Abridged English version
1 Introduction
Islands of the Guadeloupe archipelago (Grande-Terre, Marie-Galante, and Désirade) are located within the outer arc of the Lesser Antilles subduction zone (Fig. 1A). They are characterized by an extensive reefal platform development during the Plio-Quaternary [1–3,8]. Our investigations revealed, for the first time, the occurrence of a major erosional surface within the deposits of Grande-Terre Island. This unconformity represents a new stratigraphic boundary. Its age, origin and regional extent are discussed.
(A) Localisation de Grande-Terre (zone de subduction des Petites Antilles) [15]. Jaune : îles des Antilles calcaires. Vert : Arc actif. (B) Carte morpho-structurale de la Grande-Terre. Failles d'après Feuillet et al. [6]. Carrière de Delair : x=671,875 km, y=1793,14 km (projection UTM fuseau 20, MNT 50 m IGN 2000).
(A) Location map of Grande-Terre (subduction zone of the Lesser Antilles) [15]. Yellow: ‘limestones Antilles’ islands. Green: active arc. (B) Morphostructural map of Grande-Terre Island. Fault from Feuillet et al. [6]. Delair quarry: x=671.875 km, y=1793.14 km (UTM projection, fuseau 20, DTM 50 m IGN 2000).
2 Geological setting of Grande-Terre Island
The carbonate platform of Grande-Terre Island is the thickest (120 m; [2,8]) and the most complete Pliocene–Pleistocene sequence of the Lesser Antilles region. It rests upon Eocene to Oligocene volcanic arc deposits [2] and is cut by recent normal faults roughly perpendicular to the active arc [6]. From the base to the top, the sedimentary sequence has been divided into four lithostratigraphic units [8] (Fig. 2A): Unit P1 is Lower Pliocene in age and consists of 60-m-thick yellowish rhodolitic limestones. Unit P2 is a polygenic and heterometric volcano-sedimentary index-bed. Unit P3 corresponds to the so-called ‘Upper Limestones’. They are made of rhodolitic limestones Upper Pliocene to Lower Pleistocene in age. Unit P4 is composed of Lower Pliocene coral-reef limestones. They were deposited in the time interval of the Globorotalia viola subzone of the Globorotalia truncatulinoides zone, i.e. they are 1.9 to 1 Myr old [1,2].
Révision de la colonne stratigraphique du Plio-Pléistocène de Grande-Terre : (A) selon Garrabé [8] ; (B) cette étude.
Revised stratigraphic column of the Plio-Pleistocene limestones from Grande-Terre: (A) after Garrabé [8]; (B) this study.
3 The Delair quarry
The Delair quarry is located at the border of the Grands-Fonds and the ‘Plateaux de l'Est’ (Fig. 1B). In this quarry, we identify a major erosional surface within the reefal unit P4 (Fig. 3). This erosional surface separates the P4 unit in an Agaricia-rich limestones formation below, and an Acropora-rich limestones formation above.
(A) Front de taille de la carrière de Delair. Les flèches soulignent les limites de séquences (même couleur qu'en B). (B) Schéma interprétatif. (C) Association de coraux de la formation des Calcaires à Agaricia. (D) Détail de la surface S1 et des dépôts de plage transgressifs montrant les onlaps. (E) Détail de la surface de condensation. (F) Coraux Acropora sp. du membre supérieur de la formation des Calcaires à Acropora.
(A) View of the Delair quarry working face. Arrows underline the sequence boundaries (same colours as in B). (B) Interpretative sketch. (C) Corals from the Agaricia-rich limestones. (D) Close-view of S1 showing the transgressive onlapping beach deposits. (E) Close view of the maximum flooding surface. (F) Acropora sp. corals from the upper member of the Acropora-rich limestones.
