Soutenance de thèse / PhD Defense - Öykü Ataytür

Öykü Ataytür, doctorante dans l'équipe Minéralogie environnementale, soutient sa thèse le vendredi 11 octobre 2024 à 14h00

IMPMC - Sorbonne Université - 4 place Jussieu - 75005 Paris - Barre 22-23, 4e étage, salle 401

Datation de latérites du Bassin Amazonien, développements méthodologiques et relations avec l’évolution paléoclimatique

Cette thèse explore la géochronologie et les processus de formation des latérites dans le bassin amazonien, une zone d'étude significative en raison du rôle crucial que jouent ces profils de sols dans la compréhension de l'évolution de la surface terrestre. Les latérites, qui couvrent environ un tiers des continents émergés et 80 % du bassin amazonien, sont caractérisées par une composition minérale relativement simple—principalement de la kaolinite et des oxydes de fer. Malgré cette simplicité, elles
possèdent une histoire de formation complexe influencée par des changements géologiques et climatiques divers et de longue durée.

Au cœur de cette recherche se trouve l'utilisation de la spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) pour dater différentes générations de kaolinite au sein des profils latéritiques. Cette technique exploite la stabilité des défauts induits par rayonnement (RID), en particulier le centre A, pour déterminer l'âge des formations de kaolinite. Un aspect fondamental de ce travail est la validation de la stabilité des centres A induits artificiellement dans la kaolinite utilisée pour la datation par RPE. Grâce à des protocoles expérimentaux rigoureux impliquant l'irradiation par ions He+ et des traitements thermiques, la stabilité à long terme de ces défauts artificiels a été confirmée, les établissant comme des marqueurs géochronologiques fiables similaires à leurs homologues naturels.

La thèse commence par explorer ces jalons dans la structure de la kaolinite. Elle démontre que les centres A artificiels, comme les naturels, sont stables à l'échelle des temps géologiques. Les expériences sur la kaolinite du sol KGA-2 et désordonnée révèlent des énergies d'activation (Ea) variant de 1.7 à 2.6 eV, avec des demi-vies extrapolées à température ambiante dépassant 1012 années pour les échantillons
irradiés artificiellement. Ces découvertes renforcent la méthodologie de datation par RPE avec la kaolinite et améliorent la fiabilité de cet outil géochronologique.

Une étude focalisée dans cette thèse examine un profil latéritique développé sur la séquence sédimentaire siliciclastique de la formation de Prosperança dans le district de Presidente Figueiredo. Cette étude complète inclut l'exploration des propriétés minéralogiques et géochimiques en utilisant des méthodes multi-analytiques telles que la RPE, la diffraction des rayons X (XRD), la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et la cartographie par micro-fluorescence des rayons X (μ-XRF) à travers différents horizons. Les résultats sont corrélés avec des épisodes d'altération significatifs identifiés dans le Paléogène et à la fin du Miocène, suggérant des environnements d'altération dynamiques étroitement associés à des événements paléoclimatiques majeurs.

De plus, cette thèse examine également les contraintes temporelles sur l'évolution de l'altération dans une séquence topographique de sols de la région de São Gabriel. Ces études contribuent collectivement à une compréhension plus large de la formation et de l'évolution des latérites dans le bassin amazonien, fournissant des aperçus des conditions paléoenvironnementales et de l'histoire climatique de la région.

La recherche présentée dans cette thèse vise à améliorer la méthodologie de la spectroscopie RPE dans les études géochronologiques des processus d'altération, pour étudier l'altération ancienne dans les régions tropicales. Elle améliore notre compréhension de l'évolution à long terme du paysage du bassin amazonien et apporte une contribution substantielle à la connaissance croissante des processus de surface terrestre sur les échelles de temps géologiques.

Mots clés : Bassin amazonien ; latérites ; kaolinite ; spectroscopie RPE, centre A

Dating laterites from the Amazon Basin, methodological developments and relations with the paleoclimatic record

This thesis delves into the geochronology and formation processes of laterites profiles in the Amazon Basin, a significant area of study due to the pivotal role these weathering covers play in understanding Earth's surface evolution. Laterites, which cover about one-third of emerged continents and 80% of the Amazon Basin, are characterized by a relatively simple mineral composition—primarily kaolinite and
iron oxides. Despite this simplicity, they possess a complex formation history influenced by diverse, long-term geological and climatic changes.

Central to this research is the use of electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy to date different generations of kaolinite within lateritic profiles. This approach relies on the high stability of radiation-induced defects (RIDs), particularly the so-called A-center, to determine the age of kaolinite formation. A fundamental aspect of this work is validating the stability of artificially induced A-center for EPR dating. Through rigorous experimental protocols involving He+ ion irradiation and thermal treatments, the long-term stability of these artificial defects has been confirmed, establishing them as reliable geochronological markers similar to their natural counterparts and allowing the calibration of RID concentration as a function of dose or time.

The thesis first demonstrates that artificial A-centers, like natural ones, are stable at geological time scales. Experiments on KGA-2 international reference kaolinite and disordered soil kaolinite from the Amazon Basin reveal activation energies (Ea) ranging from 1.7 to 2.6 eV, with extrapolated half-lives at room temperature exceeding 1012 years for artificially irradiated samples. These findings reinforce the methodology of EPR dating with kaolinite and enhance the reliability of this geochronological tool. Two application studies are then performed on weathering profiles from distant locations in the Amazon Basin: The first one is developed over the siliciclastic sedimentary sequence of the Prosperança formation in the Presidente Figueiredo district.This comprehensive study includes exploring the mineralogical and geochemical properties using multi-analytical methods like EPR, XRD, ICP-MS, and μ-XRF mapping across different horizons.The results show the complexity of the profile evolution and are dated for the first time considering models (“linear” and “early”) of dose rate evolution with time, allowed by the sampling of the parent rock. Two weathering regimes are evidenced, either continuous at depth (saprolite) or unraveled as several superimposed weathering fronts in the upper part. Weatherin episodes are revealed between the Paleogene and at the end of the Miocene, suggesting dynamic evolution of the profile closely associated with major paleoclimatic events. Secondly, this thesis examines a topographic sequence of profiles from the São Gabriel da Cachoeira area about 1000 km westward, with a podzol over a deep kaolinite horizon at the hilltop, a gley at the bottom and lateritic profiles in intermediate horizons. The study of this sequence newly relies on models of dosimetry curves and dose rate evolution. Despite the estimated ages of kaolinites, the results clearly show a significant continuous decrease in the average age of the profiles between the top (Mid-Miocene) and the bottom (Quaternary). It may be interpreted as a dissolution/loss regime at the top and a formation regime on the slope and at the bottom. Over a continuous frequency of ages, two main discrete weathering episodes are revealed and discussed in terms of paleoclimatic or topographic forcing.

These studies collectively contribute to a broader understanding of laterite formation and evolution in the Amazon Basin, providing insights into the region's paleoenvironmental conditions and climatic history.

Keywords : Amazon basin; Laterites; Kaolinite; EPR Spectroscopy, A-center

Jury

• Sophie Cornu, INRAE – Rapportrice
• Jean-Jacques Bahain, MNHN – Rapporteur
• Cécile Quantin, Université Paris Saclay – Examinatrice
• Pierre Valla, Université Grenoble Alpes – Examinateur
• Guillaume Morin, Sorbonne Université – Examinateur
• Cécile Gautheron, Université Grenoble Alpes – Co-directrice de thèse
• Thierry Allard, Sorbonne Université – Directeur de thèse