Étude des sédiments quaternaires, de la molasse et sa tectonique, dans le Grand Lac (Léman) à partir de données sismiques 2D et 3D

RESUME L'Institut de Géophysique de l'Université de Lausanne a développé au cours de ces dernières années un système d'acquisition de sismique réflexion multitrace à haute résolution 2D et 3D. L'objectif de cette thèse était de poursuivre ce développement tout améliorant les connaissances de la géologie sous le lac Léman, en étudiant en particulier la configuration des grands accidents sous-lacustres dans la Molasse (Tertiaire) qui forme l'essentiel du substratum des formations quaternaires. En configuration 2D, notre système permet d'acquérir des profils sismiques avec une distance inter-CDP de 1,25 m. La couverture varie entre 6 et 18 selon le nombre de traces et la distance inter-tir. Le canon à air (15/15 eu. in.), offre une résolution verticale de 1,25 ni et une pénétration maximale de 300 m sous le fond de l'eau. Nous avons acquis au total plus de 400 km de sections 2D dans le Grand Lac et le Haut Lac entre octobre 2000 et juillet 2004. Une campagne de sismique 3D a fourni des données au large d'Evian sur une surface de 442,5 m sur 1450 m, soit 0,64 km2. La navigation ainsi que le positionnement des hydrophones et de la source ont été réalisés avec des GPS différentiels. Nous avons utilisé un traitement sismique conventionnel, sans appliquer d'AGC et en utilisant une migration post-stack. L'interprétation du substratum antéquaternaire est basée sur l'identification des sismofaciès, sur leurs relations avec les unités géologiques adjacentes au lac, ainsi que sur quelques données de forages. Nous obtenons ainsi une carte des unités géologiques dans le Grand Lac. Nous précisons la position du chevauchement subalpin entre la ville de Lausanne, sur la rive nord, et le bassin de Sciez, sur la rive sud. Dans la Molasse de Plateau, nous avons identifié les décrochements de Pontarlier et de St. Cergue ainsi que plusieurs failles non reconnues jusqu'ici. Nous avons cartographié les accidents qui affectent la Molasse subalpine ainsi que le plan de chevauchement du flysch sur la Molasse près de la rive sud du lac. Une nouvelle carte tectonique de la région lémanique a ainsi pu être dressée. L'analyse du substratum ne montre pas de failles suggérant une origine tectonique de la cuvette lémanique. Par contre, nous suggérons que la forme du creusement glaciaire, donc de la forme du lac Léman, a été influencée par la présence de failles dans le substratum antéquaternaire. L'analyse des sédiments quaternaires nous a permis de tracer des cartes des différentes interfaces ou unités qui les composent. La carte du toit du substratum antéquaternaire montre la présence de chenaux d'origine glaciaire dont la profondeur maximale atteint la cote -200 ni. Leur pente est dirigée vers le nord-est, à l'inverse du sens d'écoulement actuel des eaux. Nous expliquons cette observation par l'existence de circulations sous-glaciaires d'eau artésienne. Les sédiments glaciaires dont l'épaisseur maximale atteint 150 ni au centre du lac ont enregistré les différentes récurrences glaciaires. Dans la zone d'Evian, nous mettons en évidence la présence de lentilles de sédiments glaciolacustres perchées sur le flanc de la cuvette lémanique. Nous avons corrélé ces unités avec des données de forage et concluons qu'il s'agit du complexe inférieur de la pile sédimentaire d'Evian. Celui-ci, âgé de plus de 30 000 ans, serait un dépôt de Kame associé à un lac périglaciaire. La sismique réflexion 3D permet de préciser l'orientation de l'alimentation en matériel détritique de l'unité. La finesse des images obtenues nous permet également d'établir quels types d'érosion ont affecté certaines unités. Les sédiments lacustres, dont l'épaisseur maximale imagée atteint plus de 225 m et sans doute 400 ni sous le delta du Rhône, indiquent plusieurs mécanismes de dépôts. A la base, une mégaturbidite, épaisse d'une trentaine de mètres en moyenne, s'étend entre l'embouchure de la Dranse et le delta du Rhône. Au-dessus, la décantation des particules en suspension d'origine biologique et détritique fournit l'essentiel des sédiments. Dans la partie orientale du lac, les apports détritiques du Rhône forment un delta qui prograde vers l'ouest en s'imbriquant avec les sédiments déposés par décantation. La structure superficielle du delta a brutalement évolué, probablement à la suite de l'évènement catastrophique du Tauredunum (563 A.D.). Sa trace probable se marque par la présence d'une surface érosive que nous avons cartographiée. Le