Francoisite-(Ce), a new mineral species from La Creusaz uranium deposit (Valais, Switzerland) and from Radium Ridge (Flinders Ranges, South Australia): Description and genesis

The new mineral francoisite-(Ce), (Ce,Nd,Ca)[(UO(2))(3)O(OH)(PO(4))(2)]center dot 6H(2)O is the Ce-analog of francoisite-(Nd). It has been discovered simultaneously at the La Creusaz uranium deposit near Les Marecottes in Valais, Switzerland, and at the Number 2 uranium Workings, Radium Ridge near Mt. Painter, Arkaroola area, Northern Flinders Ranges in South Australia. Francoisite-(Ce) is a uranyl-bearing supergene mineral that results from the alteration under oxidative conditions of REE- and U(4+)-bearing hypogene minerals: allanite-(Ce), monazite-(Ce), +/- uraninite at Les Marecottes; monazite-(Ce), ishikawaite-samarskite, and an unknown primary U-mineral at Radium Ridge. The REE composition of francoisite-(Ce) results from a short aqueous transport of REE leached out of primary minerals [most likely monazite-(Ce) at Radium Ridge and allanite-(Ce) at La Creusaz], with fractionation among REE resulting mainly from aqueous transport, with only limited Ce loss due to oxidation to Ce(4+) during transport.

Bitumens in the late Variscan hydrothermal vein-type uranium deposit of Pribram, Czech Republic: Sources, radiation-induced alteration, and relation to mineralization

The late Variscan (275-278 Ma) Pribram uranium deposit is one of the largest known accumulations of uraniferous bitumens in hydrothermal veins. The deposit extends along the northwestern boundary of the Central Bohemian pluton (345-335 Ma) with low-grade metamorphosed Late Proterozoic and unmetamorphosed Cambrian rocks. From a net uranium production of 41,742 metric tons (t), more than 6,000 t were extracted from bitumen-uraninite ores during 43 years of exploration and mining. Three morphological varieties of solid bitumen are recognized: globular, asphaltlike, and cokelike. While the globular bitumen is uranium free, the other two types are uraniferous. The amount of bitumen in ore veins gradually decreases toward the contact with the plutonic body and increases with depth. Two types of bitumen microtextures are recognized using high-resolution transmission electron microscopy: amorphous and microporous, the former being less common in uraniferous samples. A lower Raman peak area ratio (1,360/1,575 cm(-1)) in mineralized bitumens (0.9) compared with uranium-free samples (2.0) indicates a lower degree of microtextural organization in the latter The H/C and O/C atomic ratios in uranium-free bitumens (0.9-1.1 and 0.09, respectively) are higher than those in mineralized samples (H/C = 0.3-0.8, O/C = 0.03-0.09). The chloroform extractable matter yield is Very low in uranium-free bitumens (0.30-0.35% of the total organic carbon,TOC) and decreases with uranium content increase. The extracted solid uraniferous bitumen infrared spectra show depletion in aliphatic CH2 and CH3 groups compared to uranium-free samples. The concentration of oxygen-bearing functional groups relative to aromatic bonds in the IR spectra of uranium-free and mineralized bitumen, however, do not differ significantly. C-13 NMR confirmed than the aromaticity of a uraniferous sample is higher (F-ar = 0.61) than in the uranium-free bitumen (F-ar = 0.51). Pyrolysates from uraniferous and nonuraniferous bitumens do not differ significantly, being predominantly cresol, alkylphenols, alkylbenzenes, and alkylnaphthalenes. The liquid pyrolysate yield decreases significantly with increasing uranium content. The delta(13)C Values of bulk uranium-free bitumens and low-grade uraniferous, asphaltlike bitumens range from -43.6 to 52.3 per mil. High-grade, cokelike, uraniferous bitumens are more C-13 depleted (54.5 to -58.4 parts per thousand). In contrast to the very light isotopic ratios of the high-grade uraniferous cokelike bitumen bulk carbon, the individual n-alkanes and isoprenoids (pristane and phytane) extracted from the same sample are significantly C-13 enriched. The isotopic composition of the C13-24 n-alkanes extracted from the high-grade uraniferous sample (delta(13)C = -28.0 to 32.6 parts per thousand) are heavier compared with the same compounds in a uranium-free sample (delta(13)C = 31.9 to 33.8 parts per thousand). It is proposed that the bitumen source was the isotopically light (delta(13)C = 35.8 to 30.2 parts per thousand) organic matter of the Upper Proterozoic host rocks that were pyrolyzed during intrusion of the Central Bohemian pluton. The C-13- depleted pyrolysates were mobilized from the innermost part of the contact-metamorphic aureole, accumulated in structural traps in less thermally influenced parts of the sedimentary complex and were later extracted by hydrothermal fluids. Bitumens at the Pribram deposit are younger than the main part of the uranium mineralization and were formed through water-washing and radiation-induced polymerization of both the gaseous and liquid pyrolysates. Direct evidence for pyrolysate reduction of uranium in the hydrothermal system is difficult to obtain as the chemical composition of the original organic fluid phase was modified during water-washing and radiolytic alteration. However, indirect evidence-e.g., higher O/C atomic ratios in uranium-free bitumens (0.1) relative to the Upper Proterozoic source rocks (0.02-0.05), isotopically very light carbon in associated whewellite (delta(13)C = 31.7 to -28.4 parts per thousand), and the striking absence of bitumens in the pre-uranium, hematite stage of the mineralization-indicates that oxidation of organic fluids may have contributed to lowering of aO(2) and uraninite precipitation.

