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Abstract in English
Neumeier U. (1998) Le rôle de l'activité microbienne dans
la cimentation précoce des beachrocks (sédiments intertidaux).
Thèse, Université de Genève. Terre et Environnement n°
12, 183 p.
Résumé
Les beachrocks sont formés en quelques dizaines d'années dans
la zone intertidale par la cimentation précoce des sédiments
de plage. Différentes hypothèses ont été proposées
pour expliquer la rapidité de ce processus; elles peuvent être
regroupées en deux catégories : 1) des mécanismes physico-chimiques
(précipitation lors de l'évaporation de l'eau de mer, précipitation
liée à des sursaturations dans la zone de mélange des
eaux marines et continentales, précipitation suite au dégazage
de CO2 à partir d'eaux continentales riches en carbonates);
2) des mécanismes biologiques (précipitation influencée
par le métabolisme microbien, nucléation sur un substrat organique,
piégeage de particules micritiques dans un mucus organique).
Durant ce travail, de nombreux beachrocks récents de Crète,
de Grèce continentale, de Mer Rouge, de Polynésie française
et d'Australie ont été observés dans une grande diversité
de contextes géologiques.
L'étude des ciments a permis de définir quatre modèles
de cimentation principaux (dominante aragonitique, dominante calcite magnésienne
palissadique, dominante calcite magnésienne micritique, dominante calcite
magnésienne peloïdale) et 8 variantes. Tous les ciments sont
en aragonite ou en calcite magnésienne. La diagenèse débute
généralement par un ciment micritique, dont la présence
semble contrôler la cimentation des beachrocks. Il présente des
morphologies microbiennes potentielles : des ondulations irrégulières
et des formes globulaires de 0.5-2 µm. Cette première phase est
souvent suivie par un ciment prismatique.
Les analyses géochimiques de l'eau interstitielle de 6 beachrocks
ont permis de caractériser le milieu de formation. Il n'a été
observé aucune augmentation de la saturation en CaCO3, telle
que prédite par les hypothèses de formation physico-chimiques.
La précipitation lors de l'évaporation de l'eau de mer est négligeable
dans les beachrocks en bancs inclinés. La précipitation liée
à une sursaturation dans la zone de mélange et la précipitation
suite au dégazage de CO2 à partir d'eaux continentales
riches en carbonates ne sont pas actives dans les beachrocks étudiés.
Ces deux mécanismes nécessitent des conditions très
particulières, et sont probablement peu fréquents.
Pour différencier les effets des processus biologiques et physico-chimiques,
un modèle de laboratoire reproduisant le milieu de formation des beachrocks
a été construit (marées, sédiments, composition
de l'eau, température, évaporation...). Les conditions de deux
beachrocks de la Mer Rouge et d'Australie ont été simulées
pendant des périodes de 3-4 mois. Dans les expériences ensemencées
avec des micro-organismes récoltés dans les beachrocks, une
biominéralisation a produit des précipités caractéristiques
qui pourraient correspondre aux ciments micritiques. En revanche, la précipitation
était beaucoup plus limitée dans les expériences abiotiques
de contrôle.
Ces résultats confirment l'importance de l'activité microbienne
lors de la formation des beachrocks en bancs inclinés. Le premier ciment
micritique, qui semble contrôler la cimentation et produire la consolidation
initiale, est formé sous une forte influence microbienne dans ou à
proximité d'un biofilm recouvrant la surface des grains. La présence
de ce ciment est nécessaire pour le développement du ciment
prismatique subséquent; celui-ci résulte d'une précipitation
principalement abiotique lors d'une circulation des fluides plus élevée.
Ce changement des conditions peut survenir lorsque le beachrock est découvert
par l'érosion littorale et soumis plus directement à l'action
de la houle.
Les facteurs principaux qui contrôlent la distribution des beachrocks
et la minéralogie des ciments sont la température, la stabilité
de la plage et l'activité microbienne. Divers inhibiteurs de la précipitation
peuvent avoir une influence secondaire. Aucune corrélation entre la
présence d'eau douce et la cimentation des beachrocks n'a été
observée.