delta a ensuite changé de géométrie, avec notamment un déplacement des chenaux sous-lacustres. Sur l'ensemble de nos sections sismiques, nous n'observons aucune faille dans les sédiments quaternaires qui attesterait d'une tectonique postglaciaire du substratum. ABSTRACT During the last few years the institute of Geophysics of the University of Lausanne cleveloped a 2D and 3D high-resolution multichannel seismic reflection acquisition system. The objective of the present work was to carry on this development white improving our knowledge of the geology under Lake Geneva, in particular by studying the configuration of the large accidents affecting the Tertiary Molasse that makes up the basement of most Quaternary deposits. In its 2D configuration, our system makes it possible to acquire seismic profiles with a CDP interval of 1.25 m. The fold varies from 6 to 18 depending on the number of traces and the shooting interval. Our air gun (15/15 cu. in.) provides a vertical resolution of 1.25 m and a maximum penetration depth of approximately 300 m under water bottom. We acquired more than 400 km of 2D sections in the Grand Lac and the Haut Lac between October 2000 and July 2004. A 3D seismic survey off the city of Evian provided data on a surface of 442.5 m x 1450 m (0.64 km2). Ship's navigation as well as hydrophone- and source positioning were carried out with differential GPS. The seismic data were processed following a conventional sequence without .applying AGC and using post-stack migration. The interpretation of the pre-Quaternary substratum is based on sismofacies, on their relationships with terrestrial geological units and on some borehole data. We thus obtained a map of the geological units in the Grand Lac. We defined the location of the subalpine thrust from Lausanne, on the north shore, to the Sciez Basin, on the south shore. Within the Molasse de Plateau, we identified the already know Pontarlier and St Cergue transforms Fault as well as faults. We mapped faults that affect subalpine Molasse as well as the thrust fault plane between alpine flysch and Molasse near the lake's south shore. A new tectonic map of the Lake Geneva region could thus be drawn up. The substratum does not show faults indicating a tectonic origin for the Lake Geneva Basin. However, we suggest that the orientation of glacial erosion, and thus the shape of Lake Geneva, vas influenced by the presence of faults in the pre-Quaternary basement. The analysis of Quaternary sediments enabled us to draw up maps of various discontinuities or internal units. The top pre-Quaternary basement map shows channels of glacial origin, the deepest of them reaching an altitude of 200 m a.s.l. The channel's slopes are directed to the North-East, in opposite direction of the present water flow. We explain this observation by the presence of artesian subglacial water circulation. Glacial sediments, the maximum thickness of which reaches 150 m in the central part of the lake, record several glacial recurrences. In the Evian area, we found lenses of glacio-lacustrine sediments set high up on the flank of the Lake Geneva Bassin. We correlated these units with on-land borehole data and concluded that they represent the lower complex of the Evian sedimentary pile. The lower complex is aider than 30 000 years, and it could be a Kame deposit associated with a periglacial lake. Our 3D seismic reflexion survey enables us to specify the supply direction of detrital material in this unit. With detailed seismic images we established how some units were affected by different erosion types. The lacustrine sediments we imaged in Lake Geneva are thicker than 225 m and 400 m or more Linder the Rhone Delta. They indicate several depositional mechanisms. Their base is a major turbidite, thirty meters thick on average, that spreads between the Dranse mouth and the Rhone delta. Above this unit, settling of suspended biological and detrital particles provides most of the sediments. In the eastern part of the lake, detrital contribution from the Rhone builds a delta that progrades to the west and imbricates with the settling sediments. The shallow structure of the Rhone delta abruptly evolved, probably after the catastrophic Tauredunum event (563 A.D.). It probably coincides with an erosive surface that we mapped. As a result, the delta geometry changed, in particular associated with a displacement of water bottom channels. In all our seismic sections, we do not observe fault in the Quaternary sediments that would attest postglacial tectonic activity in the basement.