Late Proterozoic thrust tectonics, high-pressure metamorphism and Uranium mineralization in the domes area, Lufilian arc, northwestern Zambia

The following main lithostratigraphic units have been distinguished in the Domes Area. The Kibaran basement complex composed of gneisses, migmatites with amphibolite bands and metagranites is exposed in dome structures; metamorphic features of Kibaran age have been almost completely obliterated by extensive Lufilian reactivation. The post-Kibaran cover sequence is subdivided into the Lower Roan Group consisting of well-preserved quartzites with high Mg content, talc-bearing, extremely foliated schists intercalated with pseudo-conglomerates of tectonic origin and the Upper Roan Group including dolomitic marbles with rare stromatolites, metapelites and a sequence of detrital metasediments, with local volcano-sedimentary components and interlayered banded ironstones. The sediments of the Lower Roan Group are interpreted as continental to lagoonal-evaporitic deposits partly converted into the talc-kyanite + garnet assemblage characteristic of ``white schists''. The dolomites and metapelites of the Upper Roan Group are attributed to a carbonate platform sequence progressively subsiding under terrigenous deposits, whilst the detrital metasediments and BIF may be interpreted as a basinal sequence, probably deposited on oceanic crust grading laterally into marbles. Metagabbros and metabasalts are considered as remnants of an ocean-floor-type crustal unit probably related to small basins. Alkaline stocks of Silurian age intruded the post-Kibaran cover. Significant ancestral tectonic discontinuities promoted the development of a nappe pile that underwent high-pressure metamorphism during the Lufilian orogeny and all lithostratigraphic units. Rb-Sr and K-Ar and U-Pb data indicate an age of 700 Ma for the highest grade metamorphism and 500 Ma for blocking of the K-Ar and Rb-Sr system in micas, corresponding to the time when the temperature dropped below 350-degrees-400-degrees-C and to an age of about 400 Ma for the emplacement of hypabyssal syenitic bodies. A first phase of crustal shortening by decoupling of basement and cover slices along shallow shear zones has been recognized. Fluid-rich tectonic slabs of cover sediments were thus able to transport fluids into the anhydrous metamorphic basement or mafic units. During the subsequent metamorphic re-equilibration stage of high pressure, pre-existing thrusts horizons were converted into recrystallized mylonites. Due to uplift, rocks were re-equilibrated into assemblages compatible with lower pressures and slightly lower temperatures. This stage occurs under a decompressional (nearly adiabatic) regime, with P(fluid) almost-equal-to P(lithostatic). It is accompanied by metasomatic development of minerals, activated by injection of hot fluids. New or reactivated shear zones and mylonitic belts were the preferred conduits of fluids. The most evident regional-scale effect of these processes is the intense metasomatic scapolitization of formerly plagioclase-rich lithologies. Uraninite mineralization can probably be assigned to the beginning of the decompressional stage. A third regional deformation phase characterized by open folds and local foliation is not accompanied by significant growth of new minerals. However, pitchblende mineralization can be ascribed to this phase as late-stage, short-range remobilization of previously existing deposits. Finally, shallow alkaline massifs were emplaced when the level of the Domes Area now exposed was already subjected to exchange with meteoric circuits, activated by residual geothermal gradients generally related to intrusions or rifting. Most of the superficial U-showings with U-oxidation products were probably generated during this relatively recent phase.

