Organic geochemistry of Jurassic-Cretaceous source rocks and oil seeps from the profile across the Adriatic-Dinaric carbonate platform

Organic geochemical and stable isotope investigations were performed to provide an insight into the depositional environments, origin and maturity of the organic matter in Jurassic and Cretaceous formations of the External Dinarides. A correlation is made among various parameters acquired from Rock-Eval, gas chromatography-mass spectrometry data and isotope analysis of carbonates and kerogen. Three groups of samples were analysed. The first group includes source rocks derived from Lower Jurassic limestone and Upper Jurassic ``Leme'' beds, the second from Upper Cretaceous carbonates, while the third group comprises oil seeps genetically connected with Upper Cretaceous source rocks. The carbon and oxygen isotopic ratios of all the carbonates display marine isotopic composition. Rock-Eval data and maturity parameter values derived from biomarkers define the organic matter of the Upper Cretaceous carbonates as Type I-S and Type II-S kerogen at the low stage of maturity up to entering the oil-generating window. Lower and Upper Jurassic source rocks contain early mature Type III mixed with Type IV organic matter. All Jurassic and Cretaceous potential source rock extracts show similarity in triterpane and sterane distribution. The hopane and sterane distribution pattern of the studied oil seeps correspond to those from Cretaceous source rocks. The difference between Cretaceous oil seeps and potential source rock extracts was found in the intensity and distribution of n-alkanes, as well as in the abundance of asphaltenes which is connected to their biodegradation stage. In the Jurassic and Cretaceous potential source rock samples a mixture of aromatic hydrocarbons with their alkyl derivatives were indicated, whereas in the oil seep samples extracts only asphaltenes were observed.

Mesozoic oceanic terranes of southern Central America : geology, geochemistry and gedynamics

Abstract The Northwestern edge of the modern Caribbean Plate, located in central Middle America (S-Guatemala to N-Costa Rica), is characterized by a puzzle of oceanic and continental terranes that belonged originally to the Pacific façade of North America. South of the Motagua Fault Zone, the actual northern strike slip boundary of the Caribbean Plate, three continental slivers (Copán, Chortis s. str. and Patuca) are sandwiched between two complex suture zones that contain HP/LT mafic and ultramafic oceanic rocks: The Motagua Mélanges to the North, extensively studied in the last ten years and the' newly defined Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT) to the South. No modem geological data were available for the oceanic terrane located in the southern part of the so called continental "Chortis Block". Classically, the southern limit of this block with the Caribbean Large Igneous Province (CLIP) was placed at a hypothetical fault line connecting the main E-W fault in the Santa Elena Peninsula (N-Costa Rica) with the Hess Escarpment. However, our study in eastern Nicaragua and northwestern Costa Rica evidences an extensive assemblage of oceanic upper mantle and crustal rocks outcropping between the Chortis/Patuca continental blocks and the CLIP. They comprise collided and accreted exotic terranes of Pacific origin recording a polyphased tectonic history. We distinguish: 1- The MCOT that comprises a Late Triassic to Early Cretaceous puzzle of oceanic crust and arc-derived rocks set in a serpentinite matrix, and 2- The Manzanillo and Nicoya Terranes that are made of Cretaceous plateau-like rocks associated with oceanic sediments older than the CLIP. This study has been focused on the rocks of the MCOT. The MCOT comprises the southern half of the former "Chortis Block" and is defined by 4 comer localities characterized by ultramafic and mafic oceanic rocks of Late Triassic, Jurassic and Early Cretaceous age: 1- The Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- The El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- DSDP Legs 67 and 84 (Guatemala fore-arc basin), and 4- The Santa Elena Peridiotite (NW-Costa Rica). The Siuna Serpentinite Mélange (SSM) is a HP/LT subduction zone mélange set in a serpentinite matrix that contains oceanic crust and arc-related greenschist to blueschist/eclogite facies metamafic and metasedimentary blocks. Middle Jurassic (Bajocian-Bathonian) radiolarites are found in original sedimentary contact with