Post-depositional evolution over a time scale of 1 million years of eastern Mediterranean organic-rich and organic-poor sediments: new insights on the debromination and layer-silicate markers

Évolution post-dépôt à l'échelle d'un million d'années de sédiments riches et pauvres en matière organique en Méditerranée orientale : nouveaux aperçus sur la débromination et les marqueurs argileux

¹ Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg, Normandie Univ., UNICAEN, LUSAC, 50100 Cherbourg, France
² Conservatoire national des arts et métiers, INTECHMER, 50100 Cherbourg, France
³ IC2MP UMR 7285, université de Poitiers, 86073 Poitiers cedex 9, France
⁴ Sorbonne Université, UPMC-Univ. Paris 06, iSTeP, 4 place Jussieu, 75005 Paris, France
⁵ Geologisches institut, ETHZ Zuerich, 8092 Zuerich, Switzerland
⁶ UMR-CNRS 5805 EPOC, université de Bordeaux, 33615 Pessac cedex, France
⁷ UMR 7325 CINaM/CNRS, université Aix-Marseille campus de Luminy, 13288 Marseille cedex 9, France

^* Corresponding author: anne.murat@lecnam.net

Abstract

Organic matter degradation is the engine behind the biogeochemical evolution of sediments during burial. Previous research has shown that eogenesis is the seat of a complex interplay between organic matter, microbes and the most reactive part of inorganic compounds, such as clay minerals. To explore the variability and stability of bromine and clay minerals as geochemical and mineral tracers, we selected an eastern Mediterranean core that has a high degree of stability in the quality and quantity of organic matter through time at a one-million-year scale and great variability in organic matter content at a 10 ky scale. According to the very low maximal burial depth reached by these sediments (the core length is only 36.5 m), physical parameters, such as temperature and pressure, did not significantly influence the evolution of the studied parameters during the burial history. The bulk clay mineralogy of organic-rich and organic-poor sediments is similar all along the investigated core material; smectite predominates over kaolinite. The only identified authigenic minerals are biogenetic framboidal pyrite and manganese oxides. The X-ray data and the chemical compositions of the smectite are characteristic of a montmorillonite which is representative of a detrital Nile source. At a one-million-year scale, the organic matter content has no significant influence on clay eogenesis, and detrital smectite and kaolinite remain unchanged. Bromine is present in marine organic matter as organobromine compounds. During eogenesis, bromine is released from organic matter as bromide ion, resulting in an increase in the bromide concentration in the pore water with depth. Dissolved bromide can be used as a conservative tracer of the debromination of sedimentary organic matter. For the first time, we established that solid-phase BrOrg is a reliable tracer of debromination rates in marine sediments. The rate of debromination depends on the organic matter content. The rate increases from less than 2.3 × 10⁻⁴μmolBrOrg mol.C⁻¹.y⁻¹ to 6.3 × 10⁻⁴μmolBrOrg mol.C⁻¹.y⁻¹ when TOC varies from 0.17 to 3%. This increase is related to the development of the bacterial population and provides the basis for further investigation of other oceanic basins. For TOC values  >4%, the rate of debromination decreases. We propose that the bioavailability of organic matter is another factor of variability in the debromination rate.

Résumé

La dégradation de la matière organique est le moteur de l'évolution biogéochimique des sédiments au cours de l'enfouissement. Les recherches précédentes ont montré que l'éogenèse est le siège d'interférences complexes entre la matière organique, les microorganismes et la partie la plus réactive des composés inorganiques comme les minéraux argileux. Pour étudier la variabilité et la stabilité du brome et des minéraux argileux comme traceurs géochimiques et minéralogiques, nous avons choisi une carotte de Méditerranée orientale qui présente une grande stabilité de la qualité et de la quantité de la matière organique à l'échelle de 1 million d'années et une grande variabilité de cette quantité à une échelle de 10 ka. Considérant le faible enfouissement de ces dépôts (la carotte ne fait que 36,5 m de long), les paramètres physiques comme la température et la pression, n'influencent pas significativement l'évolution des paramètres étudiés. La minéralogie des argiles demeure semblable dans toute la carotte, que les sédiments soient riches ou pauvres en matière organique ; la smectite domine sur la kaolinite. Les seuls minéraux authigéniques identifiés sont la pyrite framboïdale biogénique et des oxydes de manganèse. Les données de diffraction de rayons X et la composition chimique de la smectite correspondent à celles d'une montmorillonite représentative des apports détritiques du Nil. À l'échelle de 1 million d'années, la quantité de matière organique n'influence pas l'éogenèse des minéraux argileux, la kaolinite et la smectite détritique demeurent inchangées. Le brome est dans la matière organique marine sous forme de composés organobromés. Pendant l'éogenèse, le brome est libéré de la matière organique sous forme d'ion bromure, il en résulte une augmentation avec l'enfouissement de la concentration en bromure dans l'eau interstitielle. Le bromure dissous peut être utilisé comme un traceur conservatif de la débromination de la matière organique sédimentaire. Pour la première fois, nous avons établi que le brome organique particulaire est un traceur valide du taux de débromination dans les sédiments marins. Le taux de débromination dépend de la quantité de matière organique. Il augmente de 2,3 × 10⁻⁴μmolBrOrg mol.C⁻¹.a⁻¹ à 6,3 × 10⁻⁴μmolBrOrg mol.C⁻¹.a⁻¹ quand le carbone organique total (COT) varie de 0,17 à 3 %. Cette augmentation est en relation avec le développement des populations bactériennes et fournit une base pour l'étude d'autres bassins océaniques. Pour les teneurs en COT > 4 %, le taux de débromination diminue. Nous proposons que la biodisponibilité de la matière organique soit un autre facteur de variabilité du taux de débromination.