3.1 The Agaricia-rich limestones
The Agaricia-rich limestones formation is at least 40 m thick and contains back-reef deposits in which the dominant coral geni are Agaricia, Diploria and Montastrea (Fig. 3A–C). They are associated with centimetric rhodoliths that became less abundant upward. This indicates a decreasing energy in a deepening lagoon environment. The corals occur as isolated colonies within a packstone matrix with mainly benthic foraminifera (Miliolidae, Amphistegina) and coralline algae. In the uppermost part of the formation, the corals colonies are dominated by Montastrea with a flat and lamellar morphology. Thus the top of the formation appears horizontally stratified. Corals show lateral growth rather than vertical, which is interpreted as a keep-up strategy (e.g., [12]). We interpret the Agaricia-rich limestones as representing the transition from a transgressive to a highstand system tract (e.g., [14]).
3.2 The S1 unconformity
The Agaricia-rich limestones are cut by an erosional surface (Fig. 3A–D) underlined by truncated coral colonies, karstic cavities, and locally a palaeosoil horizon. This unconformity is subparallel to the horizontal stratification of the limestones in the northern part of the quarry and then cuts obliquely through the Agaricia-rich limestones in an eastward direction. The resulting offset on both sides of the quarry reaches 40 m. Because the limestones appear untilted, we estimate the relative sea-level fall to a minimum of 60 m, when an initial bathymetry of 20 m in which the Agaricia limestones were deposited (e.g., [13]) is taken into account.
3.3 The Acropora-rich limestones
The Acropora-rich limestones formation immediately overlays the S1 unconformity and can be divided into two members: a lower calcarenitic member and an upper Acropora-rich reefal member (Figs. 2B and 3A–B). The lower member corresponds to a transgressive systems tract onlapping the S1 unconformity. This member presents a lateral transition from sandy beach deposits landward to calcareous inner platform deposits seaward (Fig. 3B). It is interpreted as a retrograding sedimentary body. The top of the lower member is marked by an accumulation of small littoral gastropods (Fig. 3E) that could represent a maximum flooding surface.
The upper member corresponds to a 15-m-thick reefal sequence dominated by Acropora sp. (Fig. 3F). The Acropora-rich upper member immediately and conformably rests upon the Agaricia-rich limestones in the western part of the quarry, but it rests upon the lower member in the eastern part, with offlap geometry. The upper member is interpreted as a highstand systems tract. The top of this member is eroded, locally karstified and corresponds to a second emersive unconformity (S2). It is the Acropora-rich limestones that outcrop all over the ‘Plateaux du Nord’ and the ‘Plateaux de l'Est’.
4 Discussion
The Delair quarry provides the record of a complete eustatic cycle bounded by two erosive surfaces (S1 and S2) in a carbonate environment (Fig. 2B). The top of the Agaricia-rich formation represents a deposit of the Highstand Systems Tract (HST-0). S1 relates to the succeeding emersion of the platform. The Transgressive Systems Tract (TST-1), followed by the Maximum Flooding Surface (MFS-1), is represented by the Lower Member of the Acropora-rich Limestones and the gastropod-rich layer, respectively, while the HST-1 corresponds to the Upper Member. The cycle ends by S2. The unconformity S1 can be recognized throughout Grande-Terre Island (Fig. 1B), but the complete sequence only appears at the Delair quarry.
We estimate the age of the emersion corresponding with S1 between 1.9 to 1 Myr, from unit P4 age [1,2]. At the Bahamas Bank, the carbonate platform installed on a tectonically stable margin presents a major erosive unconformity dated at 1.66 Ma, associated with a sea-level fall of 36–97 m height [5,10,14]. Both, the age of this emersion and the amplitude of the regression agree with the record of Grande-Terre Island. Therefore the relative sea-level fall revealed by S1 could represent the same event, suggesting S1 has a glacio-eustatic origin. We do not observe the lowest level reached by S1, but some differences in amplitude between the two platforms records could result from tectonic movement in Grande-Terre.
