Paleo-oceanographie isotopique des mers post-glaciaires du Quebec

Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 35 (1981): 63--119 Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam -- Printed in The Netherlands

PALEO-OCEANOGRAPHIE DU QUEBEC

63

ISOTOPIQUE DES MERS POST-GLACIAIRES

CLAUDE HILLAIRE-MARCEL

Ddpartement des Sciences de la Terre de l'Universitd du Qudbec d Montrdal, B.P. 8888 Succursale A, Montrdal, Qud. H3C 3P8 (Canada) (Requ le 13 mars, 1981)

ABSTRACT Hillaire-Marcel, C., 1981. Paldo-ocdanographie isotopique des mers post-glaciaires du Quebec. [Isotopic paleo-oceanography of the post-glacial marine basins of Quebec.] Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol., 35: 63--119. The main hydrological characteristics of the post-glacial seas of Quebec (the Goldthwait, Champlain, Iberville, Tyrrell Seas and the Gulf of Laflamme) have been investigated by a determination of the isotopic composition (14C, 13C, 180) of the fauna and sediments of their basins. The carbonates are generally depleted in 180, specially shallowwater mollusks which show isotopic compositions as low as ~DB O = --15%o. The depletion in heavy isotopes is mainly related to the influx of continental waters (particularly glacial meltwater). In such basins, the isotope geochemistry differs from what is observed in open environments and therefore the standard isotopic paleotemperature technique may not be used directly. New data on the isotopic composition of glacial lakes and melting water of the Laurentide Ice Sheet, compared with data from present arctic environments, have enabled us to calibrate a linear ~eO]salinity relationship, and to evaluate salinity changes in time and space. It is concluded that the present marginal basins of Quebec do not show any large differences in either salinity or temperature from the post-glacial basins. More brackish water has characterized the surficial layers since deglaciation. Shoaling of the basins, due to glacio-isostatic rebound, later induced local variations in the temperature and salinity, the water becoming progressively warmer and more brackish. In these basins, the geochemistry of carbon is more complex. The in situ biological production of CO 2 caused large variations in the 13C content of the carbonates, independently of any direct continental influence. The observed anomalies in 14C activity of fossil mollusks are believed to be related to the "old-water" effect and to local influx of "dead" carbon originating from dissolution by ice meltwater of surrounding carbonate-bearing bedrock. RESUME Les compositions isotopiques (~aC, ~4C, ~80) des faunes fossiles des mers post-glaciaires du Qudbec (mers de Goldthwait, de Champlain, de Tyrrell et d'Iberville, Golfe de Laflamme) ont permis de retracer les caract~ristiques hydrologiques d'ensemble de chacun des bassins. Les carbonates sont g~n~ralement trds appauvris en ~80, notamment les Mollu~ques littoraux..Cet appauvrissement est dfi aux apports consid~rables d'eaux continentales, en particulier glaciaires, qui dilu~rent les bassins. Des donn~es sur la teneur 0031-0182/81/0000--0000/$02.50 © 1981 Elsevier Scientific Publishing Company

64 en '80 de l'eau de fonte de l'inlandsis, de celle de lacs glaciaires et de l'Arctique actuel, ont permis d'6tablir une relation lin6aire '80/salinit6 et, par cons6quent, d'6valuer les variations de salinit6 des bassins, dans le temps et dans l'espace. On a pu conclure que les bassins bordiers actuels ont succ6d6 aux mers post-glaciaires sans grands changements de temp6rature et de salinit6. Des eaux plus saum~tres se sont maintenues ~ la surface des bassins depuis la d6glaciation. La diminution de profondeur des bassins, li6e au rajustement g6oi'dal post-glaciaire, s'acompagna doric localement de variations halines et thermiques: les eaux devenant de plus en plus saum~tres et chaudes. Dans les bassins septentrionaux (reefs d'Iberville et de TyrreU), on relive, cependant, un tr~s 16ger optimum halin et thermique au cours de l'Holoc~ne. Dans ces mers 6picontinentales, la g6ochimie du carbone est complexe. La production in situ de CO 2 biog~ne entrafne de larges variations des teneurs en lsC des carbonates; les faunes endobenthoniques sont particuli~rement appauvries en isotope lourd. Enfin, les anomalies de teneur en 14C observ~es darts les Mollusques fossiles ont pu ~tre associ~es ~l l'effet des eaux fossiles et aux apports locaux, par les eaux de fonte de la glace, de carbone inactif provenant de la dissolution des socles carbonat6s. INTRODUCTION I1 y a 15 0 0 0 ans ~ peine, l'inlandsis L a u r e n t i d i e n d 6 b o r d a i t les fronti~res d u Q u e b e c . Au c o u r s des q u e l q u e s milliers d ' a n n 6 e s qui suivirent, des changem e n t s p a l 6 o g 6 o g r a p h i q u e s consid6rables e u r e n t lieu. Les terres, affaiss6es sous le niveau de l a m e r ~ la suite d u r e t a r d au r a j u s t e m e n t glacio-isostatique, f u r e n t submerg6es d6s q u e le glacier les lib6ra. Au total, pr6s d e 250 0 0 0 k m 2 d u t e r r i t o i r e qu~b6cois f u r e n t r e c o u v e r t s par l a m e r (cf. Hillaire-Marcel et O c c h i e t t i , 1 9 7 7 ) . La s u b m e r s i o n d6buta, vers 13 500 B.P., dans le G o l f e d u S a i n t - L a u r e n t (Mer d e G o l d t h w a i t ) . Vers 12 500 B.P., la d~glaciation d u d ~ t r o i t de Q u 6 b e c - - M o n t m a g n y (Fig. 1) p e r m i t ~ la Mer d e C h a m p l a i n de r e c o u v r i r les basses terres d u S a i n t - L a u r e n t . Celle-ci f u t 6ph6m6re; les derni6res f a u n e s marines s o n t en e f f e t dat6es a u x environs de 9 8 0 0 B.P. Presque s i m u l t a n 6 m e n t , la r6gion d u Lac Saint-Jean f u t envahie par les e a u x oc6aniques: ainsi n a q u i t le G o l f e de L a f l a m m e , d o n t l ' e x o n d a t i o n s ' e f f e c t u a au c o u r s des 2 000 ann6es qui suivirent. Vers 8 0 0 0 B.P., l'invasion m a r i n e se p o u r s u i v i t dans le d 6 t r o i t d ' H u d s o n et la Baie d'Ungava, cr6ant la Mer d'Iberville , ainsi q u e dans la Baie d ' H u d s o n , of1 la Mer de T y r r e l l r e c o u v r i t une large c o u r o n n e cbti6re; l ' e x o n d a t i o n s'y p o u r s u i t e n c o r e (HiUaire-Marcel, 1 9 7 6 ) . L ' h i s t o i r e de ces bassins marins a r e t e n u n o t r e a t t e n t i o n , t a n t d u p o i n t d e vue de l ' 6 v o l u t i o n des rivages et des r66quilibrations g6oi~lales postglaciaires (Hillaire-Marcel, 1 9 7 4 , 1 9 7 6 , 1 9 7 9 b ) , q u e d u p o i n t d e vue pal6oo c 6 a n o g r a p h i q u e . L ' i n v e n t a i r e des p r i n c i p a u x facies marins (Hillaire-Marcel, 1 9 7 9 a ) , les r e c o n s t i t u t i o n s pal6o6cologiques (Hillaire-Marcel, 1 9 8 0 ) o n t d6j~ permis de d6finir les grandes lignes des p a r a m 6 t r e s h y d r o l o g i q u e s des bassins. N o u s avons c h e r c h 6 ~ pr6ciser ces p a r a m 6 t r e s par l ' 6 t u d e des variat i o n s de c o m p o s i t i o n i s o t o p i q u e de l ' o x y g 6 n e e t d u c a r b o n e , e s s e n t i e l l e m e n t des faunes fossiles de ces mers. Cet aspect fait l ' o b j e t d u pr6sent article. Les d o n n 6 e s sur la g6ochimie i s o t o p i q u e des mers r6centes du Q u 6 b e c et des bassins arctiques actuels s o n t rares et p o n c t u e l l e s (Wagner, 1 9 7 0 ; HillaireMarcel, 1 9 7 3 a , 1 9 7 7 ; Andrews, 1 9 7 3 ) . Or, les mers 6 p i c o n t i n e n t a l e s post-

65

~OIBERVILLE

TYRRELL

.

I. GOLDTHWAIT

bLDTHWAIT

I

LAFLAMME"-~ I , II & I I I ¢k::> CHAMPLAIN CHAMPLAIN

II1~ II

'J

0 t

I

5 0 0 km I

Fig.1. Les p r i n e i p a l e s p h a s e s d ' e x t e n s i o n des m e r s post-glaciaires d e l'est d u Canada. D ' a p r 4 s Hillaire-Marcel et O c c h i e t t i ( 1 9 7 7 ) . 1 = Bale Saint-Paul; 2 = Sept-Iles; 3 = Middle B a y ; 4 = M o n t r e a l ; 5 = Trois-Rivi4res; 6 = Q u e b e c ; 7 = P a y n e Bay; 8 = Baie a u x Feuilles et O p a l u k ; 9 - - I l e du D i a n a et K o a r t a c ; 1 0 = W a k e h a m Bay; 1 1 = G o l f e de R i c h m o n d ; 1 2 = P e t i t e Rivi~re d e la Baleine; 1 3 = Poste-de-la-Baleine. Fig.1. T h e post-glacial Occhietti (1977).

m a r i n e basins in e a s t e r n Canada.

From

Hillaire-Marcel a n d

glaciaires forment un ensemble peu homog~ne d'un point de vue g~ochimique, si on les compare aux bassins oc~aniques ouverts. Divers facteurs purent introduire des anomalies de composition isotopique de l'eau et, par cons6quent, des faunes qui y v~curent ou des s~diments qui s'y d~pos~rent. Entre autres, les eaux de fonte de l'inlandsis, en voie de dislocation, enrichirent en isotopes l~gers l'oxyg~ne de l'eau; tandis que la circulation, en profondeur, d'eaux plus sal6es en provenance de l'Atlantique, pouvait correspondre ~ un long temps de s~jour et s'accompagner d'une d~croissance radioactive du 14C, donc, conduire ~ une activit~ anormalement basse de ce dernier dans les milieux profonds (cf. Fonselius et Ostlund, 1959; Buddemeier et al., 1972; Mangerud et Gulliksen, 1975}. C e s anomalies purent prendre une certaine importance dans les bassins les plus ferm~s tels la Mer de Champlain

66

et le Golfe de Laflamme. Deux cons6quences sont pr6visibles. Bien que tr~s classique dans les milieux marins, l'~tude des pal6otemp6ratures isotopiques (Urey, 1947; Craig, 1965; Fontes et Pouchan 1975), ~ partir des rapports 180/160 et ~3C/~2C dans les carbonates, s'accompagnera ici de s6rieuses difficult~s. De fa~on identique, les activit~s ~4C des faunes ne traduiront pas forc~ment ceUe du 14CO2 atmosph~rique du moment et ne seront donc pas transcriptibles en terme d'"~ges". Consid~rant le grand nombre de variables impliqu6es, seule une 6tude exhaustive des divers bassins, ~ partir du plus grand nombre possible d'~chantillons, pouvait permettre de tirer des conclusions pal6oclimatiques sinon pal~ohydrologiques fines. C'est ainsi que nous avons ~t6 conduit ~ analyser syst~matiquement plus de 400 ~chantillons de faunes ou de s~diments provenant d'une centaine de sites r~partis dans les diverses r~gions du Qu6bec qui furent submerg~es ~ la suite de la d~glaciation. Pour des fins de comparaison, une centaine d'6chantillons des mers actuelles de l'est du Canada ont fair l'objet d'analyses similaires. Au cours de ces travaux, nous avons pu d~finir quelques aspects de la g6ochimie isotopique des bassins (Hillaire-Marcel, 1973a, 1977). Toutefois, les analyses compl~mentaires permettent de raffiner les modules d'interpr~tation, en particulier ~ travers l'~tude des variations de composition isotopique des eaux de l'Arctique et ~ partir de donn6es (indirectes) sur le rapport ~80/~60 de l'eau de fonte de l'inlandsis laurentidien. LE C H O I X DES E C H A N T I L L O N S

Les faunes Pour interpreter raisonnablement les donn6es g~ochimiques, une bonne connaissance statigraphique des sites est imperative. De plus, les 6tudes s~dimentologique des facies et pal~o~cologique des faunes doivent preceder les analyses isotopiques. Nous avons donc mis l'accent sur les r6gions sur lesquelles nous poss6dions le plus d'information et sur les sites les plus caract~ristiques que nous connaissions (Fig.1 et cf. Hillaire-Marcel, 1979a). Sur plus de 250 esp~ces inventori6es dans l'ensemble des bassins (Wagner, 1968; Hillaire-Marcel, 1979a), nous avons limit~ les analyses isotopiques une cinquantaine d'entre elles, pour la plupart des Mollusques ou des Cirrip,des. Plusieurs raisons nous ont incit~ ~ limiter le nombre d'esp~ces. Si, en principe, on peut admettre un fractionnement isotopique uniforme chez la plupart des Mollusques, il existe n~anmoins des 6carts entre certaines esp~ces (cf. L6tolle, 1972). I1 ~tait donc imp~ratif, pour permettre des comparaisons, d'analyser les esp~ces entrant fr~quemment dans les assemblages des mers froides et plus ou moins saum~tres. En r~gle g~n6rale, les esp~ces euryhalines ont eu notre preference. En outre, il fallait disposer de donn4es ~cologiques aussi completes que possible, afin de tirer un maximum d'information des compositions isotopiques. Nous avons donc surtout analys~ les esp~ces caract~ristiques des communaut6s benthoniques. Ainsi, Portlandia arctica, Macoma calcarea, Mya truncata, Astarte montagui,

67

Hiatella arctica, Mytilus edulis, Macoma balthica et Mya arenaria reviennent le plus fr6quemment dans les ~chantillonnages de Lamellibranches, Balanus hameri et Balanus crenatus, dans ceux des Cirrip~des. Les sddiments Les pourcentages de carbonates sont tr~s variables dans les argiles des diverses mers post-glaciaires, atteignant par exemple 10% (Boutray, 1974) dans certains sites de la Mer de Champlain, ils exc~dent rarement 2% dans ceux de l'est de la Mer de Tyrrell (Hillaire-Marcel et Preda, 1974). Souvent d~tritique (calcar6nites et calcilutites constitutes de d~bris de coquilles ou de fragments des socles carbonates), le CaCO3 des s~diments ne peut ~tre consid6r~ comme un bon indicateur de la g~ochimie des eaux. Nous avons cependant jug~ utile d'analyser PlUsieurs ~chantillons de la fraction carbonat6e des argiles, ne serait-ce que dans le but d'en d~terminer l'origine. I1 existe cependant des carbonates authig~nes: les concretions calcaires (cf. Hillaire-Marcel et al., 1975). Nous avons donc analys~ syst~matiquement celles que nous avions recueillies dans les rythmites et argiles glacio-marines. Pour comprendre leur g6n~se, nous avons ~galement ~tudi6 les concretions glacio-lacustres et sous-glaciaires (cf. Hillaire-Marcel et Page, 1981; HillaireMarcel et al., 1979). PROBLEMES ANALYTIQUES ET EXPRESSION DES RESULTATS