Environmental changes in the aftermath of Neoproterozoic glaciations: a biogeochemical study of sediments from SW-Gondwana

Abstract The late Neoproterozoic or Ediacaran period, (635 to -543 Ma) is a primordial time in the Earth history corresponding to the beginning of animal life and the most extreme ice ages on Earth. In this dissertation, palaeoenvironmental conditions were reconstructed for Ediacaran, post-Gaskiers shelf deposits in SW- Gondwana and their changes were evaluated according to the diversity of organisms. The present study addresses the question of interactions between biodiversity and environmental change by using the elemental and isotopic geochemistry of sedimentary rocks and associated organic matter, as well as the distribution of hydrocarbon biomarkers. The studied sedimentary sequences are from a large basin extended from the Paraguay belt to the Rio de la Plata craton, including the Corumbâ Group in SW-Brazil (Paraguay belt), the Arroyo del Soldado Group in Uruguay and the Sierras Bayas Group in Argentina (both in the Rio de la Plata craton). Several geochemical signatures of the sediments from Corumbâ and Sierras Bayas groups provides evidence for an euxinic setting in the Ediacaran Ocean: 1) The occurrence of syngenetic pyrite in the Corumbâ Group together with hydrocarbon biomarkers of an anoxic microbial consortium including traces of gammacerane, a distribution of hopanes with maxima at C29 as well as a low pristane/phytane (Pr/Ph) ratio; 2) the occurrence of 34S enrichments within sulfides of the Sierras Bayas Group exceeding the sulfur isotopic composition of coeval carbonate-associated sulfate. In the Arroyo del Soldado Group, an event of reducing conditions was revealed by higher concentrations of redox-sensitive trace elements and negative 513Ccar shifts in all sections. This event is extended to the whole unit in the deepest section and is restricted to tempestites in the two other shallow sections. The persistent negative. ôl3Ccar values recorded at the basinal setting implies strong isotopic gradient between shallow and deep water environments and therefore, a locus of deposition below the redox chemocline. In all studied sections, the excursions, the strong enrichment of authigenic trace-elements, the occurrence of longer chain «-alkanes, gammacerane and low Pr/Ph and Ph/>;-C]a ratios, combined with the previous sedimentological and paleontological observations indicate that the chemistry of the ocean was strongly controlled by the oxygen availability; waters being moderately oxic at the surface and anoxic at depth for much of the Neoproterozoic. This water column stratification was favourable to the storage of large amounts of nutrients in the deep ocean. During upwelling periods, the export of these nutrient-rich waters may have triggered an important bioproductivity in surface waters. Drops in Al3Cc,,.](Cr and positive ôl3Ccllr excursions highlight the increase in primary productivity. Preservation of organic carbon was ensured by reducing conditions at the bottom. The Al3ccar.kcr excursions could also reflect changes in the composition of the primary biomass. New geochemical evidence from SW-Gondwana sections supports a stratified Ediacaran ocean, outside restricted or hypersaline environments, in the aftermath of glaciations. The association of ocean stratification and the appearance of metazoans support the model that the evolution of eukaryotic life was related to the increase of oxygen levels in surface environments due to an efficient recycling of nutrients in the anoxic deep ocean. Résumé Le Néoprotérozoïque terminal, ou Édiacarien (635 à -543 Ma), est un période de première importance dans l'histoire de la Terre, car elle correspond a l'apparition des métazoaires pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Le présent mémoire se propose de reconstituer les conditions paléoenvironnementales des dépôts de plateforme mis en place durant l'Édiacarien, au sud-ouest du Gondwana. Les interactions entre changements environnementaux et biodiversité sont évaluées en s'appuyant d'une part sur la composition élémentaire et isotopique des roches sédimentaires et de leur matière organique, et d'autre part sur la distribution moléculaire de biomarqueurs hydrocarbonés. Les séquences sédimentaires étudiées proviennent d'un grand bassin qui s'étend de la chaîne du Paraguay jusqu'au craton du Rio de la Plata. La séquence du Groupe Corumbâ au Sud Ouest du Brésil se situe dans la chaîne du Paraguay, tandis que le Groupe Arroyo del Soldado en Uruguay et le Groupe Sierras Bayas en Argentine sont situés sur le craton du Rio de la Plata. L'étude géochimique des sédiments des groupes Corumbâ et Sierras Bayas révèle de façon claire des conditions euxiniques dans l'océan édiacarien. On trouve ainsi, dans le Groupe Corumbâ, les biomarqueurs d'un cortège microbien anoxique et sulfurique comprenant des bactéries sulfato-réductrices, et dans les sulfures du Groupe Sierras Bayas, des enrichissements en Î4S excédant les rapports isotopiques du soufre dans le sulfate cogénétique associé aux carbonates. Dans la séquence de l'Arroyo del Soldado, un événement réducteur est mis en évidence par des teneurs plus élevées en éléments traces sensibles aux conditions redox et par des excursions négatives du 613Ccardans toutes les coupes. Cet événement affecte la totalité de la section la plus profonde et n'apparaît que dans les tempestites dans les sections les moins profondes. La persistance de valeurs négatives du ô13Ccarau large implique un gradient isotopique prononcé entre les environnements superficiels et profonds, et donc, ta présence d'une chémocline redox. Les excursions du. ôBCcar, l'enrichissement authigène en éléments traces, la présence de gammacérane et de rt-alcanes à longue chaîne, ainsi que de faibles rapports Pr/Ph et Ph/«-Cl8, viennent s'ajouter aux observations préliminaires sur la sédimentologie et la paléontologie pour indiquer