The age of S2 remains uncertain. Because no other formations are observed above S2, it makes the summit of the ‘Plateaux de l'Est’. From Feuillet et al. [7], the final emersion of the ‘Plateaux de l'Est’ is 0.25 Ma. In such a case, S2 would be much younger than S1, implying that the shallow platform of Grande-Terre would not have recorded the numerous high-amplitude Quaternary sea-level oscillations during the 1.66–0.25 time interval, especially the 54-m-high regression that occurred at 0.78 Ma [10].
As S1 corresponds to a major sea-level fall, we would like to address its regional extent. Within the Blessing Formation on St. Croix island (US Virgin Islands) Gill et al. [9] reported the occurrence of a reefal unit that not only was characterized by abundant Agaricia corals, but also by emersive surfaces. The Late Pliocene age of the Blessing Formation agrees with the age estimated for the Agaricia-rich limestones [9,11]. Therefore, we speculate that the S1 emersive unconformity could be recognized throughout the whole Lesser Antilles fore-arc as well as along the stable passive margin platform of the Bahamas.
1 Introduction
Les îles calcaires de l'archipel de la Guadeloupe (Grande-Terre, Marie-Galante et Désirade) sont situées dans l'avant-arc de la zone de subduction des Petites Antilles (Fig. 1A). Elles sont recouvertes d'une plate-forme carbonatée récifale plio-quaternaire [1,2,8], déposée de façon relativement continue depuis le Pliocène, jusqu'à leur émersion finale au Pléistocène [3]. Cette émersion est liée à une surrection néogène variable selon les îles de l'archipel [3] et dont l'origine géodynamique serait liée au passage en subduction de rides asismiques [4]. Nos investigations ont permis de mettre en évidence, sur l'île de Grande-Terre, une surface d'érosion majeure, jusqu'alors inconnue, au sein des formations récifales du Pléistocène inférieur. L'âge, l'origine tectonique ou glacio-eustatique de cette surface repère, ainsi que son extension régionale doivent être discutée dans ce contexte de marge active.
2 Cadre géologique de la Grande-Terre
La Grande-Terre est constituée par la plus puissante et la plus complète série sédimentaire plio-pléistocène des Petites Antilles. Épaisse de plus de 120 m [2,8], cette dernière recouvre l'arc volcanique ancien d'âge Éocène à Oligocène [2], qui se situe en position d'avant-arc (Fig. 1A). La Grande-Terre est recoupée par des accidents tectoniques transverses à l'arc [6], qui individualisent quatre unités morphostructurales principales : les plateaux du Nord, le fossé d'effondrement de la plaine de Grippon, les plateaux de l'Est, et les Grands Fonds, qui dominent topographiquement l'île dans sa partie sud (Fig. 1B).
La série sédimentaire a été subdivisée en quatre unités lithostratigraphiques [8] (Fig. 2A). Elle débute par l'unité « P1 » du Pliocène inférieur, épaisse de 60 m, constituée de calcaires jaunâtres pulvérulents, riches en rhodolites bien représentés dans les Grands Fonds. Elle est surmontée par l'unité « P2 », niveau volcano-sédimentaire repère, formée de sables et de conglomérats à éléments volcaniques, le tout à ciment calcaire. Son épaisseur varie d'ouest en est, d'une dizaine de mètres à quelques centimètres. La série se poursuit par l'unité « P3 » des « Calcaires supérieurs », d'âge Pliocène supérieur à Pléistocène inférieur, constituée de calcaires à rhodolites et épaisse d'environ 30 m. Elle se termine par l'unité « P4 » des « Calcaires à polypiers » du Pléistocène inférieur, appartenant à la sous-zone à Globorotalia viola de la zone à Globorotalia truncatulinoides, soit un âge compris entre 1,9 et 1 Ma [1,2]. Garrabé [8] envisage des variations latérales de faciès au sein de l'unité P4, en relation avec des variations d'énergie du milieu, depuis des calcaires riches en polypiers massifs de zone externe jusqu'à des calcaires à polypiers branchus de plate-forme « interne ». Notre étude montre, pour la première fois, que ces deux faciès récifaux sont superposés et séparés par une discontinuité majeure.