Pour chaque esp~ce recueillie dans un site d~termin~, il est n~cessaire de disposer d'un ~chantillonnage assez large. En effet, la composition isotopique d'une population monosp~cifique prend une allure gaussienne (Togliatti, 1965; Grazzini, 1966). Un minimum de trois coquilles est donc n~cessaire pour obtenir une mesure significative (L~tolle, 1972). Lorsque c'~tait possible, nous avons broy~ finement et homog~n~is~ le CaCO3 d'une dizaine de coquilles. Plusieurs facteurs nous ont incit~ ~ ~largir l'~chantillonnage. Nous avions observe, par exemple, des differences de composition isotopique assez larges entre des ~chantillons de petite taille et de grande taille de la m~me esp~ce. I1 existe parfois, dans des populations pourtant en position de vie dans un m~me niveau, une distribution multimodale de l'histogramme des tailles {cf. Hillaire-Marcel, 1980) qui refl~te des variations thermiques importantes. Le fractionnement isotopique ~tant li~ ~ la temperature, il peut y avoir de larges differences de composition isotopique d'une g~n~ration ~ l'autre. Des analyses r~p6t~s, dans une m~me population monosp~cifique, nous ont d6montr~ qu'un ~chantillonnage de dix individus, choisis darts l'~.ventail des tailles, refl6tait assez bien la composition isotopique d'ensemble. Nous avons ~galement tenu compte des differences min~ralogiques pouvant exister entre les coquilles de plusieurs esp~ces. Si, chez la plupart des Lamel-

--0.3 --0.0 1.6 --0.4 --0.4 --2.1 --1.1

Ste-Th~r~se Balanus hameri Balanus hameri Mytilus edulis Balanus crenatus

--0.3 1.1 --2.1 --0.3 0.4 0.8 2.9 1.7 1.2 0.6 0.6 1.3 0.0 0.8 0.4

813C

St-Joseph-du-lac Mytilus edulis Balanus crenatus H ia te lla are tica

MER DE CHAMPLAIN

Baie de Sainte-Marguerite (r~gion de Sept-Iles) Hiatella arctiva Mya truncata typiea Mya truneata ovata Serripes groenlandieus Spisula polynyma Spisula solidissima Acmaea testidunalis Mesodesma arctatum Mesodesma arctatum Zirphaea crispata Lunatia heros Buccinum totteni Ensis directus Siliqua costata My tilus edulis

GOLFE DU SAINT-LAURENT

Esp~ces

--0.3 0.9 --8.6 --7.5

--5.1 --1.1 --1.0

3.2 3.0 3.3 2.8 1.3 1.0 0.2 --0.8 0.6 2.3 0.8 1.7 1.3 1.9 --0.4

~ 180

10 700 9 810 11 300

GSC-1941 GSC-1805

11 340

QU-75

QU-51

(petites tailles) (grandes tailles)

Actuel

Age 14C des sites

110 140

210

300

~

Lowdon et Blake (1975) Lowdon et Blake (1975)

Hillaire-Marcel (1974)

Hillaire-Mareel (19 7 4)

R~f~rences

Composition isotopique de l'oxyg~ne et du carbone des faunes de l'ensemble des bassins matins post-glaciaires et actuels, dans l'est du Canada

TABLEAU I

O~ QO

--1.6 --0.4 --1.4 --0.8 --2.6 --1.0 1.2 --2.4 --0.9 --0.4 1.3

Shawinigan Macoma balthica Hiatella arctica Mytilus edulis Mya arenaria Balanus crenatus

Rougemont Macoma balthica HiateUa arctica

St-Dominique Macoma balthica Mya arenaria Hiatella arctica Mya truncata typica

--1.8 0.6

--0.4 1.5 --1.5 --0.2 --0.4

Sainte-Germaine Macoma balthica HiateUa arctica Mytilus edulis Mya arenaria (1) Mya arenaria (2) --2.3 --0.5

0.6 ---0.7 0.3

Lachute Hiatella arctica Macoma calcarea Balanus crenatus

Mont Johnson Macoma balthica Hiatella arctica Mya arenaria Balanus crenatus

--0.2 --0.6 --3.1 1.4

Macoma calcarea Hiatella arctica Macoma balthica Mya truncata typica

--11.6 --11.4 --0.7 --0.7

--9.8 --0.3

--7.7 --5.1 --8.1 --7.4 --7.1

--13.2 --1.4 --14.4 0.9

8.5 --1.0 --8.3 --10.7 --8.6

--2.8 --1.8 --1.7

1.2 --0.2 --9.5 0.4

GSC-2101

GrN-2032

QU-50 GrN-2035 GiK-2107

QU-74

10 300

i 0 450

10 500 10 330 9 950

10 430

100

80

270 100 185

220

Occhietti (1976)

Elson (1969)

Hillaire-Marcel ( 1974) Elson (1969) Gangloff (1974)

Hillaire-Marcel ( 1974 )

¢D

--1.6 0.5 1.0 --4.5 0.1 --0.4 0.9 --1.8 --1.1 1.7 0.6 0.3 0.1 O.1 --1.4 --1.5 0.8 0.6 --1.3 -0.1 --0.8 --2.5 --2.6 --0.3

St-Louis de T e r r e b o n n e Balanus sp. Hiatella arctica Macoma balthiea

St-Nicolas Macoma balthica Macoma calcarea HiateUa arctica Mytilus edulis (total) Mya arenaria Mya truneata typica Astarte montagui wharami Serripes groenland icus Hemithyris psittacea Balanus crena tus Natica elausa Neptunea despecta tornata Buecinum terra novae Velutina undata Buccinum tenue Epitonium groenlandieum Mytilus edulis (aragonite) Mytilus edulis (calcite)

St-Alban Macoma balthica ~ Macoma calcarea

--

Piedmont Portlandia arctica

Yamaska Mytilus edulis

813C

Esp~ces

T A B L E A U I (suite)

--2.7 1.3

--5.7 --3.2 --0.3 --3.4 --8.3 2.3 2.2 2.0 --0.9 O.2 --2.9 0.9 --1.6 --0.0 --0.4 2.4 --3.4 --4.1

--6.2 --1.9 --12.3

--5.1

--1.1

8180

GSC-2150 GSC-2090

GSC-1451 GSC-1508

10 200 10 600

10 000 9 960

10 300

Age 14C des sites

90 160

150 150

750

~

Occhietti (1976) O c c h i e t t i (1976)

Gadd et al. (1972) Gadd et al. (1972)

Parry ( 1 9 6 3 )

R~f~rences

--2.7 0.6 --2.5 1.0 --I .9 --2.1 0.3 0.5 --5.4 -0.7 --2.2 1.5 0.3 --3.7

La Fourche Portlandia arctica Balanus hameri

Charette Macoma balthica Hiatella arctica Mya arenaria

La Gabelle Portlandia arctica Balanus hameri L yonsia arenosa

Terrebonne Macoma balthica Hiatella arctica My tilus edulis Mya truncata typica Balanus hameri Balanus crenatus

Ile du Diana I Hiatella arctica

DETROIT D ' I B E R V I L L E

Lac St-Jean Macoma balthica Hiatella arctica

2.1

--1.8 0.i

--1.6 0.8 --1.6 --0.3

St-Rdmi Macoma balthica Hiatella arctica My tilus edulis Balanus crenatus

GOLFE DE LAFLAMME

--2.5 0.6

Portlandia arctica Balanus hameri

1.1

--9.6 --8.~

--9.0 --4.0 --8.7 0.4 0.1 --7.4

3.7 3.8 3.0

--9.4 --3.0 --10.3

--2.8 3.5

--9.1 --1.3 --8.1 --2.9

--1.4 3.2

1-9246

GSC-313

GSC-2045

GSC-1444 GSC-1700

GSC-1729

7 220

8 680

11 100

10 100 10 200

11 300

115

140

90

150 160

160

Gray et al. {1980)

LaSalle (1965)

Occhietti (1976)

Gadd et al. (1972) Occhietti (1976)

Occhietti (1976)

--0

0.5 1.2

1.4 1.4

Macoma ealcarea Mya truncata typica Serripes groenlandieus Clinocardium ciliaturn

F o r d River I

MER D'IBERVILLE

W a k e h a m Bay

--0.1 2.1 0.2 0.9

1.7

O.6

0.1

Mya truncata sp.

1.8 2.1

1.6 1.6

Foraminif~res ind~termin~s

1.2

2.1 1.7 2.0 1.4

2.0

1.3 1.2 1.2 0.7 0.6 1.0 1.5 1.4 0.9 0.3

0.8

0.2

1.2 2.0 1.2 0.8 0.6 1.4 0.9 2.6 1.5 0.7

Macoma calcarea HiateUa arctica Mya truncata typica Astarte montagui striata Serripes groenland icus Clinocardium ciliatum Natica clausa Lepeta eoeca Mya truncata sp.

Ile d u Diana III

Macoma calearea HiateUa aretiea Mya truncata typica Mya truncata ovata Serripes groenlandicus Chlamys islandicus Clinocardium eiliatum

2.1 1.1

6180

--0.7

1.8 1.4

Mya truncata typiea Chlamys islandieus

Ile d u Diana II

8 z3C

Esp~ces

T A B L E A U I (suite)

GX-4743

QC-354

GSC-2309

1-9245

Age 14C des sites

3 250

6 630

6 370

7 160

135

115

90

115

~

G r a y et al. ( 1 9 8 0 )

Hillaire-Marcel ( 1 9 7 7 )

Hillaire-Marcel ( 1 9 7 7 )

Hillaire-Marcel ( 1 9 7 7 )

R~f~rences

b~

Ford River II

-0.1 2.5 2.9 1.3

Macoma calcarea Mya truncata typica Mya truncata ovata Serripes groenlandicus

1.1 1.6 0.9 0.3 1.6 2.0 0.7 0.6

Hiatella arctica Mya truncata typica Astarte montagui striata Serripes groenlandicus

Payne Bay IV

1.9 2.9 0.9 2.5 2.0

1.9 2.4 1.5 1.6 2.0

Hiatella arctica Mya truncata typica Hemithyris psittacea Balanus balanus Astarte sp.

Payne Bay III

Payne Bay II 1.7 2.0 2.2 1.6

0.6

-1.2

Macoma calcarea

Payne Bay I

2.1 1.7 2.0 1.4

2.4

1.8

0.9 1.1

1,8

--0.1 2.1 0.2 0.9

2.0

2.3

2.0 ~0.9

2.3

Macoma calcarea Mya truncata typica Serripes groenlandicus Clinocardium ciliatum

Hopes Advance Bay IV

Mya truncata typica

Hopes Advance Bay III

Mya truncata typica

Hopes Advance Bay II

Hiatella arctica Mytilus edulis

Hopes Advance Bay I

Mya truncata typica

95

Hillaire-Marcel (1977)

Hillaire-Marcel (1977) 100 3 955

QC-352

6 505

Hillaire-Marcel (1977) 150

6 990

1-9632

QC-356

Gray et al. (1980)

Gray et al. (1980)

Gray et al. (1980)

Gray et al. (1980)

Gray et al. (1980)

135

165

185

180

185

3 640

6 090

6 220

6 755

5 795

GX

GX

GX

GXo4738

GX-4740

Ile du Diana IV

Hiatella arctica

Golfe de Richmond I

Hiatella arctica Mytilus edulis

Baie de James II

Macoma calcarea Hiatella arctica My tilus edulis Mya truncata ovata Clinocardium eiliatum

Baie de James I

MER DE T Y R R E L L

2.0

0.6

1.3

--0.8

2.0 1.5

2.0 --0.1 1.4

--1.2

0.4

--0.1

2.0 0.4

0.9 1.2 2.0

1.6

1.4 0.8 2.0 1.6 1.6

0.7 0.4

5nO

--0.6 1.4

0.7 1.5 2.9

HiateUa arctica Mytilus edulis Acmaea testudinalis

Koartac

1.7

Mya truncata typica

He du Diana V

Gast~ropode ind~termind

HiateUa arctica Mytilus edulis Mya truncata typica Balanus balanoYdes 1.9 1.3 1.8 --0.9 2.4

1.7 0.4

Chlamys islandicus Clinocardium ciliatum

DETROIT D'HUDSON

813C

I (suite)

Esp~ces

TABLEAU

1-8364

Actuel

Actuel

6 235

1 000

Age 14C des sites

110

~

Hillaire-Marcel (1976)

Plumet (comm. pets.)

R~f~rences

.-4

--0.7 2.0 0.6 2.2 --0.7 --0.9 0.9 1.3

Grande Rivi~re de la Baleine 36 Macoma calcarea Hiatella arctica My tilus edulis Mya truncata typica Portlandia arctica Clinocardium ciliatum Balanus balanus Chlamys islandicus

Poste-de-la-Baleine Hiatella arctica My tilus edulis Portlandia arctica 1.9 0.5 1.7

--1.2 0.9 1.7 0.2 --0.2

Grande Rivi~re de la Baleine 14 Macoma calcarea Hiatella arctica Mytilus edulis Mya truncata typica Clinoeardium ciliatum

BAIE D'HUDSON

--2.6

1.6 1.2 1.7

Golfe de Richmond III Hiatella ar.ctica Mytilus edulis Mya truncata ovata

Petite Rivi~re de la Baleine Portlandia arctica

0.4 0.8 1.4 0.8 --0.2

Golfe de Richmond II Macoma balthica My tilus edulis Mya truncata ovata C|inocardium ciliatum Serripes groenlandicus

--1.3 --2.0 --1.4

2.9 2.9 0.2 1.2 0.8

--1.9

2.9 2.6

2.8 2.4 --0.5 2.6 1.9

2.8

--1.9 --1.8 1.9

--3.0 --1.7 --0.6 --0.4 --2.9

Actuel

1-9005

1-8362

GSC-1326

7 625

6 380

4 070

120

110

140

HiUaire-Marcel (1976)

Hillaire-Marcel (1976)

Haselton (in6dit)

0.8 0.2 1.1 0.4 2.5 1.4 1.0 2.2 1.3 1.2 2.0

613C

--5.8 1.2 1.4 --4.0 1.7 1.4 --2.6 0.2 0.9 --0.7 1.8

81sO

Actuel

Age l*C des sites

:~

Rdf~rences

i Cette population associde ~ Portlandia arctica est particuli~re: elle occupait u n domaine bathym~trique (~30 m) exceptionnel pour l'esp~ce; celle-ci est gdn~ralement pr~sente dans la zone intertldale ou dans les premiers m~tres de profondeur.

