Late Cenomanian-Turonian isotopic stratigraphy in the chalk of the Paris Basin (France): a reference section between the Tethyan and Boreal realms

Stratigraphie isotopique de la craie du Bassin de Paris (France) du Cénomanien supérieur au Turonien : une série de référence entre les domaines téthysien et boréal

¹ Sorbonne Universités, CNRS-INSU, Institut des Sciences de la Terre Paris, ISTeP UMR 7193, 75005 Paris, France
² Géosciences Environnement Toulouse (GET), Université Paul Sabatier Toulouse 3, CNRS UMR 5563, IRD, Toulouse, France

^* Corresponding author: laurence.le_callonnec@sorbonne-universite.fr

Received: 18 September 2019
Accepted: 26 June 2020

Abstract

A chemostratigraphic study (δ¹³C and δ¹⁸O) of the Late Cenomanian and Turonian chalk succession from the “Craie 701” Poigny borehole (near Provins in the Paris Basin, France) provides new high-resolution stable carbon and oxygen isotope data. Correlation of the bentonite horizons and the isotopic trends from Poigny with its English Chalk equivalent allows the development of a precise stratigraphic framework. δ¹³C and δ¹⁸O variations are synchronous and widespread throughout the European epicontinental seas and Tethyan Ocean. In the Poigny borehole, the Oceanic Anoxic Event 2 (OAE 2) is marked by a large and brief positive excursion of carbon isotopes (a carbon isotope excursions: CIE of 3‰ amplitude) without any apparent anoxia in the Late Cenomanian Chalk. Comparisons between different key sections on a North-South transect from the Anglo-Paris Basin to the Umbria-Marche Basin (Gubbio Section, Italy) and the Vocontian Basin (South-East France), suggests that the OAE 2 is linked to an increase in marine organic matter production, modulated by a regional effect on the organic carbon burial rate. Thus, the large positive carbon isotope increase spanning the Middle Cenomanian through to the Middle Turonian, including the salient CIE associated with the OAE 2, reflects a global scale increase in marine productivity that would be concomitant with a major long-term sea level rise. The stratigraphic position of the Turonian-Coniacian boundary can also be better defined by this isotopic study. A comparison of δ¹⁸O data between the Anglo-Paris Basin and Tethyan Basin shows high-amplitude, long-term synchronous variations reflecting primary paleo-environmental changes which are independent of local facies, sediment thickness and diagenesis. In particular, a negative shift (−1‰ of amplitude) reflects a warmer climate regime, marking the onset of OAE 2. Two colder phases (+1‰ amplitude each) occurred in the Early Turonian and the beginning of the Late Turonian.

Résumé

Une étude chimiostratigraphique de la craie du forage de Poigny “Craie 701” (près de Provins, Bassin parisien, France) a permis d’acquérir de nouvelles données isotopiques (isotopes stables du carbone et de l’oxygène) à haute résolution sur l’intervalle Cénomanien à Coniacien basal. La comparaison en corrélant des niveaux de bentonites et les courbes du δ¹³C et du δ¹⁸O de Poigny avec celles de la série anglaise de Culver Cliff (Angleterre) de faciès sédimentaire identique donne un calage stratigraphique très précis des dépôts étudiés. Les variations isotopiques (carbone et oxygène) sont synchrones et généralisées dans toutes les mers épicontinentales européennes et dans l’océan Téthysien. L’événement anoxique océanique 2 (OAE 2) est marqué par une importante et brève excursion positive du rapport isotopique du carbone (CIE de 3‰ d’amplitude) dans la partie sommitale du Cénomanien du sondage Craie 701, dans un intervalle sédimentaire sans anoxie apparente. Un transect du bassin Anglo-Parisien jusqu’au bassin d’Ombrie-Marche (coupe de Gubbio, Italie), en traversant le bassin Vocontien, sud-est de la France, suggère que l’OAE 2 est lié à une augmentation de la production de matière organique marine modulée par un effet régional du taux d’enfouissement du carbone organique. Ainsi, la forte augmentation du rapport isotopique du carbone qui s’étend du Cénomanien moyen au Turonien moyen, en englobant le CIE associé à l’OAE 2, refléterait une augmentation de la productivité marine à l’échelle mondiale. Celle-ci serait concomitante d’une hausse importante et à long terme du niveau marin. La position de la limite Turonien-Coniacien, qui était peu contrainte par les études biostratigraphiques, a pu aussi être mieux définie par cette nouvelle étude isotopique. Une comparaison de l’évolution des valeurs du δ¹⁸O des séries sédimentaires des bassins Anglo-Parisien et Téthysien montre des variations synchrones de fortes amplitudes, indépendantes du faciès local, de l’épaisseur sédimentaire et de la diagenèse. En particulier, le passage à une configuration climatique plus chaude au début de l’OAE 2 est enregistré dans le Bassin parisien (pic de −1‰ d’amplitude), ainsi que deux événements plus froids (+1‰ amplitude chacun). Ils se seraient produits au Turonien basal et au début du Turonien terminal.