3 Les affleurements pléistocènes de la carrière de Delair
Cette carrière, située à la limite des Grands Fonds et des plateaux de l'Est (Figs. 1B et 3), offre un affleurement exceptionnel de l'unité « P4 ». On y distingue deux formations, séparées par une discontinuité remarquable S1 (Figs. 2B et 3) : la formation des « Calcaires à Agaricia » à la base et celle des « Calcaires à Acropora (s.l) » au sommet. Cette dernière est composée de deux membres superposés, l'un « sablo-calcaire », l'autre étant constitué de « calcaires à Acropora (s.s) ».
3.1 Formation des Calcaires à Agaricia
La carrière Delair montre à sa base 40 m de calcaires bioclastiques blancs massifs, légèrement pulvérulents, à grains fins (Fig. 3A et B). Ces calcaires renferment des colonies coralliennes en place, isolées dans la matrice et appartenant à trois principaux genres : (1) Agaricia sp., en morphoses foliacées, qui constitue des fonds coralliens peu épais ; (2) Diploria, corail méandriforme, le plus souvent représenté par des colonies massives isolées ; (3) Montastrea, forme à petits calices, qui constitue des colonies en disques lamellaires épais, en capuchons ou massives (Fig. 3C). La forme en disque lamellaire devient plus abondante au sommet de la formation, qui prend alors un aspect pseudo-lité horizontalement.
D'autres coraux, dont Porites, Acropora (A. cervicornis forme grêle), sont parfois associés aux trois précédents. Le reste de la faune est composé de gastéropodes de milieux récifaux (Strombus, Conus, Oliva), de spongiaires et de bivalves (Pectinidae, Ostreidae, Cardium). Les rhodolites, en nodules centimétriques, confèrent à l'ensemble un aspect rognonneux, mais sont moins abondants vers le sommet de la formation, ce qui caractérise une diminution de l'agitation du milieu corrélative à une légère augmentation de la bathymétrie. L'analyse en lame mince de la matrice révèle une texture packstone, avec des bioclastes composés principalement de foraminifères benthiques (Miliolidae, Amphistegina) et de débris d'algues rouges.
Les Calcaires à Agaricia sont interprétés comme un faciès de type arrière-récif, relativement profond et de mode calme (lagon profond) (par exemple, [13]). Cette formation correspond à une transition depuis un cortège transgressif jusqu'à un cortège de haut niveau. La prédominance de Montastrea à expansions latérales au sommet de la formation montre une stratégie de croissance du récif de type keep-up (par exemple, [12]).
3.2 La discontinuité S1
Les Calcaires à Agaricia sont surmontés par une surface d'érosion aérienne (S1) soulignée par des troncatures de colonies coralliennes, des encoches karstiques et localement recouverts par un encroûtement de paléosol calcaire (Figs. 2B et 3A, B et D). À l'ouest de la carrière, S1 est subparallèle au litage horizontal des Calcaires à Agaricia, tandis que vers l'est, elle les recoupe obliquement, sur au moins 40 m d'épaisseur. Pour estimer l'amplitude de la variation relative négative du plan d'eau, il convient d'ajouter une vingtaine de mètres au moins, correspondant à la bathymétrie des Agaricia (par exemple, [13]). On obtient une variation d'au moins 60 m. S1 apparaît donc comme une limite de séquence majeure au Pléistocène inférieur.
3.3 Formation des Calcaires à Acropora
3.3.1 Dépôts de base sablo-calcaires
Les premiers dépôts postérieurs à S1 sont constitués de corps sédimentaires lenticulaires, épais de 1 à 4 m pour une cinquantaine de mètres de long, organisés en onlaps vers l'ouest sur la surface S1 (Fig. 3A, B et D). Chaque corps ravine légèrement le corps précédent et est constitué de faciès gréseux carbonatés de plage, en position proximale contre S1, passant latéralement à des calcaires bioclastiques et gréseux de plate-forme interne, avec des constructions coralliennes, en position distale (Fig. 3B).