Macoma balthica Macoma calcarea Hiatella arctica Mytilus edulis Mya truncata typica Astarte montagui striata 3erripes groenlandieus Chlamys islandicus Clinocardium eiliatum Hemithyrispsittacea Astarte borealis

Golfe de Richmond

Esp4ees

TABLEAU I (continug)

77

libranches que nous avons rencontres, couches externe et interne de la coquille sont en aragonite, il existe des cas isol~s, telle Mytilus edulis, de double structure: externe, calcitique, interne, aragonitique. Nous avons observe, dans la calcite (Tableau I site de Saint-Nicolas), un appauvrissement en isotopes lourds de l'ordre de 0 . 7 ° o pour l'oxyg~ne, et de 1.8%o pour le carbone [valeurs proches de celles signaldes par Tarutani et al. (1969) pour l'oxyg~ne et par Rubinson et Clayton (1961) pour le carbone.] Si l'on compare les compositions isotopiques de Macoma calcarea (aragonite) et de Chlamys islandicus (calcite) appartenant aux m~mes biocdnoses, on observe dgalement un enrichissement relatif en 1sO de la forme aragonitique (e -~ 0.79%0; moyenne dtablie sur huit populations; Tableau II). Notons que les diffdrences de rapport isotopique 13C/12C de l'une et de l'autre esp~ce ne peuvent ~tre interprdtdes en fonction de la nature min~ralogique de leurs coquilles, mais en fonction de la source de carbone. Macoma, appartenant l'endobenthos, dispose d'un carbone appauvri par l'activit~ biologique dans le sddiment. Chlamys, appartient ~ l'~pibenthos vagile. Sa source de carbone est 16g~rement plus fiche en 13C. Compte-tenu de ces variables, une partie aliquote de chaque ~chantillon a ~t~ analys~e selon la technique classique (McCrea, 1950), avec un spectrom~tre de masse ~ double collecteur (Micromass 602). Les rdsultats, apr~s les corrections usuelles (cf. Craig, 1957, 1961), sont exprim~s en notation 5. Les compositions isotopiques ~lsO et ~3C des carbonates sont exprim~es par rapport ~ l'dtalon PDB; celle de l'eau des bassins, par rapport au SMOW (cf. Craig, 1965). En analyse de routine, l'erreur exp~rimentale est de l'ordre de -+0.1°/oo pour le carbone et de +0.2°o, pour l'oxyg~ne. La precision analytique, sur le spectrom~tre de masse, est sup~rieure ~ +0.05°o. TABLEAU II Teneurs en 180 compar~es de Chlamys islandicus (calcite) et Macoma calcarea ou Mya truncata (aragonite) provenant des m~mes bioc~noses; un enrichissement syst~matique en 1sO (~ 0.79% o) apparait dans l'aragonite 5 lsO/PDB

8180/PDB

Ae180

Macoma calcarea (ou Mya truncata )

Chlamys islandicus

Macoma--Chlamys

(calcite)

(aragonite) Baie de James Diana 1 Diana 2 Sept-Iles 14 Middle Bay Golfe de Richmond Sept-Iles 30 Payne Bay Moyennes

2 2.1 1.6 2.2 1.3 1.2 1.9 1.6 1.74

0.8 1.1 0.6 1.5 1.1 0.2 1.6 0.7 0.95

1.2 1 1 0.7 0.2 1 0.3 0.9 0.79

78 LES RESULTATS D'ENSEMBLE Le Tableau I pr~sente les r~sultats des analyses effectu~es sur les faunes; les Tableaux III et IV, celles des s~diments et des concretions calcaires. Sauf lorsque cela s'imposait pour les besoins de la discussion, nous avons omis les analyses r~p~t~es sur une m~me esp~ce, ou un m~me ~chantillonage, pour ~viter d'allonger les tableaux. Ces r~sultats sont regroup~s sur les Figs.2--5.

Les faunes La Mer de Goldthwait (Fig.2) Dans l'ensemble bien groupies et positives, les compositions isotopiques des faunes (moy. 8~3C = 0.8; 8180 -- 0.75), voisines de celles du Golfe du Saint-Laurent actuel (Fig.2), refl~tent par consequent des salinit~s et temperatures proches des valeurs que l'on observe dans ce dernier: salinit~ 26--32°/o° en surface, 32--34°/oo en profondeur; temperature moyenne annuelle 7°C en surface I°C vers 50 m de profondeur (Loring et Nota, 1973). Or, dans le domaine thermique moyen du Golfe, les carbonates pr4cipitant en ~quilibre avec l'eau de met devraient avoir des compositions isotopiques 51sO et 513C plus ~lev~es (par exemple de l'ordre de 2.5 ~ 4.5°/oo pour l'oxyg~ne de la calcite; cf. plus loin). La l~g~re dilution des eaux, par des apports continentaux appauvris en isotopes lourds (Epstein et Mayeda, 1953; Duplessy, 1972), est donc ~ l'origine de cette anomalie. Si l'on compare, dans chaque site fossilif~re, les faunes de faible profondeur (Mytilus edulis, Macoma balthica) ~ celles d'eaux plus profondes (Mya truncata, Macoma calcarea), on constate que les premieres sont syst~matiquement appauvries en 1sO (e - --3°/oo). Cette nuance isotopique refl~te l'augmentation, ~ la fois des temperatures moyennes, et des apports continentaux, vers la surface de la Mer de Goldthwait. On peut m~me noter que cette tendance ~tait plus prononc~e dans les sites littoraux anciens (Sept-Iles 4, 4-1A et 11; Tableau I) que dans les plus r~cents (Sept-Iles 30 et Baie Sainte-Marguerite). La Mer de Goldthwait a donc connu, au cours des premiers mill~naires succ~dant ~ la d~glaciation, des conditions l~g~rement plus saum~tres que celles du golfe actuel du Saint-Laurent. L'apport considerable d'eau de fonte de l'inlandsis devait en effet accentuer la dilution des eaux superficielles. La Mer de Champlain et le Golfe de Laflamme C'est dans ces bassins ferm~s que l'~talement des compositions isotopiques, vers des valeurs tr~s n~gatives, est le plus manifeste. Dans l'ensemble, les donn~es indiquent un apport considerable d'eaux continentales et, donc, une salinit~ basse. Comme nous l'avons d~j~ observ~ dans la Mer de Goldthwait, faunes littorales et profondes (Fig.3) ont des compositions isotopiques distinctes, refl~tant de forts gradients verticaux de temperature et de salinitY.

Poste-de-la-Baleine 14 Poste-de-la-Baleine 14 Poste-de-la-Baleine 14

Met de Tyrrell

Sainte-Germaine 1 Sainte-Germaine 2 Rividre N o i r e 1

Saint-Nicolas 1 Saint-Nicolas 2 Saint-Nicolas 2

Mer de Champlain

Site

CaCO 3 d a n s argile

Echantillon

--0.56 --1.93 --0.81

0.1 0.0 2.6

0.7 0.4 0.5

5 ~3C/PDB

--5.54 --6.44 --6.13

--4.6 --4.8 --3.8

--7.1 --7.5 --7.4

5 ~80/PDB

C o m p o s i t i o n s i s o t o p i q u e s d e s f r a c t i o n s c a r b o n a t ~ e s des s ~ d i m e n t s

T A B L E A U III

S o c l e local: gneiss d u S u p ~ r i e u r et ~ 10 k m au NW, dolomies ~ Stromatolites du Prot~rozoi~lue (Churchill): 513C -- 0 . 6 6 6180 = - - 4 . 8 7

S o c l e local: Prov. de Grenville E x e m p l e des m a r b r e s de S t - J o v i t e : 513C -- 1.91 5180 = - - 5 . 8 3

Socle local p a l d o z o f q u e : calcaire ( O r d o v i c i e n ) : C h a z y : 5~3C = 1.1 5 ' 8 0 = --6.1 Black River: 5~3C = 0.2 5~sO = - - 5 . 3 T r e n t o n : 5~3C = 0.7 5~80 = - - 5 . 9

Remarques

IV

P e t i t e Rivi~re de la Baleine

Mer de TyrreU

Pidmont M o n t St-Hilaire M o n t St-Hilaire Chateauguay

La Gabelle

Mer de Champlain

Sept -Iles

Mer de Goldthwait

c o n c r e t i o n calcaire moule interne

concretion concrdtion concretion QC-355 concretion QC-358

Portlandia arctica P. arctica

moule interne

c o n c r e t i o n calcaire

5

4

3

2

concrdtion sous-glaciaire 1

Hull (nord d'Ottawa)

concretion sous-glaciaire concretion sous-glaciaire concretion sous-glaciaire concrdtion sous-glaciaire

Echantillon

Site

3 8 0 0 -+ 85 4 1 5 0 -+ 9 5

35 000 B.P. (datation Paris VI)

Age 14C

Compositions isotopiques 5180 et 513C et ~ge 14C des concretions

TABLEAU

--I 8.5

--15.24 --10.5 --10.5 --10.6 --9.3

--20.34

--17.6

0.04

--0.13

--2.5

--1.00 --9.07 --9.07 --8.06 --7.8

--3.01

1.1

--25.74

--25.49

--26.28

--26.68 --26.96 --26.08 --25.68 --25.74

0.04 0.04 0.29 0.21 --0.13 ---0.13

--26.05 --26.39 --26.14

61'0

--0.30 --0.18 ---0.35

613C

concr~tionnement pendant l'~pisode champlainien (5180-* O) c o n c r ~ t i o n n e m e n t postchamplainien (6180 ~ n a p p e s s o u t e r r a i n e s )

- - s o m m e t d e la c o n c r e t i o n le socle local: gneiss et marbres pr~cambriens m a r b r e : ~ 180 = - - 4 . 8 % o 8'3C = 2 . 7 % 0

-- base de la concretion

Remarques

0o o

Lac d e D e s c h a i l l o n s

Grande Rivi~re de la Baleine

e

d

C

VD-80 concretion VD-99 fraction carbonat~e VD-173 concretion

e

d

e

concretion 10e niveau a b

7e 8e 9e 10e lle

6e

3e 4e 5e

2e

--12.95 --1.32 --24.59

--9.68 --13.90 --10.88 --11.37 --9.92

--14.42 --13.95 --14.50 --14.45 --16.42

--17.5 --15.3 --17.8 --I 7.7

c o n c r e t i o n 3e n i v e a u a b

100 135 140 --18.51 --14.21 --17.25 --15.70 --14.10 --16.74 --13.28 --17.57 --17.23 --I0.87 --16.10

7820 8230 7940

--21.0 --17.9 --18.6

concretion ler niveau

moule interne QU-280 concretion (I-8363) concretion (QU-281) concretion

Portlandia arctica ( c o r t e x ) P. artica ( c e n t r e ) c o n c r e t i o n calcaire

--5.5

--7.01 --7.24 --9.77

0.88

0.79 1.32 0.97 1.40

0.76 0.67 1.00 0.90 1.13

--0.42 --1.28 ---0.45 ---0.37 --0.92 --2.64 1.12 1.63 1.95 1.61 1.63

--1.4 0.8

--0.6

--2.7 --0.6

centre

cortex

centre

cortex

s o m m e t des r y t h m i t e s

b a s e des r h y t h m i t e s

(~'80-~ 0)

concr~tionnement pendant |'~pisode tyrrellien

00

Site

TABLEAU IV (suite)

--24.17 --23.15 --22.74 --21.82 --22.15 --22.68 --22.97 --23.77

--10.38 --11.06 --10.86 --10.36 --I0.81 --11.16 --II.41 --5.31 --11.70

--22.54 --22.26 --22.47 --22.45 --21.20 --20.78 --20.41 --18.23 --22.96

VD-534 concrStion VD-624 VD-724 VD-734 VD-880 VD-1005 VD-1040 VD-1259

VD-1430

(2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)

--11.01 --10.57 --10.32 --10.47 --9.84 --10.84 --10.15 --9.97

--8.95 --9.90 --9.70 --9.70 --9.60 --9.43 --9.35 --9.91

--9.84 --10.41 --10.26

6 Iso

--25.48 --24.48 --23.19 --23.18 --24.33 --24.18 --23.97 --24.68

VD-491 concretion (1)

(2) (3) (4) (5) (6) (7)

VD-431 concretion (1)

613C

--22.03 --22.85 --23.51

Age '4C

VD-173 fraction carbonat~e VD-357 concretion VD-386 concretion

EchantUlon

2e phase de concrdtionnement ( 6 ' s o > - - 8 % 0) l~re phase de concr~tionnement

l~re phase de concr~tionnement (6180 < --9°/oo)

centre

cortex

centre

cortex

Remarques

oo b~

(Matagami)

Lac Barlow--Ojibway

c o n c r e t i o n QC-560

concretion VD-1462 QC-353 concretion D 3 -- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

QC-357

9 3 0 5 +- 3 1 5

--11.7 --11.5 --11.9 --I 2.3 --12.1 --12.5 --12.8 --13.0 --13.3 --13.2 --13.3 --21.1 --21.0 --21.3 --22.1 --21.8 --22.3 --22.4 --22.0 --22.1 --22.0 --22.3

--10.8

--8.1

--15.1

--5.6

--I 1.6

--11.39 --11.40 --11.9

--11.15

--9.20 --10.57 --10.57 --10.51 --10.47 --11.86 --7.30 --6.39

--20.3

--21.21 --20.91 --22.7

VD-1715 a concretion VD-1715 b concr4tion QU-279

QC-559

--20.54

VD-1625 concretion

36 2 8 0 + 2 4 1 0 1625 34 9 0 0 -+ 1350 2300 37 5 0 0 +1800 8 6 7 0 -+ 4 6 0

--19.89 --20.62 --19.86 --20.48 --21.19 --21.55 --14.93 --15.30

VD-1432 VD-1465 VD-1525 VD-1535 VD-1588 VD-1612 a VD-1612 b fraction carbonat~e VD-1612 c concretion

centre

c o n c r 4 t i o n elliptique d e s varves s o m m i t a l e s cortex

90% de la c o n c r 6 t i o n d a t 6 e d a t a t i o n de la f r a c t i o n interne 60% 90% de la c o n c r 6 t i o n d a t 6 e ( V D - 1 3 9 5 - c) concretion d~form~e

(concretion elliptique) 2e p h a s e d e c o n c r ~ t i o n n e m e n t ( c o n c r e t i o n d ~ f o r m ~ e englobarite) (2e p h a s e : 8 ' 8 0 > --8% o) l~re phase de concr4tionnem e n t ( 8 ' 8 0 < --9°/oo)

0o 50

concretion

concretion QC-358

Lac de Pika

Lac de Gayhurst

ciment calcitique de conglom~rats ciment calcitique de conglom~rats

St-Joseph-du-lac

Yamaha

croSte calcaire

St -Pierre-les-Becquets

Divers

Echantillon

IV (suite)

Site

TABLEAU

1450 32 900 +1225

Age 14C

--8.4 --10.9 --9.4

2.6 --9.2 --6.5

--9.39 dans les sables de St-Pierre, au contact des varves de Deschaillons cimentation de rudites champlainiennes cimentation de rudites champlainiennes

cf. Cailleux et Dionne (1972)

--3.8

1.5 --15.03

Remarques

5 z80

13C

Q0

85 13,

A

+5

GOLDTHWAIT i -

5

'

I

_1 ~

"

I~.

