Géochimie isotopique du strontium des milieux sédimentaires. Application à la géochronologie de la couverture du craton ouest-africain

Résumé De En

Strontium-Isotopen Geochemie des sedimentären Bereiches. Anwendung am beispiel der Geochronologie der Plattform-Sedimente des Westafrikanischen Kratons. Diese Arbeit behandelt die Möglichkeiten zur Datierung von Mineralien sedimentärer Gesteine mit Hilfe der Rb-Sr Methode. Weiterhin werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Strontium-Isotopen Geochemie untersucht. Diese werden am Beispiel einer regionalen geochronologischen Studie von bisher undatierten aber als spätpräkambrisch eingestuften sedimentären Formationen des westafrikanischen Kratons erläutert. Um das Verhalten von Rubidium, Strontium und der Strontium -Isotope während der Entstehung dieser sedimentären Formationen zu untersuchen, wurden folgende wichtige geochemische Prozesse näher betrachtet : Verwitterung und damit verbundene Umwandlungsprozesse, Transport und Ablagerung, Diagenese und beginnende Metamorphose. Die Resultate dieser Untersuchung ermöglichten eine geologisch zuverlässige Deutung der geochronologischen Daten. I -Experimentelle Methoden. Es gibt bisher nur wenige geochronologische und isotopengeochemische Untersuchungen an sedimentären Gesteinen. Die dazu entwickelten Arbeitsmethoden sind wenig bekannt. Aus diesem Grund werden hier zuerst diese Arbeitsmethoden vorgestellt, wobei die detaillierte Beschreibung besonders auf die neu entwickelten Verfahren eingeht. II -Strontium-isotope im Bereich der Verwitterung. Das Verhalten von Rubidium, Strontium und der Strontium-Isotope wird zunächst an primären, durch die Oberflächenverwitterung beeinflussten Mineralien und dann an sekundären, bei der Verwitterung neugebildeten Mineralien untersucht. Während der Umwandlungsprozesse von Biotit und Glaukonit im Bereich der Verwitterung ist radiogenes Strontium 87 besonders mobil und verursacht dadurch in diesen Mineralien ein isotopisches Ungleichgewicht. Bei Mus-kovit wurde dieses Phänomen nicht beobachtet, und es scheinen keine chemischen Umwandlungsprozesse stattzufinden. In Feldspäten hängt das Verhalten der Strontium -Isotope weitgehend von der Art und Intensität der Verwitterung ab. Aufgrund dieser Ergebnisse lässt sich die Bewegung der Strontium-Isotope im Gesamtgestein während der Oberflächenverwitterung als eine Funktion der mineralogischen Zusammensetzung und der Art der geochemischen Umwandlung erklären. Das Strontium-Isotopenverhaltnis neugebildeter Minerale im kontinentalen Oberflächenbereich wie Kaolinit und Smectite, hängt weitgehend von der Natur der verwitterten Muttergesteine ab. Aus diesem Grunde kann man Strontium infolge seines variablen Isotopenverhältnisses aïs Indikator benutzen, um jene Gesteine zu identifizieren, von denen die neugebildete Tonminerale abstammen. Diese Bestimmung wird allerdings in kalkigen Bodenkrusten dadurch erschwärt, dass darin wiederholte Rekristallisation das ursprüngliche Strontium-Isotopenverhältnis weitgehend verändert. III -Strontium-Isotope im Sedimentationsbereich. In diesem Kapitel wird das Verhältnis der Strontium -Isotope im Wasser, in chemischen und klastischen Sedimenten untersucht, ferner in Sedimenten mit Anteilen von neugebildeten oder darin veränderten Tonminerale, sowie in Sedimenten im diagenetisch fortgeschrittenen Bereich. Meerwasser ist ein völlig homogenes Medium für Rubidium und auch für Strontium und seine Isotope. Hingegen hängt im Süsswasser der Rubidium-und Strontium -Gehalt, sowie das 87 Sr / 86 Sr Verhältnis von der chemischen Natur des vorliegenden