Quaternary periglacial silicifications in the Paris Basin

• Published in: Bulletin de la Société géologique de France Vol. 195; p. 11
• Main Authors: Thiry, Médard, Milnes, Anthony
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Société géologique de France - EDP Sciences 01.01.2024; EDP Sciences
• Subjects: chert; Environmental Sciences; france; gypsum pseudomorphs; periglacial; quartzite; silicification; Periglacial; Gypsum pseudomorphs; Chert; France; Silicification; Quartzite
• ISSN: 1777-5817; 0037-9409; 1777-5817
• DOI: 10.1051/bsgf/2024008

In this paper, and in previous works, quartzites within the Sable de Fontainebleau are clearly shown to occur only near outcrops in Plio-Pleistocene plateau landscapes and are related to groundwater flows. These arrangements, together with dating of encased calcites, led us to consider that silicification occurred during Plio-Pleistocene glacial stages. The precipitation of silica was most likely triggered by cooling of groundwaters as they approached cold zones in the regolith close to points of discharge. We describe the arrangement and morphologies of quartzites in Tertiary sand formations in the Paris Basin to demonstrate how cold climates could have influenced hydrologic regimes and promoted silicification. The coeval precipitation of calcite and silica in gypseous formations at the edges of plateaux-bordering valleys, along with the dissolution of gypsum, also points to interactions between silica-laden groundwater and carbonate host rocks during cold periods. In parallel, the distribution and micromorphology of silicifications in associated Tertiary limestone formations suggests that they formed during cold climates in the Quaternary. These are key pointers to the role of groundwater in regolith environments in controlling silicification processes. We detail a link to palaeosurfaces of the distinctive meulières facies in the Paris Basin. Geotropic structures and micromorphological organisations are the basis of new ideas about their origin in a combination of vadose and phreatic environments and proximity to impervious cold horizons. The active zone in a permafrost landscape is a good hydrological example. All silicifications in Tertiary formations in the Paris Basin can be linked to the hydrology of Quaternary periglacial environments in a single model. This could apply more widely to similar silicifications elsewhere and be tested using new analytical techniques that date silicifications and unravel the isotopic relationships between silicification, groundwater composition and the prevailing climate. Dans cette note, comme dans les travaux antérieurs, il est clairement montré que les Grès de Fontainebleau sont limités à la proximité de l’affleurement dans les paysages de plateaux datant du Plio-Pléistocène et sont liés à des écoulements de nappe phréatique. Cette disposition, ainsi que la datation de calcites incluses dans les grès, nous ont amené à considérer que la silicification s’est produite au cours des périodes glaciaires du Plio-Pléistocène. Ainsi, la précipitation de la silice est vraisemblablement due au refroidissement des eaux de la nappe en se rapprochant des zones froides du régolithe en arrière des lignes de source. Nous décrivons ici la distribution et les morphologies des quartzites des formations sableuses tertiaires du Bassin de Paris pour démontrer comment les climats froids ont pu influencer les régimes hydrologiques et favoriser la silicification. De même, la précipitation concomitante de calcite et de silice lors de la dissolution du gypse en bordure des vallées, qui avait été montrée par les anciens travaux, est expliquée par l’interaction entre des eaux de nappe carbonatées chargées en silice avec les encaissants gypseux pendant les périodes glaciaires. Parallèlement, la distribution et la micromorphologie des silicifications dans les formations calcaires tertiaires suggèrent qu’elles se sont formées dans les climats froids du Quaternaire. Ce sont des indicateurs clés du rôle des eaux souterraines du régolithe dans le contrôle des processus de silicification. Les faciès particuliers de l’Argile à Meulières et leurs liens avec les paléosurfaces sont également détaillés. Le géotropisme des profils et leurs organisations micromorphologiques ouvrent une nouvelle perspective sur leur origine avec la combinaison d’environnements vadoses et phréatiques et la proximité d’un horizon froid imperméable à la base du profil. La zone active dans un paysage de pergélisol en est un bon modèle hydrologique. A notre avis, toutes les silicifications des formations tertiaires du Bassin de Paris peuvent être intégrées dans un modèle cohérent unique lié à l’hydrologie des environnements périglaciaires quaternaires. Ce modèle pourrait s’appliquer plus largement à d’autres silicifications similaires ailleurs et pourrait être testé en utilisant de nouvelles techniques d’analyse pour dater la silicification et démêler les relations isotopiques entre la silicification, la composition des eaux souterraines et le climat.