.

I

'

"

t

"

•

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:

•

~e#,

/J

+ 5

sl

I

180

!

-5

B GOLFE

DU

,,5

ST. LAURENT /,/ t

io

•

-

~,1'

5 I

I

,

I

e

J

I

i

le 0

-5

Fig.2. Comparaison des compositions isotopiques des faunes de la Mer de Goldthwait (A) et de celles du Golfe actuel du Saint-Laurent (B). Fig.2. Isotopic composition of the faunas of the Goldthwait Sea (A) and Gulf of St. Lawrence (B).

Le Ddtroit et la Mer d 'Iberville (Tableau I)

C'est dans ces bassins largement ouverts que l'on observe le meilleur groupement des compositions isotopiques, presque toujours positives, qui refl~tent les caract6ristiques hydrologiques d'une met arctique (--1 ~ 7°C) de salinit6 relativement stable (28--33°/o°). Les analyses des faunes actuelles de la Baie du Diana, dans le D6troit d'Hudson, confirment cette interpretation puisqu'elles d~finissent un domaine de compositions isotopiques identique.

86 n3C %0

-15

•

MER

•

GOLFE

..--"

DE DE

C H A M P L A I N

,+3

LAFLAMME

- --I0-----~--

+3oo

,'-5

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(a)

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N

Q

~-

.5

Fig.3. Compositions isotopiques du carbone et de l'oxyg~ne des faunes de la Met de Champlain et du Golfe de Laflamme. Dans les bassins ferm~s, l'influence continentale se marque par un d~ficit en isotopes louds. (a) Faunes de faible profondeur, (b) faunes plus profondes. Fig.3. Carbon and oxygen isotopic composition of the faunas of the Champlain Sea and Laflamme Gulf. In the closed basins, the continental influence is marked by a deficit of heavy isotopes. (a) Shallow water fauna, (b) deeper water fauna.

La Mer de Tyrrell (Tableau I) Plus largement ~tal~es, les compositions isotopiques des faunes tyrelliennes indiquent de plus grandes variations de salinitY. Cet effet est encore plus marqu~ dans les faunes de la Baie d'Hudson actuelle, o~ des fichantillonnages effectufis dans le Golfe de Richmond fitirent le domaine des compositions isotopiques vers des valeurs tr~s nfigatives. Notons, dans ce dernier, des salinit~s variant de 27°/oo, ~ 50 m de profondeur, ~ 13°/oo, en surface, pour des tempfiratures moyennes respectives de l'ordre de --1 ~ 8°C (Barber, 1968). Dans l'ensemble des bassins matins (Fig.4), on remarque que seuls ia Met de Champlain et le Golfe de Laflamme se distinguent nettement, du p o i n t de vue isotopique, des mers bordi~res actuelles. Les concrgtions calcaires et la fraction carbonat~e des s~diments (Fig.5) La premiere remarque que l'on peut faire h propos des concretions calcaires, est la grande diversit~ des valeurs mesur~es, puisque la composition isotopique du carbone s'~chelonne de 2,6 ~--25°]0o entre, respectivement,

87

.!~C ( °/,,,)

-.o

....

-,s

(•

.....

Champlain

......

Tjr~l~

..............~oldth~vai~ __lberville

. .........

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5

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(v..)

-~ j~

|

Fig.4. Domaine des compositions isotopiques du carbone et de l'oxyg~ne des faunes de l'ensemble des mers post-glaciaires. Seuls les bassins ferm~s se distinguent par un d~fieit marqu~ en isotopes lourds. Fig.4. Carbon and oxygen isotopic composition ranges of the main marine basin faunas. Only the closed basins are distinguished by a marked deficit of heavy isotopes.

une crofite calcaire r~cente et une concretion de lac glaciaire (Deschaillons). Cette constatation confirme l'existence de divers m~canismes de concr~tionnement (cf. Ek, 1978). Pourtant, on note une certaine homog~n~it~ des compositions isotopiques de concretions provenant des s~diments d'un m~me bassin; ainsi, celles du Lac de Deschaillons ont un 51aC m o y e n de --22% o e t un ~ 180 de - - 1 2 ° o ; celles de la Mer de Tyrrell oscillent respectivem e n t a u t o u r d e - - 1 6 % o et0% o. Dans l'ensemble, ces valeurs, que l'on peut rapprocher de celles obtenues par Ehlin (1974) sur une concretion lacustre post-glaciaire scandinave (~t13C -~ --15% o), s'~cartent n e t t e m e n t des compositions isotopiques usuelles des carbonates lacustres et marins. Cependant, cette remarque, valable pour le carbone, paraft ne pas s'appliquer h l'oxyg~ne. Les compositions isotopiques (51sO) des concretions de s~diments matins se comparent en effet h celles des faunes et sugg~rent une precipitation pendant la phase s&limentaire, ce que confirment les figes 14C. Les faibles teneurs en 13C d~notent l'apport considerable de CO2 biog~ne. Inversement, les fractions carbonat~es des s~diments paraissent indubitablement h~rit~es des socles locaux. Dans les argiles de la Mer de Tyrrell, par exemple, leurs compositions isotopiques (513C - --1°/oo; 51sO-~ --6%0) les distinguent des concrdtions calcaires (~13C -~ --16%o; ~lsO -~ 0% o) et des faunes (~t13C - 0°]oo; 5180 - 1.5% o) et les rapprochent plutSt des carbonates protdrozoYques (~13C = - - 0 . 7 ° o ; $1SO = --4.9%0) qui constituent l'arc de la cSte est de la Baie d ' H u d s o n et affleurent quelques kilom~tres at] NW du site dtudid. La m~me observation peut ~tre faite sur la fraction carbonat~e des argfles champlainiennes, puisque dans le domaine des Basses Terres du Saint-

88

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Fig.5. Compositions isotopiques du carbone et de l'oxyg~ne des concretions et fractions carbonat~es des s~iiments. Les fractions carbonat~es ont des compositions isotopiques distinctes de celles des faunes et proches de celles des socles locaux; elles sont essentiellement Mrit~es de la farine glaciaire. Les concretions de chaque facies (glacio-lacustre, glacio-marin, sous-glaciaire) se caract~risent par un domaine particulier.

Fig.5. Carbon and oxygen isotope ratios in carbonate nodules and carbonate fractions of the sediments. The latter usually approaches the isotopic composition of the local carbonate-bearing bedrock. The carbonate nodules show distinct isotopic ranges depending on the sedimentary environment (sub-glacial,glacio-marine, glacio-lacustrine).

Laurent, leur composition (8~C - 0.4%0; 81s0 ~ --5 h--7%o) se rapproche de celle des carbonates paldozofques (81aC - 0 + 1%o; 81so - --5.7 -+ 0.4%0), tandis qu'en bordure des Laurentides, elle s'apparente ~ celle des marbres prdcambriens locaux (respectivement 813C = +2.6%0 et 81s0 = --4.1%o; 813C = 1.9%o et 8 mO = --5.8%o). I1 s'agit donc bien de carbonates d~tritiques. INTERPRETATION DES RESULTATS

Les faunes Le probldme du thermomdtre isotopique Lorsque Urey (1947) calcula les constantes d'dquilibres isotopiques entre plusieurs composds, il sugg~ra d'utiliser la difference de composition isotopique, existant entre l'eau et les carbonates pr~cipit~s en ~quilibre dans

89 cette eau, c o m m e thermom~tre g6ologique, puisque les constantes d'~quilibre sont des fonctions inverses de la temperature. Ainsi, McCrea (1950), puis Clayton (1961) et finalement Craig (1965), d o n t nous retiendrons la formulation, propos~rent, ~ partir des compositions isotopiques de l'eau et des carbonates, une ~quation donnant la temperature de l'~quilibre H~ 180 + CaC1603 ~ H: 160 + CaC1801602 (en sautant les termes interm~diaires, HCO3-, COl-, etc.): t°C = 1 6 . 9 - - 4 . 2 A + 0.13A 2

(1)

off A est la diff6rence entre le 5~80 du CO2 pr~par6 par acidification du carbonate et le 5180 d:un CO: ~quilibr6 avec l'eau, tous deux exprim~s par rapport au m~me 6talon. Plus r6cemment, Fontes (in Fontes et Pouchan, 1975} proposait une ~quation similaire pour l'~quilibre 13CO2 + Ca 12CO3 ~ 12CO: + Ca~3CO3: t°C = 1 4 7 . 7 - - 1 4 . 8 A + 0.266A 2

(2)

Off A est la difference de composition isotopique du carbone, entre le carbonate et le CO~ gazeux ~quilibrant. Darts les 6quations (1) et (2), l'acc~s aux temp6ratures des ~quilibres, c'est-~-dire ~ celle de l'eau, suppose la connaissance des compositions isotopiques, respectivement de l'eau et du CO2 ~quilibrant. Bien que le milieu marin soit relativement homog~ne et qu'en principe les compositions isotopiques y soient stables: 5 H2 180 - SMOW (Epstein et Mayeda, 1953) et 513CO2 eq. -~ --8.5%0 (cf. Vogel et al., 1970), on ne peut les extrapoler dans les bassins marginaux off, nous l'avons vu, l'apport continental tend ~ appauvrir le milieu en isotopes lourds (cf. ~galement Keith et al., 1964; Mook, 1971). Pour s'en convaincre, il suffit d'injecter, dans les ~quations (1) et (2), appliqu~es au cas des carbonates des faunes champlainiennes (518Omoyen ~-- --4.5%0; 513Cmoyen -~ --1.1% o), les compositions oc6aniques moyennes (5180 -~ SMOW et 513CO2 eq. --- --8.5%0). Les temperatures d'~quilibre s'6tablissent alors respectivement fi 38.4°C et 52,7°C; ce qui est tout ~ fait irr~aliste. Dans la mesure off les mers post-glaciaires du Quebec connurent des temperatures uniform~ment basses, l'effet thermique, sur le fractionnement isotopique, y fut largement masqu~ par la dilution des eaux. Qu'il s'agisse de l'oxyg~ne de l'eau, qu'un faible apport d'eau de fonte du glacier put appauvrir consid~rablement en isotope lourd, ou du carbone du CO2 dissous, enrichi en 12C dans les eaux continentales par l'activit~ biologique, le c o m p o r t e m e n t des isotopes, dans ces bassins, 6chappe aux modbles classiques. Cette observation nous conduit au corollaire de l'~quation pal~othermom6trique (1): connaissant les conditions de vie des faunes en ~quflibre isotopique avec l'eau, il est possible de calculer la composition isotopique de celle-ci. C'est le principe que nous avons voulu appliquer h l'~tude des mers post-glaciaires. I1 suppose des donn~es pal~o~cologiques d~taill~es.

90 Les donndes palgodcologiques-clefs A la lumi~re des commentaires ci-dessus, et des informations que les analyses paldo~cologiques apportent (cf. Hillaire-Marcel, 1980) sur les caractdristiques hydrologiques des bassins, nous devons a priori tenir compte de plusieurs variables. En effet, les tempdrature et salinitd rencontrdes par une esp~ce fossile d~pendent d'abord du domaine bathym~trique que celle-ci occupait. Au-del~ de quelques dizaines de mbtres de profondeur, la temperature n'excddait pratiquement pas 0 + I°C; ce qui reprdsente une variation du 8180 des coquilles de l'ordre de +0,28°]oo (cf. Clayton, 1961), presque n~gligeable. En outre, les assemblages fossiles nous ont d~montr~ que la salinitd y d~passait gdndralement 30%0 et donc que l'apport des eaux continentales dtait peu important, par comparaison ~ la surface des bassins. Les donndes de la g~ochimie isotopique confirment cette conclusion. Si l'on examine par example les faunes glacio-marines de la Gabelle (Tableau I), au coeur m~me de la Mer de Champlain, on constate que leur 5180 atteint + 3,8%0; la prdcipitation du CaCO3 s'effectua pratiquement h l'~quilibre avec l'eau ocdanique moyenne (SMOW). Notons cependant qfi'il s'agit de faunes aragonitiques; pr~cipit~e sous les m~mes conditions, la calcite aurait une composition de l'ordre de 3%0 et indiquerait donc un l~ger ddficit en isotope lourd ~ 0°C. Nous verrons d'ailleurs plus loin que, dans la plupart des cas, la dilution des eaux profondes n'exc~da pas quelques parties pour mille. Cependant, vers la surface, les apports continentaux prirent une importance considerable. De surcroft, l'appauvrissement en isotopes lourds put varier paldogdographiquement et chronologiquement en fonction des contributions respectives de l'eau de fonte du glacier et des eaux de lacs ou de rivi~res. Enfin, la temperature moyenne de la p~riode de croissance des faunes est le dernier dl~ment ~ consid~rer. En effet, la temperature variant au cours de l'ann~e, la composition isotopique totale d'une coquille refl~te la tempdrature moyenne de l'eau pendant la p~riode de s~crdtion du CaCO3. La plupart des Lamellibranches littoraux ont un m~tabolisme rdduit e n - d e ~ de 4°C (cf. Hillaire-Marcel, 1980). Il s'agit d'un seuil thermique; selon toute probabilitY, les phases de croissance active avaient lieu lorsque l'eau dtait plus chaude. On peut admettre des tempdratures minimales respectives de 10 et 12°C pour le d~veloppement des larves de Macoma balthica et de Mya arenaria (ibid.). Il est probable que ces temperatures refl~tent, mieux que le seuil critique de 4°C, les p~riodes d'intense activit~ m~tabolique des adultes, donc leurs phases de croissance principales. Dans les m~mes bioc~noses, donc ayant vdcu dans les m~mes eaux, Mytilus edulis et Hiatella arctica n'indiquent jamais, dans les compositions isotopiques de leurs coquilles, les m~mes temperatures de croissance. Hiatella s'accommode de temperature inf~rieures ~ 0°C; son rapport 180/160 correspond ~ la moyenne thermique annuelle, tandis que Mytilus, croissant au cours des mois les plus chauds (t > 4°C), refl~te la moyenne estivale et automnale (Fig.6).

