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dynamique/Dynamique Oceanography Relations entre certains aspects de la sédimentation carbonatée dans le Golfe Arabo-Persique et les niveaux de stagnation concomitants de la mer au cours des 500 dernières années Claude LALOU, Jean-Louis REYSS et Robert BOICHARD Résumé — L’étude des forages effectués par 27 m de fond dans le Golfe Arabo-Persique permet, par datation de certains niveaux carbonatés caractéristiques (coraux, ooïdes, accumulation de coquillages), de préciser les époques de stagnation et les altitudes du niveau marin vers -100,000 ans (et peut-être vers -370,000 ou -520,000 ans), intermédiaires entre les niveaux extrêmes (+ 6 à + 7 m pendant l’optimum climatique de -120,000 ans et -120 m pendant le maximum glaciaire de -180,000 ans) pendant lesquels le site de forage était soit sous une trop importante tranche d’eau, soit exondé. Relations between some aspects of carbonate sédimentation in the Arabo-Persian Gulf and the concomitant periods of stagnation of sea level during the last 500,000 years Abstract — The study of sedimentary cores drilled at a depth of 27 m in the Arabo-Persian Gulf by radiometric dating of carbonate episodes (corals, ooids and shell accumulations) affords a means to retrace the sea level stagnations around 100,000 years B.P. (and perhaps 370,000 or 520,000 years B.P.). These are at an intermediate level between the +6 or +1 m level of the 120,000 years climatic optimum and the -120 m level of the 18,000 years glacial period level. During these two extremes, the drilling site was either under a water depth some meters higher than today, or dried up. Abridged English Version — During the Quaternary, the Arabo-Persian Gulf was subjected to eustatic sea level variations. During the periods when the sea level was higher than today (e.g. 120,000 years ago), the Gulf area was wider than today and somewhat deeper, whereas during the low sea levels (e.g. 18,000 years ago), the Ormuz Strait and consequently the Gulf were dried up [1]. This may be reflected by the carbonate sédimentation. Considering data available on sea level variations as registered by the oxygen isotopic variations of benthic foraminifera [2], the topographical characteristics of the Gulf,
520,000 years B.P.). These are at an intermediate level between the +6 or +1 m level of the 120,000 years climatic optimum and the -120 m level of the 18,000 years glacial period level. During these two extremes, the drilling site was either under a water depth some meters higher than today, or dried up. Abridged English Version — During the Quaternary, the Arabo-Persian Gulf was subjected to eustatic sea level variations. During the periods when the sea level was higher than today (e.g. 120,000 years ago), the Gulf area was wider than today and somewhat deeper, whereas during the low sea levels (e.g. 18,000 years ago), the Ormuz Strait and consequently the Gulf were dried up [1]. This may be reflected by the carbonate sédimentation. Considering data available on sea level variations as registered by the oxygen isotopic variations of benthic foraminifera [2], the topographical characteristics of the Gulf, and the depth of 90 m for the Ormuz strait, we can decipher that during the last 500,000 years, the Gulf has been totally exposed during at least four principal periods (Fig.). Conditions similar to today’s ones existed around 400,000 and 330,000 B.P. and, as already stated, a sea level slightly higher than today existed 120,000 years ago. Between these extreme conditions, numerous intermediate, relatively high or low, sea levels may have influenced the characteristics of the sédimentation, depending on the depth of the site under consideration, especially in the range of -25 to -50 m depth. Core samples were collected from three drill holes (about 40 m long) located about 160 km North of the Abu Dhabi coast at -27 m depth and kindly submitted to us by the Government of the United Arab Emirates. On these cores, we tried to establish the sedimentary régime over the last 500,000 years using 230Th/234U and 231Pa/235U dating methods [4] on relatively thick coral or oolithic formations known to form around sea level (especially for oolitic sands) and during periods of stagnation (as opposed to rapid transgression or regression). Note présentée par Henri LACOMBE. 0249-6305/88/03071211 S 2.00 © Académie des Sciences 1212