arc-derived greenstones. Late Jurassic black detrital chert possibly formed in a marginal (fore-arc?) basin shortly before subduction. A phengite 40Ar/39Ar -cooling age dates the exhumation of the high pressure rocks as 139 Ma. The El Castillo Mélange (ECM) is composed of serpentinite matrix with OIB metabasalts and Late Triassic (Rhaetian) red and green radiolarite blocks. Recent studies of the DSDP Legs 67/84 show that the Guatemala/Nicaragua fore-arc basin is composed of a pile of ultramafic, mafic (OIB-like) and arc related rocks with ages ranging from Late Triassic to Campanian. Finally, the Santa Elena peridiotites that mark the limit of the MCOT with the Manzanillo/Nicoya Terranes and correspond to an association of ultramafic rocks that comprise peridiotites, dunites and chromites of abyssal and fore-arc origin. The SSM is the result of a collision between a Middle Jurassic island arc and the Patuca Terrane, a fragment of the Western N-American active continental margin. The Siuna Mélange (SSM) and the South Montagna Mélange share common characteristics with the Pacific N-American suture zone (E-Franciscan and Vizcaino mélanges), in particular, the Mesozoic ages of HP/LT metamorphic and the arc-derived blocks. For us, these mélanges imply an originally continuous, but slightly diachronous suture that affected the entire W-American active margin. It may imply the arrival and collision of an exotic intraoceanic arc (Guerrero-Phoenix) related to the origin of the Pacific Plate that initiated as a back arc basin of this arc. The present disposition of the fragments of this suture zone is the result of a northward shift of the active left-lateral strike slip motion between the N-American and the Caribbean Plates. Résumé Le coin nord-ouest de la Plaque Caraïbe moderne se trouve en Amérique Centrale, entre le sud du Guatemala et le nord du Costa Rica. Cette région est composée d'un puzzle de terrains océaniques et continentaux dont les origines se situent sur la façade pacifique de l'Amérique du Nord. Au sud de la faille de Motagua, la limite septentrionale actuelle, décrochante, de la Plaque Caraïbe, se trouvent 3 copeaux continentaux (Copàn, Chortis s. str. et Patuca) coincés entre deux zones de suture complexes à roches mafiques et ultramafiques qui ont subi un métamorphisme de haute pression/basse température (HP/LT). Il s'agit des Mélanges de Motagua au nord, largement étudiés ces dernières années, et du Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT), récemment défini par nous, au sud. En vue de l'absence de données géologiques modernes concernant les terrains océaniques qui se trouvent dans la partie sud du "Chortis Block" considérée comme continentale, nous avons dédié cette étude à cette région. Classiquement, la limite méridionale entre le "Chortis Block" et la "Caribbean Large Igneous Province" (CLIP) a été associée à une faille hypothétique reliant la faille E-W de Santa Elena (nord du Costa Rica) à l'Escarpement de Hess. Notre étude au Nicaragua oriental et au Costa Rica nord-occidental a révélé l'existence de larges terrains composés d'assemblages de roches mantéliques et océaniques qui se placent entre les blocs continentaux Chortis/Patuca et le CLIP. Ces assemblages révèlent des terrains collisionnés et accrétés d'origine pacifique enregistrant une histoire tectonique polyphasée. Nous distinguons: 1- Le MCOT, un puzzle de roches océaniques d'arc d'âge Triassique supérieur au Crétacée inférieur, 2- Les terrains de Manzanillo et de Nicoya, des morceaux de plateaux océaniques associés à des sédiments océaniques plus âgés que le CLIP. Cette étude se focalisera sur les roches du MCOT. Le MCOT occupe la moitié sud de l'ancien "Chortis Block" et peut se définir par 4 localités de référence qui montrent des roches mafiques et ultramafiques océaniques d'âges compris entre le Trias supérieur et le Crétacée inférieur. 