que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, les eaux étant modérément oxiques à la surface et anoxiques en profondeur pendant la plus grande partie du Néoprotérozoïque. La stratification de la colonne d'eau était favorable au stockage de grandes quantités de nutriments dans l'océan profond. Dans les zones d'upwelling, la migration d'eaux profondes riches en nutriment vers la surface a pu provoquer une bioproductivité prononcée dans les eaux de surface. La conservation du carbone organique était assurée par les conditions anoxiques prévalant au fond. Les excursions du A13Ccar.kt.r pourraient aussi refléter des changements dans la biomasse primaire. Le présent travail apporte donc de nouvelles preuves qu'un océan stratifié s'est maintenu à la suite des glaciations néoprotérozoïques dans le Sud Ouest du Gondwana. L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Résumé pour le grand public La période Ediacarienne (635 à -543 Ma) à la fin du Précambrien est l'une de plus énigmatiques dans l'histoire de la Terre, car elle est caractérisée par la diversification de la vie multicellulaire (eucaryote) pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Dans ce travail de thèse, nous cherchons à déceler l'existence éventuelle d'un lien entre ces changements environnementaux et l'évolution de la vie eucaryote à travers une étude biogéochimique. La biogéochimie est l'étude des activités biologiques dans la géosphère, telles que celles intervenant dans les cycles des éléments chimiques (y compris les isotopes stables) et celles de production de composés carbonés caractérisant certains groups d'organismes ou taxons. La recherche des signatures paléoenvironnementales dans les roches précambriennes a été fortement facilitée par l'utilisation des biomarqueurs ou fossiles moléculaires. Ces composés, provenant des lipides biologiques (molécules avec des fonctions spécifiques dans les organismes), peuvent être reliés à des taxons spécifiques ou à des voies métaboliques. La transformation d'un biolipide en fossile moléculaire intervient lorsque des restes organiques déposés dans un substrat subissent un enfouissement et une augmentation de la pression (diagenèse). Ce processus mène à la formation de kérogène, un grand agrégat chimique de matière organique insoluble dans des solvants organiques, et de bitume ou fraction soluble (extractible) de la matière organique. L'analyse intégrée du kérogène et du bitume fournit des indications précieuses pour les reconstitutions paléoenvironnementales. Des conditions paléoenvironnementales ont ainsi été déterminées pour une plateforme marine Ediacarienne située dans la partie sud-américaine du bloc occidental du paléocontinent Gondwana. Les séquences sédimentaires étudiées appartiennent au même bassin qui s'étend de la ceinture du Paraguay (Groupe Corumbâ, Brésil) au craton du Rio de la Plata (Groupes Arroyo del Soldado, Uruguay et Sierras Bayas, Argentina). Nous nous sommes intéressés aux isotopes stables de carbonates et de la matière organique associée (kérogène et bitume), aux éléments majeurs et traces, ainsi qu'aux biomarqueurs caractérisant ces roches. Les résultats de cette dissertation suggèrent qu'au cours de l'Édiacarien, suite aux glaciations néoprotérozoïques dans le bloc occidental du Gondwana, l'océan était stratifié en zones spécifiques d'eaux riches en sulfures et dépourvues d'oxygène (euxiniques). L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Les excursions isotopiques (tendance à des valeurs positives ou négatives) en constante fluctuation pour le carbone et très positives pour le soufre des sulfures, l'enrichissement en éléments trace et la présence de certains composés (e.g. gammacerane; Pr/Ph et Ph/«-Ci8 en basse proportion) conjugués aux observations sédimentologiques et paléontologiques des différents profils étudiés indiquent que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, avec des eaux modérément oxygénées en surface et euxiniques en profondeur pour la plupart du Néoprotérozoïque.

Impact of controlled changes in grain size and pore space characteristics on the hydraulic conductivity and spectral induced polarization response of "proxies" of saturated alluvial sediments

Understanding the influence of pore space characteristics on the hydraulic conductivity and spectral induced polarization (SIP) response is critical for establishing relationships between the electrical and hydrological properties of surficial unconsolidated sedimentary deposits, which host the bulk of the world's readily accessible groundwater resources. Here, we present the results of laboratory SIP measurements on industrial-grade, saturated quartz samples with granulometric characteristics ranging from fine sand to fine gravel, which can be regarded as proxies for widespread alluvial deposits. We altered the pore space characteristics by changing (i) the grain size spectra, (ii) the degree of compaction, and (iii) the level of sorting. We then examined how these changes affect the SIP response, the hydraulic conductivity, and the specific surface area of the considered samples. In general, the results indicate a clear connection between the SIP response and the granulometric as well as pore space characteristics. In particular, we observe a systematic correlation between the hydraulic conductivity and the relaxation time of the Cole-Cole model describing the observed SIP effect for the entire range of considered grain sizes. The results do, however, also indicate that the detailed nature of these relations depends strongly on variations in the pore space characteristics, such as, for example, the degree of compaction. The results of this study underline the complexity of the origin of the SIP signal as well as the difficulty to relate it to a single structural factor of a studied sample, and hence raise some fundamental questions with regard to the practical use of SIP measurements as site- and/or sample-independent predictors of the hydraulic conductivity.