slightly higher than today existed 120,000 years ago. Between these extreme conditions, numerous intermediate, relatively high or low, sea levels may have influenced the characteristics of the sédimentation, depending on the depth of the site under consideration, especially in the range of -25 to -50 m depth. Core samples were collected from three drill holes (about 40 m long) located about 160 km North of the Abu Dhabi coast at -27 m depth and kindly submitted to us by the Government of the United Arab Emirates. On these cores, we tried to establish the sedimentary régime over the last 500,000 years using 230Th/234U and 231Pa/235U dating methods [4] on relatively thick coral or oolithic formations known to form around sea level (especially for oolitic sands) and during periods of stagnation (as opposed to rapid transgression or regression). Note présentée par Henri LACOMBE. 0249-6305/88/03071211 S 2.00 © Académie des Sciences 1212 C. R. Acad. Sci. Paris, t. 307, Série II, p. 1211-1216, 1988 Preliminary datings by 14C method on one of the cores (SI) have shown that at a depth of 4.60 m the âge is already > 35,000 years [3]. Results are given in table A for three corals and one bioclastic sand. For each level, three dates on aliquots were obtained, 2 with the 230Th/234U method using two different spikes (232U-228Th and 229Th-236U) and one with the 231Pa/235U method, in which 227Th is measured as representative of its parent [5]. The agreement between the three dates is statistically significant and enables us to conclude ages of 80 ± 5 x 103 years for SI (4.7 m depth), 100+10 x 103 years for S2 (6.5 m depth) and for S3, 70±5 x 103 years (2.5 m depth) and 75 + 5 x 103 years (5.1 m depth). Three of the samples are essentially aragonitic, and S3 (5.1 m) is a Consolidated sand made of shells and is more calcitic. It is preferable to use aragonitic samples when applying U séries disequilibrium methods, but due to the consistency of the results and the lack of 232Th in sample S3 (5.1 m),
one bioclastic sand. For each level, three dates on aliquots were obtained, 2 with the 230Th/234U method using two different spikes (232U-228Th and 229Th-236U) and one with the 231Pa/235U method, in which 227Th is measured as representative of its parent [5]. The agreement between the three dates is statistically significant and enables us to conclude ages of 80 ± 5 x 103 years for SI (4.7 m depth), 100+10 x 103 years for S2 (6.5 m depth) and for S3, 70±5 x 103 years (2.5 m depth) and 75 + 5 x 103 years (5.1 m depth). Three of the samples are essentially aragonitic, and S3 (5.1 m) is a Consolidated sand made of shells and is more calcitic. It is preferable to use aragonitic samples when applying U séries disequilibrium methods, but due to the consistency of the results and the lack of 232Th in sample S3 (5.1 m), we retained this sample. In the three cores an oolithic level about 1.6 m thick is well developed (at 25 m depth) with essentially aragonitic ooids in a calcitic cement. They are similar to those now formed near the Abu Dhabi coast [6]. Two measurements in the oolithic level of SI (Table B) were made, the first on the whole sample for which an age of > 350,000 years was obtained, at the upper limit of the method. Since calcification may have introduced exogenous 230Th (as indicated by a somewhat higher 232Th content), which would result in an apparent age too old for the ooids, we attempted another measurement on carefully selected ooids. The result was also > 350,000 years. Refering back to Figure, it seems clear that the four samples of Table A correspond to the series of relatively high sea levels between 70,000 and 110,000 years. At this time, the drilling points which are now at 27 m depth must have been sufficiently near these intermediate high sea levels to allow the construction of coral reefs. Before this, during the highest 120,000 years level, the water was too deep at this position to allow the growth of corals.
SI (Table B) were made, the first on the whole sample for which an age of > 350,000 years was obtained, at the upper limit of the method. Since calcification may have introduced exogenous 230Th (as indicated by a somewhat higher 232Th content), which would result in an apparent age too old for the ooids, we attempted another measurement on carefully selected ooids. The result was also > 350,000 years. Refering back to Figure, it seems clear that the four samples of Table A correspond to the series of relatively high sea levels between 70,000 and 110,000 years. At this time, the drilling points which are now at 27 m depth must have been sufficiently near these intermediate high sea levels to allow the construction of coral reefs. Before this, during the highest 120,000 years level, the water was too deep at this position to allow the growth of corals. The oolithic level, at 25 m depth in the core (that is - 52 m under the present sea level), may have formed either during the 370,000 or the 520,000 year old relative high sea level shown in Figure as ooids form quite rapidly in