Multiple early Eocene carbon isotope excursions associated with environmental changes in the Dieppe-Hampshire Basin (NW Europe)

Multiples excursions isotopiques du carbone de l’Eocène inférieur associées à des changements environnementaux dans le Bassin de Dieppe-Hampshire (Europe du NO)

¹ Sorbonne Université, CNRS-INSU, ISTeP UMR 7193, 4, Place Jussieu, 75005 Paris, France
² Université d’Orléans, CNRS, BRGM, Institut des Sciences de la Terre d’Orléans (ISTO), UMR 7327, 45071 Orléans, France
³ BRGM GéoRessources/GAT, 45060 Orléans Cedex 2, France
⁴ Laboratoire de Géologie Fondamentale et Appliquée, Faculté Polytechnique de Mons, Université de Mons, rue de Houdain 9, 7000 Mons, Belgium
⁵ Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement, CEA-CNRS-UVSQ, Université Paris-Saclay, 91198 Gif-sur-Yvette, France
⁶ University of Namur, Department of Geology, Institute of Life, Earth and Environment, ILEE, 61, rue de Bruxelles, 5000 Namur, Belgium
⁷ FRAMATOME, HPC Project, 1, Place Jean Miller, 92400 Courbevoie, France
⁸ BRGM Direction des Laboratoires/ISO, 45060 Orléans Cedex 2, France

^* Corresponding author: sylvain.garel.laurin@gmail.com

Received: 14 November 2019
Accepted: 26 June 2020

Abstract

The early Eocene experienced a series of short-lived global warming events, known as hyperthermals, associated with negative carbon isotope excursions (CIE). The Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM or ETM-1) and Eocene Thermal Maximum 2 (ETM-2) are the two main events of this Epoch, both marked by massive sea-floor carbonate dissolution. Their timing, amplitude and impacts are rather well documented, but CIEs with lower amplitudes also associated with carbonate dissolution are still poorly studied (e.g. events E1 to H1), especially in the terrestrial realm where hiatus/disconformities and various sedimentary rates in a single succession may complicate the assignation to global isotopic events. Here we present a new high-resolution multi-proxy study on the terrestrial, lagoonal and shallow marine late Paleocene-early Eocene succession from two sites of the Cap d’Ailly area in the Dieppe-Hampshire Basin (Normandy, France). Carbon isotope data (δ¹³C) on bulk organic matter and higher-plant derived n-alkanes, and K-Ar ages on authigenic glauconite were determined to provide a stratigraphic framework. Palynofacies, distribution and hydrogen isotope values (δ²H) of higher-plant derived n-alkanes allowed us to unravel paleoenvironmental and paleoclimatic changes. In coastal sediments of the Cap d’Ailly area, δ¹³C values revealed two main negative CIEs, from base to top CIE1 and CIE2, and 3 less pronounced negative excursions older than the NP11 nannofossil biozone. While the CIE1 is clearly linked with the PETM initiation, the CIE2 could either correspond to 1) a second excursion within the PETM interval caused by strong local environmental changes or 2) a global carbon isotopic event that occurred between the PETM and ETM-2. Paleoenvironmental data indicated that both main CIEs were associated with dramatic changes such as eutrophication, algal and/or dinoflagellate blooms along with paleohydrological variations and an increase in seasonality. They revealed that the intervals immediately below these CIEs are also marked by environmental and climatic changes. Thus, this study shows either 1) a PETM marked by at least two distinct intervals of strong environmental and climatic changes or 2) at least one “minor” CIE: E1, E2, F or G, was associated with strong environmental and climatic changes similar to those that occurred during the PETM.

Résumé

L’Eocène inférieur fût le théâtre d’une série de réchauffements climatiques rapides et globaux nommés hyperthermaux qui sont associés à des excursions isotopiques négatives du carbone (CIE = Carbon Isotope Excursion). Le maximum thermique du Paléocène-Eocène (PETM = Paleocene-Eocene Thermal Maximum ou ETM-1 = Eocene Thermal Maximum-1) et le Maximum Thermique de l’Eocène-2 (ETM-2) sont les deux évènements principaux de cette Epoque et sont tous les deux marqués par la dissolution massive de carbonates des fonds marins. Leurs timings, amplitudes et impacts sont plutôt bien documentés, mais des CIEs de plus faible amplitude, également associées à des dissolutions de carbonates, sont encore peu étudiées (p. ex. évènements E1 à H1), notamment dans le domaine continental où les hiatus/inconformités ainsi que les taux de sédimentation variables dans une même succession compliquent l’identification des évènements isotopiques globaux. Ici, nous présentons une nouvelle étude « multi-proxy » à haute résolution sur la succession continentale, lagunaire et marine peu profonde de deux sites du secteur du Cap d’Ailly dans le Bassin de Dieppe-Hampshire (Normandie). Les données isotopiques du carbone (δ¹³C) de la matière organique totale et des n-alcanes de végétaux supérieurs ainsi que les âges K-Ar de glauconies authigènes ont été déterminés pour obtenir un cadre stratigraphique robuste. Les palynofaciès ainsi que la distribution et les données isotopiques de l’hydrogène (δ²H) de n-alcanes de végétaux supérieurs nous ont permis de reconstituer les changements paléoenvironnementaux et paléoclimatiques survenus durant l’intervalle étudié. Dans les sédiments côtiers du secteur du Cap d’Ailly, les courbes de δ¹³C montrent 2 principales CIEs négatives, de la base au sommet : CIE1 et CIE2, et 3 excursions négatives moins prononcées, toutes plus anciennes que la biozone à nannofossiles NP11. Alors que la CIE1 est clairement liée à l’initiation du PETM, la CIE2 pourrait correspondre, soit 1) à une seconde excursion au sein du PETM causée par un important changement environnemental local, soit 2) à un évènement isotopique du carbone global qui ce serait produit entre le PETM et l’ETM-2. Les données paléoenvironnementales indiquent que les deux principales CIEs sont associées à des changements importants comme l’eutrophisation, des proliférations d’algues et/ou de dinoflagellés associés à des variations paléohydrologiques et à une augmentation de la saisonnalité. Elles révèlent que les intervalles immédiatement sous les CIEs sont aussi marqués par des changements environnementaux et climatiques. Ainsi, cette étude montre que : soit 1) le PETM fut marqué par au moins deux intervalles distincts de forts changements environnementaux et climatiques, ou 2) qu’au moins une CIE mineure : E1, E2, F ou G fut associée à des changements environnementaux et climatiques similaires à ceux qui se sont produits pendant le PETM.