Wasserbeckens und seiner Zufuhr ab. Strontium-Isotope ermöglichen das Erkennen geochemischer Austauschvorgänge im Porenwasser rezenter Sedimente, die zwischen dem wässrigen Medium und den Tonmineralien stattfinden. Minerale rein chemischen Ursprunges wie Karbonate, Sulfate, Phosphate, Salze und Oxyde enthalten Strontium, dessen 87/86 Isotopen-Verhältnis mit dem ihrer Umgebung identisch ist, da sie bei der Entstehung daraus freies Strontium aufnehmen. Stabile detritische Tonminerale sind ungeeignet für die Sediment-Datierung mit Hilfe der Rb-Sr Methode, gleichgültig ob sie in Süsswasser-und Verdunstungsbecken oder im Delta-und Ozeanbereich abgelagert wurden. Diese im Gitterbau unveränderlichen Minerale treten mit dem neuen Milieu in keinen geochemischen Austausch wodurch das für eine Datierung erforderliche isotopische Gleichgewicht nicht hergestellt wird. Trotzdem kann eine Isotopenanalyse dieser zugeführten Mineralien wichtige Aussagen für die Natur und Herkunft sedimentärer Gesteine liefern. Sie gestattet ausserdem einen Vergleich der verschiedenen isotopischen Entwicklung dieser stabilen Tonminerale. In einem Ablagerungsmilieu neugebildete oder darin veränderte Tonminerale können für Datierung benutzt werden. Die Rb-Sr Methode kann aber nur erfolgreich angewandt werden, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind. Jedoch ist sie in jedem Falle auch ein nützliches Hilfemittel zur Untersuchung der Tonmineral-Genese. In dieser Hinsicht wird darauf hingewiesen, dass die für Datierungszwecke erforderliche Strontium Isotopen-Homogeneität von den geochemischen Vorgängen abhängt, die zur Bildung obiger Minerale führen. In neugebildeten Tonmineralien wird isotopisches Gleichgewicht sofort erreicht, da diese Minerale ihr Strontium aus dem umgebenden Milieu beziehen, entweder bereits zum Zeitpunkt der Ablagerung oder auch während der Früh-und Spätdiagenese. Geochemische Umwandlungen mit Isotopenaustausch können auch stattfinden, wenn detritisches Tonmaterial im neuen sedimentären Bereich verändert wird. Der Grad der erreichten Homogenisierung hängt davon ab, wie weit das detritische Material für eine Umwandlung geeignet ist, und wie intensiv und über welche Dauer solche Umwandlungen stattfinden. «Rekristallisierte» Tone verwenden bei ihrer Bildung, wie die Zeolite, direkt das von ihrem Muttermaterial freigesetzte Strontium. Die Unterscheidung zwischen stabilen detritischen und neugebildeten, veränderten oder «rekristallisierten» Tonmineralien in Sedimenten lässt sich nur durch mineralogische und sedimentologische Untersuchungen erreichen. Sandige und schluffige Schichten enthalten im allgemeine keine für Datierungszwecke geeignete syngenetische Tonminerale. Diese kommen vorwiegend in tonigen und mergeligen Sedimenten vor. IV -Strontium-Isotope im Bereich der niedrigen Metamorphose. Schon ab dem Bereich der sehr niedrigen Metamorphose (Anchimetamorphose) wird bei Tonmineralien das ehemalige Strontium-Isotopenverhältnis gestört, und die Metamorphosen Vorgänge lassen sich datieren. Hierbei wird das isotopische Gleichgewicht schon bei Temperaturen von ca. 250°C und Drucken unter 1 kb verändert. Nach den bisherigen Erfahrungen findet die neue isotopische Homogenisierung im metamorphen Milieu über grosse Entfernungen statt. Das Verhalten der Strontium-Isotope in polymetamorphen Gesteinen hängt von der relativen Intensität aller tektono-metamorphen Phasen ab. Die isotopischen Ergebnisse sind schwer zu interpretieren ; vielleicht ist es möglich, die Auswirkungen der einzelnen Phasen isotopischer besser zu bestimmen, wenn besonders die feinen Mineralfraktionen