New insight of sedimentological and geochemical characterization of siliciclastic-carbonate deposits (Alveolina Limestone Formation, Graus-Tremp basin, Spain)

Nouveau regard sur la caractérisation sédimentologique et géochimique d’une série mixte “siliciclastique-carbonate” (la formation des Calcaires à Alvéolines, Bassin de Graus-Tremp, Espagne)

¹ IFP Énergies nouvelles, 1 et 4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison, France
² Centre SPIN, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint Etienne, and UMR CNRS 5600, 158 cours Fauriel, 42023 Saint-Etienne, France
³ TOTAL SA, CSTJF, avenue Larribau, 64018 Pau, France

^* Corresponding author : youri.hamon@ifpen.fr

Received: 10 December 2015
Accepted: 12 January 2016

Abstract

This article is a first attempt of combining sedimentological analysis and geochemical systematics of the Alveolina Limestone Formation as a tool to identify the major stratigraphic surfaces, and to improve the sequence stratigraphy interpretation. This formation is Early Eocene in age and crops out in several well-exposed cliffs in the Serraduy – Roda de Isabena area (Graus-Tremp basin, NE Spain). Within this succession, nineteen carbonate and siliciclastic facies have been identified and grouped in environmental facies associations (based on their vertical stacking and lateral relationships) : 1) coastal plain; 2) clastic deltaic complex; 3) shallow carbonate inner-ramp; 4) midramp; 5) outer-ramp; 6) reefal facies. The depositional architectures studied in the Serraduy area can be directly assessed on the field, and a 3D reconstruction is proposed. This enables us to build a synthetic depositional model and to identify five small-scale T/R cycles, bounded by different kinds of sedimentary discontinuities : angular unconformity, firmground, erosional surface… In parallel, geochemical analyses (C and O isotopes, major, minor and trace elements) were carried out to help at hierarchizing the cycles and the boundaries previously identified. Four of them may be considered as major stratigraphic surfaces, corresponding either to regional-scale angular unconformities, or to exposure surfaces. The latter are characterized by a selective dissolution, a slight but sharp decrease in δ¹³C_V-PDB and in Mg, Fe and Sr contents below the surface. The absence of typical sedimentary criteria of exposure (with the exception of these geochemical signatures) may be explained by short-term exposure, an arid to semi-arid climate, and a dominant low-magnesian calcite original mineralogy, precluding the development and the preservation of widespread vadose diagenetic products. A new sequence stratigraphy model for the Alveolina Limestone Fm is finally proposed and discussed.

Résumé

Cet article propose une étude intégrée, sédimentologique et géochimique, utilisée en tant qu’outil pour identifier les surfaces à valeur stratigraphique majeure et pour améliorer les interprétations de stratigraphie séquentielle. L’étude est réalisée sur la formation des « Calcaires à Alvéolines », d’âge éocène inférieur qui affleure de manière spectaculaire dans la région de Serraduy – Roda de Isabena (bassin de Graus-Tremp, NE de l’Espagne). Au sein de cette succession, dix-neuf faciès (tant siliciclastiques que carbonatés) ont été identifiés et regroupés en associations de faciès caractéristiques d’environnements de dépôt, en se basant sur leur empilement vertical et leurs relations latérales : 1) plaine côtière ; 2) complexe siliciclastique deltaïque ; 3) rampe carbonatée interne peu profonde ; 4) rampe médiane ; 5) rampe externe ; 6) faciès récifaux. Les architectures de dépôt peuvent être directement évaluées sur le terrain et une reconstruction 3D est proposée. Ces points ont permis d’établir un modèle de dépôt synthétique et d’identifier cinq cycles élémentaires transgressifs/régressifs, délimités par différents types de discontinuités sédimentaires : discordance, surface durcie, surface d’érosion… En parallèle, des analyses géochimiques (isotopes du carbone et de l’oxygène, géochimie des majeurs, mineurs et traces) ont été menées afin d’aider à la hiérarchisation des cycles élémentaires et de leurs limites. Quatre d’entre elles peuvent être considérées comme des surfaces stratigraphiques majeures, correspondant soit à des discordances angulaires d’échelle régionale, soit à des surfaces d’émersion. Ces dernières se caractérisent par une dissolution sélective, une chute légère en δ¹³C_V-PDB, ainsi qu’en Mg, Fe et Sr, sous la surface. L’absence de critère sédimentaire d’émersion (à l’exception de ces signaux géochimiques) pourrait être imputée à la faible durée et la faible amplitude des émersions, un climat aride à semi-aride et une minéralogie originale dominée par la calcite faiblement magnésienne, paramètres ayant limité la dissolution et le développement de produits diagénétiques vadoses. Un nouveau découpage séquentiel pour la Formation des Calcaires à Alvéolines est enfin proposé et discuté.