91 EFFET I- SEIEN LE D(RAINE ~ Q U E

o

~

DE

LA

TEMPERATURE

DE. IA ~ E E

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1.034~

4

1.0346

50m

s~

5~m

temperature moyenne de l'eau

si A°/~ = SM~q 1

~.

C

annuelle

- -- - - ~ .

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.

.

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.

.

.

temperature moyenne de

6 ~.o/~o~.:3.3/ooI--,_~_. . o " . . . .J . . . . . . ~. . . 6 ''O/IGO ~!u~. = 40/ . . . . . . . . .

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~ ~ ~ ' - ,

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I

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croi . . . . . .

~

~

de

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DEC,

I I

des variations

....

2°temp~. . . . . . . . . . .

.....

t:

JANV,

Fig.6. Influence arctiques.

°/oo

prof~deur

profondeu~

(composit ions calcite) ~quiv,

4.5

~riode

de

crolssance

de ~t~Z:~P

Jp~riode de croissance

de temperature

de

s u r l a t e n e u r e n 1sO d e s f a u n e s d e s m i l i e u x

Fig.6. Temperature effects on the 1'O isotopic composition of shells: (1) in relation to the depth range of the community; (2) in relation to the duration of the growing season.

L'effet de chacun des param~tres, que nous venons d'examiner, est sch~matis~ sur les Figs.6 et 7. Bien que la temp6rature ne puisse ~tre n~glig~e, on voit qu'une approximation, ~ un ou deux degr6s pros, n'introduit qu'une erreur minime dans l'6quation des pal~otemp~ratures. Des ~carts de teneur en *sO de l'ordre de 17°/oo s'observent entre certaines faunes intertidales des bassins ferm~s et les faunes plus profondes (Fig.3). Ils refl~tent presque exclusivement la dilution des eaux superficielles. I1 est donc important de bien ~valuer la profondeur ~ laquelle vivaient les esp~ces analys~es. La plupart d'entre elles occupant un domaine bathym~trique assez vaste, il est hasardeux de tirer des conclusions hydrologiques ~ partir des compositions isotopiques d'un assemblage isol~. Par contre, la moyenne ~tablie partir de plusieurs populations d'une association faunistique d~finie est significative, puisque la communaut$ occupe pr6f6rentiellement un domaine bathym~trique precis. Nous avons ainsi admis les profondeurs moyennes suivantes pour les esp~ces caract~ristiques (cf. Hfllaire-Marcel, 1979a): < --50 m: Balanus

92 EFFET

DE

LA

DILUTION

PAR

LES

EAUX

CO~'ITINENTALES

i- S E I ~ L 'ORIGI~ DES EAUX CCt~fI~2~FALES

- 30~
~

COMPOSANTE

N O N

S A L E E

B~SIN

EPICCNTP~AL

C C ~

O~IOUE

POST-GL~ZIAI

- ~6*~A°/~ ~<- 8.* ~ - ~ * Lac glaciaire * *Saint-I~urent

2- ~

~

G~D~T

°/co

~ "

~ R I ~ [ ~

~35 °/co

A °/oo ~--- SMOW ~

r~ ~ G E

N'

~ 0 :,q40,~

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4.5 ° / a e

I DE L EAU

50m pro~ndeuz

5rim

5(~m profondmur

Fig.7. Influence des apports continentaux sur la teneur en 1'O des faunes des milieux arctiques. Fig.7. The dilution effect. The isotopic composition of the shells depends on the relative contribution and the origin o f the continental waters. Again, the depth range of the fossil c o m m u n i t y is an important factor, the dilution affecting mainly the surficial waters.

hameri; --35 m: Portlandia arctica;--25 m: Macoma calcarea et Mya truncata; - - 1 5 m: Hiatella arctica; --12 in: Balanus crenatus;--10 m: Mytilus edulis; --3 m: Macoma balthica; 0 m: Mya arenaria. L'aire sp6cifique de Mya arenaria s'6tend de la zone de balancement des raar6es $ environ 10 m de profondeut. Toutefois, la plupart des populations que nous avons recueillies occupaient (pour des raisons de probable st6nothermie) les fits sommitaux (top set) des d~pSts de plages. Nous avons donc attribu6 une profondeur m o y e n n e de 0 m ~ cette esp6ce. Exemple de reconstitution pal~ohydrologique: La Mer de Champlain Le graphique de la Fig.8 repr~sente un essai d'interpr6tation bas6 sur 65 populations analys4es. On remarque d'abord, qu'en fonction de leurs bathym6trie respectives, les esp6ces clefs ont des rapports isotopiques lso/160 agenc6s le long d'une courbe tr~s r6guli~re. En introduisant, pour chacune d'entre elles, la temp4rature de croissance dans l'6quation ( 1 ) d e s pal6otemp6ratures, on d6duit (apr~s les corrections dues aux distorsions des

93 ~180

%o-10

O= P D B

-5

¢o'0 . . . . .

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I

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CHAMPLAIN

I

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1

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-BO ~rofondeur en

metres

Fig.8. A. Teneurs en ~O et profondeurs moyennes des principales communaut~s fossiles darts la Mer de Champlain. B. Composition isotopique correspondante de l'eau. I1 est probable que les bathymdtries de Portlandia arctica et de Balanus hameri ont ~t~ l~g~rement sous-estim~es. Par analogie avec les bassins actuels, le profil vertical 180/160 de l'eau devrait ~tre plus redress~. Fig.8. A. The 180 content and average depth of some of the principal fossil communities in the Champlain Sea. B. Corresponding isotopic composition of the marine basin. It is probable that the depths of Portlandia arctica and Balanus hameri have been slightly underestimated. By analogy with the present basins, the vertical profile IBO/x+O of water should have been more straightened. ~chelles P D B et SMOW; cf. Craig, 1 9 6 5 ) la c o m p o s i t i o n i s o t o p i q u e AmO/ 160 de l'eau c o r r e s p o n d a n t e (Fig.8). O n c o n s t a t e d ' e m b l ~ e qu'elle d i m i n u e f o r t e m e n t prbs de la surface off se c o n c e n t r a i e n t les e a u x c o n t i n e n t a l e s m o i n s d e n s e s q u e les e a u x o c d a n i q u e s p r o f o n d e s en p r o v e n a n c e de la Mer de Goldt h w a i t . Q u e l q u e s l~g~res a n o m a l i e s s o n t en o u t r e p e r c e p t i b l e s sur c e t t e c o u r b e : (1) M y a arenaria et M a c o m a balthica i n d i q u e n t u n e m ~ m e c o m p o s i t i o n i s o t o p i q u e de l'eau. Ceci p e u t ~tre dfi s i m p l e m e n t ~ la s~paration u n p e u arbitraire des d o m a i n e s b a t h y m ~ t r i q u e s m o y e n s (0 et - - 3 m ) . En effet, les d e u x esp~ces a p p a r t i e n n e n t assez s o u v e n t a u x m ~ m e s b i o c ~ n o s e s . (2) Balanus c r e n a t u s et Hiatella arctica i n d i q u e n t ~ g a l e m e n t u n e eau de c o m p o s i t i o n isotopi.que similaire. Le f a c t e u r consid~r~ ci-dessus p e u t ~videmm e n t ~tre r e s p o n s a b l e de c e t t e l~g~re a n 0 m a l i e . T o u t e f o i s , si l ' o n s'int~resse

94 ~galement ~ Balanus hameri, on constate qu'il s'~carte, dans le m~me sens et d'une valeur comparable, de la courbe m o y e n n e 180/160 de l'eau, indiqu~e par les Lamellibranches. On pourrait donc attribuer cet ~cart ~ un fractionn e m e n t biologique different chez les Cirrip~des. Afin de contrSler ce facteur, nous avons choisi, parmi les populations fossiles trois assemblages o~ des Balanus balanus ~taient encore fixes sur des valves de Chlamys islandicus. Les deux esp~ces ont une coquille de m~me nature min~ralogique (calcite) et, provenant de communaut~ ~ Macoma calcarea, occupaient un domaine bathym~trique suffisamment profond pour que l'on puisse admettre une temperature relativement uniforme et proche de 0°C au cours de leur croissance. A y a n t v~cu au m~me m o m e n t et dans un milieu absolument identiques, les fossiles devraient indiquer une composition isotopique similaire. Or, tel n'est pas le cas (Tableau V). Balanus crenatus est syst~matiquement enrichi en 180 de 0.9 + 0.2°/oo par comparaison ~ ChIamys islandicus. On peut donc admettre un fractionnement sp~cifique distinct chez les Cirrip~des et les Mollusques. Notons, cependant, que la composition isotopique des Lamellibranches ~ coquille aragonitique devrait se rapprocher de celle de Balanus. Qu'eUes soient attribuables ~ cet effet sp~cifique, ou ~ des erreurs minimes d'appr~ciation des domaines bathym~triques, les l~g~res anomalies de compositions isotopiques ne modifient cependant pas l'allure g~n~rale de la courbe de la Fig.8. I1 s'agit maintenant, ~ partir de la teneur en 180 de l'eau de la Met de Champlain que nous avons d6duite de l'analyse des faunes, de d~terminer les contributions respectives des masses d'eaux oc~anique et continentale (glaciaire et fluvio-lacustre); ce qui revient ~ ~valuer les variations de salinit~ en fonction de la profondeur. La Fig.9 d~finit le domaine de composition isotopique et de salinit~ admissible pour la Mer de Champlain, en fonction de trois hypotheses: (1) l'apport d'eau non salve provient de la fonte de l'inlandsis; elle intervient donc dans le m~lange avec une composition isotopique de d~part de l'ordre de --30%o (~ 0°C) (cf. Hillaire-Marcel et al., 1979a); (2) l'eau non salve provient des rivi~res et fleuves et contribue au m~lange ~ partir d'une composition isotopique probablement inf~rieure ~--8°/oo (valeur actueUe du Saint-Laurent); (3) l'eau non salve est un m~lange de (1) et (2). Bien que cette derni~re hypoth~se paraisse tr~s vraissemblable, deux remarques nous inciteraient plutSt ~ admettre une contribution majeure des eaux de fonte (Fig.9): (a) La Mer de Champlain est rest~e en contact avec le front de l'inlandsis en retrait au cours de la majeure pattie de son histoire (de 12 500 ans B.P. environ 10 600 ans B.P.). Le volume de glace ainsi lib~r~ a donc directement appauvri l'eau du bassin champlainien en isotope lourd. (b) Dans le cas du lac pr~-glaciaire de Deschaillons, en contact ~galement avec l'inlandsis (en phase d'accroissement), une composition isotopique de --16°/oo paraft plausible pour l'oxyg~ne de l'eau (cf. Hillaire-Marcel et Page,

0.05

1.70

1.75

0.74

0.93

1.67

0.09

1.34

1.43

613C

1.07

0.76

1.83

6 tsO

Ech.-3

--0.28

0.90

0.62

613C

0.98

0.76

1.74

61sO

--0.04

1.31

1.27

,513C

Moyennes

0.93

0.82

1.75

6180

Occupant un domaine bathym~trique sup4rieur ~ 30 m, ces faunes vivaient dans une eau de temperature moyenne annuelle proche de 0°C. Un enrichissement isotopique syst~matique de 0.93 _+ 0.20°/oo apparaft chez Balanus par comparaison ~ Chlamys.

Z~e°/oo (Bal.----Chl.)

(calcite)

Chlamys islandicus

(calcite)

Batanus balanus

Ech.-2 6180

Ech.-1

613C

Compositions isotopiques compar4es (°/oo/PDB) de trois populations de Balanus balanus fix~es sur trois valves de Chlamys islandicus (faunes tyrrelliennes de la Grande Rivi/~re de la Baleine)

TABLEAU V

96

Moyen,~e mers orctig~S 5ALIAIITE 0

I0

20

30~

Io~uS harneri ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

~ + r T / a + + a

. . . . . . . . . . . .

-~+~,~.'.~Macomo

+ ........ ~

.

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a

arc+ca cakarea °rdlca

71/u.~ edu/i~,

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~.tMya at.

.

C~O'C.~

.....

mO

l~ne.,

'+ n?~l¢

- 2C

Iondsss

Fig.9. Domaines de teneur en 180 et de salinit4 de la Met de Champlain. En grist, le domaine total admissible en fonction de deux composantes continentales extremes: (1) l'eau de fonte de l'inlandsis laurentidien; (2)le syst~me de drainage du Saint-Laurent actuel. En pratique, la composition isotopique du terme continental devrait s'approcher de celle d'un lac proglaciaire. Fig.9. Salinity and 180 ranges of the Champlain Sea water. In grey, the total range permitted by two extreme continental constituents: (1)the melt water of the Laurentide Ice Sheet; (2) the drainage system of the present St. Lawrence. In practice, the isotopic composition of the continental term should approach that of a preglacial lake. 1 9 8 0 ) . I1 est d o n c p r o b a b l e q u e la c o m p o s a n t e n o n salve de la Mer d e C h a m p lain e u t u n e c o m p o s i t i o n i s o t o p i q u e du m ~ m e o r d r e de g r a n d e u r , d ' a u t a n t p l u s q u e des lacs glaciaires f u r e n t d r a i n , s d a n s le bassin. E n a p p l i q u a n t ce p r i n c i p e , o n p e u t ainsi r e c o n s t i t u e r les gradients therm i q u e et halin m o y e n s (Fig.10) et r e m a r q u e r ( F i g . l l ) q u e c h a q u e site p a r t i c u l i e r pr~sente, ~ q u e l q u e s n u a n c e s pros, u n p r o f i l d u m ~ m e t y p e : u n e salinit~ v a r i a n t de 25 ~ 35°/oo en p r o f o n d e u r , ~ m o i n s de 10°/oo en surface; u n e t e m p 6 r a t u r e (au c o u r s de la p ~ r i o d e de c r o i s s a n c e des faunes) a u g m e n t a n t de 0°C ~ 10°C, de la p r o f o n d e u r vers la surface.

97 10

20

30~/oo

0

10°C

5 /

I0

x\e \

/

20

\ .\

~ /•

~" /

\ \

SALINITE

30

/

•4 0

\

o,

/

50m

// TEMPERATURE

DE

CRO[SSANCE DES FAU NES

:PROFON DEU R) BASSIN

NORD VERS

DE LA MER 10300

DE CHAMPLAIN

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Fig.10. Profils hydrologiques verticaux dans le bassin central-nord de la Met de Champlain vers 10 300 B.P., d'apr~s les donn~es de la g~ochimie isotopique. Extrait de HillaireMarcel (1977). Fig.10. Salinity and temperature profiles in the north-central Champlain Sea basin, ca. 10 300 B.P., based on isotopic chemical data. From Hillaire-Marcel (1977).