getrennt werden können. V -Geochronologische Untersuchung an Sedimenten der westafrikanischen Kratonbedeckung. Diese Untersuchung an vorwiegend ins obere Präkambrium eingestuften Sedimenten der westafrikanischen Plattform wurde an elf Formationen durchgeführt : sieben aus Mauritanien, zwei aus Mali und zwei aus Togo und Dahomey. Zusätzlich wurden zwei sedimentäre Abfolgen, davon eine niedrig metamorph, aus dem Hoggar Südalgeriens und eine, ebenfalls niedrig metamorph, aus dem Antiatlas Südmarokkos datiert. Die Resultate dieser Arbeit ermöglichen eine recht genaue zeitliche Rekonstruktion der sedimentären Entwicklung auf dem westafrikanischen Schild während des Spätpräkambriums. Zusätzlich kann man noch folgende Aussagen treffen : (1) Die infrakambrische Vereisung hat im Nordwesten des Schildes (Mauritanien) länger gedauert als im Südosten (Togo und Dahomey). (2) Die Geschwindigkeit der Sedimentation war während des gesamten Spätpräkambriums extrem schwach. Man beobachtet auch Sedimentationslücken. (3) Die stratigraphische Fortsetzung der Kratonbedeckung wurde jenseits des westafrikanischen Schildes von der Pan-Afrikanischen Orogenese erfasst. (4) Der Beginn der weiträumigen, spätpräkambrischen Transgression vor ca. 1000 m.J. wurde sehr wahrscheinlich nicht durch nennenswerte tektonische Vorgänge innerhalb des Schildes ausgelöst. (5) Einige Horizonte der Kratonbedeckung in Mauritanien und Mali waren einer spät-diagenetischen Umwandlung unterworfen. VI -Schlussfolgerungen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit haben gezeigt dass die Strontium-Isotopengeochemie erfolgreich bei der Untersuchung von bestimmten Mineralien des sedimentären Ablaufs eingesetzt werden kann. Darüber hinaus wurde die Unerlässlichkeit von mineralogischen und sedimentologischen Voruntersuchungen bei der Sedimentdatierung unterstrichen, und es liessen sich aufgrund der gewonnenen Ergebnisse die Bedingungen festlegen, unter denen Sedimentgesteine und Tonminerale mit Hilfe der Rb-Sr Methode datiert werden können. Tatsächlich ist es möglich, das Bildungsmilieu der Tongesteine durch Strontium-Isotopenanalyse von Karbonaten, Sulfaten oder Phosphaten zu charakterisieren. Weiterhin ermöglicht Strontium -Iso topengeochemie einen Einblick in die Bildungsvorgänge rezenter Tone die nur primäres Strontium enthalten dessen Isotopenzusammensetzung von der Natur ihrer Ausgangsgesteine abhängt. Letztlich kann man mit Hilfe der Isotopengeochemie die vier verschiedene Arten der Tonmineral-Genese im sedimentären Bereich untersuchen, nämlich Neubildung, «Rekristallisation», Umbildung und Entstehung aus detritischem Material, wobei das Verhalten der Strontium-Isotope jeweils vom Mechanismus der entsprechenden Mineralbildung abhängt. Neugebildete und «rekristallisierte» Tone haben sofortiges Isotopen-Gleichgewicht, während bei umgebildeten (veränderten) Tonen eine Tendenz in Richtung Isotopenausgleich festzustellen ist. Detritische Tonfraktionen reagieren nur in geringen Masse mit ihrer neuen sedimentären Umgebung und bleiben daher isotopisch heterogen. Die Unterscheidung zwischen obigen vier Tonmineral -Arten ist von fundamentaler Bedeutung tür jede geochronologische Studie sedimentärer Gesteine. Die ersten drei Arten sind prinzipiell für Datierungszwecke geeignet, während stabil detritisches Material nicht verwendbar ist. Jedes Datierungsprojekt sollte daher nötiger Weise mit einer mineralo-gisch-sedimentologischen Voruntersuchung beginnen, um für Datierungszwecke ungeeignetes Material auszuscheiden und nur die Proben auswählen, die eine Isotopen-Homogenisierung erfahren haben.