Uranium-enrichment in soils and plants in the vicinity of a pitchblende vein at La Creusaz-Les Marecottes (W of Martigny, Valais, Switzerland)

In the NE part of the Aiguilles Rouges Massif near Martigny, at the eastern contact of the Variscan Vallorcine granite to adjacent gneisses, a series of pitchblende (UO2)-veins occur. This paper determines the level of enrichment and mobility of uranium in soils situated in the vicinity of such a UO2-vein 7 km west of Martigny. Within an area of 50 x 100 m, situated on a relatively steep slope and characterized by a strong gramma-ray anomaly, six soil profiles including their plant cover and a reference soil profile outside the influence of the UO2-vein have been examined. The soil shows pH-values between 4 and 5 and is colluvial. The applied analytical methods for the metal contents include extraction methods, common for soil studies, and bulk analysis performed with X-ray fluorescence and ICP-MS. Uranium contents found in the uppermost 20 cm of the soil profiles vary from 2,500 ppm close to the vein to 15 ppm at the lowermost point of the study area. The reference soil has around 3 ppm uranium. At greater depth (20 to 40 cm) the U-content decreases to about half of the surface values, indicating a vertical transport of uranium within the soil profile. No systematic dependance of uranium-contents to grain size (amount of clay) nor to the amount of organic matter has been found. However, the good correlation between uranium and free iron oxide concentration suggests adsorption of uranium on iron oxy-hydroxides. The ashes of grass and mosses contain up to 90 ppm U, the blueberry and redwood only up to 3 ppm. Our observations suggest that at the surface the uranium is transported by downhill creep (solifluxion) of uranium-rich rock fragments. Liberated by oxidation of the uppermost fragments in a given soil column, the uranium migrates vertically until the conditions are favourable to adsorption onto Fe-oxy-hydroxides. However, as high U-contents of local surface water show, this adsorption does not lead to a significant retention of the uranium.

The sandstone-hosted Beverley uranium Deposit, Lake Frome Basin, South Australia: Mineralogy, geochemistry, and a time-constrained model for its genesis

The sandstone-hosted Beverley uranium deposit is located in terrestrial sediments in the Lake Frome basin in the North Flinders Ranges, South Australia. The deposit is 13 km from the U-rich Mesoproterozoic basement of the Mount Painter inlier, which is being uplifted 100 to 200 m above the basin by neotectonic activity that probably initiated in the early Pliocene. The mineralization was deposited mainly in organic matter-poor Miocene lacustrine sands and partly in the underlying reductive strata comprising organic matter-rich clays and silts. The bulk of the mineralization consists of coffinite and/or uraninite nodules, growing around Co-rich pyrite with an S isotope composition (delta S-34 = 1.0 +/- 0.3 parts per thousand), suggestive of an early diagenetic lacustrine origin. In contrast, authigenic sulfides in the bulk of the sediments have a negative S isotope signature (delta S-34 ranges from -26.2 to -35.5 parts per thousand), indicative of an origin via bacterially mediated sulfate reduction. Minor amounts of Zn-bearing native copper and native lead also support the presence of specific, reducing microenvironments in the ore zone. Small amounts of carnotite are associated with the coffinite ore and also occur beneath a paleosoil horizon overlying the uranium deposit. Provenance studies suggest that the host Miocene sediments were derived from the reworking of Early Cretaceous glacial or glaciolacustrine sediments ultimately derived from Paleozoic terranes in eastern Australia. In contrast, the overlying Pliocene strata were in part derived from the Mesoproterozoic basement inlier. Mass-balance and geochemical data confirm that granites of the Mount Painter domain were the ultimate source of U and BEE at Beverley. U-Pb dating of coffinite and carnotite suggest that the U mineralization is Pliocene (6.7-3.4 Ma). The suitability of the Beverley deposit for efficient mining via in situ leaching, and hence its economic value, are determined by the nature of the hosting sand unit, which provides the permeability and low reactivity required for high fluid flow and low chemical consumption. These favorable sedimentologic and geometrical features result from a complex conjunction of factors, including deposition in lacustrine shore environment, reworking of angular sands of glacial origin, deep Pliocene weathering, and proximity to an active fault exposing extremely U rich rocks.

Speciation of naturally-accumulated uranium in an organic-rich soil of an alpine region (Switzerland)

