Thèse Système Source-Transport-Dépôt pour les Séries Détritiques du Crétacé Inférieur dans les Bassins Ouest-Européens Conséquences sur la Paléogéographie la Géodynamique et les Paléoenvironnement H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes École doctorale : Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France Laboratoire de recherche : Géosciences Paris Saclay Direction de la thèse : Jocelyn BARBARAND ORCID 0000000321669232 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-11T23:59:59 Les bassins sédimentaires de l'Europe de l'Ouest (exemples : bassin de Paris, bassin du Sud-Est) enregistrent au Crétacé inférieur un épisode particulier marqué par des modifications importantes des paléoenvironnements ou de la nature des dépôts. Ainsi un épisode détritique s'intercale entre des séries essentiellement carbonatées au Jurassique et au Crétacé supérieur. Des environnements continentaux ou proximaux se mettent en place en contexte régressif dans le bassin de Paris avant le retour de conditions marines avec le dépôt de la craie. Les épisodes géodynamiques connus sous les noms d'événements « néocimmérien » (à la limite Jurassique / Crétacé) ou « phase autrichienne » (Albien) sont identifiés à l'échelle de l'Europe de l'Ouest mais restent néanmoins énigmatique. En effet, l'inversion des bassins ou l'érosion des surfaces continentales (apports silicoclastiques dans les bassins) sont à réconcilier avec un contexte général qui voit l'ouverture de l'Atlantique Nord et celle de la Téthys et la formation de bassins extensifs (bassin du Weald au nord du bassin de Paris ; bassin de Parentis dans le bassin d'Aquitaine).
Le projet de thèse vise à mieux comprendre le système sédimentaire du Crétacé inférieur en se concentrant sur l'étude pétrographique et minéralogique des séries détritiques. La détermination de leurs origines permettra de contraindre le système source - transport - dépôt et de définir les zones à l'érosion et les systèmes d'alimentation. Cela permettra d'établir un lien entre l'évolution des surfaces continentales et les zones de sédimentation. Il s'agira notamment de définir si l'origine du matériel sableux est locale ou si des apports distaux sont requis et de reconstituer la paléogéographie en contexte continental et marin. Cette caractérisation à grande échelle qui n'a jamais été réalisée permettra de concevoir un modèle géodynamique à l'échelle du bassin mais également à l'échelle de l'Europe de l'Ouest et de réconcilier des éléments caractéristiques de la compression et d'autres de l'extension. La méthodologie se concentrera sur l'étude des minéraux lourds indicateurs avec des approches géochimiques et géochronologiques. Le projet s'attachera à comparer le bassin de Paris qui est peu subsident cours de cette période et le bassin du Sud-Est qui est fortement subsident bien qu'il soit affecté par une zone à l'érosion (le bombement de l'isthme durancien caractérisé par la présence de bauxites) et à leur connexion / déconnexion.
Le traçage des source est au coeur des problématiques actuelles de la communauté travaillant sur les bassins sédimentaires. Un programme d'envergure a été mené entre 2016 et 2020 (programme Source To Sink, BRGM, INSU, TOTAL). Ce programme était centré sur le domaine pyrénéen et a permis de construire des nouvelles cartes paléogéographiques prenant en compte les zones à l'érosion et les zones de transit. Ce type de représentation sera appliqué dans le projet de thèse.
Les relations entre les surfaces continentales et les bassins sédimentaires représentent également un axe de recherche important. Il est d'autantb plus important dans la période du Crétacé inférieur qui est caractérisée par des déformations importantes qui n'ont jamais trouvé véritablement leur explication car de second ordre par rapport aux grandes étapes de déformation de l'Europe. La prise en compte des deux types de dispositif représente un enjeu pour répondre à cette problématique.
Enfin les ressources en matériaux est un enjeu de la géologie du territoire. Les processus sédimentaires aboutissant à des gisements sableux de nature différente doivent être mieux contraints pour prédire la qualité des gisements. Le Crétacé inférieur constitue une période charnière dans l'évolution géodynamique et paléogéographique de l'Europe de l'Ouest. En effet au cours de cette période, un épisode de déformation et d'érosion se manifeste à grande échelle. Dans les bassins sédimentaires, cela se traduit par des plis de grande échelle scellés par le Crétacé supérieur (par exemple, bassin des Western Approach, Chapman, 1989 ; bassin de Paris, de Wever et al. 2002). Dans les domaines de socle actuellement à la surface, une diminution de la température interprétée comme la conséquence d'une érosion kilométrique liée à des mouvements verticaux est reconnue, notamment par les données de thermochronologie basse température sur apatite (Iles britanniques, Holford et al. 2009 ; Massif Central Français, Barbarand et al. 2020 ; massif de Bohème, Ventura et Lisker, 2003).
L'amplitude et le timing de ces déformations sont assez étonnants car au cours du Crétacé inférieur, l'océan Atlantique, en particulier Nord, est en cours d'ouverture ; le rapprochement entre l'Afrique et l'Europe est naissant et les grands bouleversements de la fin du Crétacé liés à la fermeture de la Téthys ne sont pas encore d'actualité. Les mécanismes à l'origine de cet épisode au Crétacé inférieur sont par conséquent encore mal compris.