Strontium isotope geochemistry of the sedimentary environment. Application for the geochronology of the platform cover of the west african craton. This work is concerned with the possibilities of dating minerals from sedimentary rocks by the Rb-Sr isotopic method. Furthermore, several implications of the strontium isotope geochemistry are examined and are used in a regional geochronological study of reputedly upper Precambrian sedimentary units of the West African craton. In order to understand the behaviour of rubidium, strontium and strontium isotopes during the evolution of these rocks the following important low-temperature geochemical processes characterizing sedimentary deposits were studied : alteration during weathering, sedimentation, diagenesis and low-grade metamorphism. The results obtained from this study made it possible to arrive at reliable interpretations of the geochronological data. I -Experimental methods. Methods of geochronology and isotope geochemistry are not frequently applied to sedimentary rocks and are therefore still poorly known. The experimental methods used in the present study are therefore presented in some detail, including the description of new and classical techniques. II -Strontium isotopes during the process of weathering. The behaviour of rubidium, strontium and strontium isotopes is first examined in primary minerals which are affected by weathering, as well as in secondary minerals newly-formed on the continental surface. During weathering of biotite and glauconite, radiogenic strontium 87 is found amongst the most easily leached cations, thereby causing isotopic disequilibrium in these minerals. Muscovite, on the other hand, displays no preferential leaching of any particular strontium isotope and therefore does not change chemically. In feldspars the behaviour of strontium isotopes depends largely on the type and state of weathering. The results obtained from the study of the above minerals make it possible to explain the movement of strontium isotopes in rocks during weathering as a function of their mineralogical composition and their state of alteration. The strontium isotopic composition of newly-formed kaolinite and smectite found in a continental environment (before being transported into the sea) depends largely on the nature of the parent rocks whose decomposition has contributed to their formation. Consequently, strontium, through its isotopic composition, acts as a tracer thereby permitting to identify the rock types from which these minerals were derived. However, this identification becomes more difficult in calcareous concretions in the soil because repeated recrystallization progressively integrates the original strontium isotopic composition of all nearby rocks. III -Strontium isotopes during sedimentation. The behaviour of strontium isotopes in water, in chemical and detrital sediments, in sediments containing clay minerals formed or modified in their depositional environment, and in diagenetic sediments, is examined. Seawater constitutes a perfectly homogeneous medium for rubidium as well as strontium and its isotopes. In fresh water, however, the content of rubidium, strontium and the 87 Sr / 86Sr ratio depend on the nature of the drained basin. In the interstitial pore water of recent sediments, strontium, by means of its isotopes, exhibits certain geo-chemical changes which take place between the aqueous medium and the clay minerals. Mineral phases of chemical origin such as carbonates, sulfates, phosphates, salts and oxides contain strontium whose 87/86 isotopic ratio is identical to that of the environment in which these phases form since they trap strontium during precipitation. Detrital clay minerals are not suitable for the dating of sediments by the Rb-Sr method irrespective in which sedimentary environment they occur : lacustrine, evaporitic, deltaic and oceanic. The required isotopic homogeneity is never attained since these minerals are well crystallized, and therefore have no capacity for geochemical exchanges with their new environment. Nevertheless, their isotopic analysis may provide data for a sedimentological and geochemical study of those formations in which these minerals are found. The isotopic evolution of detrital clays can also be studied. In their formation environment newly-formed or modified clay minerals can be used directly for the dating of sedimentary rocks. The Rb-Sr method can only be successfully applied, however, if certain criteria are satisfied, but it always constitutes a valuable tool for the genetic study of the above clay minerals. In this regard it is pointed out that the isotopic homogeneity of strontium in the clays, a pre-requisite for dating, depends on those geochemical processes which give rise to their formation. Isotopic homogeneity in newly-formed minerals is attained since they acquire their strontium from the environment, either at the time of deposition or during early or late diagenesis. Geochemical changes towards isotopic equilibrium take place