Hétérogenéité quantitative et qualitative de la matière organique dans les argiles du Kimmeridgien du val de Pickering (Yorkshire, UK). Cadre sédimentologique et stratigraphique Quantitative and Qualitative Heterogeneity of the Organic Matter Within the Kimmeridge Clay of the Vale of Pickering (Yorkshire, Uk). Sedimentological and Stratigraphical Framework

Abstract

Les argiles du Kimméridgien contribuent à l'alimentation de nombreux gisements en mer du Nord. L'étude de quatre puits localisés sur une coupe Est-Ouest dans le Val de Pickering (Bassin de Cleveland) permet d'illustrer dans cette formation l'hétérogénéité de distribution verticale et latérale de la matière organique en terme de quantité et de qualité. La coupe étudiée (35 km de long, 200 m de haut) représente environ 6,5 millions d'années d'histoire géologique. Les analyses minéralogiques montrent que la formation est caractérisée par une grande homogénéité des apports sédimentaires, ce qui suppose des conditions de sédimentation stables dans le temps et dans l'espace. Le matériel sédimentaire, déposé dans un environnement calme, est composé de minéraux argileux (kaolinite, illite, et interstratifiés irréguliers illite/smectite) avec des niveaux carbonatés résultant d'une production biogénique. Ces niveaux carbonatés intercalés au sein des argiles peuvent être corrélés entre les puits. Pour la plupart dolomitisés, ils résultent d'une transformation plus importante àl'ouest (Marton) qu'à l'est (Reighton) de couches presque exclusivement formées de coccolithes. L'extension horizontale de ces niveaux indique qu'ils correspondent à des événements géodynamiques régionaux. L'étude des ammonites permet de reconnaitre, dans le Yorkshire, la succession de 10 zones du Kimméridgien (sensu anglico) et d'identifier 8 sous-zones depuis la zone à Cymodoce (- 144 m. a. ) jusqu'à celle à Pectinatus (- 137,5 m. a. ). Les zonations reconnues permettent de corréler ces quatre puits avec les autres régions d'Angleterre. L'existence de repères stratigraphiques et de repères diagraphiques caractéristiques au sein des zones d'ammonites permet d'établir des zones de corrélation entre une partie bassin (puits de Marton 87, Ebberston 87, Flixton 87) et une zone haute appartenant à la plate-forme Est de l'Angleterre (puits de Reighton 87). L'étude de l'hétérogénéité quantitative de la matière organique des sédiments du Kimméridgien du Yorkshire montre le caractère ordonné (non aléatoire) de la distribution du COT dans l'espace et dans le temps. L'hétérogénéité dans l'espace montre un gradient de préservation d'est en ouest : minimum sur la zone haute, maximum vers le centre du bassin où les dépôts sont les plus épais. L'existence de niveaux riches dans la zone présentant le plus fort taux d'accumulation sédimentaire (dépot centre) peut s'expliquer d'une part par un environnement plus favorable à la préservation de la matière organique dans une zone bathymétrique plus profonde (et un milieu de plus faible énergie que la plate-forme) et d'autre part par une meilleure préservation liée à un enfouissement plus rapide. L'hétérogénéité dans le temps se caractérise - quels que soient les puits - par une sédimentologie présentant des alternances de niveaux plus ou moins riches en matière organique. Le début de la préservation de la matière organique apparaît dans le Kimméridgien inférieur (zone à Cymodoce) pour atteindre un premier paroxysme au sommet de la zone à Eudoxus, un second à la base de la zone à Hudlestoni, un troisième à la base de la zone à Pectinatus. Pour les deux derniers, cette accumulation pourrait correspondre avec le maximum de transgression. Bien que très variable dans le temps et dans l'espace, la distribution de la matière organique montre par conséquent une logique, interprétable à l'échelle horizontale (fluctuations liées à l'épaisseur de la tranche d'eau par exemple donc aux cycles transgressifs et régressifs), plus hypothétique en l'état des connaissances à l'échelle verticale (cycle climatique). Dans les cycles, l'hétérogénéité de distribution quantitative en terme séquentiel ( haut de séquencecorrespondant aux fortes teneurs en COT et bas de séquenceaux faibles teneurs en COT) est confirmée par l'étude qualitative des résidus stables (analyses élémentaires : H/C-O/C) ou de la roche brute (index d'hydrogène/index d'oxygène, IH/10). La matière organique associée aux niveaux de haut de séquence sont très proches de la lignée Il alors que les bas de séquences voient leur rapport atomique H/C décroître en même temps que le rapport atomique O/C augmenter. L'étude des extraits suggère au contraire qu'il existe une unité dans l'origine du matériel organique tout au long de la sédimentation quels que soient les termes de la cyclicité et le niveau lithologique. Les différences observées au niveau des résidus stables reflèteraient par conséquent une différence dans les états de préservation d'une même matière organique (coccolithes, dinoflagellés) avec des variations affectant tant la quantité ( % COT) que la qualité (H/C-O/C, IH-10). L'hétérogénéité de la matière organique dans les cyclicités élémentaires peut être interprétée en terme de fluctuation du milieu : plus ou moins anaérobique, dont on enregistre les variations dans le temps et dans l'espace. Les très fortes concentrations de matière organique (20-40 %) correspondant aux anomalies organiquesse superposent à ces fluctuations. Localisées à proximité des niveaux carbonatés (niveaux équivalents aux Rope Lake Head Stone Bandet White Stone Banddu Dorset), elles semblent conjuguer à la fois des phénomènes de préservation et de productivité comme le suggère l'abondance exceptionnelle des coccolithes. The lowland plain of the Vale of Pickering strikes at right-angles to the Yorkshire coast of north-eastern England and is floored by Upper Jurassic mudstones, flanked by uplands of older Jurassic limestone to the north and Cretaceous Chalk to the south. Its fault-bounded southern margin marks the hinge zone between the mid-Mesozoic, stable Eastern England Shelf to the south, and the rapidly subsiding Cleveland Basin to the north. The latter is an onshore extension of the southern North Sea Basin and, like it, suffered Cenozoic inversion. The Upper Jurassic, Kimmeridge Clay (Kimmeridgian) is an important source rock of the North Sea oil province and the formation's onshore extension provides an unique opportunity to study the variability of its organic carbon content. Four continously cored boreholes were put down to sample a 200 m thick, 35 km long transect, extending from basin to shelf, and ranging in age from the Cymodoce Zone (- 144 m. a. ) to the top of the Pectinatus Zone (- 137. 5 m. a. ). Ammonite study allows recognition of ten zones and eight subzones of the Kimmeridgian Stage (Sensu anglico). Previously (Cope 1974a, 1974b, 1978, 1980; Callomon and Cope, 1971), only discontinuous segments of these zones and subzones have been recognised, (for example the Pectinatites (Virgatosphinctoidesà scitulus, P. (V. ) wheatleyensis zones and the P. (V. ) reisiformis subzone of the P. (Arkellites) hudlestoni Zone were unknown), but the boreholes have enabled the establishment of a continuous zonal sequence from the Rasenia cymodoce Zone to the P. (Pectinatites pectinatus Zone and, locally for the first time, the presence of the Pavlovia pallasiodes Zone. A two-fold subdivision of the Aulacostephanoides mutabilis Zone is proposed; a lower subzone of Rasenia askeptus and an upper subzone of A. mutabilis/eulepidus being recognised. The three-fold subdivision of Birkelund et al. (1983) does not seem to be justified here. The occurrence of detailed lithostratigraphical subdivisions with characteristic wireline log characters, calibrated by the ammonite-based zonal boundaries, enables precise chronostratigraphical correlation between the basin succession (proved at Marton 87, Ebberston 87 and Flixton 87 boreholes) and the thin succession of the depositional highof the Eastern England Shelf (proved at Reighton 87 borehole). Quantitative mineralogical data (XRD, SEM nannofacies analysis and isotope geochemistry) show that the sedimentary mineralogical character of the sequence is geographically and stratigraphically homogeneous, indicating generally unchanging conditions of deposition overall. Sedimentation generally occurred in a low energy depositional environment and comprises essential clay minerals (kaolinite, illite and mixed-layer illite-smectite) with accessory biogenic calcite, mainly planktonic (coccolith) material. Intercalated with the main body of mudstone, are beds of carbonate, which facilitate inter borehole correlation. These beds are coccolith-rich limestones which have subsequently been dolomitised, increasingly so toward the west, by a process dependent on the amount of organic carbon present. Their great lateral extent witnesses to geodynamic controlof regional extent. Preserved organic carbon content shows a gradual increase (by over 50%) when traced from the highin the east towards the centre of the basin in the west, where the beds are thickest. This is true despite cyclic fluctuation in both quantity and quality which can also be followed from the Reighton 87 to the Marton 87 borehole. In each borehole, stratigraphical variability of organic carbon is related to, fundamentally cyclic, sedimentological variation. The earliest preserved organic matter lies within the Cymodoce Zone. Three subsequent maxima were attained; at the top of the Eudoxus Zones, the base of the Hudlestoni Zone, and at the base of the Pectinatus Zone. The two highest horizons correspond to episodes of maximum transgression or highstand. Although very variable in time and space, the geographical distribution of organic matter may be easily explained, being related to bed thickness, depth of water and transgressive and regressive cycles of sedimentation. Consistent variations which has been found on the scale of tens of kilometres in the Cleveland Basin can be moreover extended at a palaeogegraphical scale. For example, the phase of maximum occurrence of organic material at the top of the Wheatleyensis Zone corresponds to the Blackstone of Dorset, signifying that the extent of these deposits goes far beyond the Vale of Pickering and reflects controlling factors of enormous geographical extent. The Kimmeridgian rocks of Yorkshire and Dorset pose fundamental problems about cyclic sedimentation since organic matter is a dominant sedimentary constituent. To determine the origin of the sedimentary cycles is one of the major problems of the sedimentology of organic matter. In the Kimmeridgian Stage the phenomenon appears to be amplified, giving rise to horizons of very great abundance. Such fluctuation in depositional environments must be related to climatic fluctuation and periods of high stand reveal the cyclicity by exaggerating the effects of the underlying phenomenon.