1- Le Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- Le El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- Le DSDP Legs 67/84 (Guatemala fore-arc basin) et 4- La Santa Elena Peridiotite (nord-ouest du Costa Rica). Le Siuna Serpentinite Mélange (SSM) est un mélange de subduction HP/BT dans une matrice de serpentinite. On y trouve des éléments de croûte océanique et d'arc insulaire en faciès de schistes verts et schistes bleus. Des radiolarites du Jurassique moyen se trouvent en contact sédimentaire sur des roches vertes d'arc. En revanche, des cherts noirs détritiques datent du Jurassique supérieur et sont probablement issus d'un bassin marginal (fore-arc ?) peu avant leur subduction, car un âge 40Ar/39Ar de refroidissement des phengites date l'exhumation des roches de haute pression à 139 Ma. Le Mélange d'El Castillo (ECM) est constitué d'une matrice serpentinitique et contient des blocs de metabasaltes OIB et des blocs de radiolarites du Trias terminal. Des études récentes ont repris les roches forées lors des DSDP Legs 67 et 84 et montrent que le soubassement du bassin d'avant-arc du Guatemala-Nicaragua est composé de roches ultramafiques et mafiques (OIB et arc), dont les âges isotopiques vont du Trias au Crétacé supérieur. Finalement, les péridiotites de Santa Elena forment la limite sud du MCOT par rapport aux terrains de Manzanillo et Nicoya. Elles contiennent des serpentinites et localement des dunites et chromites à affinité abyssale et de fore-arc. Le SSM témoigne d'une collision entre un arc insulaire d'âge Jurassique moyen et le Patuca Terrane, un fragment de la marge active nord-américaine. Le SSM et le South Motagua Mélange ont des caractéristiques en commun avec les zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord (E-Franciscan et Vizcaino mélanges), notamment les âges Mésozoïques du métamorphisme HP/BT et les blocs de roches d'arc. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine, mais légèrement diachrone. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc intraocéanique exotique (Guerrero-Phoenix) qui est à l'origine de la Plaque Pacifique qui s'ouvrait en back arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe. K. Flores, 2009 Mesozoic oceanic terranes of southern central America Résumé Grand Public La présente thèse est le résultat de travaux de terrain effectués de 2005 à 2008 au nord-est et au sud du Nicaragua et au nord du Costa Rica, en Amérique Centrale, des analyses pétrologiques et géochimiques en laboratoire ainsi que de la modélisation de l'évolution géodynamique. La région étudiée se situe en bordure nord - ouest de la Plaque Caraïbe moderne. Dans la majorité des publications récentes cette région est représentée comme un vaste bloc continental (le "Bloc Chortis") qui serait limité, (i) au nord, par la faille décrochante de Motagua, la limite actuelle entre la Plaque Nord-Américaine et la Plaque Caraïbe, et (ii) au sud, par une suture hypothétique qui se trouverait aux confins entre le Nicaragua et le Costa Rica. La région du Costa Rica a été considérée presque entièrement comme une partie du Plateau Caraïbe ("Caribbean Large Igneous Province" (CLIP)). L'étude détaillée des affleurements nous a permis de mettre en évidence : - Au nord-est du Nicaragua (Siuna) : Des roches océaniques datées du Jurassique moyen, grâce aux faunes à radiolaires qui ont été extraites des radiolarites rouges. Ces roches ont subi un métamorphisme de haute pression typique des zones de collision. L'étude radio-isotopique Ar/Ar a permis de dater la collision du Crétacé basal (139 Ma). - Au sud du Nicaragua : Des roches océaniques d'âge Trias terminal (200 millions d'années), également datées à l'aide de faunes à radiolaires. Il s'agit actuellement des roches océaniques les plus anciennes connues de l'Amérique Centrale. - L'étude géochimique et les âges des fossiles démontrent que le tiers septentrional du Costa Rica possède un soubassement construit d'au moins deux terrains (Nicoya et Manzanillo), qui ont des caractéristiques de Plateau océanique (Nicoya) et d'arc volcanique du Crétacé moyen (Manzanillo). Ces deux terrains sont plus anciens que le CLIP. En conclusion, nous constatons que la région étudiée est constituée d'un puzzle de 3 blocs continentaux et d'un vaste terrain océanique composite que nous appelons Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT). En plus, nous définissons les terrains de Nicoya et de Manzanillo comme plus âgés et distincts du CLIP. Le MCOT est caractérisé par la présence de roches du manteau supérieur (les serpentinites) et de la croûte océanique, ainsi que des morceaux d'arcs, d'âge allant du Trias supérieur au Crétacé. Ce terrain est comparable à d'autres zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord, notamment en ce qui concerne les âges Mésozoïques, le métamorphisme de haute pression et l'association de roches mantéliques et crustales océaniques. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc infra-océanique exotique qui serait à l'origine de la Plaque Pacifique qui se serait ouverte en bassin d'arrière arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe.