Les faciès de plage sont caractérisés par des sables grossiers bruns, calcaréo-argileux détritiques, bioturbés, à éléments volcaniques et rares bioclastes millimétriques. Ils montrent des laminations parallèles alternant avec des horizons de grès indurés (beach-rocks). Latéralement, ils passent à des faciès de plate-forme interne, constitués de calcarénites stratifiées, à éléments volcaniques fins. La faune est composée de gastéropodes, de bivalves et de coraux épars, appartenant principalement aux genres Agaricia et Acropora, avec des morphoses en gerbes. Le sommet de ces dépôts est souligné par un niveau induré de 5 cm d'épaisseur de calcaires bioclastiques à texture wackestone, avec une extrême abondance de petits gastéropodes littoraux (environ 2 cm, Fig. 3E), formant un horizon condensé. L'ensemble des dépôts calcaréo-sableux est interprété comme un cortège transgressif déposé sur une surface d'émersion (Fig. 2B).
3.3.2 Les Calcaires à Acropora s.s.
Ces dépôts, situés immédiatement au-dessus de l'ensemble calcaréo-sableux et épais d'une quinzaine de mètres (Fig. 3A et B), sont formés par des colonies coralliennes (boundstone), à matrice calcaire bioclastique blanche de type wackestone. Les coraux dominants appartiennent au genre Acropora sp. (Fig. 3F), en colonies branchues épaisses, démantelées ou encore en place. Les branches des Acropora sp., de 1 à 6 cm de diamètre, sont souvent encroûtées par des algues rouges et fréquemment perforées par des spongiaires. Aux Acropora branchus massifs sont associés, en moindres quantités, des Acropora sp. aux branches grêles, des A. cervicornis, des Porites et des Montastrea. Les Calcaires à Acropora reposent, par l'intermédiaire de S1, directement sur les Calcaires à Agaricia dans la partie ouest de la carrière et sur le membre calcaréo-sableux, dans sa partie est (Fig. 3A et B). Ils présentent donc une géométrie en offlap et sont interprétés comme un cortège de haut niveau marin qui forme l'ensemble de la table des plateaux de l'Est et du Nord.
Le sommet des Calcaires à Acropora est érodé, localement karstifié sur une profondeur d'environ 6 m. Ces karsts sont remplis secondairement par de l'argile et présentent parfois des paléosols à débris volcaniques. Ils soulignent la présence d'une seconde surface d'érosion aérienne, S2.
4 Discussion
La surface S1, mise en évidence à la carrière de Delair à Sainte-Anne, est identifiable sur l'ensemble de la plate-forme de la Grande-Terre (Fig. 1B) sur la base d'une reconnaissance biostratigraphique. Cependant, le membre inférieur des Calcaires à Acropora peut être absent. Le membre supérieur se superpose alors directement aux calcaires à Agaricia, comme à l'ouest de la carrière de Delair. Les deux formations sont parfois séparées par une discontinuité érosive seulement soulignée par un niveau argileux de quelques centimètres d'épaisseur (cf. la carrière de Saint-Protais, à 4 km de Delair, Fig. 1B), ou encore la partie basale sablo-calcaire est réduite à un banc décimétrique de sables bruns (cf. carrière de Delisle ; plateaux du Nord ; Fig. 1B).
Cette étude permet de proposer l'interprétation séquentielle suivante pour l'unité des Calcaires supérieurs (Fig. 2B). Le sommet des Calcaires à Agaricia caractérise l'environnement de dépôt de haut niveau marin d'un cycle antérieur dont la base n'affleure pas (Highstand Systems Tract : HST 0). Le cycle suivant débute par un bas niveau marin enregistré par S1 (limite de séquence), qui marque l'émersion de la plate-forme de la Grande-Terre. La transgression sur S1 se traduit par les dépôts de plage (TST1) surmontés du niveau condensé à gastéropodes (MFS1). La série se poursuit par les Calcaires à Acropora, qui attestent un haut niveau marin (HST-1). La surface d'érosion S2 marque la fin du cycle.
