A la recherche de rythmes dans la craie

Lorsque nous contemplons certaines falaises, par exemple la haute falaise entre la Porte d’Amont d’Etretat et le Roc Vaudieu, nous sommes frappés par la répétition régulière et périodique des silex. Cette rythmicité ne peut s’expliquer que de deux manières : – soit qu’il s’agit d’un phénomène autocyclique : par exemple, lorsqu’une certaine quantité de boue s’est déposée, alors un nouveau silex se forme; -soit qu’il s’agit d’un phénomène allocyclique : par exemple, le silex se forme chaque fois qu’un paramètre climatique est atteint. Ce que nous venons de constater à propos des silex peut s’étendre à d’autres types de roches ou à un paramètre physique. Gale et al. (1999) ont parfaitement analysé la série cénomanienne du sud de l’Angleterre qui présente des alternances craie/marne sur de fortes épaisseurs. On désigne ces alternances sous le nom de « bedding couplets », ou l’équivalent en français de « couplets sédimentaires« . On fait parfois référence à la « clay clock » (horloge-argile) en cyclostratigraphie.

Sur l’origine des couplets, on distingue :
des cycles de productivité. En supposant un apport constant de particules clastiques fines, l’apport de carbonates est conditionné par la productivité planctonique, elle-même contrôlée par les upwellings et les mélanges d’eaux superficielles.
des cycles de dilution. En supposant une productivité constante de carbonates, l’apport de particules clastiques fines est conditionné par le ruissellement.

Couplets repères de Gale (Gale, 1995), quelques caractéristiques  :

A1 à A51 : zone à M. mantelli. Les couplets A1 à A30 ne sont pas rythmiques dans le Bassin Anglo-Parisien (faciès des marnes glauconieuses). La rythmicité débute dans la sous-zone à S. schlueteri avec le couplet A31.

B1 : Début de la zone à dixoni avec l’apparition de M. dixoni.
B11 : banc calcaire proéminent
B13 à B18 : abondance d’ Inoceramus virgatus.
B19 à B22 : Abondance d’Orbirhynchia mantelliana (1er niveau)
B23-24 : Double banc calcaire du Bassin de Basse-Saxe ou un banc massif à Southerham, dans la zone à dixoni = HG Bruneval 2 ?
B37 : base du Cénomanien moyen = base de la zone à Cunningtoniceras inerme = HG Bruneval 3 ?
B41 : marne noire à Chlamys arlesiensis, Oxytoma seminudum et la serpule  Glandifera rustica = marne Sainte-Marie ?
B43 : base de la zone à Acanthoceras rhotomagense du  Cénomanien moyen = Tenuis limestone = HG Rouen 1

C1 : Cast Bed ou Horizon de Rouen
C6 à C0 : acme du 3ème niveau à Orbirhynchia mantelliana.
C11 : apparition de Rotalipora cushmani.

D1 à D3 : 3 marnes sombres à Pycnodontes (événement à Pycnodontes).
D8 à D11 : 5 rythmes évidents.

E1 : surface d’érosion sub-plenus.
E4 : équivalent du bed 3 de Jefferies dans les marnes à plenus.
E17 : son sommet correspond à la marne Meads 4 (limite Cénomanien – Turonien).

Robaszynki observe les alternances suivantes (schéma) dans le Cénomano-Turonien du Cap Blanc-Nez. Il en est de même dans le Cénomanien du Pays de Caux en général et au Cénomanien moyen plus particulièrement.

La porosité est un paramètre physique mesuré dans les forages par diagraphie. Or, les faibles porosités sont souvent liées à une présence plus marquée de minéraux argileux. Les logs diagraphiques dans la craie montrent des variations cycliques de la porosité. Mais d’autres paramètres : sonic, gamma ray, peuvent être analysés. Certaines méthodes mathématiques (Weedon, 2003) permettent d’extraire les fréquences fondamentales d’un signal, une série géologique n’en étant qu’un cas particulier. Berger & Loutre(1989) ont modélisé les périodes des différents cycles climatiques au cours des temps géologiques. Voici les 4 principales périodes pour le Crétacé supérieur :

• Excentricité longue : 400 ka,
• Excentricité courte : 115 ka (soit en arrondissant 100 ka),
• Obliquité : 51,1 + 39,3 ka (soit environ 40 ka),
• Précession climatique : 22,4 + 18,6 ka (soit environ 20 ka).