A cause du rel~vement isostatique des terres, provoquant l'exondation progressive du bassin, le profil hydrologique reconstitu~ pour une p~riode d~termin~e (Fig.10) reproduit exactement l'~volution chronologique des salinit~s et temperatures qui accompagna la diminution de profondeur de la Met de Champlain dans un site precis. Parmi les populations analys~es, les bioc~noses & Mya arenaria et celles Macoma balthica pr~sentent une l~g~re anomalie (cf. Fig.8): il existe une difference de composition isotopique entre les deux esp~ces, la seconde ~tant syst~matiquement enrichie en ~sO, m~me dans les sites off apparaissent des bioc~noses mixtes. Comme les deux esp~ces ont des coquilles en aragonite, la difference de fractionnement isotopique ne peut ~tre associ~e & la nature min~ralogique du CaCO3. Deux explications sont envisageables: ( 1 ) l e s esp~ces introduisent des fractionnements isotopiques diff~rents; (2) leurs saisons de croissance sont in,gales, Macoma (dont les compositions sont g~n~ralement plus ~lev~es) croft pendant une plus grande p~riode, donc avec une temperature moyenne plus basse. La seconde hypoth~se nous parai't plus probable. En effet, si l'on se r~f~re au Tableau I, on constate que, dans l'ensemble du bassin champlainien, les populations de Macoma balthica (~lSOmoyen = --9.9°/oo) traduisent un enrichissement isotopique de 0.5%0, par comparaison aux populations de Mya arenaria (518Omoyen = --10.4%o). Exprim6 en fonction d'une diff6rence de temp6rature de croissance, cet enrichissement correspond & un 6cart de 1.8°C. Or, l'approche pal6o6cologique nous avait conduit & sugg6rer une valeur tout ~ fait comparable (2°C), sur la base des seuils thermiques des larves respectives, de Mya et Macoma. Cette remarque, & propos des bioc6noses oh entrent ces deux esp6ces, tendrait & confirmer le fait que les

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99

donn~es de la g~ochimie isotopique confirment simplement les conclusions de la pal~o~cologie traditionnelle (cf. L~tolle, 1972). Ce principe s'applique non seulement aux pal~otemp~ratures, mais ~galement aux pal~obathym~tries. En reprenant la relation lin~aire, entre la composition isotopique et la salinit~ de l'eau, que nous avons ~tablie pour la Mer de Champlain, nous avons interpr~t~ l'~talement des valeurs du 5180 de chaque esp~ce (ramen~ ~ 0°C), comme le reflet du domaine bathym~trique occup~ par les populations fossiles; les faunes appauvries en isotope lourd se rapprochant de la surface, celles, enrichies s'en ~loignant. A quelques nuances pros, les domaines bathym~triques totaux, d~duits des teneurs en 180, sont identiques ~ ceux que nous avions sugg~r~s ~ partir des observations pal~o~cologiques. On note cependant que, pour plusieurs esp~ces, ce domaine est r~duit dans sa partie sup~rieure. I1 est probable que les exigences halines de chacune d'elles en sont responsables. Ainsi, Hiatella arctica paraft s'~tre l~g~rement enfonc~e (prof. > 1 0 m) dans le bassin champlainien, pour retrouver des eaux de salinit~ sup~rieure ~ 22%0 environ; les m~mes conclusions peuvent ~tre faites ~ propos de Balanus crenatus (prof. > 5 m; sal. >20°/°°), Macoma calcarea (prof. > 1 5 m; sal. >25°/°0), Portlandia arctica (prof. ~ 1 8 m; sal. > 2 6 . 5 % 0 ) et Mya truncata typica (prof. > 2 8 m; sal. >28°/oo). Le cas de Mytilus edulis para]t plus surprenant. Sur les huit populations analys~es (Tableau I) aucune ne paraft avoir occup~ la zone intertidale. Or, Mytilus tol~re assez bien les milieux safimatres. I1 se peut cependant que son absence relative dans le domaine m~solittoral soit due ~ l'effet du pied de glace, en hiver. Contrairement aux espbces endobenthoniques (Mya, Macoma), Mytilus, fix~e sur les blocs et rochers, ne dispose d'aucune pro: tection contre la banquise. Mytilus s'observe toutefois ~ la partie inf~rieure du m~solittoral dans les bassins actuels. I1 est probable, cependant, que dans la zone de b a t t e m e n t des vagues, peu de coquilles se conservent intactes ~ la mort de l'animal. C'est une autre explication de l'absence de Mytilus fossiles refl~tant le domaine m~solittoral. Pour achever ce tour d'horizon pal~ohydrologique de la Mer de Champlain, un examen des compositions isotopiques extremes, dans chaque site, permet de retracer les distributions des masses d'eaux dans I'ensemble du bassin. Ainsi pour les faunes de la phase post Saint-Narcisse (Champlain III, cf. Hillaire-Marcel et Occhietti, 1977), on note que les eaux profondes de l'axe du Saint-Laurent gardaient une salinit~ relativement ~lev~e (~>25°/oo), assez loin vers l'ouest. Les eaux superficielles, de salinit~ m o y e n n e proche de 10%o, ~taient fortement dilutes, au sud du bassin (4--5°/oo), vers le bras de mer occupant l'emplacement du Lac Champlain actuel, ainsi qu'~ l'ouest (Fig.12). Mais, ici encore, ces gradients de salinitY, d~croissant du D~troit de Qu~bec--Montmagny vers l'ouest et le sud de la Met de Champlain, furent tr~s t6t mis en ~vidence par les obserFig.11. Profils 1~O et salinit4 de quelques sites champlainiens. F i g . l l . $180 and salinity profiles of some Champlain Sea sites.

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Fig.12. Salinit~s de surface et de profondeur de quelques sites, au cours de la phase Champlain III (~ 10 800--9800 B.P.). Fig.12. Salinity of surficial and b o t t o m waters of the Champlain Sea during the third stage of the marine episode (ca. 10 800--9800 B.P.).

vations pal~o~cologiques (cf. Goldring, 1922; Fig.13). La g~ochimie isotopique appliqu~e ~ l'~tude des faunes fossiles a cependant plusieurs avantages. Elle apporte une plus grande precision dans la d~termination des param~tres hydrologiques et permet surtout de caract~riser un site particulier, en pratique, ~ partir d'une seule analyse; ce que les indications biom~triques ou pal~osyn~cologiques ne peuvent faire, puisque par d~finition, elles sont relatives et r~pondent ~ un plus grand nombre de variables. L 'exemple d'un site actuel: le fjord Quaumarujuk Apr~s avoir ~tabli les param~tres hydrologiques d'un bassin post-glaciaire, tel celui de la Mer de Champlain, il pouvait ~tre int~ressant de comparer le module pal~ohydrologique ~ un module actuel. Des ~chantillons d'eaux, collect~s dans les fjords gro~nlandais et dans l'Oc~an Arctique, au cours de la croisi~re de 1977 de J. E. Bernier H, nous ant servi d'~l~ment de comparaison. Dans le p~riple arctique du Bernier II, le fjord Quaumarujuk (Gro~nland) a fait l'objet d'un ~chantillonage particulier. Aliment~ en eaux de fonte par le glacier Alfred Wegener (Fig.14), ce fjord pr~sente des conditions hydrologiques a priori comparables ~ celles d'un bassin post-glaciaire. Des ~chantillonnages ant ~t~ pr~lev~s dans l'eau de fonte, ~ la base du glacier et au long du torrent glaciaire d~bouchant dans le fjord Quaumarujuk. Dans ce dernier plusieurs prises d'eaux de surface et un profil vertical

101

Fig.13. Appauvrissement faunistique vers l'ouest et le sud-ouest de la Mer de Champlain. La ddcroissance du nombre d'espfices fossiles inventori~es, dans quelques r~gions circonscrites, est lifie fi la dilution croissante du bassin, en s'~loignant du d&roit de Qufibec-Montmagny. Fig.13. Faunal impoverishment towards the west and southwest of the Champlain Sea. The decreasing number of species, in some circumscribed regions, reflects the increased dilutions of the basin, with increasing distance from the Quebec--Montmagny Strait. o n t c o m p l & ~ l'~chantillonnage. Les r~sultats des analyses g~ochimiques sont r e p o r t , s sur le T a b l e a u VI. La p r e m i e r e r e m a r q u e q u e l ' o n p e u t faire c o n c e r n e la f o r t e influence des e a u x de f o n t e ~ la surface du fjord (Fig.15). Le gradient vertical 1801160 (--1°/oo en p r o f o n d e u r h - - 1 6 % o en surface) n'est pas sans r a p p e l e r celui q u e n o u s avons &abli, h partir de l'analyse des faunes, dans la Met de C h a m p l a i n (Fig.9). Enfin, u n e relation p a r f a i t e m e n t linfiaire s'observe e n t r e la salinit¢ et la t e n e u r en ~sO des eaux (Fig.16). Les t e r m e s e x t r e m e s d u m~lange d ' e a u x paraissent ainsi limit,s, d ' u n e p a r t fi l'eau de f o n t e glaciaire (salinit6 < 0 . 5 % ; A180/160 ~ --21.5% o), d ' u n e p a r t l'eau o c ~ a n i q u e r n o y e n n e (salinit~ ~ 3 5 % 0 ; A180/160 ~ SMOW). Bien q u e les t e r m e s d u mfilange aient p u ~tre l~g~rement difffirents dans la Mer de C h a m p l a i n , off s'ajoutait u n e c o m p o s a n t e lacustre, nous avons vu q u ' u n e m~me r e l a t i o n linfiaire A180/a60 v s salinit~ p o u v a i t y &re d~finie.

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Fig.14. Carte topographique simplifi4e du fjord Quaumarujuk (Ouest du Gro~nland) et localisation ( 1 - - 2 2 ) d es pr ises d '4chant illo ns; 1 5 - - 1 9 = profil vertical. Fig.14. Simplified topographic map of Qaumarujuk Fjord (West Greenland): location of the sampling sites ( 1 - - 2 2 ) ; 1 5 - - 1 9 = vertical profile.

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Fig.15. Composition isotopique des eaux du fjord Quaumarujuk en fonction de la profondeur. Comparer avec le module pal~ohydrologique de la Met de Champlain (Fig.10). Fig.15. Variation of the isotopic composition of Qaumarujuk fjord water in relation to depth. Compare with the paleohydrological model of the Champlain Sea (Fig.10).

103 TABLEAU VI Profondeur, temp6rature, concentration en sodium et teneur en ~80 des 6chantillons d'eau de l'arctique (cf. Fig.16 pour la localisation des prises d'6chantillons) Echantillon No.

Localisation

Profondeur (m)

Temp. (°C)

Na (°/oo)

1 2 3 4 5 6 7 9 12 14 15 17 18 19 20 21 22 23 25 26 28 29 30 31 33 39

GlacierAlfred Wegener

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0.8 0.7 0.7 0.8 1.0 0.9 0.7 1.4 1.8 5.2 5.3 6.9 5.9 1.6 1.5 7.7 7.4 2.2 5.4 3.2 3.6 3.2 3.6 3.3 1.6 5.8

-0.099 0.071 0.060 0.076 0.059 0.108 0.079 0.105 0.420 2.033 8.926 9.101 9.731 9.731 5.252 7.351 8.401 9.451 8.451 9.171 9.451 8.751 8.751 4.902 6.686

Eau de fonte et torrent glaciaire

Fjord Quaumarujuk (profil vertical)

Fjord Quaumarujuk Baie de Melville Baie de Baffin Lancaster Sound Ddtroit de Barrow Ddtroit de James Ross Coronation Gulf

A180/~60/ SMOW --21.41 --21.49 --21.37 --21.04 --21.19 --21.16 --20.47 --20.92 --20.56 --21.70 --16.04 --2.49 --1.92 --1.31 --0.84 --9.85 --6.29 --1.07 --1.71 --1.63 --2.56 --2.17 --2.34 --2.07 --4.85 --5.95

L a m e r e t le d d t r o i t d'Iberville Les c i n q u a n t e p o p u l a t i o n s fossiles analys~es, d o n t les ~ges s ' ~ c h e l o n n e n t de 7 2 2 0 B.P. ~ l ' A c t u e l ( T a b l e a u I e t Fig.17), o n t livr~ des c o m p o s i t i o n s i s o t o p i q u e s 5180 s y s t ~ m a t i q u e m e n t positives. Ceci indique la persistance de c o n d i t i o n s de salinit~ r e l a t i v e m e n t ~lev~e au c o u r s de l'Holoc~ne. T o u t e f o i s , o n d6cSle t o u j o u r s , dans c h a c u n des sites, u n l~ger a p p a u v r i s s e m e n t en i s o t o p e l o u r d des faunes les plus littorales ( M y t i l u s edulis, Hiatella arctica, A s t a r t e m o n t a g u i ) par c o m p a r a i s o n ~ celles d ' e a u x plus p r o f o n d e s ( M y a truncata, M a c o m a calcarea . . . . ). Des eaux m o i n s salves se s o n t d o n c maint e n u e s en surface des bassins. Q u e l ' o n s'int~resse ~ u n e esp~ce d6termin~e (par e x e m p l e M y a truncata typica) ou ~ l ' e n s e m b l e des c o m m u n a u t ~ s , o n n o t e des variations de t e n e u r en 180, dans le t e m p s (Fig.17). Elles refl~tent u n ~pisode l~g~rement saum~tre de 7 0 0 0 ~ 6 0 0 0 B.P. ( - - 1 . 5 % o par r a p p o r t la salinit6 m o y e n n e actuelle), q u e n o u s serions tent~s d ' a s s o c i e r ~ la d~-

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Fig.16. R e l a t i o n lin~aire e n t r e la salinit4 et la t e n e u r e n 1sO des e a u x d e r A r c t i q u e et d u Grognland occidental. Fig.16. L i n e a r r e l a t i o n s h i p salinity--~ ~80 of t h e E a s t e r n Arctic a n d west G r e e n l a n d coastal waters.

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Fig.17. Evolution des compositions isotopiques des f.aunes et de l'eau dans la Met et le D~troit d'Iberville depuis la d~glaciation. Interpr~t~ en fonction du module de m~lange des eaux arctiques, l'enrichissement en 180 observ~ vers 3000--4000 B.P. refl~te une augmentation de la salinit~ de l'ordre de 2%0 par rapport & celle qui existait lots de la d~glaciation. F i g . 1 7 . Changes o f i s o t o p i c c o m p o s i t i o n o f t h e fauna and w a t e r in the Iberville Sea and Strait since the deglaciation. W h e n c o m p a r e d to that during the deglaciation, the enrichm e n t in 180 at ca. 4 0 0 0 - - 3 0 0 0 B.P. c o u l d reflect a 2%o increase o f salinity.

