Organic facies variability during the Toarcian Oceanic Anoxic Event recorded in southern France: Grands Causses, Quercy and Pyrenean basins

Abstract

The Early Toarcian is marked worldwide by major environmental perturbations that resulted in organic-rich black shale deposition and carbon cycle disturbances, the so-called Toarcian Oceanic Anoxic Event (T-OAE). This organic-rich sedimentation is particularly recorded in southern France, namely in the Grands Causses (GCB), Quercy (QB) and Pyrenean (PB) basins. The main objectives of this study are the characterization of the organic matter (OM) of the upper Pliensbachian – early Toarcian sedimentary successions of these basins, definition of the organic facies and depositional paleoenvironments and to assess the OM thermal maturation.With these premises, a set of 38 samples was analyzed from the Suèges (GCB), Caylus (QB) and Pont de Suert (PB) sections using organic petrology techniques, including palynofacies, and geochemistry (Total Organic Carbon - TOC, sulfur and CaCO3 content). In the GCB, sedimentation occurred, during the late Pliensbachian, in a well oxygenated water body (TOC 0.6 wt.%) proximal to the terrestrial source area with marine influence. In the lattermost Pliensbachian is observed a shallowing of the water column with a decrease of marine influence and higher separation from the terrestrial source area under an arid climate. From the Tenuicostatum to the earliest Serpentinum zones is implemented a restricted and stagnated environment (TOC 5.7 wt.%, dominated by amorphous OM >97%) with partial closure of the basin. From the middle to late Serpentinum Zone occurs the reestablishment of the oxygen levels (TOC 2.8 wt.%) and of the paleoceanographic circulation patterns, with an increase of water level. In the QB, late Pliensbachian to the earliest Toarcian (Paltus Subzone) is characterized by low TOC (0.2 wt.%) with sedimentation occurring in a shallow oxygenated proximal water body (high percentage of amorphous zoomorphs - hydrozoans) separated from the terrestrial source area under an arid climate, with emersion episodes. From the Semicelatum Subzone to Serpentinum Zone is observed a development of dysoxic to anoxic conditions (TOC 4.2 wt.%) associated with water column stratification and a more effective non-carbonate sedimentation with the increase of water level. The lattermost Serpentinum Zone is observed a shallowing of the water body with the development of a more oxidizing environment, although still with water column stratification in terms of oxygen levels to some extent. In the PB, from the late Pliensbachian to the base of Semicelatum Subzone, from the Elegantum to the base of the Falciferum subzones and from the top of the Falciferum to the base of the Sublevisoni subzones, sedimentation occurs in a well oxygenated proximal water body with marine influence. From the Semicelatum to the base of the Elegantum subzones and in the Falciferum Subzone, occurs a shallowing of the water column leading to a more restricted and stagnated environment under a more arid climate. Concerning the thermal maturity assessment study it supports a very similar thermal evolution for the GCB and QB indicating that OM is in the immature to early mature stages. The PB presents entirely different thermal history with OM in late mature to post mature stages. The studied sections present slight differences in their paleoenvironmental depositional contexts further demonstrating that, although the T-OAE has a global character, in these basins it is controlled by local mechanisms. Furthermore, it is presented first occurrence of components from the Phylum Cnidaria, Class Hydrozoa, Order Hydroida, in organopalynological preparations, in sediments from the Lower Jurassic.

O Toarciano inferior é marcado por grandes alterações ambientais a nível global que resultaram na deposição de black shales ricos em matéria orgânica (MO) e em perturbações do ciclo do carbono, o designado Evento Oceânico Anóxico do Toarciano (EOA-T). Esta sedimentação rica em MO está particularmente bem registada no sul de França, nomeadamente nas bacias de Grands Causses (BGC), Quercy (BQ) e Pirinéus (BP). Os objetivos principais deste estudo são a caracterização da MO presente nas sucessões sedimentares de idade Pliensbaquiano superior – Toarciano inferior destas três bacias, a definição das fácies orgânicas e dos paleoambientes deposicionais e a determinação da maturação térmica da MO. Neste contexto, foram analisadas 38 amostras pertencentes aos perfis de Suèges (BGC), Caylus (BQ) e Pont de Suert (BP) através de técnicas de petrologia orgânica, incluindo palinofácies, e geoquímica (Carbono Orgânico Total – COT, enxofre e teor em CaCO3). Na BGC, a sedimentação durante o Pliensbachiano superior ocorreu num corpo de água proximal à área fonte, com alguma influência marinha e oxigenação (COT 0,6%). No Pliensbaquiano terminal ocorre uma diminuição da coluna de água e da influência marinha, com uma separação nítida da área fonte terrestre, sob um clima árido. Da Zona Tenuicostatum à base da Zona Serpentinum, dá-se a implementação de um ambiente restrito e estagnado (COT 5,7%, com predomínio de MO amorfa >97%). Na metade superior da Zona Serpentinum observa-se o restabelecimento dos níveis de oxigénio (COT 2,8%) e dos padrões de circulação paleoceanográficos, com um aumento da coluna de água. Na QB, o intervalo entre o Pliensbaquiano superior à base do Toarciano inferior (Subzona Paltus) é caracterizado por baixos teores de COT (0,2%) com a sedimentação a ocorrer num corpo de água raso proximal (alta percentagem de zoomorfos amorfizados – hidrozoários), separado da área fonte terrestre sob um clima árido, com emersão episódica. Da Subzona Semicelatum à Zona Serpentinum observa-se o desenvolvimento de condições disóxicas a anóxicas associadas à estratificação da coluna de água (COT 4,2%) e uma sedimentação não-carbonática mais eficiente, com o aumento do nível da água. No topo da Zona Serpentinum verifica-se uma diminuição da coluna de água aliada a um ambiente mais oxidante. Na PB, do Pliensbachiano superior à base da Subzona Semicelatum, da Subzona Elegantum à base da Subzona Falciferum e do topo da Subzona Falciferum à base da Subzona Sublevisoni, a sedimentação ocorre num corpo de água proximal, bem oxigenado, com alguma influência marinha. Da Subzona Semicelatum à base da Subzona Elegantum e na Subzona Falciferum observa-se a diminuição da coluna de água, com a implementação de um ambiente mais restrito e estagnado, sob um clima árido. O estudo de maturação térmica indica uma evolução térmica similar para a BGC e a BQ onde a MO se encontra imatura a matura. A BP apresenta uma história térmica diferente, com MO matura a supermatura. As sucessões estudadas apresentam pequenas diferenças nos seus contextos paleoambientais demonstrando que, apesar do EOA-T ter um carácter global, nestas bacias os seus mecanismos de controlo são locais. Neste trabalho é ainda apresentada a primeira ocorrência de componentes pertencentes ao Filo Cnidaria, Classe Hydrozoa, Ordem Hydroida, em preparações organopalinológicas, em sedimentos de idade Jurássico Inferior.