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Variation des isotopes du carbone

Le carbone comporte naturellement deux isotopes stables: le 12C ( environ 98,89 %) et le 13C (environ 1,11 %). On exprime la proportion relative du 13C et du 12C par une valeur conventionnelle le δ13C (en pour mille). Des variations du δ13C sont enregistrées sur des échantillons totaux de craie. Les profils de δ13C sur les craies anglaises, comparés à ceux de séries carbonatées d’Italie (Gubbio) ou d’Espagne (Santa Ines) montrent de fortes analogies. Une courbe de référence (Jarvis et al, 2006) a été proposée pour des corrélations trans-continentales.

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Stratigraphie des isotopes du carbone dans la craie anglaise d

Des variations dans la productivité primaire et l’enfouissement de la matière organique influent sur le δ13C. Les plantes utilisent les deux types de carbone lors de la photosynthèse, mais le 13C, un peu plus lourd, est un peu moins absorbé que le 12C. Une augmentation de la productivité primaire entraîne une augmentation du δ13C car le 12C est séquestré dans les plantes et les sols.
La courbe du δ13C peut présenter des variations marquées, ou excursions isotopiques (CIEs = Carbon Isotopic Excursions), soit positives soit négatives. Ainsi, on distinguera des :

  • « événements lourds » (excursion positive, δ13C élevé),
  • « événements légers » (excursion négative, δ13C faible).

Les limites d’étages sont définies généralement par des renouvellements d’espèces d’organismes et il n’est pas étonnant qu’il y corresponde des excursions du δ13C.
On peut voir sur la courbe des « événements légers » :

  • à la limite Albien / Cénomanien,
  • à la limite Turonien – Coniacien,

et des » événements lourds » :

  • à la limite Cénomanien – Turonien,
  • à la limite Santonien – Campanien.

Les excursions positives du δ13C sont parfois liées aux OAEs (Oceanic Anoxic Events), décroissance en oxygène dissous des eaux profondes et augmentation de la productivité océanique et parfois aux extinctions biologiques marines.

La mesure du δ13C peut être réalisée sur la fraction carbonatée Ccarb  (carbone oxydé) ou sur la fraction organique Corg (carbone réduit), ce qui conduit à des différences, dues principalement aux effets diagénétiques dans le premier cas. Diverses tentatives de vérification de la courbe standard de Jarvis et al. ont été reproduites dans le monde, par exemple au Japon (Takashima, 2010), pour identifier ce qui relevait du réservoir global et des influences locales.

Une courbe de variation du δ13C a été réalisée pour l’intervalle Cénomanien – Campanien dans le Bassin du Western Interior (USA) par Joo & Sageman (2014). Elle présente de grandes analogies avec celle de Jarvis et al. (2006) et de Takashima (2010).

Courbe composite du delta 13C dans le bassin du Western Interior, d'après Joo & Sageman, 2014
Courbe composite du delta 13C dans le bassin du Western Interior, d’après Joo & Sageman, 2014

Au cours du Cénomanien, 2 événements positifs sont très bien marqués :

  • le MCE1 (+1°/°°),
  • l’OAE2 (+4-6°/°°). Ces 2 pics sont interprétés comme des progradations du littoral (régression).

3 autres pics mineurs sont présents dont :

  • C1 (positif, associé à l’événement Jukes – Browne).

Au Turonien, 6 pics sont identifiés dont :

  • T1 (positif, associé à l’événement Holywell),
  • T3 (positif, associé à l’événement Round Down),
  • T4 (positif, associé à l’événement Pewsey),
  • T5 (négatif, associé à l’événement Bridgewick),
  • T6 (positif, associé à l’événement Hitchwood).

Au Coniacien correspondent 4 pics :

  • Co1 et Co2 négatifs,
  • Co3 (positif, associé à l’événement Whitefall)
  • Co4 (positif, couronnant un plateau positif associé à l’OAE3, événement pas clairement défini dans la littérature).

Au Santonien, caractérisé globalement par des valeurs du δ13C très faibles, contrastent 5 pics positifs dont :

  • S1 et S2 associés à l’événement Bedwell,
  • S3 associé à l’événement Horseshoe Bay,
  • S4 associé à l’événement Hawks Brow.

Une étude publiée par Laurin et al. (2014) du Turonien supérieur du Bassin de Bohême tente de faire le lien entre la cyclostratigraphie (astrochronologie) et le cycle du carbone. L’empreinte du cycle de 405 ka y serait prédominante avec 4 pics positifs :

  • Pic Southerham supérieur
  • Pic +1 (= Hitchwood)
  • Pic +2
  • Pic +3

et 2 pics négatifs remarquables :

  • Pic Bridgewick (suivant le pic positif Southerham supérieur)
  • Pic Navigation (suivant le pic positif +3).

Cette étude accréditerait différents modèles pour lesquels une valeur forte de l’excentricité favoriserait l’enfouissement du carbone organique par l’effet des courants de mousson, en particulier au large de l’Afrique. Mais d’autres modèles différents ou contradictoires existent.
L’étude précédente est corroborée par Olde et al. (2015) sur le Turonien de Bohême.

Variation isotopique du 13C org dans le Bassin Crétacé de Bohême (Olde et al., 2015)
Variation isotopique du 13C org dans le Bassin Crétacé de Bohême (Olde et al., 2015)

En Basse-Saxe, dans la carrière de Salzgitter-Salder (Walaszczyk, 2010), on retrouve la même succession de pics :

  • Pic +1 (Hitchwood), très marqué et de même amplitude que le Pic -4 Pewsey
  • Pic +2
  • Pic +3
Basse-Saxe Carrière Salzgitter-Sadler
Basse-Saxe – Carrière Salzgitter-Sadler –
rappel sur les bentonites : TC2= Southerham 1, TD1 = Caburn, TE = Bridgewick 1, ME = Bridgewick 2, TF = Lewes

Au Maroc (Tarfaya), Prauss (carbonate total) reconnaît 4 événements principaux dans l’intervalle Turonien supérieur – Campanien :

Evénement de la limite Santonien – Campanien (positif),
Evénement Horseshoe Bay (positif),
Evénement Navigation (négatif),
Evénement Hitch Wood (positif).

Evénements isotopiques, d'après M.L. Prauss, adapté de Aquit et al. (2013)
Evénements isotopiques, d’après M.L. Prauss, adapté de Aquit et al. (2013)

Jeans et al. (2012) mettent en évidence l’influence de la diagénèse et plus particulièrement les effets de la cimentation calcitique qui modifierait fortement la valeur primitive du δ13Ccarb du sédiment. Ainsi, selon ces auteurs, un grande partie de la courbe de référence de Jarvis et al. (2006) ne pourrait être utilisée pour des corrélations stratigraphiques.

Les OAEs correspondent à la séquestration marine de carbone organique. Pour Beckmann et al. (2005), l’anoxie océanique et la formation consécutive de black shales seraient la conséquence de fortes décharges fluviatiles, en Afrique tropicale. Cette situation se produit préférentiellement lorsque l’équinoxe de printemps boréale est au périhélie  (maximum d’insolation durant la saison humide).