105 charge considerable d'eau de fonte, ~ partir de la calotte du NouveauQuebec alors en voie de disparition. Les faunes dat~es entre 4000 et 3000 B.P. ont des teneurs m o y e n n e s en 180 plus ~leve~s. I1 ne semble pas qu'une variation thermique soit ~ l'origine de cet enrichissement; en effet, il apparaft aussi bien chez les esp~ces d'eaux profondes, off la temperature varie peu autour de 0°C, que chez les esp~ces plus superficielles. Nous attribuerions plut5t cet enrichissement ~ une l~g~re augmentation de la composition isotopique de l'eau, au cours de cette p~riode, li~e ~ une salinit~ plus ~lev~e ( - 2 % 0 de plus que vet's 7000--6000 B.P. et ~1°/oo de plus qu'aujourd'hui). Rappelons qu'Andrew~ (1973) avait not~ une variation similaire des eaux de l'Aretique, au cours de la m~me p~riode. Nous avons d'autre part relev~ (cf. Hillaire-Marcel, 1980) des variations dans les taux de croissance et la distribution latitudinale de plusieurs esp6ces. Ces divers indices eoncordent et laissent croire ~ des changements hydrologiques qui auraient affect~ l'ensemble des mers septentrionales vers 4000 B.P. Enfin, on peut souligner le fait que ees fluctuations halines restent en de~a du domaine actuel de variation des salinit~s dans les milieux arctiques ouverts (28--34%0).

La Mer de Tyrrell Les terrasses argileuses de la Grande Rivi~re de la Baleine (Fig.l) repr~sentent environ 6000 ans de s~dimentation (cf. Hillaire-Marcel, 1976). Les compositions isotopiques des faunes fossiles refl~tent une l~g~re ~volution du rapport 180/160 de l'eau, dans la mesure off l'on peut admettre des temp& ratures stables et proches de 0°C puisqu'il s'agit de faunes de profondeur. Ainsi, aussit5t apr~s la d~glaciation, l'effet des eaux de fonte se fit apparemment sentir m~me en grande profondeur, puisque un l~ger d~ficit en 180 est perceptible (Fig.18 et Tableau VII). Tr~s rapidement, les eaux atteignirent une salinit~ relativement ~lev~e, puisque les teneurs en 180 des faunes se rapprochent de l'~quilibre avec l'eau oc~anique moyenne, ~ 0°C. Des valeurs de l'ordre de + 3 ~ + 3.5°/°° s'observent en effet pour l'oxyg~ne des coquilles. Ce qui repr~senterait une salinit~ proche de 32°/oo. Vers le sommet de la s~quence argileuse, on relive une tendance t~nue, mais r~guli~re, ~ un appauvrissement isotopique. En l'absence d'~ges precis pour les niveaux fossilif~res successifs, on ne peut que sugg~rer une parent~ entre l'augmentation des salinit~s de la Mer d'Iberville, vers 4000--3000 B.P., et l'optimum relev~ dans les faunes de la Grande Rivi~re de la Baleine. Cet o p t i m u m aurait ~t~ cependant moins prononc~ dans la Mer de Tyrrell. Exemple de variations annuelles des compositions isotopiques des faunes et relation salinitd--taux de croissance Lorsqu'on analyse les stries de croissance d'une esp~ce, on constate que, d'une annie ~ l'autre, les compositions isotopiques moyennes variaient consid~rablement. L'exemple d'une valve de Mya arenaria, provenant de d~p6ts littoraux de la Mer de Champlain, le prouve (Fig.19). Comme on peut

106

Fig.18. Compositions isotopiques des faunes (1--41) et des concretions calcaires (I--XI) de la haute terrasse de la Grande Rivi~re de la Baleine. Fig.18. Isotopic changes in carbonate nodules (I--XI) and fossil shells (1--41) from base to top of the higher terrace of the Great Whale River.

supposer que, sur une aussi br~ve p~riode, la composition isotopique de l'eau fut stable, on peut voir un effet thermique, dans ces variations isotopiques. En effet, cette population a ~t~ dat~e ~ 10 300 B.P. L'inlandsis laurentidien avait quitt~ le domaine champlainien ~ ce m o m e n t 1~. De surcroi't, cette faune vivait dans un r~seau d'nes, au coeur de la met. Les apports d'eaux de fonte s'~tant amenuis~s, la composition isotopique de l'eau ne variait probablement pas d'une a n n i e sur l'autre. Si l'on attribue la composition isotopique la plus ~lev~e, observ~e dans une des stries, ~ la plus basse temperature de croissance que l'esp~ce puisse

107 TABLEAU VII Composition isotopiques des faunes (essentiellement Macoma calcarea) des argiles tyrrelliennes de la Grande Rividre de la Baleine; la coupe 6chantillonn6e repr6sente environ 6000 ans de s6dimentation ( - 8000 ~ ~ 2000 B.P.) (1 = base ; 43 = sommet) Echantillon No.

~'sO

~~3C

1 2 3 4 5 6 7 8

2.66 2.80 2.87 2.91 2.70 2.45 3.11 2.86

-1.23 --1.29 --1.34 --1.75 0.34 --0.87 --0.95 0.13

10 11 12 13 15 16

3.20 3.53 3.18 2.35 2.51 2.18

--1.25 --0.96 --0.49 0.72 0.07 --0.82

18 19 20 21 22 32 35 36 37 38 39 41

2.73 3.00 3.45 2.71 2.53 3.06 2.65 2.63 2.69 2.50 2.59

--1.55 --1.67 1.57 0.67 --1.29 0.80 1.02 0.45 0.17 0.91 0.14 1.42

43

-2.45

0.80

tol6rer, c'est-~-dire 4°C, on p e u t en c o n c l u r e q u e les t e m p e r a t u r e s estivales moyennes variaient, d a n s ce cas, d e 6 ~ 12°C. I1 est p r o b a b l e q u e le m o m e n t de l ' a n n 6 e off se faisait la d~b~cle j o u a i t u n r51e consid6rable. A titre d ' e x e m p l e , o n p e u t signaler q u ' a c t u e l l e m e n t , ~ l ' e s t de la Baie d ' H u d s o n , la p 6 r i o d e d ' e a u libre varie de 150 ~ 2 0 0 jours. D e surcroi't, sous l ' e f f e t du vent, les glaces, m ~ m e s r o m p u e s , p e u v e n t s ' a c c u m u l e r d a n s c e r t a i n e s baies. I1 est f r e q u e n t , p a r e x e m p l e , d ' o b s e r v e r des glaces f l o t t a n t e s fin juin o u d ~ b u t juillet, sur le l i t t o r a l o r i e n t a l de la Baie d ' H u d s o n . Le r 6 c h a u f f e m e n t des e a u x est alors tr~s limit~. D a n s le cas des Mya arenaria de la Mer d e C h a m p lain, on c o n ~ o i t q u e c e t t e variable ait eu u n e i n f l u e n c e c o n s i d e r a b l e sur le d ~ v e l o p p e m e n t larvaire q u i exige des t e m p e r a t u r e s r e l a t i v e m e n t ~lev6es. D a n s l ' e x e m p l e q u e n o u s a v o n s choisi, n o u s v o y o n s q u e les trois derni~res ann6es de c r o i s s a n c e c o r r e s p o n d e n t ~ des t e m p e r a t u r e s m o y e n n e s estivales

/

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4.6

~1~

21.6

3

26.8

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5.2

4

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2.5

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29.3

5

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17

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52.7

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-

TEHP.

~12

54

12 ~n~

Fig.19. Seasonal variations o f the laO c o n t e n t and growth rate o f a single Mya arenaria valve (Champlain Sea).

Fig.19. Variations saisonni~res de la c o m p o s i t i o n isotopique et du taux de croissance d'une valve de Mya arenaria (mer de Champlain).

-I0

L°eO/PD B

~I3c/PD¢

5.95

11.05

'

11.05

mn

Longueur mn

Tau× c r .

] an

A(;E

0 O0

109

inf6rieures ~ 8°C. II est probable que ces ann6es 1~, la Ynortalit6 larvaire fut particuli~rement ~lev6e. Les successions de g6n6rations d'in~gales importance, que l'on observe dans les histogrammes des tailles de la plupart des Mollusques thermophiles, s'expliqueraient ainsi. Le second exemple est celui d'une valve de Mytilus edulis, provenant des d~pSts tyrrelliens de l'est de la Baie de James. Bien qu'un peu moins ~tal~es, les compositions isotopiques moyennes des anneaux de croissance indiquent 6galement des variations hydrologiques (Fig.20). Nous sommes tent6 de voir, ici encore, un effet thermique; mais nous ne pouvons 6carter totalement la possibilit6 qu'il y ait eu des variations de composition isotopique de l'eau. Cette population fossile a v6cu au m o m e n t o~ la calotte du NouveauQu6bec, au contact de la Met de Tyrrell, lib6rait d'6normes quantitfis d'eau de fonte au cours de l'6t6. Dans la mesure o6 le taux d'ablation glaciaire rut irr6gulier, la dilution, et donc la composition isotopique des eaux de surface, variaient probablement d'une ann6e h l'autre. Si tel n'6tait pas le cas, les variations de rapport 180/'60 du specimen analys6 repr6senteraient des oscillations thermiques de l'ordre de + 2°C. Enfin, les compositions isotopiques de Mya truncata typica, provenant de faunes de plusieurs bassins post-glaciaires, ont 6t6 compar6s aux taux de croissance respectifs des sp6cimens de chacun des sites 6chantillonn6s (Tableau VIII). Baignant dans des eaux dont la temp6rature variait peu autour de 0°C, les coquilles de Mya truncata refl~tent, dans leur teneur en

AGE Longueur

(mm)

Taux cr.

(mm)

17

61 3 C/PDB

1 sO/PD B

1 A

2 A

3 •

4 A

5 •

6 A

7 A

17

18

25

29

34

38

41

8 ans A

42

(i)

7

4

5

4

3

2

O. 4

-0.75

-0.85

0.05

-1.05

-0.74

-0.50

-1.25

-2.43

-2.78

-1.92

-2.27

-1.82

-2.49

-2.60

-2.06

-3 | -0-

I SO/PD B -2

•

• -0~1

-0-

Fig.20. Variations annuelles des compositions isotopiques d'une valve de Mytilus edulis (Met de Tyrrell). Fig.20. Annual variations of the 180 content of a single Mytilus edulis valve (Tyrrell Sea).

Met de G o l d t h w a i t Met de Champlain Met de Champlain Met d'Iberville Met de Tyrrell Mer de Tyrrell Golfe du St.-Laurent Bale d ' H u d s o n

(S.30) (ST) (SN.1) (DI.3-6a) (PDB.14-6) (PDB.6) (S.1) (R.16)

0.44 0.44 0.28 0.45 0.26 0.26 0.41 0.36

T a u x de croissance (mm/an) 0.44 1.4 1.7 1.25 2.17 --2.5

613C/PDB (°/oo) 2.3 0.45 2.1 1.12 2.9 --1.75

~ IsO/PDB (% o) 1'668 1277 1271 1523 1293 1273 1270 2335 (?)

Sr (ppm)

Taux de croissance, c o m p o s i t i o n i s o t o p i q u e et teneurs en Sr et Mg de Mya truncata dans l ' e n s e m b l e des bassins matins

T A B L E A U VIII

87 125 127 84 184

183 110

(ppm)

Mg

111 180, des dilutions diff~rentes; les salinit~s correspondantes s'~chelonnant de 30%0 (Mer de Champlain) ~ 33°/o° (Mer de Tyrrell). I1 ne semble pas que l'espSce ait ~t~ sensible ~ d'aussi l~gers gradients de salinitY, puisqu'on n'observe aucune relation syst~matique avec les taux de croissance. Les irr~gularit~s que l'on note, dans ces derniers, sont plus probablement li~es des apports nutritifs variables. Le probldme du I~C

Bien que l'on note, dans les bassins les plus saum~tres, une tendance un d~ficit en carbone lourd, on ne peut ~tablir une relation syst~matique entre le rapport 13C/~2C des carbonates et la salinitY, contrairement ~ ce que l'on observe dans la plupart des milieux ~picontinentaux (Mook, 1971). C'est surtout la production in situ de CO2 biog~ne qui contribua ~ appauvrir en ~3C les carbonates. Ceci est particuli~rement frappant chez les espSces endobenthoniques. La d6gradation de la matiSre organique, contenue dans le s~diment, devait en effet apporter une grande quantit~ de CO2 d~ficitaire en 13C. AinsiMacoma balthica pr~sente-t-elle un rapport 13C/~2C syst~matiquement inf6rieur ~ celui des esp~ces voisines de l'~pibenthos, dans tous les 6chantillonnages de la Mer de Champlain (Tableau I). La mSme remarque s'applique ~ Portlandia arctica qui, par exemple ~ la Gabelle, site off Balanus hameri entrait dans le bioc~nose (Tableau I), pr~sente un d~ficit en ~3C de --2.4°/°° par rapport ~ ce dernier. Comme toutes les esp~ces que nous avons analys~es sont benthoniques, il faut s'attendre ~ une variabilit~ considerable du rapport ~3C/~2C, dans la mesure off la productivit~ biologique de CO2, la surface et ~ l'int~rieur du s~diment, put elle-mSme fluctuer. I1 suffit d'examiner les compositions isotopiques des faunes des argiles tyrrelliennes, dans la Grande RiviSre de la Baleine, pour constater qu'en un m~me lieu, le m~lange CO2 organique--CO2 inorganique fut trSs variable (Tableau VII). I1 serait donc tout ~ fait irr~aliste d'utiliser le rapport ~3C/~2C c o m m e indicateur des pal~osalinit~s et, ~ plus forte raison, des pal~otemp~ratures, dans ces mers 6picontinentales post-glaciaires. Avec quelques precautions, on peut cependant ~valeur l'influence du facteur de continentalit6, sur le rapport ~3C/12C des faunes, dans les bassins ferm~s. Un exempie d'interpr~tation, pour la Mer de Champlain, est donn~ sur la Fig.21: un gradient vertical apparai't effectivement lorsqu'on examine les teneurs en ~3C des seules espSces de l'~pibenthos. LES ANOMALIES CHRONOLOGIQUES Un certain nombre d'anomalies radiochronologiques existent dans les datations des faunes des bassins marins post-glaciaires. Nous ne saurions pr~tendre traiter le problSme du 14C dans les mers ~picontinentales froides; mais ~ la lumi~re des travaux consacr~s ~ ce sujet, nous voudrions ~valuer l'incidence des donn~es hydrologiques et isotopiques obtenues sur l'activit~

112

F

_Mya arenoria (Sables de plage) +1

I

t_~.