Very high concentrations of uranium (up to 4000 ppm) were found in a natural soil in the Dischma valley, an alpine region in the Grisons canton in Switzerland. The goal of this study was to examine the redox state and the nature of uranium binding in the soil matrix in order to understand the accumulation mechanism. Pore water profiles collected from Dischma soil revealed the establishment of anoxic conditions with increasing soil depth. A combination of chemical extraction methods and spectroscopy was applied to characterize the redox state and binding environment of uranium in the soil. Bicarbonate extraction under anoxic conditions released most of the uranium indicating that uranium occurs predominantly in the hexavalent form. Surprisingly, the uranium redox state did not vary greatly as a function of depth. X-ray absorption near edge spectroscopy (XANES), confirmed that uranium was present as a mixture of U(VI) and U(IV) with U(VI) dominating. Sequential extractions of soil samples showed that the dissolution of solid organic matter resulted in the simultaneous release of the majority of the soil uranium content (>95%). Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy also revealed that soil-associated uranium in the soil matrix was mainly octahedrally coordinated, with an average of 1.7 axial (at about 1.76 Å) and 4.6 to 5.3 equatorial oxygen atoms (at about 2.36 Å) indicating the dominance of a uranyl-like (UO22+) structure presumably mixed with some U(IV). An additional EXAFS signal (at about 3.2 Å) identified in some spectra suggested that uranium was also bound (via an oxygen atom) to a light element such as carbon, phosphorus or silicon. Gamma spectrometric measurements of soil profiles failed to identify uranium long-life daughter products in the soil which is an indication that uranium originates elsewhere and was transported to its current location by water. Finally, it was found that the release of uranium from the soil was significantly promoted at very low pH values (pH 2) and increased with increasing pH values (between pH 5 and 9).

Cleusonite, (Pb,Sr)(U4+,U6+)(Fe2+ Zn)2(Ti,Fe2+ Fe3+)18(O,OH)38, a new mineral species of the crichtonite group from the western Swiss Alps

Cleusonite, (Pb,Sr)(U4+,U6+) (Fe2+,Zn)(2) (Ti,Fe2+,Fe3+)(18) (O,OH)(38), is a new member of the crichtonite group. It was found at two occurrences in greenschist facies metamorphosed gneissic series of the Mont Fort and Siviez-Mischabel Nappes in Valais, Switzerland (Cleuson and Bella Tolla summit), and named after the type locality. It occurs as black opaque cm-sized tabular crystals with a bright sub-metallic lustre. The crystals consist of multiple rhombohedra and hexagonal prisms that are generally twinned. Measured density is 4.74(4) g/cm(3) and can be corrected to 4.93(12) g/cm(3) for macroscopic swelling due to radiation damage; the calculated density varies from 5.02(6) (untreated) to 5.27(5) (heat-treated crystals); the difference is related to the cell swelling due to the metamictisation. The empirical formula for cleusonite from Cleuson is (Pb0.89Sr0.12)(Sigma=1.01) (U0.79+4U0.30+6)(Sigma=1.09) (Fe1.91+2Zn0.09)(Sigma=2.00) (Ti11.80Fe3.44+2Fe2.33+3V0.19+5Mn0.08Al0.07)(Sigma=17.90) [O-35.37(OH)(2.63)](Sigma=38). Cations were measured by electron microprobe, the presence of structural (OH) was confirmed by infrared spectroscopy and the U6+/U4+ and Fe2+/Fe3+ ratios were determined by X-ray photoelectron spectroscopy. Cleusonite is partly metamict, and untreated crystals only show three major X-ray diffraction peaks. Because of this radiation-damaged state, the mineral appears optically isotropic and shows a light-grey to white colour in reflected polarized light. Cleusonite is trigonal, space group R $(3) over bar $, and unit-cell parameters are varying from a = 10.576(3), c = 21.325(5) angstrom (untreated crystal) to a = 10.4188(6), c = 20.942(1) angstrom (800 degrees C treatment) and to a = 10.385(2), c = 20.900(7) angstrom (1000 degrees C treatment). The three cells give a common axial ratio 2.01 (1), which is identical to the measured morphological one 2.04(6). ne name cleusonite also applies to the previously described ``uranium-rich senaite'' from Alinci (Macedonia) and the ``plumbodavidite'' from Huanglongpu (China).

U-Pb isotopic dating of fluid infiltration and metasomatism during Dalradian regional metamorphism in Connemara, western Ireland

A metasomatic diopside rock occurs at the top of the dolomitic Connemara Marble Formation of western Ireland and contains titanite and K-feldspar in addition to around 90% diopside (X(Mg) = 0.90-0.97). U-Pb isotopic measurements on this mineral assemblage show that the titanite is both unusually uranium-rich and isotopically concordant, with the result that a precise U-Pb age of 478 +/- 2.5 Ma can be determined. The age is identical within error to a less precise Rb-Sr age of diopside-K-feldspar of 483 +/- 6 Ma. Petrological evidence indicates that the assemblage crystallized at c. 620-degrees-C close to or below the closure temperature of titanite. The age thus provides a precise estimate of the time of metamorphism; this age is 11 +/- 3 Ma younger than the 490 Ma age for nearby gabbroic plutons which has previously been used to constrain the peak metamorphic age. This difference accords well with geological evidence that the gabbros were emplaced prior to the metamorphic peak. Analysis of minerals with high closure temperature from assemblages whose crystallization is unambiguously associated with a specific episode of fluid infiltration at the peak of metamorphism provides the basis for a new approach to dating metamorphism. The success of this approach is demonstrated by the results from Connemara.