tide-dominated environments. Obviously, the sea level values are approximate, as well as the levels in the cores since we did not take into account any tectonic uplift or subsidence of the area. I. VARIATIONS DU NIVEAU MARIN DANS LE GOLFE ARABO-PERSIQUE. — Pendant le Quaternaire, le Golfe Arabo-Persique a subi les variations eustatiques du niveau de l'Océan Mondial qui ont imposé, au moment des paroxysmes climatiques, des conditions sédimentologiques très différentes : ainsi, il y a environ 120000 ans la superficie du Golfe était plus grande que maintenant et l'épaisseur de la couche d'eau, en tout point, était de quelques mètres supérieure à ce qu'elle est actuellement; inversement, il y a 18 000 ans, le niveau moyen des mers était approximativement 120 m plus bas que l'actuel : le Golfe Arabo-Persique et le détroit d'Ormuz étaient à sec, le Tigre et l'Euphrate traversaient le Golfe pour se jeter directement dans le Golfe d'Oman. En utilisant
level values are approximate, as well as the levels in the cores since we did not take into account any tectonic uplift or subsidence of the area. I. VARIATIONS DU NIVEAU MARIN DANS LE GOLFE ARABO-PERSIQUE. — Pendant le Quaternaire, le Golfe Arabo-Persique a subi les variations eustatiques du niveau de l'Océan Mondial qui ont imposé, au moment des paroxysmes climatiques, des conditions sédimentologiques très différentes : ainsi, il y a environ 120000 ans la superficie du Golfe était plus grande que maintenant et l'épaisseur de la couche d'eau, en tout point, était de quelques mètres supérieure à ce qu'elle est actuellement; inversement, il y a 18 000 ans, le niveau moyen des mers était approximativement 120 m plus bas que l'actuel : le Golfe Arabo-Persique et le détroit d'Ormuz étaient à sec, le Tigre et l'Euphrate traversaient le Golfe pour se jeter directement dans le Golfe d'Oman. En utilisant les données disponibles sur les variations du niveau marin déduites de l'enregistrement des variations de la composition isotopique de l'oxygène de l'eau de mer par les foraminifères benthiques et les caractéristiques topographiques actuelles du Golfe, on peut retracer les grands traits du régime sédimentaire dans le Golfe. Si l'on admet une profondeur actuelle de 90 m pour le détroit d'Ormuz, le Golfe a été, depuis Courbe donnant les variations du niveau de l'Océan Mondial d'après les variations du rapport isotopique de l'oxygène des foraminifères benthiques (modifiée d'après [9]). On a schématisé, en fonction du temps, les différentes sortes de sédimentation possibles en surface du point de forage en tenant compte de sa cote par rapport au zéro du niveau marin de l'époque, (a) Pas de sédimentation dans le Golfe, le détroit d'Ormuz est à sec. (b) Pas de sédimentation au site de forage qui est exondé. (c) Le site de forage est à faible profondeur, en période de stagnation de la mer, les constructions corallaires ou oolithiques sont possibles. (d) Le site de forage est sous une tranche d'eau suffisante pour qu'il y ait une sédimentation carbonatée, mais trop épaisse pour que des coraux ou ooïdes puissent se former massivement.
une profondeur actuelle de 90 m pour le détroit d'Ormuz, le Golfe a été, depuis Courbe donnant les variations du niveau de l'Océan Mondial d'après les variations du rapport isotopique de l'oxygène des foraminifères benthiques (modifiée d'après [9]). On a schématisé, en fonction du temps, les différentes sortes de sédimentation possibles en surface du point de forage en tenant compte de sa cote par rapport au zéro du niveau marin de l'époque, (a) Pas de sédimentation dans le Golfe, le détroit d'Ormuz est à sec. (b) Pas de sédimentation au site de forage qui est exondé. (c) Le site de forage est à faible profondeur, en période de stagnation de la mer, les constructions corallaires ou oolithiques sont possibles. (d) Le site de forage est sous une tranche d'eau suffisante pour qu'il y ait une sédimentation carbonatée, mais trop épaisse pour que des coraux ou ooïdes puissent se former massivement. (e) Niveau actuel de la mer. (f) Profondeur actuelle du site. (g) Évolution possible de la profondeur du site au cours des 500000 dernières années. (h) Profondeur du dépôt oolithique. (i) Profondeur du détroit d'Ormuz. (j) Périodes pendant lesquelles des coraux se sont formés et ont été datés. (k) Dates possibles de la formation des ooïdes. Curve showing the eustatic sea level variations deduced from the variations of the isotopic composition of the oxygen of benthic foraminifera (modified from [9]). The different kinds of possible superficial sedimentation are indicated as a function of the variation with time of the thickness of the water column at the station of drilling. (a) No sedimentation in the Gulf, Ormuz strait is exonded. (b) No sedimentation at the drilling site which is exonded. (c) Periods during which corals or oolithic formations are possible, (d) Periods during which the drilling site is under a thick water depth no coral or ooids formation, (e) Present day sea level. (f) Present day depth of the drilling site, (g) Possible evolution of the depth of the site during the 500,000 past years. (h) Depth of the oolithic level. (i) Depth of the Ormuz strait. (j) Periods during which