when inherited detrital material is transformed, but the achieved degree of homogenization depends largely on the intensity and duration of these alteration processes and the suitability of the inherited minerals for their modification. «Recrystallized» clays as well as zeolites directly use strontium released from their parent material. In order to distinguish detrital clay minerals from those newly-formed, modified or «recrystallized» in sedimentary basins, it is necessary to undertake a preliminary mineralogical and sedimentological study. Sandstones and silt-stones generally do not contain authigenic clay minerals suitable for dating purposes ; these are rather found in shaly rock units. IV -Strontium isotopes in the low-grade metamorphic domain. From the zone of «anchimetamorphism» (very low-stage metamorphism of Winkler, zeolite facies of Turner and Fyfe), clay minerals tend to lose their entire isotopic memory and register the effects and the time of metamorphism. Furthermore, it is possible to demonstrate that the strontium isotopic equilibrium of clays is already disturbed at temperatures of about 250°C and pressures lower than 1 kb. It would appear that reequilibration takes place over important distances during regional metamorphism. The behaviour of strontium isotopes in polymetamorphic rocks depends on the relative intensity of all tectono-metam orphie phases which have been imprinted on the rock considered. The resulting isotopic data are difficult to interpret and the relative intensity of each phase, even if visible in the minerals by microscopic examination, can only be determined successfully by isotopic methods if it is possible to separate and isolate the very fine mineral fractions. V -Geochronologic study of the sedimentary platform cover of the west african craton. The geochronologic study of reputedly Precambrian rocks of the sedimentary cover of the West African craton includes seven formations in Mauritania, two in Mali and two occurring in Togo and Dahomey. In addition, two units were dated from the Hoggar Mountains of southern Algeria and one from the Anti-Atlas region of Morocco. The results obtained from this investigation make it possible to specify the upper Precambrian history of the West African shield in considerable detail. Furthermore, it can be demonstrated that : (1) the end-Precambrian glaciation terminated later in the northwest of the shield (Mauritania) than in the south-east (Togo and Dahomey), (2) the rate of sedimentation was extremely slow during the entire upper Precambrian (upper Riphean and Vendian) and there were times when no deposition took place and erosion occurred, (3) the sedimentary cover extends beyond the margins of the West African craton where it became involved in the Pan-African tectogenesis, (4) the upper Precambrian transgression over the craton at about 1000 m.y. ago was probably not induced by major tectonic events on the craton, (5) some horizons of the sedimentary sequences in Mauritania and Mali were subjected to late diagenesis. VI -Conclusions. The data presented in this work have shown that strontium isotope geochemistry can be applied successfully to the study of several minerals of the sedimentary cycle. In addition, the importance of mineralogical and sedimen-tological investigations for the dating of sedimentary rocks has been demonstrated. Finally, it was possible to define the conditions suitable for isotopic dating of sedimentary rocks and clay minerals by the Rb-Sr method. In fact, strontium isotope geochemistry makes it possible to characterize the genetic environment of clays by means of the analysis of carbonates, sulfates or phosphates. It also permits to elucidate the isotopic evolution of recent clay minerals which contain only primary strontium whose isotopic composition depends on the nature of their parent rocks. Last not least various types of clay mineral formation can be distinguished by strontium isotope geochemistry. Clay minerals, in fact, originate in four different ways through new growth, «recrystallization», transformation or from inherited (detrital) material, and the isotopic behaviour of their strontium depends on the mechanism which gave rise to their formation. The newly -formed and «recrystallized» clays acquire immediate isotopic homogenization, the transformed minerals display a tendency towards progressive homogenization, whereas the inherited clay fractions remain iso topically heterogeneous. The distinction between the above four types of clays is of fundamental importance for a geochronological study of sedimentary rocks. The first three types are suitable for isotopic dating whereas detrital clays cannot be used for this purpose. An age dating project should therefore always be preceded by a preliminary mineralogical study in order to obtain sedimentological information on the selected rock unit, to eliminate those rocks which are not suitable for dating and to keep those in which the clay fraction might show the required isotopic homogenization.