Mineralogical alteration of artificial meteorites during atmospheric entry. The STONE-5 experiment

The generic concept of the artificial meteorite experiment STONE is to fix rock samples bearing microorganisms on the heat shield of a recoverable space capsule and to study their modifications during atmospheric re-entry. The STONE-5 experiment was performed mainly to answer astrobiological questions. The rock samples mounted on the heat shield were used (i) as a carrier for microorganisms and (ii) as internal control to verify whether physical conditions during atmospheric re-entry were comparable to those experienced by "real" meteorites. Samples of dolerite (an igneous rock), sandstone (a sedimentary rock), and gneiss impactite from Haughton Crater carrying endolithic cyanobacteria were fixed to the heat shield of the unmanned recoverable capsule FOTON-M2. Holes drilled on the back side of each rock sample were loaded with bacterial and fungal spores and with dried vegetative cryptoendoliths. The front of the gneissic sample was also soaked with cryptoendoliths. <p>The mineralogical differences between pre- and post-flight samples are detailed. Despite intense ablation resulting in deeply eroded samples, all rocks in part survived atmospheric re-entry. Temperatures attained during re-entry were high enough to melt dolerite, silica, and the gneiss impactite sample. The formation of fusion crusts in STONE-5 was a real novelty and strengthens the link with real meteorites. The exposed part of the dolerite is covered by a fusion crust consisting of silicate glass formed from the rock sample with an admixture of holder material (silica). Compositionally, the fusion crust varies from silica-rich areas (undissolved silica fibres of the holder material) to areas whose composition is "basaltic". Likewise, the fusion crust on the exposed gneiss surface was formed from gneiss with an admixture of holder material. The corresponding composition of the fusion crust varies from silica-rich areas to areas with "gneiss" composition (main component potassium-rich feldspar). The sandstone sample was retrieved intact and did not develop a fusion crust. Thermal decomposition of the calcite matrix followed by disintegration and liberation of the silicate grains prevented the formation of a melt.</p> <p>Furthermore, the non-exposed surface of all samples experienced strong thermal alterations. Hot gases released during ablation pervaded the empty space between sample and sample holder leading to intense local heating. The intense heating below the protective sample holder led to surface melting of the dolerite rock and to the formation of calcium-silicate rims on quartz grains in the sandstone sample. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.</p>

Origin of cadmium enrichments in carbonate rocks deposited in the Alpine Tethys area during the Middle-Late Jurassic

ABSTRACTThe pollution of air, soil and water by heavy metals through anthropogenic activities is an object of numerous environmental studies since long times. A number of natural processes, such as volcanic activity, hydrothermal fluid circulation and weathering of metal-rich deposits may lead to an additional and potentially important input and accumulation of heavy metals in the environment. In the Swiss and French Jura Mountains, anomalous high cadmium (Cd) concentrations (up to 16 ppm) in certain soils are related to the presence of underlying Cd-enriched (up to 21 ppm) carbonate rocks of Middle to Late Jurassic age. The aim of this study is to understand the processes controlling Cd incorporation into carbonate rocks of Middle and Late Jurassic age and to reconstruct the sedimentary and environmental conditions, which have led to Cd enrichments in these sedimentary rocks.Cd concentrations in studied hemipelagic sections in France vary between 0.1 and 0.5 ppm (mean 0.15 ppm). Trace-element behavior and high Mn concentrations suggest that sediment accumulation occurred in a well-oxygenated environment. Increases in Cd contents in the bulk-rock carbonate sediments may be related to increases in surface-water productivity under oxic conditions and important remineralization of organic matter within the water column. In platform settings preserved in the Swiss Jura Mountains, no correlation is observed between Cd contents and evolution of environmental conditions. Cd concentrations in these platform sections are often below the detection limit, with isolated peaks of up to 21 ppm. These important Cd enrichments are associated with peaks in Zn concentrations and are present in carbonate rocks independently of facies and age. The high Cd contents in these shallow-water carbonate rocks are partly related to the presence of disseminated, Cd-rich (up to 1.8%), sphalerite (ZnS) mineralization. The basement rocks are considered to be the source of metals for sulfide mineralization in the overlying Jurassic strata, as the sphalerite Pb isotope pattern is comparable to that of granite rocks from the nearby southern Black Forest crystalline massif. The Rb-Sr ages of sphalerite samples indicate that a main phase of sphalerite formation occurred near the boundary between the late Middle and early Late Jurassic, at around 162 Ma, as a result of enhanced tectonic and hydrothermal activity in Europe, related to the opening of the Central Atlantic and to the tectonic/thermal subsidence during spreading of the Alpine Tethys. I therefore propose to use unusually high Cd concentrations in carbonates as a tracer of tectonic activity in the Jura Mountains area, especially in the case when important enrichments in Zn co-occur. Paleoproductivity reconstructions based on records of authigenic Cd may be compromised not only by post-depositional redistribution, but also by incorporation of additional Cd from hydrothermal solutions circulating in the rock.The circulation of metal-rich hydrothermal fluids through the sediment sequence, in addition to specific environmental conditions during sedimentation, contributes to the incorporation of Cd into the carbonate rocks. However, only hydrothermal activity has led to the unusually high concentrations of Cd in carbonate rocks of Bajocian-Oxfordian age, through the formation of sphalerite mineralization.