Dans les bassins sédimentaires français, cette période se traduit par des évolutions différentes. Dans le Bassin aquitain, le Crétacé inférieur correspond à une période de non-dépôt ou de dépôt réduit dans le bassin des Charentes puis dans la fosse de Parentis (Biteau et al., 2006 ; Ortiz et al., 2023). Dans le bassin de Paris, la sédimentation est marquée par des environnements peu profonds, des faciès variés (sable, argile, calcaire) qui se distinguent des environnements carbonatés du Jurassique et de la craie du Crétacé supérieur (Amédro et al., 2024). Les séries détritiques du Crétacé inférieur ont été peu étudiées (Brajnikov et Duplaix, 1943 ; Balavoine, 1964 ; Pomerol, 1965). Enfin dans le bassin du Sud-Est, les calcaires Urgoniens de plateforme et les alternances marno-calcaires de bassin sont suivis d'une sédimentation marneuse au cours de l'Aptien et de l'Albien avec des arrivées gravitaires répétées (Ferry, 2017). Cela traduit une réorganisation profonde du bassin avec la séparation par le bombement de l'isthme durancien de la fosse vocontienne au nord et du bassin provençal au sud. Dans la fosse vocontienne, au cours de l'Apto-Albien, de nombreux épisodes gravitaires marqués par des slumps et des turbidites transportant du matériel silicoclastique sont enregistrés. Si la caractérisation géométrique et géographique de ces épisodes est relativement bien documentée (Parize, 1988, Bréheret 1995, Friès et Parize 2003), la nature du matériel est par conséquent son origine et ses processus de transfert demeurent mal connus ou discutés. Il est en effet souvent admis que le matériel provient du Massif Central voisin à partir d'un contenu minéralogique compatible avec l'érosion de roches métamorphiques (Vatan, 1957 ; Blanc, 1959). Rubino (1989) indique que les barres sableuses avancent du nord vers le sud, direction oblique à des apports du Massif Central. Friès et Parize (2003) envisagent quant à eux une origine septentrionale (bassin de Paris ?) et la mise en place de grands courants (gyres) à l'origine de la redistribution du matériel détritique. Le matériel gravitaire est par ailleurs fortement enrichi en glauconie (principalement à l'Albien) ce qui témoigne de conditions de sédimentation où le fer disponible est abondant (Tribovillard, 2024).
La compréhension du système « source to sink » de ces différents bassins au Crétacé inférieur est actuellement limitée. Ceci est dû au manque de données pétrographiques quantitatives. Les travaux pionniers s'intéressant aux distributions des minéraux lourds dans ces séries sont difficiles à réutiliser du fait d'un manque d'informations cruciales : localisation des échantillons, position stratigraphique précise, méthode d'identification « manuelle » soumise à de nombreuses incertitudes et problèmes de reproductibilité, nombre de grains comptés non indiqués, absence d'indication sur l'identité et l'expérience de l'analyste... De plus, aucune donnée sur l'âge des zircons détritiques n'est disponible dans la littérature ni d'autres traceurs quantitatifs, ce qui limite fortement l'identification des zones sources et les potentiels recyclages des sables.
Une meilleure résolution de l'origine du matériel sableux à l'Apto-Albien permettra de distinguer une source locale (Massif Central pour le bassin du Sud-Est ou le bassin de Paris ; Cornouailles ou Massif Armoricain pour le bassin de Paris) d'une source plus distale issue de la redistribution par les courants. Cette compréhension implique une meilleure définition de la paléogéographie du Massif Central. Des travaux basés sur des observations et interprétations d'ordre sédimentologique (Enay et Mangold, 1980) et géochimique (Barbarand et al. 2001, Peyaud et al., 2005) envisagent que le socle varisque était recouvert par une série sédimentaire mésozoïque. L'apport de matériaux issus du socle du Massif Central à l'Apto-Albien impliquerait que cette couverture sédimentaire ait été érodée ; au contraire leur absence pourrait être interprétée comme le fait que les roches du socle ne sont pas encore à l'affleurement à cette période, le Massif Central étant toujours recouvert par une série sédimentaire mésozoïque. La nature des roches à l'affleurement est fondamentale pour mieux estimer le bilan de l'altération (Hilton et West, 2020) : l'altération des silicates consomme le CO2 atmosphérique pouvant ainsi être séquestré au long terme sous forme de carbonates. Une meilleure définition de la paléogéographie permettrait donc de quantifier ces échanges.
Une autre application de ce travail sera de disposer à terme d'une base de données précise et exploitable de la composition minéralogique et de la nature de la fraction minérale dense dans certains niveaux de sables et grès des trois bassins sédimentaires français. Cela permettra par exemple d'interpréter les données minéralogiques, géochimiques et géochronologiques de sédiments plus récents (Cénozoïques, quaternaires, voire des sédiments actuels des grands fleuves).