+ ,Zo/~

I

I 6~C/PDB

IVlacorno//'~'@~'x~ ~yti/u~edu/~s"\ \ ca~cite =

--/

\

araoon]~e

®N

E n d o b e n ~ o ~ Ba_a/onu,cre~oto~ si/to -orgi/eex ~ Mocorna

x\

~ Ba/anu5 crenatu5 I ~1 --o,:agonite

\,~ ~

Hiatella arctica \ (~piben~hos) \

\ \ \

~

30-

\ \ \

[ ~ M_]o truncoto t.ypic__~o (5~d/ment5 9ros51er~) arc--2~

@ Vo&ur observge. ~/oleur corr]~de pour /es • coqui//es ca/c~b~ues

4o-

\ 5om

Vo/eur Qnormo/e r~

C ~I ca cite)

Voleur repr~en~at)ve du proD/ Vertical

"CO~/~CO~ de l'eau.

[~ ~

Boloous homem = orogom~e (dpib~;o/:hos)

I

PROFONDEUR

Fig.21. Distribution verticale des assemblages de la Mer de Champlain (65 populations) et essai d'interpr~tation des variations du rapport 13C/'2C. Si l'on exclut les communaut~s de l'endobenthos, o~ la production biologique de CO~ l~ger ~tait importante, les autres assemblages se disposent sur une courbe indiquant u n d~ficit en ~3C dans les eaux saumfitres de surface. Les compositions 13C/~2C des faunes calcitique ont dt~ ramen~es l'~quivalent aragonitique. Fig.21. Average vertical distribution of the communities in the Champlain Sea basin (65 populations) and ~3C content of the shells. Endobenthic communities show a systematic depletion in 13C, related to the in situ biogenic production of CO2. The epibenthic communities reflect the continental input of CO~.

du 14C dans l'eau et dans le CaCO3 des faunes. Cette influence peut ~tre sensible, h plusieurs niveaux, dans la s~rie des variables responsables des ~carts entre les figes 14C des faunes et les figes sid~raux correspondants (Fig.22). I1 parai't donc utile de les distinguer.

113 ACTIVIT~ 14C DE P~£FER~CE ( a r b r e s , O ~

~1

14

~

1--

14

~ACTIVITff CELLULOSE (au tempi t )

A

~ ~CTlVIrE"DES 6,

r ~ e n l ; ¢ i 195D)

ACTlVIT~ l~c A~NOSP~Z~I~UE ~U TF~PS t

/

~/

(It: 19" ~ l ~ c l e ,

c (exc~s ou d~flclt de 14C 8tmo~ph~rlqu e ~u temp~ t)

c

13

. . . . . . °,oo

~ u x DE S~RFACE

~f~t d e s e a u x foss~l,~)

ACTIVIT{ DES EAUX PROFONDES

~

6 , l~c = 50 • 2 *13c = 5 0 ± 6 ° 1 o o I tact~onnement b t o l o g i q u e de 1 ' a n i m a l ACTIVIT~ CaCO3 COQUII,LE

( temps ~ )

~=

A 4 . e~t

ACTIVITE ~£$UREE

/-%4 _~

~

~_~

Fig.22. Cheminement du t4C et fractionnements isotopiques compares dans les 6chantillons marins et continentaux. Fig.22. Pathway and isotopic fractionation of 14C compared in the marine and continental samples.

L '6quilibre isotopique du ~4C dans les bassins Contrairement aux latitudes moyennes, oh le transfert du CO2 produit dans l'atmosph~re se fait rapidement, aussi bien dans les eaux de surface, qu'en profondeur (Gulliksen et al., 1972), les eaux des hautes latitudes semblent s'6quilibrer plus lentement (Wilkomm et Erlenkeuser, 1972; Mangerud et Gulliksen, 1975). Plusieurs facteurs peuvent intervenir: (1) L'eau de surface est isol6e de l'atmosph~re, par les glaces, au cours d'une grande partie de l'ann6e; l'6quilibre du '4CO2 peut ne pas ~tre r6alis6 et se traduire par un 16get d6ficit en '4C dans l'eau. I1 est probable, cependant, que l'amplitude de ce d6s6quilibre, s'il existe, est faible. (2) Le m61ange des eaux saum~tres superficielles, avec les eaux profondes plus sal6es, est incomplet. Le transfert du 14C des unes aux autres peut ~tre perturb6 par cette stratification. (3) Les eaux profondes d'origine oc6anique "vieillissent" au cours de leur cheminement, du fait de la d6croissance radioactive du ~4C. Appliqu6es aux mers post-glaciaires du Qu6bec, ces observations nous inciteraient ~ distinguer les eaux profondes, probablement d6ficitaires en 14C, des eaux de surface d o n t on ignore le d6ficit 6ventuel. Inversement, l'isolement et l'appauvrissement en 14C des eaux profondes peut diminuer tr~s Mg~rement l'effet d'inertie de la r6serve en ~4C de l'eau, sur les variations secondaires de la production du ~4C atmosph6rique. En d'autres termes, il est possible qu'une variation de deuxi6me ordre du 14C atmosph6rique puisse se faire

114 sentir dans les eaux de surface, insuffisamment ~quilibr~es par le r~servoir profond de ~C. T o u s l e s autres facteurs touchant ~ l'~quilibre du ~C dans les eaux de surface, comme les variations thermiques entre p~riodes chaudes ou froides, ou l'effet des fluctuations annuelles de la temperature de l'eau, peuvent ~tre automatiquement corrig~s par la normalisation isotopique (Broecker et Olson, 1959, 1961).

Importance du domaine bathymdtrique des faunes Les variables ~num~r~es, ci-dessus, d~montrent l'importance de bien connaftre le domaine bathym~trique occup~ par les faunes dat~es. Une population de Mya arenaria, pr~lev~e en position de vie dans une plage soulev~e autrefois ~ la limite de battement des mar~es, peut donner un ~ge ~4C apparent normalis~ conforme ~ l'activit~ du 14C atmosph~rique du moment. Inversement, une population de Balanus hameri, recueillie dans un facies indiquant une plus grande profondeur (de l'ordre de 50 m, par exemple), livrera, en fait, l'~ge ~4C des eaux plus ou moins "fossiles" o~ eUe vivait. Or, l'amplitude de ce vieillissement apparent atteindrait 600 + 200 ans d'apr~s Mangerud et Gulliksen (1975). Ce qui revient dire que deux populations contemporaines peuvent livrer des ~ges contradictoires, dont la difference exc~derait largement les erreurs de comptage de la m~thode du '4C. Lowdon et Blake (1975) d~montrent, ~ propos de datations obtenues sur des ~chantillons de la Mer de Champlain, l'importance des ~carts chronologiques: des ages de 11 300 + 140 ans B.P. (GSC-1805), 10 700 + 210 (QU-75) et 9810 + 110 (GSC-1941), ont ~t~ obtenus sur des ~chantillonnages effectu~s dans le m~me site. Cette difference de 1500 ans exc~de largement la p~riode de raise en place du s~diment englobant (cf. Hillaire-Marcel, 1979a). Notons ~ propos de ces datations, que l'~ge apparent le plus ~lev~ (11 300 ans) a ~t~ obtenu ~ partir de Balanus hameri, esp~ce d'eau profonde, tandis que les plus jeunes (10 700 et 9810 ans) proviennent de Hiatella arctica, esp~ce plus littorale (~15 m), pour laquelle, d'ailleurs, l'~ge le plus ancien (10 700 ans) est celui d'un ~chantillonnage effectu~ dans des s~diments glacio-marins fins, plus profonds que ceux du deuxi~me ~chantillonnage. Cette interpretation est confirm~e par les donn~es isotopiques ~O/160 (Tableau I, site de Sainte-Th~r~se).

Le fractionnement isotopique dfi d l'animal La s~cr~tion du CaCO3, ~ partir des formes ioniques HCO~, CO~-, induit un enrichissement en 13C de quelques °/oo, d~pendant ~videmment de la temperature d'~quilibre. La mesure du fractionnement 14C/12C est d'un acc~s difficile, mais il a ~t~ d~montr~ (Craig, 1953, 1957; Rafter, 1955; Broecker et Olson, 1959, 1961) que le fractionnement 14C/12C ~tait le double de celui que l'on observait sur le 13C/12C. Broecker et Olson (1959,

115 1961) ont ainsi propos~ une normalisation isotopique de l'activit~ du ~4C mesur~ sur un ~chantillon. Cette normalisation isotopique suppose la connaissance de l'~ge r~el de l'~chantillon. Toutefois, pour des fins de comparaison des "~ges-coquilles" avec des donn~es continentales, on peut effectuer une normalisation isotopique partielle en ramenant l'activit~ du 14C des coquilles, ~ celle qu'elles devraient avoir si leur ~3C ~tait ~gal ~ --25%0, m o y e n n e des arbres du XIXe si~cle, pris c o m m e r~f~rence ~ travers l'acide oxalique du NBS, utilis~ c o m m e standard pour le '4C (Broecker et Olson, 1959). Comme dans la plupart des cas, le 5~3C des coquilles marines est voisin de 0 + 3%0, les ~ges apparents, dus ~ l'enrichissement des coquilles en isotope lourd par comparaison aux arbres, sont de l'ordre de 410 + 50 ans. Les donn~es publi~es par Mangerud et Gulliksen (1975) indiquent que l'effet du vieillissement des eaux, se traduisant par des anomalies chronologiques de 600 + 200 ans dans les faunes des mers septentrionales, peut compenser et m~me exc~der l'effet du fractionnement biologique; par consequent, les ~ges apparents, mesur~s sur les coquilles, peuvent ~tre proches des ~ges r~els, sinon les d~passer, compte tenu de l'activit~ du ~4C atmosph~rique du moment. En pratique, il est souhaitable de signaler les datations ~4C des faunes marines sans aucune normalisation et de les consid~rer c o m m e des "~ges ~4C--coquilles de mers arctiques", avec les incertitudes que cel~ implique. L e s autres sources d ' a n o m a l i e s r a d i o c h r o n o l o g i q u e s

Certains bras de mers isol~s purent presenter des particularit~s g~ochimiques. Nous n'en donnerons qu'un exemple, celui de la Mer de Champlain occidentale. Au nord d'Ottawa, des ~ges de l'ordre 12 800 B.P. ont ~t~ obtenus sur des faunes champlainiennes (Richard, 1974; Romanelli, 1975). Si l'on se rappelle que l'ouverture du D~troit de Qu~bec--Montmagny, qui permit aux eaux marines d'envahir les Basses Terres du Saint-Laurent, eut lieu au plus tSt vers 12 500 B.P. (Hillaire-Marcel et Occhietti, 1977), on peut conclure que le bassin oriental pr~sentait un d~ficit en 14C. Or, c'est dans cette m~me r~gion que l'on observe des concretions sous-glaciaires, en bordure des Laurentides. Le glacier ayant chevauch~ plusieurs affleurements de marbres pr~cambriens, on peut supposer que les eaux de fonte contenaient une certaine quantit~ de carbone mort (cf. Hillaire-Marcel et al., 1979). Une tr~s faible contribution de ces carbonates dissous put donc suffire pour donner un ~Lgeapparent aux eaux de la Mer de Champlain. CONCLUSION Les compositions isotopiques des faunes et des s~diments d~finissent assez bien les caract~ristiques hydrologiques des diff~rents bassins. Des modules de m~lange d'eaux oc~anique et glaciaire permettent de d~celer des gradients de salinit~ dans l'espace et dans le temps.

116

Les mers bordi~res actuelles succ~dent, pratiquement sans variations importantes de salinit~ et de temperature, aux mers de Goldthwait, d~Iber ville et de Tyrrell. Des eaux l~g~rement plus saum~tres se sont maintenues la surface, sans grand changement depuis la d~glaciation. L'exondation, provoqude par le rajustement isostatique, s'accompagna donc localement de variations halines et thermiques: la s~dimentation s'effectuait dans des eaux de plus en plus saum~tres et dont la temperature m o y e n n e s'~levait gradueUement. Dans les bassins septentrionaux, on relive cependant un tr~s l~ger o p t i m u m halin au cours de l'Holoc~ne. Les bassins ferm~s et ~ph~m~res, Met de Champlain et Golfe de Laflamme, ont ~volu~ de faqon similaire, bien que leurs bilans hydrologiques aient ~t~ diff~rents: les courants de provenance oc~anique maintinrent une salinit~ relativement ~lev~e en profondeur, tandis que les eaux de fonte de la glace dilu~rent fortement les eaux de surface. L'~quilibre isotopique de ces bassins, rant du point de vue des isotopes stables que du 14C, se distingue de celui qui pr~vaut dans les milieux oc~aniques ouverts. Les modules g~ochimiques courants, qu'il s'agisse des pal~otemperatures isotopiques ou de l'interpr~tation des ~ges 14C, ne peuvent y ~tre appliques directement. On observe toutefois une relation lin~aire entre la salinit~ et la composition isotopique 180/160 de l'eau, calcul~e partir de celle des carbonates. La g~ochimie du carbone est plus d~licate. La productivit~ biologique in situ de CO2 entrai'ne de larges variations des compositions 13C/~2C des carbonates, ind~pendantes de l'influence continentale directe. D'un point de vue stratigraphique, les variations des compositions 180/ 160 et ~3C/1~C des faunes, dans un site d~termin~, ne traduisent pas forc~ment des oscillations climatiques ou des variations hydrologiques d'ensemble de la met, mais simplement la diminution de profondeur du bassin. Ce m~me ph~nom~ne peut ~tre responsable d'anomalies radiochronologiques. En l'absence de donn~es pr~cises sur l'amplitude et la persistance de ces anomalies, il paraft souhaitable de n'accorder qu'une valeur indicative aux datations au ~aC isol~es. REMERCIEMENTS Ce travail a ~t~ grandement facilit~ par l'aide que m ' o n t apport~e Odette Carro, pour les analyses isotopiques, Michelle Laithier, pour les illustrations et Pierre B~dard, pour les ~chantillonnages au cours de la croisi~re 1977 du J. E. B e r n i e r II. Je les remercie tr~s sinc~rement. Les recherches ont ~t~ subventionndes par le Minist~re de l'Education du Quebec et par le Conseil National de Recherche du Canada. Enfin, la version originale de ce manuscrit a dt~ critiqu~e par le Pr. Jean-Charles Fontes (Univ. de Paris-sud); ses judicieuses remarques apparaissent dans la pr~sente version. Qu'il trouve, ici, l'expression de ma gratitude.

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