorobiaceae indiquent des conditions paléoenvironnementales similaires. Ainsi, les biomarqueurs moléculaires sont d’excellents proxies paléoenvironnementaux. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites MSE 101; 575 m Fraction aromatique m/z 231, 239, 245, 253, 267 Stéroïdes aromatiques Conclusions

Distribution des stéroïdes III.05 Distribution des stéroïdes Argilites callovo-oxfordiennes Introduction C25 C23 C26 Stéranes MSE 101; 575 m Fraction aliphatique m/z 203, 217, 231 C29 C28 C27 I. Présentation des sites étudiés dino sté rane Me- C29 II. Protocole analytique diastérènes C28 MSE 101; 575 m Fraction aliphatique m/z 203, 217, 257, 271 Me-diastérènes C27 C28 C29 III. Résultats C27 Les échantillons ont tout d’abord été finement broyés après avoir fait l’objet d’une description pétrographique détaillée. Puis, la matière organique soluble au dichlorométhane a été extraite par extraction automatique. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Mélange C26, C27, C28, C29-stéroïdes méthyl-stéroïdes et dinostérane typique d’un mélange d’une contribution marine avec une contribution continentale ➜ Conclusions

Evolution stratigraphique de la distribution des stéroïdes III.06 Evolution stratigraphique de la distribution des stéroïdes diastérènes stéranes Introduction I. Présentation des sites étudiés II. Protocole analytique III. Résultats L’extrait organique séché est ensuite fractionné par chromatographie liquide sur phase solide et trois fractions sont ainsi récupérées. La fraction aliphatique qui contient les hydrocarbures non-aromatiques, la fraction aromatique et la fraction polaire qui contient les composés hétéroatomiques. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites ➜ Influence de la minéralogie au cours de la diagenèse – teneur en minéraux argileux – teneur en smectite ➜ catalyse acide favorisent la formation de diastérènes ➜ Conclusions

Distribution des hopanoïdes III.07 Distribution des hopanoïdes Argilites callovo-oxfordiennes Introduction hopènes conf. bio. conf. géo. MSE 101; 575 m Fraction aliphatique m/z 191 conf. bio. conf. géo. I. Présentation des sites étudiés thermiquement immature II. Protocole analytique conf. bio. conf. géo. Carbonates de plate-forme MSE 101; 423 m Fraction aliphatique m/z 191 III. Résultats conf. géo. bio. conf. bio. géo. Chacune de ces fractions est ensuite analysée par coupage Chromatographie en Phase Gazeuse et Spectrométrie de Masse qui permettent successivement la séparation des composés puis leur identification. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites thermiquement « plus mature » Conclusions

Distribution des hopanoïdes III.08 Distribution des hopanoïdes Argilites callovo-oxfordiennes Introduction hopènes conf. bio. conf. géo. MSE 101; 575 m Fraction aliphatique m/z 191 conf. bio. conf. géo. I. Présentation des sites étudiés immature II. Protocole analytique conf. bio. conf. géo. III. Résultats MSE 101; 423 m Fraction aliphatique m/z 191 « plus mature » Les résultats sont acquis sous la forme d’un chromatogramme ou idéalement chaque pic représente un composé et ces composés sont classés suivant leur temps de rétention dans la colonne chromatographique. A chaque pic est associé un spectre de masse qui constitue en quelque sorte la signature de chaque composé. Les identifications sont réalisées soit par comparaison avec des spectres publiés soit par interprétation spectrométrique. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites ➜ Protection physique par les minéraux argileux Conclusions

Géométrie du bassin sédimentaire Position paléogéographique IV.01 Homogénéité & variabilités de la barrière de confinement Introduction Les argilites callovo-oxfordiennes ➜ un seul faciès moléculaire. Homogènes du point de vue de leur contenu organique I. Présentation des sites étudiés Variabilités ➜ 1) changement des sources de matière organique (paléoenvironnement) ➜ 2) changement de matrice minérale (faciès sédimentaire) II. Protocole analytique Géométrie du bassin sédimentaire III. Résultats A 901 Environnements de dépôt Faciès sédimentaire ➜ faible variabilité EST Position paléogéographique Éloignée des paléocôtes Au Callovo-Oxfordien, l’extension tardi-hercynienne a débuté il y a maintenant environ 100 Ma. Cette extension est essentiellement localisée au niveau de trois grandes fractures : le Proto-Atlantique, la Téthys et l’Atlantique Nord. La subsidence induite par cette extention se matérialise par la formation d’un chapelet de bassins sédimentaires dont le bassin de Paris qui est localisé à peu près à la confluence de ces trois grands accidents. Ainsi, l’histoire géodynamique de ces trois fractures a fortement influencé la sédimentation dans ces bassins et notamment le bassin de Paris. IV. Facteurs contrôlant la variabilité des argilites Cas des séries sédimentaires étudiées Conclusions

R. Michels, F. Malartre, M. Elie, A. Trouiller Le traçage des variabilités au sein des barrières de confinement par la géochimie organique. Application aux dépôts du Callovo-Oxfordien de l'Est du bassin de Paris. Y. Hautevelle R. Michels, F. Malartre, M. Elie, A. Trouiller Merci de votre attention ! Je vais vous présenter les résultats et aboutissements de ma thèse intitulée « Géochimie organique des séries argilo-carbonatées du Callovo-Oxfordien de l’Est du bassin de Paris et d’Angleterre. Variabilités et implications paléoenvironnementales ».