Nous proposons pour mieux caractériser la paléogéographie et par conséquent la géodynamique d'apporter des contraintes fortes sur le système source - transport - dépôt qui reliait les zones d'altération et d'érosion et les zones de dépôt via les systèmes fluviatiles puis gravitaires silico-clastiques. A l'échelle du bassin du Sud-Est, la fin du Crétacé inférieur est marquée par la mise en place du bombement de l'isthme Durancien (Masse et Philip, 1976). Si cette structure est bien caractérisée par la présence de bauxite formée lors de cet épisode, la géométrie du bombement et les mécanismes à son origine demeurent mal connus. Notre étude permettra par exemple de comparer les séries détritiques de part et d'autre de cette structure et d'identifier des sources communes et si c'est le cas de dater le moment à partir duquel le bombement est actif et coupe les apports venant du sud. Dans le bassin de Paris, le Crétacé inférieur se traduit par la présence d'environnements peu profonds et par la sédimentation dans un bassin restreint d'orientation NW-SE. Intercalés entre les séries du Jurassique supérieur de nature calcaire et la craie du Crétacé supérieur, les formations du Crétacé inférieur correspondent à des systèmes siliciclastiques, continentaux, côtiers et littoraux (Rusciadelli, 1996). Les connexions avec la Téthys au Sud et le domaine boréal au nord apparaissent très réduites. La caractérisation du stock sableux permettra de mieux cerner les relations entre le centre du bassin et ses bordures, avec les bassins voisins et d'estimer la part du recyclage avec les formations détritiques triasiques.
Ce travail permettra enfin d'apporter des informations sur la provenance du matériel, sur la nature des roches présentes à la surface et donc à l'érosion dans le système de l'Europe de l'Ouest et tenter de reconstituer le trajet des matériaux. Nous proposons d'apporter une nouvelle méthodologie pour aborder ces questions de traçage des sources et de recyclage à travers l'étude des minéraux lourds. Le contenu en minéraux lourds est classiquement déterminé à partir de leur caractérisation en microscopie optique, microscopie électronique à balayage ou plus récemment spectroscopie Raman (Dunkl et al., 2020). Nous proposons d'utiliser une nouvelle approche à partir de la spectroscopie infra-rouge (Azzam et al., 2025). Cette approche permet une reconnaissance fidèle du contenu en minéraux lourds, s'affranchissant du facteur humain de reconnaissance qui est le principal problème de la microscopie optique. Il est ainsi possible d'obtenir des bonnes statistiques de comptage dans un temps imparti réaliste.
En association de cette reconnaissance minéralogique, nous souhaitons caractériser les familles de minéraux identifiées à partir d'outils géochimiques (Hallsworth et Chisholm, 2008). Ces outils dépendent de la nature des familles observées : tourmaline, zircon, rutile et grenat. Les compositions en éléments majeurs ou traces peuvent permettent de différencier les origines des minéraux : concentrations en éléments majeurs Fe, Mg, Ca et Mn pour les grenats (Morton et al., 2005), concentration en éléments mineurs (Nb, Cr, ...) dans les rutiles (Zak et al., 2004), et concentration en élément majeurs dans les nombreux sites de substitution de la tourmaline (Henry et al., 2011). L'utilisation de ces traceurs géochimiques pour l'étude des provenances est classique pour les grenats et rutiles, nouvelle pour les tourmalines. La chimie de la tourmaline et du rutile permet de mieux caractériser la variabilité des sources et du potentiel recyclage, tandis que la concentration en Zr dans les rutiles, thermodépendante, permet d'identifier, par exemple, les domaines métamorphiques sources : schistes verts, amphibolites, granulites. Ces méthodes n'ont pas encore été employées pour la définition de l'origine des sables méso-cénozoïques du bassin de Paris et du bassin de Sud-Est. Les concentrations chimiques seront déterminées à la microsonde électronique et/ou au microscope électronique à balayage grâce au couplage entre EDS et microfluorescence X. L'âge U-Pb des zircons est un outil classiquement utilisé dans les études de provenance (Fedo et al., 2003) et des datations seront réalisées en collaboration.
Par ailleurs, pour s'affranchir des processus autocycliques et du tri naturel lié au transport nous proposons d'échantillonner les mêmes faciès sédimentaires à différents pas de temps. L'évolution de la composition chimique et minéralogique sur un même profil de dépôt (même ligne-temps) sera testée permettant de mieux caractériser le tri lié au transport et à l'altération depuis le système fluviatile vers le domaine marin.
Un travail de cartographie définissant les zones sédimentaires et les massifs de socle en érosion ainsi que les zones de transferts sédimentaires (synthèse de paléocourants des grands systèmes détritiques) par intervalle de temps sera effectué.

Etudiant.e en Master de géosciences
Spécialité dans les domaines sédimentaires, sédimentologie, architecture des bassins sédimentaires, géochimie des roches sédimentaires
Formation et intérêt pour le travail de terrain
Intérêt pour la minéralogie et la pétrographie