possibles de la formation des ooïdes. Curve showing the eustatic sea level variations deduced from the variations of the isotopic composition of the oxygen of benthic foraminifera (modified from [9]). The different kinds of possible superficial sedimentation are indicated as a function of the variation with time of the thickness of the water column at the station of drilling. (a) No sedimentation in the Gulf, Ormuz strait is exonded. (b) No sedimentation at the drilling site which is exonded. (c) Periods during which corals or oolithic formations are possible, (d) Periods during which the drilling site is under a thick water depth no coral or ooids formation, (e) Present day sea level. (f) Present day depth of the drilling site, (g) Possible evolution of the depth of the site during the 500,000 past years. (h) Depth of the oolithic level. (i) Depth of the Ormuz strait. (j) Periods during which corals have formed and have been dated. (k) Possible dates for the oolithic deposit. 500,000 ans, totalement exondé, donc sans sédimentation ou formation marine, pendant au moins quatre épisodes principaux : de 450,000 à 430,000 ans, de 350,000 à 340,000 ans, de 160,000 à 130,000 ans et de 35,000 à 12,000 ans (fig.). Des conditions analogues à celles régnant actuellement existaient il y a environ 400,000 et 330,000 ans, et, comme nous l'avons déjà mentionné, le niveau était quelques mètres plus haut il y a 120,000 ans. II. RELATIONS ENTRE NIVEAUX MARINS ET SÉDIMENTATION. — Une sédimentation de caractéristiques très différentes doit s'être établie au cours du temps, au même site, en fonction de la hauteur de l'eau au-dessus de ce site. C'est pourquoi nous avons recherché, dans trois forages que le gouvernement des Émirats Arabes Unis a bien voulu mettre à notre disposition, s'il était possible de préciser en les datant par radiochronologie quelques-uns des épisodes marquants de cette sédimentation. Les forages étudiés (environ 40 m de long) se trouvent à environ 160 km au Nord de la côte d'Abu Dhabi sous 27 m d'eau, sur une structure en relief qui doit les tenir à l'abri Ils recoupent des
12,000 ans (fig.). Des conditions analogues à celles régnant actuellement existaient il y a environ 400,000 et 330,000 ans, et, comme nous l'avons déjà mentionné, le niveau était quelques mètres plus haut il y a 120,000 ans. II. RELATIONS ENTRE NIVEAUX MARINS ET SÉDIMENTATION. — Une sédimentation de caractéristiques très différentes doit s'être établie au cours du temps, au même site, en fonction de la hauteur de l'eau au-dessus de ce site. C'est pourquoi nous avons recherché, dans trois forages que le gouvernement des Émirats Arabes Unis a bien voulu mettre à notre disposition, s'il était possible de préciser en les datant par radiochronologie quelques-uns des épisodes marquants de cette sédimentation. Les forages étudiés (environ 40 m de long) se trouvent à environ 160 km au Nord de la côte d'Abu Dhabi sous 27 m d'eau, sur une structure en relief qui doit les tenir à l'abri Ils recoupent des sédiments presqu'exclusivement carbonates constitués principalement de boues sableuses et de sables boueux bioclastiques. Les faciès observés sont effectivement représentatifs de dépôts effectués sous des hauteurs d'eau différentes. Les niveaux riches en polypiers ou en ooïdes sont particulièrement intéressants : ils indiquent, à quelques mètres près, le niveau de stagnation de la mer au moment où ils se sont formés, car ils ne peuvent se développer massivement pendant une remontée ou une descente trop rapide du niveau marin : ce sont ces niveaux que nous avons datés. III. DATATION DES NIVEAUX DE STAGNATION (voir tableau). — Des essais de datation par le carbone-14, effectués sur la carotte SI, avaient donné les résultats suivants : 2 m de profondeur, 5 740 + 120 ans; 4,60 m de profondeur, âge supérieur à la limite de la méthode (35 000 ans); une autre méthode de datation s'imposait donc. Tenant compte du fait que les niveaux que nous voulions dater, niveaux de coraux assez bien développés et niveaux d'ooïdes, étaient tous deux favorables à la datation par les déséquilibres dans la famille de l'uranium, nous avons appliqué cette méthode à cinq niveaux, trois niveaux de coraux, un niveau bioclastique et un niveau de calcaire oolithique.