Application of low temperature thermochronology to understanding cooling and exhumation in the Central Swiss Alps

THESIS ABSTRACT : Low-temperature thermochronology relies on application of radioisotopic systems whose closure temperatures are below temperatures at which the dated phases are formed. In that sense, the results are interpreted as "cooling ages" in contrast to "formation ages". Owing to the low closure-temperatures, it is possible to reconstruct exhumation and cooling paths of rocks during their residence at shallow levels of the crust, i.e. within first ~10 km of depth. Processes occurring at these shallow depths such as final exhumation, faulting and relief formation are fundamental for evolution of the mountain belts. This thesis aims at reconstructing the tectono-thermal history of the Aar massif in the Central Swiss Alps by means of zircon (U-Th)/He, apatite (U-Th)/He and apatite fission track thermochronology. The strategy involved acquisition of a large number of samples from a wide range of elevations in the deeply incised Lötschen valley and a nearby NEAT tunnel. This unique location allowed to precisely constrain timing, amount and mechanisms of exhumation of the main orographic feature of the Central Alps, evaluate the role of topography on the thermochronological record and test the impact of hydrothermal activity. Samples were collected from altitudes ranging between 650 and 3930 m and were grouped into five vertical profiles on the surface and one horizontal in the tunnel. Where possible, all three radiometric systems were applied to each sample. Zircon (U-Th)/He ages range from 5.1 to 9.4 Ma and are generally positively correlated with altitude. Age-elevation plots reveal a distinct break in slope, which translates into exhumation rate increasing from ~0.4 to ~3 km/Ma at 6 Ma. This acceleration is independently confirmed by increased cooling rates on the order of 100°C/Ma constrained on the basis of age differences between the zircon (U-Th)/He and the remaining systems. Apatite fission track data also plot on a steep age-elevation curve indicating rapid exhumation until the end of the Miocene. The 6 Ma event is interpreted as reflecting tectonically driven uplift of the Aar massif. The late Miocene timing implies that the increase of precipitation in the Pliocene did not trigger rapid exhumation in the Aar massif. The Messinian salinity crisis in the Mediterranean could not directly intensify erosion of the Aar but associated erosional output from the entire Alps may have tapered the orogenic wedge and caused reactivation of thrusting in the Aar massif. The high exhumation rates in the Messinian were followed by a decrease to ~1.3 km/Ma as evidenced by ~8 km of exhumation during last 6 Ma. The slowing of exhumation is also apparent from apatite (U-Th)1He age-elevation data in the northern part of the Lötschen valley where they plot on a ~0.5km/Ma line and range from 2.4 to 6.4 Ma However, from the apatite (U-Th)/He and fission track data from the NEAT tunnel, there is an indication of a perturbation of the record. The apatite ages are youngest under the axis of the valley, in contrast to an expected pattern where they would be youngest in the deepest sections of the tunnel due to heat advection into ridges. The valley however, developed in relatively soft schists while the ridges are built of solid granitoids. In line with hydrological observations from the tunnel, we suggest that the relatively permeable rocks under the valley floor, served as conduits of geothermal fluids that caused reheating leading to partial Helium loss and fission track annealing in apatites. In consequence, apatite ages from the lowermost samples are too young and the calculated exhumation rates may underestimate true values. This study demonstrated that high-density sampling is indispensable to provide meaningful thermochronological data in the Alpine setting. The multi-system approach allows verifying plausibility of the data and highlighting sources of perturbation. RÉSUMÉ DE THÈSE : La thermochronologie de basse température dépend de l'utilisation de systèmes radiométriques dont la température de fermeture est nettement inférieure à la température de cristallisation du minéral. Les résultats obtenus sont par conséquent interprétés comme des âges de refroidissement qui diffèrent des âges de formation obtenus par le biais d'autres systèmes de datation. Grâce aux températures de refroidissement basses, il est aisé de reconstruire les chemins de refroidissement et d'exhumation des roches lors de leur résidence dans la croute superficielle (jusqu'à 10 km). Les processus qui entrent en jeu à ces faibles profondeurs tels que l'exhumation finale, la fracturation et le faillage ainsi que la formation du relief sont fondamentaux dans l'évolution des chaînes de montagne. Ces dernières années, il est devenu clair que l'enregistrement thermochronologique dans les orogènes peut être influencé par le relief et réinitialisé par l'advection de la chaleur liée à la circulation de fluides géothermaux après le refroidissement initial. L'objectif de cette thèse est de reconstruire l'histoire tectono-thermique du massif de l'Aar dans les Alpes suisses Centrales à l'aide de trois thermochronomètres; (U-Th)/He sur zircon, (U-Th)/He sur apatite et les traces de fission sur apatite. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons récolté un grand nombre d'échantillons provenant de différentes altitudes dans la vallée fortement incisée de Lötschental ainsi que du tunnel de NEAT. Cette stratégie d'échantillonnage nous a permis de contraindre de manière précise la chronologie, les quantités et les mécanismes d'exhumation de cette zone des Alpes Centrales, d'évaluer le rôle de la topographie sur l'enregistrement thermochronologique et de tester l'impact de l'hydrothermalisme sur les géochronomètres. Les échantillons ont été prélevés à des altitudes comprises entre 650 et 3930m selon 5 profils verticaux en surface et un dans le tunnel. Quand cela à été possible, les trois systèmes radiométriques ont été appliqués aux échantillons. Les âges (U-Th)\He obtenus sur zircons sont compris entre 5.l et 9.4 Ma et sont corrélés de manière positive avec l'altitude. Les graphiques représentant l'âge et l'élévation montrent une nette rupture de la pente qui traduisent un accroissement de la vitesse d'exhumation de 0.4 à 3 km\Ma il y a 6 Ma. Cette accélération de l'exhumation est confirmée par les vitesses de refroidissement de l'ordre de 100°C\Ma obtenus à partir des différents âges sur zircons et à partir des autres systèmes géochronologiques. Les données obtenues par traces de