Late mesozoic to neogene radiolarian biostratigraphy and palaeoceanography in the Caribbean and East pacific region

^Raduolarians constitute a good tool for contributing to the biostratigraphy of accreted terranes and in deep-sea sediment sequences. The use of radiolarians is also proven to be valuable as a palaeoceanographic indicator. The present study evaluates radiolarians in three different geological settings, in order to better constrain the age of the sites and to try to understand their palaeoenvironmental situation at different periods, particularly in the Caribbean-Central America area. On the Jarabacoa Block, in Central Dominican Republic, a hundred meters of siliceous mudstones (Pedro Brand section in the Tireo Group) was dated as Turonian- Coniancian in age using radiolarians. A 40Ar-39Ar whole rock age of 75.1±1.1 Ma (Campanian), obtained in a basalt dyke crosscutting the radiolarian bearing rocks, a consistent minimum age for the pelagic-hemipelagic Pedro Brand section. The Jarabacoa Block is considered as the most complete outcrop section of Pacific ocean crust overlain by a first Aptian-Albian phase of Caribbean Large Igneous Province-type activity (CLIP), followed by the development of a Cenomanian-Santonian intraoceanic arc, which is in turn overlain by a late Campanian-Maastrichtian CLIP-phase. The Tireo Group records an episode of pelagic to hemi-pelagic and intermediate to acidic arc-derived sedimentation, previous to the youngest magmatic phase of the CLIP. Thus, the section of Pedro Brand has been interpreted in this study as being part of the intraoceanic arc. In northern Venezuela, a greenish radiolarite section from Siquisique Ophiolite (basalts, gabbros and some associated cherts) in Guaparo Creek has been studied. In previous studies, the Ophiolite unit (Petacas Creek section) has been dated as Bajocian-Bathonian, based on ammonites present in interpillow sediments from basalt blocks. New dating of the present study concluded in an Aptian?-Albian-Cenomanian age for the Guaparo creek section (middle Cretaceous), based on radiolarian assemblage associated to basalts-gabbros rocks of the unit. Previous plagioclase 40Ar-39Ar ages from the Siquisuique Ophiolite may be slightly younger (94-90 Ma.) and may, therefore, represent younger dykes that intruded onto a well-developed sheeted dyke complex of the Siquisique. The geochemistry of these rocks and the palaeotectonic reconstruction of the Caribbean area during this period suggest that these rocks were derived from a mid-ocean ridge with an influence of deep mantle plume. The Siquisique Ophiolite most probably represents a fragment of the proto-Caribbean basin. The Integrated Ocean Drilling Program Expedition 344 drilled a transect across the convergent margin off Costa Rica. Two sites of this expedition were chosen for radiolarian biostratigraphy and palaeoceanographic studies. Both sites (U1381C and U1414A) are located in the incoming Cocos plate, in the eastern Equatorial Pacific. The succession of U1381C yields a Middle Miocene to Pleistocene age, and presents an important hiatus of approximately 10 Ma. The core of U1414A exposes a continuous sequence that deposited during Late Miocene to Pleistocene (radiolarian zones RN6-RN16). The ages were assigned based on radiolarians and correlated with nannofossil zonation and tephra 40Ar-39Ar datation. With those results, and considering the northward movement of the Cocos plate motion (about 7 cm/year), deduction is made that the sites U1381C and U1414A were initially deposited during the Miocene, several hundreds of kilometres from the current location, slightly south of the Equator. This suggests that the faunas of these sites have been subjected to different currents, first influenced by the cold tongue of the South Equatorial Current and followed by the warm Equatorial Countercurrent. At last, coastal upwelling influenced faunas of the Pleistocene. -- Les radiolaires sont considérés comme un outil utile à la biostratigraphie des terrains accrétés et