la mer au moment où ils se sont formés, car ils ne peuvent se développer massivement pendant une remontée ou une descente trop rapide du niveau marin : ce sont ces niveaux que nous avons datés. III. DATATION DES NIVEAUX DE STAGNATION (voir tableau). — Des essais de datation par le carbone-14, effectués sur la carotte SI, avaient donné les résultats suivants : 2 m de profondeur, 5 740 + 120 ans; 4,60 m de profondeur, âge supérieur à la limite de la méthode (35 000 ans); une autre méthode de datation s'imposait donc. Tenant compte du fait que les niveaux que nous voulions dater, niveaux de coraux assez bien développés et niveaux d'ooïdes, étaient tous deux favorables à la datation par les déséquilibres dans la famille de l'uranium, nous avons appliqué cette méthode à cinq niveaux, trois niveaux de coraux, un niveau bioclastique et un niveau de calcaire oolithique. Ces méthodes des déséquilibres dans la famille de l'uranium ont été largement utilisées pour retracer l'évolution des niveaux marins depuis respectivement 150000 ans, limite de la méthode 231Pa/235U et 350000 ans, limite de la méthode 230Th/234U. Le tableau A donne les résultats obtenus pour quatre des cinq échantillons. Ces quatre échantillons étaient présumés assez jeunes pour que l'on essaie de les dater par les deux méthodes, pour valider les dates obtenues. Les traitements chimiques ont été effectués sur deux parties aliquotes de chaque échantillon en utilisant deux solutions traceur différentes : une solution d'uranium-232 suffisamment ancienne pour que son fils le thorium-228 soit à l'équilibre radioactif, pour la méthode 230Th/234U, et un traceur formé d'un mélange d'uranium-236 et de thorium-229, permettant de mesurer le thorium-227 qui est considéré à l'équilibre avec le protactinium-231. On constate une bonne cohérence entre les trois mesures statistiquement compatibles sur chaque échantillon. On peut conclure, pour la carotte SI, à 4,7 m, à un âge de 80+5.103 ans, pour S2, à 6,5 m, à un âge de 100+10.103 ans, pour la carotte S3, à 2,5 m, à un âge de 70 + 5.103 ans et, à 5,1 m, à un âge de 75 + 5.103
échantillons étaient présumés assez jeunes pour que l'on essaie de les dater par les deux méthodes, pour valider les dates obtenues. Les traitements chimiques ont été effectués sur deux parties aliquotes de chaque échantillon en utilisant deux solutions traceur différentes : une solution d'uranium-232 suffisamment ancienne pour que son fils le thorium-228 soit à l'équilibre radioactif, pour la méthode 230Th/234U, et un traceur formé d'un mélange d'uranium-236 et de thorium-229, permettant de mesurer le thorium-227 qui est considéré à l'équilibre avec le protactinium-231. On constate une bonne cohérence entre les trois mesures statistiquement compatibles sur chaque échantillon. On peut conclure, pour la carotte SI, à 4,7 m, à un âge de 80+5.103 ans, pour S2, à 6,5 m, à un âge de 100+10.103 ans, pour la carotte S3, à 2,5 m, à un âge de 70 + 5.103 ans et, à 5,1 m, à un âge de 75 + 5.103 ans. L'examen au microscope et l'analyse aux rayons X nous a montré que les échantillons SI (4,7) et S3 (2,5) étaient des polypiers en aragonite pratiquement pure. L'échantillon de polypier de S2 (6,5), en majorité en aragonite comporte un peu plus de calcite mais a un rapport 230Th/232Th très élevé. Par contre le niveau S3 (5,1) constitué de débris de polypiers, d'algues rouges et de lamellibranches a une composante calcitique majoritaire; toutefois, là encore, le rapport 230Th/232Th est très élevé. De plus, le très bon accord entre les deux méthodes de datation nous conduit à conserver ces dates. Dans les trois carottes on trouve un niveau de calcaire oolithique épais d'environ 1,60 m dont la base est à 26 m de profondeur dans la carotte. Il s'agit d'un « grainstone » dont les ooïdes ont une minéralogie (aragonite) et une structure interne identiques à celles qui se déposent actuellement en bordure de la côte d'Abu Dhabi. Le ciment est constitué d'une calcite à prismes allongés formant une bordure isopaque (40 μm) autour des grains. Deux mesures ont été tentées (tableau B) sur un échantillon de SI à 25 m de profondeur, l'une sur la roche totale, l'autre sur les ooïdes