fission sur apatite nous indiquent également une exhumation rapide jusqu'à la fin du Miocène. Nous interprétons cet évènement à 6 Ma comme étant lié à l'uplift tectonique du massif de l'Aar. Le fait que cet évènement soit tardi-miocène implique qu'une augmentation des précipitations au Pliocène n'a pas engendré cette exhumation rapide du massif de l'Aar. La crise Messinienne de la mer méditerranée n'a pas pu avoir une incidence directe sur l'érosion du massif de l'Aar mais l'érosion associée à ce phénomène à pu réduire le coin orogénique alpin et causer la réactivation des chevauchements du massif de l'Aar. L'exhumation rapide Miocène a été suivie pas une diminution des taux d'exhumation lors des derniers 6 Ma (jusqu'à 1.3 km\Ma). Cependant, les âges (U-Th)\He sur apatite ainsi que les traces de fission sur apatite des échantillons du tunnel enregistrent une perturbation de l'enregistrement décrit ci-dessus. Les âges obtenus sur les apatites sont sensiblement plus jeunes sous l'axe de la vallée en comparaison du profil d'âges attendus. En effet, on attendrait des âges plus jeunes sous les parties les plus profondes du tunnel à cause de l'advection de la chaleur dans les flancs de la vallée. La vallée est creusée dans des schistes alors que les flancs de celle-ci sont constitués de granitoïdes plus durs. En accord avec les observations hydrologiques du tunnel, nous suggérons que la perméabilité élevée des roches sous l'axe de la vallée à permi l'infiltration de fluides géothermaux qui a généré un réchauffement des roches. Ce réchauffement aurait donc induit une perte d'Hélium et un recuit des traces de fission dans les apatites. Ceci résulterait en un rajeunissement des âges apatite et en une sous-estimation des vitesses d'exhumation sous l'axe de la vallée. Cette étude à servi à démontrer la nécessité d'un échantillonnage fin et précis afin d'apporter des données thermochronologiques de qualité dans le contexte alpin. Cette approche multi-système nous a permi de contrôler la pertinence des données acquises ainsi que d'identifier les sources possibles d'erreurs lors d'études thermochronologiques. RÉSUMÉ LARGE PUBLIC Lors d'une orogenèse, les roches subissent un cycle comprenant une subduction, de la déformation, du métamorphisme et, finalement, un retour à la surface (ou exhumation). L'exhumation résulte de la déformation au sein de la zone de collision, menant à un raccourcissement et un apaissessement de l'édifice rocheux, qui se traduit par une remontée des roches, création d'une topographie et érosion. Puisque l'érosion agit comme un racloir sur la partie supérieure de l'édifice, des tentatives de corrélation entre les épisodes d'exhumation rapide et les périodes d'érosion intensive, dues aux changements climatiques, ont été effectuées. La connaissance de la chronologie et du lieu précis est d'une importance capitale pour une quelconque reconstruction de l'évolution d'une chaîne de montagne. Ces critères sont donnés par un retraçage des changements de la température de la roche en fonction du temps, nous donnant le taux de refroidissement. L'instant auquel les roches ont refroidit, passant une certaine température, est contraint par l'application de techniques de datation par radiométrie. Ces méthodes reposent sur la désintégration des isotopes radiogéniques, tels que l'uranium et le potassium, tous deux abondants dans les roches de la croûte terrestre. Les produits de cette désintégration ne sont pas retenus dans les minéraux hôtes jusqu'au moment du refroidissement de la roche sous une température appelée 'de fermeture' , spécifique à chaque système de datation. Par exemple, la désintégration radioactive des atomes d'uranium et de thorium produit des atomes d'hélium qui s'échappent d'un cristal de zircon à des températures supérieures à 200°C. En mesurant la teneur en uranium-parent, l'hélium accumulé et en connaissant le taux de désintégration, il est possible de calculer à quel moment la roche échantillonnée est passée sous la température de 200°C. Si le gradient géothermal est connu, les températures de fermeture peuvent être converties en profondeurs actuelles (p. ex. 200°C ≈ 7km), et le taux de refroidissement en taux d'exhumation. De plus, en datant par système radiométrique des échantillons espacés verticalement, il est possible de contraindre directement le taux d'exhumation de la section échantillonnée en observant les différences d'âges entre des échantillons voisins. Dans les Alpes suisses, le massif de l'Aar forme une structure orographique majeure. Avec des altitudes supérieures à 4000m et un relief spectaculaire de plus de 2000m, le massif domine la partie centrale de la chaîne de montagne. Les roches aujourd'hui exposées à la surface ont été enfouies à plus de 10 km de profond il y a 20 Ma, mais la topographie actuelle du massif de l'Aar semble surtout s'être développée par un soulèvement actif depuis quelques millions d'années, c'est-à-dire depuis le Néogène supérieur. Cette période comprend un changement climatique soudain ayant touché l'Europe il y a environ 5 Ma et qui a occasionné de fortes précipitations, entraînant certainement une augmentation de l'érosion et accélérant l'exhumation des Alpes. Dans cette étude, nous avons employé le système de datation (U-TH)/He sur zircon, dont la température de fermeture de 200°C est suffisamment basse pour caractériser l'exhumation du Néogène sup. /Pliocène. Les échantillons proviennent du Lötschental et du tunnel ferroviaire le plus profond du monde (NEAT) situé dans la partie ouest du massif de l'Aar. Considérés dans l'ensemble, ces échantillons se répartissent sur un dénivelé de 3000m et des âges de 5.1 à 9.4 Ma. Les échantillons d'altitude supérieure (et donc plus vieux) documentent un taux d'exhumation de 0.4 km/Ma jusqu'à il y a 6 Ma, alors que les échantillons situés les plus bas ont des âges similaires allant de 6 à 5.4 Ma, donnant un taux jusqu'à 3km /Ma. Ces données montrent une accélération dramatique de l'exhumation du massif de l'Aar il y a 6 Ma. L'exhumation miocène sup. du massif prédate donc le changement climatique Pliocène. Cependant, lors de la crise de salinité d'il y a 6-5.3 Ma (Messinien), le niveau de la mer Méditerranée est descendu de 3km. Un tel abaissement de la surface d'érosion peut avoir accéléré l'exhumation des Alpes, mais le bassin sud alpin était trop loin du massif de l'Aar pour influencer son érosion. Nous arrivons à la conclusion que la datation (U-Th)/He permet de contraindre précisément la chronologie et l'exhumation du massif de l'Aar. Concernant la dualité tectonique-érosion, nous suggérons que, dans le cas du massif de l'Aar, la tectonique prédomine.