L'ensemble des Calcaires à polypiers a un âge compris dans l'intervalle 1,9–1 Ma [1,2]. L'âge de la surface S1 est donc à rechercher dans cet intervalle. Une comparaison avec le Grand Banc des Bahamas, installé sur une plate-forme stable au nord de l'arc des Petites Antilles, nous permet de proposer une origine principalement glacio-eustatique et un âge de 1,66 Ma pour la surface S1. Effectivement, une discontinuité érosive associée à une karstification, datée à 1,66 Ma, correspond à une baisse du niveau marin, d'une amplitude de 36 et 97 m, à l'origine d'une émersion prolongée de la plate-forme des Bahamas [5,10,14]. Cette amplitude est compatible avec les 60 m reconnus en Grande-Terre. Nous n'avons pas pu observer le niveau le plus bas atteint par S1 ; cependant, un éventuel écart d'amplitude entre les deux plates-formes serait le résultat de mouvements tectoniques en Grande-Terre.
L'âge de l'émersion à l'origine de S2 est plus délicat à contraindre. Sur la base de l'altitude et du léger basculement vers l'ouest des plateaux de l'Est (0,35°) et par comparaison avec l'élévation de terrasses marines datée à Marie-Galante, Feuillet et al. [7] ont proposé un âge de 0,25 Ma pour l'émersion finale des plateaux de l'Est. Ce résultat impliquerait que S2 soit beaucoup plus récente que S1 et que les nombreuses variations eustatiques de la période 1,66 Ma (S1)–0,25 Ma (S2) n'aient pas été enregistrées par la plate-forme, pourtant peu profonde (calcaires à Acropora), de la Grande-Terre. En particulier la régression de 0,78 Ma, d'une amplitude d'environ 54 m [10], serait manquante.
La reconnaissance régionale, sur la terre comme en mer, de ces surfaces repères permettrait de mieux contraindre leurs origines glacio-eustatique et/ou tectonique, et par-là même de mieux apprécier les mouvements tectoniques verticaux affectant l'avant-arc. Dans l'île de Sainte-Croix (Virgin Islands, États-Unis), Gill et al. [9] indiquent la présence d'une formation récifale, la formation Blessing, qui a enregistré des émersions successives. Cette formation, caractérisée par des coraux Agaricia, Diploria, Montastrea et Siderastrea, présente un faciès très semblable à celui des Calcaires à Agaricia de la Grande-Terre. Au sein de cette formation, une surface d'émersion remarquable, associée à une karstification et surmontée par des corps sédimentaires en onlap, est également présente [9]. La formation Blessing est rapportée au Pliocène supérieur. Cependant, cet âge a été attribué uniquement sur la base des assemblages coralliens et sur l'âge Pliocène inférieur des dépôts sous-jacents [9,11]. Compte tenu des incertitudes sur l'âge de la formation Blessing et des arguments stratigraphiques, morphologiques et faunistiques, nous proposons une corrélation entre la formation Blessing et les Calcaires à Agaricia de Grande-Terre. Ces deux formations, recoupées par une surface érosive majeure, indiqueraient une extension régionale de S1. Ainsi, il apparaîtrait que, dans l'intervalle Pliocène supérieur–Pléistocène inférieur, les plates-formes carbonatées récifales de la Caraïbe, bien qu'appartenant à des domaines géodynamiques différents, ont enregistré une baisse significative du niveau marin.
Acknowledgments
Nous remercions R. Assor et les rapporteurs pour leurs commentaires constructifs. Cette recherche a bénéficié d'un financement du CPER–DOCUP 2000–2006 Guadeloupe A31-23 et du programme Insu–DYETI.