Clay minerals as records of temperature conditions and duration of thermal anomalies in the Paris Basin, France

Abstract

Upper Triassic sandy horizons in the Paris Basin were sampled at depths ranging from outcrop in the northeast to 2,700 m in the centre of the basin. The smallest clay sub-fractions (<0.2 μm) from the deepest central samples consist mainly of illite and chlorite whose K-Ar age is ∼ 190 Ma. These minerals formed at a relatively high temperature of 220-250^°C, as determined from the oxygen isotope fractionation between authigenic illite and associated quartz overgrowths, but at a burial depth of only 500 m. In a nearby drillhole that crosscuts a fault zone reactivated during the 190 Ma event, illite is less well-crystallized and has a higher δ¹⁸O value suggesting different physical and chemical conditions of formation during the same hydrothermal episode. Two other generations of illite-smectite mixed-layer clays formed in the same Triassic horizon: one at ∼150 Ma and the other at ∼80 Ma. These younger clays have higher δ¹⁸O values and thus may have formed at somewhat lower temperatures. The δ¹⁸O values of the fluids from which the different illite-smectite mixed-layer minerals form range from +9 to +13.5 per mil (SMOW).

An Ar diffusion code was used to estimate, on the basis of the Ar loss of the clay-type material, the duration of these events. The results suggest that the duration of the hydrothermal events at 190 Ma and 150 Ma were rather short, <1 Ma, whereas the youngest event was protracted over a much longer period of ∼37 Ma. Comparison between K-Ar ages of the different mixed-layer minerals and sedimentation rates of the sediments since the Palaeozoic shows significant accelerations of the rates at ∼ 190-200 Ma and 150 Ma, and a less important one at ∼80 Ma. These observations provide additional evidence that the first two events were promoted by basement-related tectono-thermal activities. The third event is considered to be of diagenetic origin.

Resume

Un horizon de grès triasiques a été échantillonné depuis l'affleurement dans la partie nord-est, jusqu'à une profondeur de 2700 m au centre du Bassin de Paris. Les fractions argileuses les plus fines (<0.2 μm) extraites des échantillons les plus profonds contiennent essentiellement de l'illite et de la chlorite avec des ages K-Ar de l'ordre de 190 Ma. Ces minéraux se sont formés à des tempàratures relativement élevées de l'ordre de 220-250°C sur la base des fractionnements isotopiques de l'oxygène entre illite authigène et surcroissances de quartz associées, à une faible profondeur d'enfouissement d'environ 500 m. Dans un forage qui recoupe une zone faillée réactivée pendant l'événement à 190 Ma, l'iilite est moins bien cristallisée avec des δ¹⁸O supérieurs qui suggérent des conditions physiques et chimiques de formation différentes pendant le meme épisode hydrothermal. Deux autres générations d'interstratifiés illite/smectite ont cristallisé dans le méme horizon triasique, il y a 150 Ma et 80 Ma environ. Ces phases argileuses qui ont des valeurs en δ¹⁸O plus élevées, ont probablement cristallisé à des températures inférieures. Les δ¹⁸O des fluides à partir desquels les minéraux ont pu précipier ont été estimés; ils se situent entre +9 et +13.5 ‰ (SMOW).

Un logiciel de diffusion de l'Ar hors des minéraux argileux a été utilisé pour estimer la durée des trois évènements identifiés. Les estimations suggèrent que les épisodes hydrothermaux à 190 et 150 Ma ont été de courte durée, moins d'un million d'années, alors que l'évènement le plus récent semble s'etre poursuivi durant 37 millions d'années. Une comparaison entre les ages K-Ar des différentes générations d'interstratifiés et les rythmes de sédimentation des dépots montre des accélérations nettes des rythmes vers 190 Ma et 150 Ma, alors que vers 80 Ma cette accélération est moins nette. Ces relations permettent d'envisager une origine tectono-hydrothermale liée à des réajustements du socle sous-jacent pour les deux premiers épisodes, le troisième épisode étant probablement d'origine diagénétique.