des sédiments profonds. Leur utilité est aussi prouvée comme étant remarquable au niveau des reconstructions paléocéanographiques. La présente étude évalue l'importance et la présence des radiolaires de trois localités géologiquement différentes d'Amérique Centrale-Caraïbes, dans le but d'améliorer les model d'âges et de mieux comprendre la situation paléoenvironnementale à travers le temps. Dans le Bloque de Jarabacoa, au centre de la République Dominicaine, une section de cent mètres (section de Pedro Brand, Groupe de Tireo) a été datée comme faisant partie du Turonien-Santonien, en utilisant les radiolaires. Une datation 40Ar-39Ar sur roche totale de 75±1.1 Ma (Campanien) a été obtenu pour vin dyke traversant les sédiments riches en radiolaires, en cohérence avec l'âge minimum accordé à la section de Pedro Brand. Aux Caraïbes, le Bloque de Jarabacoa est considéré comme l'affleurement le plus complet présentant une succession de croûte océanique d'origine Pacifique recouverte d'une première phase d'activité volcanique de type CLIP (Caribbean Large Igneous Province) d'âge Aptien- Albien, de dépôts d'arc volcanique intra-océanique d'âge Cénomanien-Santonien, puis d'une seconde phase de type CLIP d'âge Campanien-Maastrichtien. Le Groupe de Tireo enregistre un épisode de dépôt pélagiques-hémipélagiques et d'arc volcanique, antérieur à la plus jeune phase de type CLIP. Cette étude place donc la formation de la section de Pedro Brand au moment du développement de l'arc intra-océanique. A Guaparo Creek (nord du Vénézuela), une section de radiolarite verdâtre faisant partie des ophiolites de Siquisique (basaltes, gabbros, cherts) a été étudiée. Dans des études précédentes, sur la localité de Petacas Creek, l'unité ophiolitique a été daté d'âge Bajocien- Bathonien (Jurassique) sur la base d'ammonites trouvées dans des sédiments intercalés entre des laves en coussins. Les nouvelles datations de notre étude, basées sur des assemblages à radiolaires de l'unité à basaltes-gabbros, donnent un âge Aptien?-Albien-Cénomanien (Crétacé moyen). Les âges de l'Ophiolite de Siquisique, précédement calculés par la méthode sur plagioclases, pourraient être légèrement plus jeune (94-90 Ma) et donc représenter des intrusions plus récentes de dykes dans le complexe filonien déjà bien dévelopé. La géochimie de ces roches magmatiques, ainsi que les reconstructions paléotectoniques de la zone Caraïbes durant cette période, suggèrent que ces formations sont dérivées d'une ride médio-océanique associée à l'influence d'un panache mantellique. L'ophiolite de Siquisique représente très probablement un fragment du bassin de proto¬Caraïbe. L'expédition 344 du programme IODP (Integrated Ocean Drilling Program) a eu lieu dans l'optique de forer et dresser une coupe de la marge convergente au large du Costa Rica. Deux sites de cette expédition ont été choisis pour les besoins des études de biostratigraphie et de reconstruction paléocéanographique. Ces deux sites (U1381C et U1414A) sont situés sur la plaque subductante de Cocos, dans la zone Pacifique est-équatoriale. La carotte U1381C expose une séquence s'étalant du Miocène moyen au Pléistocène, et présente un important hiatus d'environ 10 Ma. La carotte U1414A expose une séquence continue s'étalant du Miocène tardif au Pléistocène (zone à radiolaires RN6-RN16). Les âges ont été assignés sur la base des radiolaires et corrélés avec les zones à nanofossiles et les datations 40Ar-39Ar sur téphras. Avec ces résultats, et en considérant le mouvement nord de la plaque de Cocos (environ 7 cm/an), déduction est faite que les deux sites étaient initialement situés, au cours du Miocène, à plusieurs centaines de kilomètres de leur location actuelle, au sud de l'équateur. Cela suggère que les faunes de ces sites ont été sujettes à différents courants; premièrement influencées par la langue froide du SEC (South Equatorial Current), puis par les eaux chaudes du ECC (Equatorial Countercurrent). Pour terminer, les remontées d'eau côtières ont influencées les faunes Pléistocène.