Retention half times in the skeleton of plutonium and Sr-90 from above-ground nuclear tests: A retrospective study of the Swiss population

Plutonium and Sr-90 are considered to be among the most radiotoxic nuclides produced by the nuclear fission process. In spite of numerous studies on mammals and humans there is still no general agreement on the retention half time of both radionuclides in the skeleton in the general population. Here we determined plutonium and Sr-90 in human vertebrae in individuals deceased between 1960 and 2004 in Switzerland. Plutonium was measured by sensitive SF-ICP-MS techniques and Sr-90 by radiometric methods. We compared our results to the ones obtained for other environmental compartments to reveal the retention half time of NBT fallout Pu-239 and Sr-90 in trabecular bones of the Swiss population. Results show that plutonium has a retention half time of 40 +/- 14 years. In contrast Sr-90 has a shorter retention half time of 13.5 +/- 1.0 years. Moreover Sr-90 retention half time in vertebrae is shown to be linked to the retention half time in food and other environmental compartments. These findings demonstrate that the renewal of the vertebrae through calcium homeostatic control is faster for Sr-90 excretion than for plutonium excretion. The precise determination of the retention half time of plutonium in the skeleton will improve the biokinetic model of plutonium metabolism in humans. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Fluid-rock interaction during late stages of the Alpine exhumation

