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.