En supposant un taux de sédimentation de 2 ou 3 ou 4 cm / 1000 ans, les épaisseurs calculées pour chaque période sont :

	2 cm / 1000 ans	3 cm / 1000 ans	4 cm / 1000 ans
E400	8 m	12 m	16 m
E100	2 m	3 m	4 m
O40	0,8 m	1,2 m	1,6 m
P20	0,4 m	0,6 m	0,8 m

Le cycle élémentaire serait donc un cycle précessionnel. Mais les silex se regroupent souvent par paquets de 4 à 5 suggérant une modulation par un cycle de période plus longue (excentricité courte 100 ka). On parle de « syndrome précession-excentricité » pour qualifier le regroupement en faisceau de 5 des couplets sédimentaires précessionnels. Les méthodes mathématiques conduisant à l’extraction des cycles fondamentaux dans les craies normandes n’ont encore jamais été tentées aujourd’hui. La technique est lourde et elle est surtout pratiquée sur des carottes longues de forage. On peut citer l’article de Wu et al. (2012) portant sur des séries lacustres du Turonien-Campanien en Chine qui fait apparaître par filtrage les cycles d’excentricité longue (405 ka) et d’excentricité courte (100 ka). Les cycles de 405 ka sont numérotés : Santonien : E₄₀₅ 0 à E₄₀₅ 6 Coniacien : E₄₀₅ 7 à E₄₀₅ 15

Les études de sur les craies coniaciennes et santonienne du Western Interior (Formation Niobrara, Locklair & Sageman, 2008) font apparaître un pic dominant correspondant à l’excentricité courte (95 kan) pour une vitesse de sédimentation de 1,4 cm/kan.
Dans le Campanien de la Mer du Nord et d’Allemagne septentrionale, Perdiou et al. (2015) distinguent 14 cycles de 405 kan (UC 1 à 14) sur le signal gamma ray qu’ils intègrent sur les courbes isotopiques du carbone.
Les 107 couplets mesurés par Gale (1995) dans le Cénomanien moyen et supérieur du Sud de l’Angleterre sont clairement identifiés au rythme précessionnel. Dans la scaglia rossa turonienne de Marches-Ombrie, on observe des alternances de cherts à radiolaires et de calcaires pélagiques suivant le rythme de la précession, groupés en faisceaux hiérarchisés suggestifs de l’excentricité  (De Vleeschouwer et al, 2012). On peut y voir une analogie avec les rythmes silex/craie de Normandie.
Les cycles élémentaires calcaire/marne, dans le Cénomanien-Coniacien du Western Interior Seaway, résultent clairement (Eldrett et al., 2015) d’un forçage climatique dirigé par l’insolation solaire et les périodicités de Milankovitch (obliquité et précession), sans invoquer des variations significatives du niveau marin.
A partir des variations du δ¹³ C_carb, Laurin et al. (2014) établissent un lien avec le cycle à 405 ka, l’enfouissement organique serait lié à l’excentricité haute, elle même conditionnant le forçage des moussons à basse latitude.
Les fluctuations eustatiques déterminant les 6 séquences de troisième ordre, d’environ 1 Ma chacune, au cours du Cénomanien (Robaszynski et al.,1998; Wilmsen, 2003) peuvent être une réponse non-linéaire à la modulation d’amplitude de l’obliquité d’environ 1,2 Ma.
Dans la coupe de Seaford, à partir de la courbe du ¹³C_Carb, filtrée sur 405 ka, Thibault et al. (2016) distinguent 5 périodes (Sa1 à Sa5) dans le Santonien. Un essai d’accordement avec la solution La₂₀₁₁ (Laskar et al., 2011) est proposé (rappelons que l’excentricité longue à 405 ka est suggérée par Laskar et al. pour la calibration des temps absolus au Mésozoïque du fait de sa grande stabilité liée à la masse énorme de Jupiter). Il ferait apparaître (option 2 des auteurs) que les maxima du δ¹³C_Carb coïncideraient avec les minima d’insolation (ainsi qu’aux minima de résistivité dans la Formation de Niobrara, USA).

Matthews & Al-Husseini (2010) définissent le straton comme l’unité sédimentaire qui s’accorde avec le cycle de 405 ka. L’âge des stratons est fixé à leur base et ils sont numérotés comme des entiers (J= 1, 2 ..). 12 stratons forment un dozon (4,86 Ma). 3 dozons forment un orbiton (14.58 Ma).  Cette approche reste particulière à ces auteurs, mais elle mérite d’être signalée. Al-Husseini (2017) tente de relier les événements du ¹³Cδ avec les numéros de stratons.

Exemple de l’événement East Cliff
Cycle E405 : Début du cycle 218
Straton :  Base 6A-3
Age : 88.256 Ma

Dans l’interprétation de Matthews et Al-Husseini, il existerait une correspondance entre la courbe du ¹³Cδ et la stratigraphie séquentielle qui s’exprimerait ainsi (opinion non conventionnelle) :
– branche montante = régression (il est plus généralement admis une transgression)
– plateau = prisme de bas niveau (LST)
– branche descendante = transgression (TST)
– large vallée = prisme de haut niveau (HST).

– Pic (positif) = limite de séquence (SB)

Marne = maximum d’excentricité
Hardground = minimum d’excentricité

La microphotographie au MEB permet de distinguer des compositions différentes dans un couplet craie – marne, en particulier pour la pyrite framboïdale.