Les traps du Karoo et les extinctions du Jurassique inférieur: dynamique éruptive et perturbations de l’environnement

Membres de jury COURTILLOT Vincent, Professeur, Université -Paris Diderot, Directeur de thèse FLUTEAU Frédéric, Professeur, IPGP-Paris, Codirecteur SCHALTEGGER Urs, Professeur, Université - Genève (Suisse), Rapporteur CHAUVIN Annick, Professeur, Université - Rennes1, Rapporteur KAMINSKI Edouard, Professeur, IPGP-Paris, Membre GUEX Jean, Professeur, Université - Lausanne (Suisse), Membre Résumé Bien que la corrélation temporelle entre mise en place des grandes provinces ignées et extinctions en masse suggère une relation de cause à effet, le détail du mécanisme nous échappe encore. De nombreux facteurs peuvent jouer un rôle clé sur les conséquences destructives de leur mise en place : parmi eux, nous avons choisi de nous concentrer sur leurs rythmes éruptifs. Notre étude porte sur la grande province volcanique de Karoo-Ferrar : âgée d’environ 180 Ma, celle-ci est souvent associée aux perturbations de l’environnement et aux crises biologiques (de second ordre) proches de la limite Pliensbachien-Toarcien (Jurassique inférieur). Quelles peuvent être les raisons de la relative modestie de ces événements biologiques, alors que la province du Karoo a, a priori, une extension et un volume comparables, peut-être même supérieurs, aux traps du Deccan, reliés eux à la crise majeure Crétacé-Tertiaire ? Nous avons échantillonné trois coupes de plusieurs milliers de mètres d’épaisseur au total dans les coulées de basaltes du groupe de Drakensberg, le vestige le plus volumineux du Karoo, et analysé au laboratoire plus de mille échantillons paléomagnétiques et une dizaine d’échantillons géochronologiques (méthode K-Ar Cassignol- Gillot). Nous mettons en évidence deux phases paroxysmales assez brèves séparées par quelques millions d’années. L’étude magnétostratigraphique suggère que la durée de la première phase volcanique (environ 10% du volume total) n’excède pas ~100 ka. La durée de l’événement volcanique majeur (environ 90% du volume) n’a pas excédé 900 ka, voire beaucoup moins. A une échelle de temps plus courte (<1 ka), l’analyse détaillée de la variation séculaire dans chaque coupe échantillonnée permet de montrer qu’elles se sont construites en une succession de “pulses” volcaniques d’une durée inférieure au siècle : pour chacune d’entre elles, l’activité volcanique proprement dite (correspondant à la durée totale de mise en place des coulées mais excluant les périodes de quiescence entre les coulées) n’a pas dû excéder quelques siècles pour la phase 1 et quelques millénaires pour la phase 2. Grâce à leurs directions magnétiques, certains de ces pulses volcaniques ont pu être corrélés sur des distances atteignant 200 km. L’étude combinée des données géochronologiques, géochimiques et paléomagnétiques disponibles pour l’ensemble des traps de Karoo-Ferrar nous conduit à suggérer qu’ils se sont mis en place en un petit nombre de phases paroxysmales dont la durée pourrait ne pas avoir excédé le million d’années. La chronologie de leur mise en place s’accorde avec le rythme discontinu des perturbations environnementales et biologiques du Pliensbachien-Toarcien. Plusieurs scénarios éruptifs sont ainsi discutés. Enfin, ce travail a été l’occasion de reprendre l’analyse de l’unique inversion enregistrée dans le Karoo et décrite par van Zijl dès les années 60 : nous obtenons un chemin de renversement du pôle virtuel très détaillé, appuyé sur plusieurs enregistrements distants. Ce chemin d’inversion assez simple est compatible avec des épisodes éruptifs brefs et peu nombreux, et possède les propriétés des inversions très récentes, beaucoup mieux connues. Summary Although correlation of the dates of emplacement of large igneous provinces (LIP) and mass extinctions do suggest a causal relationship, details of the mechanism still elude us. Many factors can play a key role in the destructive consequences of their emplacement: among these, we have chosen to concentrate on eruptive rhythms. Our study focuses on the Karoo-Farrar LIP: aged about 180 Ma, it is often associated with the environmental perturbations and (second order) biotic crises near the Pliensbachian-Toarcian boundary. What reasons could explain the modest biological consequences of the Karoo eruption, when its extent and volume were comparable, and even possibly larger than those of the Deccan traps, associated to the major Cretaceous-Tertiary crisis? We have sampled three sections of basalt flows from the Drakensberg Group, the largest Karoo remain, totaling several thousand meters, and we have analyzed in the laboratory more than one thousand paleomagnetic samples and ten geochronologic samples (using the Cassignol/Gillot K-Ar technique). We find two rather brief paroxysmal phases, separated by a few million years. Study of magnetic stratigraphy suggests that the duration of the first phase (amounting to about 10% of the total lava volume) did not exceed ~100 kyr. The duration of the major volcanic event (some 90% of the volume) did not exceed 900 kyr, and possibly much less. On a much smaller time scale (<1 ka), detailed analysis of secular variation in each section has allowed us to show that they were built as a succession of volcanic pulses, each lasting less than a century. For each one of them, volcanic activity (stricto sensu, corresponding to the total duration of flow emplacement but excluding quiescence periods between flows) probably did not exceed a few centuries for phase 1 and a few millennia for phase 2. Using magnetic directions, several volcanic pulses could be correlated over distances reaching 200 km. Combined analysis of available geochronologic, geochemical and paleomagnetic data from the entire Karoo-Farrar traps leads us to suggest that they were emplaced as a small number (3 or 4) of paroxysmal phases, whose duration probably did not exceed a million years. This emplacement chronology is in good agreement with the discontinuous rhythm of environmental and biotic perturbations near the Pliensbachian-Toarcian boundary. We discuss several eruptive scenarios. Lastly, this work has given us an occasion to revisit the single reversal recorded by the Karoo lavas and described by van Zijl in the early 60s. We obtain a very detailed virtual pole reversal path, based on several distant recordings. The reversal path is rather simple and compatible with a few brief eruptive episodes and displays the same characteristics as more recent, much better known reversals.