Seismic characterization of heterogeneous sedimentary and fractured rocks based on Biot's theory of poroelasticity

Understanding and quantifying seismic energy dissipation, which manifests itself in terms of velocity dispersion and attenuation, in fluid-saturated porous rocks is of considerable interest, since it offers the perspective of extracting information with regard to the elastic and hydraulic rock properties. There is increasing evidence to suggest that wave-induced fluid flow, or simply WIFF, is the dominant underlying physical mechanism governing these phenomena throughout the seismic, sonic, and ultrasonic frequency ranges. This mechanism, which can prevail at the microscopic, mesoscopic, and macroscopic scale ranges, operates through viscous energy dissipation in response to fluid pressure gradients and inertial effects induced by the passing wavefield. In the first part of this thesis, we present an analysis of broad-band multi-frequency sonic log data from a borehole penetrating water-saturated unconsolidated glacio-fluvial sediments. An inherent complication arising in the interpretation of the observed P-wave attenuation and velocity dispersion is, however, that the relative importance of WIFF at the various scales is unknown and difficult to unravel. An important generic result of our work is that the levels of attenuation and velocity dispersion due to the presence of mesoscopic heterogeneities in water-saturated unconsolidated clastic sediments are expected to be largely negligible. Conversely, WIFF at the macroscopic scale allows for explaining most of the considered data while refinements provided by including WIFF at the microscopic scale in the analysis are locally meaningful. Using a Monte-Carlo-type inversion approach, we compare the capability of the different models describing WIFF at the macroscopic and microscopic scales with regard to their ability to constrain the dry frame elastic moduli and the permeability as well as their local probability distribution. In the second part of this thesis, we explore the issue of determining the size of a representative elementary volume (REV) arising in the numerical upscaling procedures of effective seismic velocity dispersion and attenuation of heterogeneous media. To this end, we focus on a set of idealized synthetic rock samples characterized by the presence of layers, fractures or patchy saturation in the mesocopic scale range. These scenarios are highly pertinent because they tend to be associated with very high levels of velocity dispersion and attenuation caused by WIFF in the mesoscopic scale range. The problem of determining the REV size for generic heterogeneous rocks is extremely complex and entirely unexplored in the given context. In this pilot study, we have therefore focused on periodic media, which assures the inherent self- similarity of the considered samples regardless of their size and thus simplifies the problem to a systematic analysis of the dependence of the REV size on the applied boundary conditions in the numerical simulations. Our results demonstrate that boundary condition effects are absent for layered media and negligible in the presence of patchy saturation, thus resulting in minimum REV sizes. Conversely, strong boundary condition effects arise in the presence of a periodic distribution of finite-length fractures, thus leading to large REV sizes. In the third part of the thesis, we propose a novel effective poroelastic model for periodic media characterized by mesoscopic layering, which accounts for WIFF at both the macroscopic and mesoscopic scales as well as for the anisotropy associated with the layering. Correspondingly, this model correctly predicts the existence of the fast and slow P-waves as well as quasi and pure S-waves for any direction of wave propagation as long as the corresponding wavelengths are much larger than the layer thicknesses. The primary motivation for this work is that, for formations of intermediate to high permeability, such as, for example, unconsolidated sediments, clean sandstones, or fractured rocks, these two WIFF mechanisms may prevail at similar frequencies. This scenario, which can be expected rather common, cannot be accounted for by existing models for layered porous media. Comparisons of analytical solutions of the P- and S-wave phase velocities and inverse quality factors for wave propagation perpendicular to the layering with those obtained from numerical simulations based on a ID finite-element solution of the poroelastic equations of motion show very good agreement as long as the assumption of long wavelengths remains valid. A limitation of the proposed model is its inability to account for inertial effects in mesoscopic WIFF when both WIFF mechanisms prevail at similar frequencies. Our results do, however, also indicate that the associated error is likely to be relatively small, as, even at frequencies at which both inertial and scattering effects are expected to be at play, the proposed model provides a solution that is remarkably close to its numerical benchmark. -- Comprendre et pouvoir quantifier la dissipation d'énergie sismique qui se traduit par la dispersion et l'atténuation des vitesses dans les roches poreuses et saturées en fluide est un intérêt primordial pour obtenir des informations à propos des propriétés élastique et hydraulique des roches en question. De plus en plus d'études montrent que le déplacement relatif du fluide par rapport au solide induit par le passage de l'onde (wave induced fluid flow en anglais, dont on gardera ici l'abréviation largement utilisée, WIFF), représente le principal mécanisme physique qui régit ces phénomènes, pour la gamme des fréquences sismiques, sonique et jusqu'à l'ultrasonique. Ce mécanisme, qui prédomine aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique, est lié à la dissipation d'énergie visqueuse résultant des gradients de pression de fluide et des effets inertiels induits par le passage du champ d'onde. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons une analyse de données de diagraphie acoustique à large bande et multifréquences, issues d'un forage réalisé dans des sédiments glaciaux-fluviaux, non-consolidés et saturés en eau. La difficulté inhérente à l'interprétation de l'atténuation et de la dispersion des vitesses des ondes P observées, est que l'importance des WIFF aux différentes échelles est inconnue et difficile à quantifier. Notre étude montre que l'on peut négliger le taux d'atténuation et de dispersion des vitesses dû à la présence d'hétérogénéités à l'échelle mésoscopique dans des sédiments clastiques, non- consolidés et saturés en eau. A l'inverse, les WIFF à l'échelle macroscopique expliquent la plupart des données, tandis que les précisions apportées par les WIFF à l'échelle microscopique sont localement significatives. En utilisant une méthode d'inversion du type Monte-Carlo, nous avons comparé, pour les deux modèles WIFF aux échelles macroscopique et microscopique, leur capacité à contraindre les modules élastiques de la matrice sèche et la perméabilité ainsi que leur distribution de probabilité locale. Dans une seconde partie de cette thèse, nous cherchons une solution pour déterminer la dimension d'un volume élémentaire représentatif (noté VER). Cette problématique se pose dans les procédures numériques de changement d'échelle pour déterminer l'atténuation effective et la dispersion effective de la vitesse sismique dans un milieu hétérogène. Pour ce faire, nous nous concentrons sur un ensemble d'échantillons de roches synthétiques idéalisés incluant des strates, des fissures, ou une saturation partielle à l'échelle mésoscopique. Ces scénarios sont hautement pertinents, car ils sont associés à un taux très élevé d'atténuation et de dispersion des vitesses causé par les WIFF à l'échelle mésoscopique. L'enjeu de déterminer la dimension d'un VER pour une roche hétérogène est très complexe et encore inexploré dans le contexte actuel. Dans cette étude-pilote, nous nous focalisons sur des milieux périodiques, qui assurent l'autosimilarité des échantillons considérés indépendamment de leur taille. Ainsi, nous simplifions le problème à une analyse systématique de la dépendance de la dimension des VER aux conditions aux limites appliquées. Nos résultats indiquent que les effets des conditions aux limites sont absents pour un milieu stratifié, et négligeables pour un milieu à saturation partielle : cela résultant à des dimensions petites des VER. Au contraire, de forts effets des conditions aux limites apparaissent dans les milieux présentant une distribution périodique de fissures de taille finie : cela conduisant à de grandes dimensions des VER. Dans la troisième partie de cette thèse, nous proposons un nouveau modèle poro- élastique effectif, pour les milieux périodiques caractérisés par une stratification mésoscopique, qui prendra en compte les WIFF à la fois aux échelles mésoscopique et macroscopique, ainsi que l'anisotropie associée à ces strates. Ce modèle prédit alors avec exactitude l'existence des ondes P rapides et lentes ainsi que les quasis et pures ondes S, pour toutes les directions de propagation de l'onde, tant que la longueur d'onde correspondante est bien plus grande que l'épaisseur de la strate. L'intérêt principal de ce travail est que, pour les formations à perméabilité moyenne à élevée, comme, par exemple, les sédiments non- consolidés, les grès ou encore les roches fissurées, ces deux mécanismes d'WIFF peuvent avoir lieu à des fréquences similaires. Or, ce scénario, qui est assez commun, n'est pas décrit par les modèles existants pour les milieux poreux stratifiés. Les comparaisons des solutions analytiques des vitesses des ondes P et S et de l'atténuation de la propagation des ondes perpendiculaires à la stratification, avec les solutions obtenues à partir de simulations numériques en éléments finis, fondées sur une solution obtenue en 1D des équations poro- élastiques, montrent un très bon accord, tant que l'hypothèse des grandes longueurs d'onde reste valable. Il y a cependant une limitation de ce modèle qui est liée à son incapacité à prendre en compte les effets inertiels dans les WIFF mésoscopiques quand les deux mécanismes d'WIFF prédominent à des fréquences similaires. Néanmoins, nos résultats montrent aussi que l'erreur associée est relativement faible, même à des fréquences à laquelle sont attendus les deux effets d'inertie et de diffusion, indiquant que le modèle proposé fournit une solution qui est remarquablement proche de sa référence numérique.