Re-assessing copper and nickel enrichments as paleo-productivity proxies

Ré-évaluation des enrichissements en cuivre et en nickel comme marqueurs de paléo-productivité

Univ. Lille, CNRS, Univ. Littoral Côte d’Opale, UMR 8187 – LOG – Laboratoire d’Océanologie et de Géosciences, F-59000 Lille, France

^* Corresponding author: nicolas.tribovillard@univ-lille1.fr

Received: 8 September 2020
Accepted: 6 October 2021

Abstract

Copper (Cu) and nickel (Ni) are elements frequently enriched in sedimentary deposits rich in organic matter (OM). In the marine environment, they are mainly supplied to the sediments in association with sedimentary OM (organo-metal complexes). In modern environments, a good correlation between the intensity of phytoplankton productivity and the quantities of Cu and Ni transferred to sediments made it possible to establish paleo-productivity calculations based on the contents of ancient sediments in these two metals. The present study is a re-evaluation of the significance that can be attributed to these two metals as paleo-productivity proxies. The approach adopted here is based on the examination of a large database already available in the scientific literature. The choice was made to favor the examination of a large amount of data by simple means: comparisons of total organic carbon (TOC) content, enrichment in Cu and Ni (or even other trace metals), and value of the Fe:Al ratio that makes it possible to assess the availability of reactive iron. The basic idea is that the examination of a large number of geological formations makes it possible to encompass all kinds of paleo-environmental settings, thus comprising an extreme range of the factors conventionally involved in the mechanisms of accumulation of OM. The aim is to identify strong trends, valid in a large number of paleo-situations, which will have to be carefully taken into account in future detailed paleo-environmental reconstructions. It emerges from this study that, in many cases, Cu and Ni cannot be considered as faithfully reflecting the quantity of OM initially deposited. Several factors acting on the loss of Cu and Ni can be identified, among them, (1) a rapid loss linked to the decomposition of the OM before the conditions conducive to sulfate-reduction set in; (2) a low abundance of reactive iron which limits the quantity of pyrite liable to form, which significantly hampers Cu and Ni fixation in sediments. If Cu and Ni are not reliably retained in the sediments, that is, proportional to the quantity of OM supplied to the sediment, the paleo-environmental reconstitutions involving the concentrations of these metals may provide underestimated values of paleoproductivity. An interesting clue is the Fe:Al ratio that makes it possible to quickly know whether the values of the Cu and Ni enrichments are likely to be “abnormally” low.

Résumé

Le cuivre (Cu) et le nickel (Ni) sont des éléments fréquemment enrichis dans les dépôts sédimentaires riches en matière organique (MO). Dans le milieu marin, ils sont principalement apportés aux sédiments en association avec la MO sédimentaire. Dans les environnements actuels, une bonne corrélation entre l’intensité de la productivité phytoplanctonique et les quantités de Cu et Ni transférées aux sédiments a permis d’établir des calculs de paléoproductivité reposant sur les teneurs des sédiments anciens en ces deux métaux. La présente étude est une ré-évaluation de la valeur qui peut être attribuée à ces deux métaux en tant que traceurs de paléoproductivité. L’approche adoptée ici repose sur l’examen d’une base de données volumineuse déjà accessible dans la littérature scientifique. Le choix fut fait de privilégier l’examen d’un grand nombre de données par des moyens simples : des comparaisons des teneurs en carbone organic total (TOC), des enrichissement en Cu et Ni (voire d’autres métaux traces), et des valeurs du rapport Fe:Al qui permet d’apprécier la disponibilité du fer réactif. L’idée de base est que l’examen d’un grand nombre de formations géologiques (grâce à cette vaste base de données) permet d’englober toutes sortes de situations paléoenvironnementales comprenant donc une extrême variété des facteurs classiquement impliqués dans les mécanismes d’accumulation de MO. Le but est de dégager des tendances fortes, valables dans un grand nombre de paléosituations, qui devront être soigneusement pris en compte, à l’avenir, dans les reconstitutions paléoenvironnementales détaillées. Il ressort de cette étude que, dans de nombreux cas, le Cu et le Ni ne peuvent pas être considérés comme reflétant fidèlement la quantité de MO initialement déposée. Plusieurs facteurs agissant sur la perte de Cu et Ni peuvent être mis en avant, et parmi eux, (1) une perte rapide liée à la décomposition de la MO avant que les conditions propices à la réduction des sulfates ne s’installent ; (2) une faible abondance de fer réactif qui limite la quantité de pyrite susceptible de se former, ce qui entrave la fixation de Cu et Ni dans les sédiments. Si Cu et Ni ne sont pas retenus de manière fidèle dans les sédiments, c’est-à-dire proportionnelle à la quantité de MO transférée au sédiment, les reconstitutions paléoenvironnementales impliquant les concentrations de ces métaux peuvent fournir des valeurs sous-estimées pour la paléoproductivité. Un indice intéressant est le rapport Fe:Al qui permet de savoir rapidement si les valeurs des enrichissements en Cu et Ni sont susceptibles d’être « anormalement » basses.