A côté du type " classique " de beachrock en bancs inclinés
vers la mer, il existe, dans les tidal flats sableux et hypersalins, des beachrocks
plats constitués d'une croûte subhorizontale à la surface
de l'estran. Leur formation résulte de l'immobilisation des sédiments
de surface par des tapis microbiens et de la précipitation de ciment
aragonitique sous l'effet conjoint de l'activité microbienne et de
l'évaporation de l'eau de mer.
Neumeier U. (1998) The role of microbial
activity in early cementation of beachrocks (intertidal sediments). Ph.D.
thesis, University of Geneva. Terre et Environnement No 12, 183 p.
Abstract
Beachrocks are formed in the intertidal zone by rapid cementation of beach
sediments over several decades. Various hypotheses have been proposed to explain
the rapidity of this process; they may be classified in two groups: 1) physico-chemical
mechanisms (spontaneous precipitation from evaporating seawater, spontaneous
precipitation related to supersaturations in the mixing zone of marine and
continental waters, precipitation following CO2 degassing of continental
carbonate-rich waters); 2) biological mechanisms (precipitation influenced
by microbial metabolism, nucleation on organic substrates, trapping of micritic
particles in an organic mucus).
During this work, many recent beachrocks from Crete, continental Greece,
the Red Sea, French Polynesia and Australia were observed in a great variety
of geological contexts.
The study of cements permits to define four principal cementation models
(dominant aragonite, dominant bladed high-magnesian calcite, dominant micritic
high-magnesian calcite, dominant peloidal high-magnesian calcite) and 8 variants.
All cements consist of aragonite or high-magnesian calcite. Diagenesis usually
begins with micritic cement, whose presence seems to control beachrock cementation.
It presents potential microbial morphologies: irregular undulations and globular
forms 0.5-2 µm in size. This first phase is often followed by prismatic
cement.
Geochemical analyses of interstitial water of 6 beachrocks allow to characterise
the formation environment. No increase of CaCO3 saturation was
observed, contrary to predictions of the physico-chemical formation hypotheses.
Precipitation during sea-water evaporation is negligible in beachrocks with
seaward-dipping beds. Precipitation related to supersaturation in the mixing
zone and precipitation following CO2 degassing from continental
carbonate-rich waters do not occur in the studied beachrocks. These two mechanisms
require very particular conditions, and are probably not very frequent.
In order to differentiate the effects of biological and physico-chemical
processes, a laboratory model was developed, which reproduces natural conditions
of beachrock formation (sediments, tides, water composition, temperature,
evaporation...). Environmental conditions of two beachrocks from the Red Sea
and Australia were simulated for periods of 3-4 months. In the experiments
sown with micro-organisms collected in the beachrocks, the biomineralisation
produced characteristic precipitates, which could correspond to micritic cements.
On the contrary, precipitation was much less in the abiotic control experiments.
These results confirm importance of microbial activity during the formation
of beachrocks with seaward-dipping beds. First micritic cement, which seems
to control cementation and produce initial consolidation, is formed under
a strong microbial influence within or near a biofilm covering the grain surface.
The presence of this cement is necessary for the development of subsequent
prismatic cement; the latter results from mainly abiotic precipitation during
increased fluid circulation. This change of conditions can occur when the
beachrock is exposed by coastal erosion and more directly subjected to swell
action.
The main factors that control beachrock distribution and cement mineralogy
are temperature, beach stability and microbial activity. Various precipitation
inhibitors can have a secondary influence. No correlation between the presence
of fresh water and cementing of the beachrocks was observed.
Besides the 'classic' type of beachrock with seaward-dipping beds, there
are flat beachrocks made up of a subhorizontal crust on the intertidal surface
of sandy hypersaline tidal-flats. Their formation results from the immobilisation
of superficial sediments by microbial mats and from aragonitic cement precipitation
under the combined effects of microbial activity and sea-water evaporation.
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