Résumé de la thèseLa fracturation des roches au cours de phases compressives ou extensives est un souvent évoquée pour expliquer la circulation de fluide au sein des roches cristallines. Dans le cadre de cette thèse, la circulation des fluides lors de l'exhumation tardive des Alpes a été étudiée en utilisant deux approches différentes: analyses structurales de la déformation fragile d'une part et analyses géochimiques des roches et des minéraux (isotopes stables, datations U/Pb, thermochronologie (U-Th)/He) d'autre part. Cette approche combinée a permis de mieux comprendre l'interaction existante entre les fluides métamorphiques et les fluides météoriques, ainsi que leur interaction avec les roches encaissantes. Le travail a été effectué dans la zone Pennique du Valais suisse.La première partie était focalisée sur la déformation fragile, le but étant de définir les différents types de déformations existantes et de déterminer l'âge relatif des différentes familles de failles. Dans la région d'étude, quatre domaines ont été distingués. Chacun d'eux comportent deux types de structures fragiles, certaines sont minéralisées alors que d'autre non. Au sein de chaque domaine, la direction principale des structures minéralisées correspond à l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région (Aosta- Ranzola Line au Sud, Rhône Line au Nord et Simplon Fault Zone à l'Est), alors que les structures non- minéralisées montrent des orientations plus variables. Ainsi, le premier type de structure est interprété comme résultant d'une dislocation tectonique alors que le deuxième type de structure résulterait d'une dislocation gravitaire locale. Il n'est néanmoins pas possible de classer chronologiquement la formation de ces deux types de structure ni d'attribuer un âge relatif aux changements d'orientation des contraintes majeures.La deuxième étude a été effectuée dans la région de la zone de faille du Simplon. Dans cette zone, la composition isotopique des minéraux ayant cristallisé à l'intérieur des fractures tardives permet de distinguer différents types de circulation de fluide. Les valeurs δ180 du quartz de la roche encaissante ainsi que ceux des veines tardives du bloque inférieur de la faille sont comparables. Ces valeurs indiquent un rééquilibrage et un tamponnage isotopique des fluides tardifs au contact de la roche encaissante lors de la fracturation de cette dernière et de la cristallisation des veines tardives. La même situation est observée dans la partie nord du bloque supérieur ainsi que dans sa partie sud. Ceci n'est néanmoins pas le cas pour la partie centrale du bloque supérieur où les valeurs isotopiques des minéraux dans les veines tardives sont approximativement 3 %o plus basses (avec des valeurs extrêmes négatifs), indiquant une contribution d'eau météorique aux fluides circulant dans les veines. Ces données suggèrent qu'une infiltration d'eau météorique a pu avoir lieu dans le bloque supérieur, où la fracturation des roches est plus intensive car le déplacement relatif le long de la faille y fut plus important, et la température maximale du métamorphisme plus basse. La troisième contribution traite de la géo-thermochronologie de la zone de contact entre la klippe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. De petits zircons euhédraux ont été trouvés dans un plan de faille minéralisé (parallèle à la Faille du Rhône, voir première partie de l'étude), riche en hématite et quartz, de la zone d'étude. Les analyses U/Pb donnent des âges radiométriques autour de 270 - 280 Ma aux zircons extraits de la minéralisation ainsi que ceux extraits de la roche encaissante, ce qui correspond à l'âge de la nappe de la Dent Blanche et non celui de la nappe du Tsaté qui est elle-même classiquement interprétée comme une ophiolite Jurassique de l'Océan Liguro-Piémontais. Ces données suggèrent que les zircons contenus dans la veine ont été hérités de la roche encaissante. Les résultats (U-Th)/He indiquent un âge de refroidissement différent pour la roche encaissante (25.5 ± 2.0 Ma) que celui de la minéralisation (17.7 ±1.4 Ma). Le thermomètre isotopique quartz-hématite indique une température d'équilibre, et donc de mise en place de la minéralisation, d'environ 170 °C, température très proche de la température de -180 °C de fermeture du zircon pour le système (U-Th)/He. Ceci suggère que l'âge de refroidissement des zircons de la minéralisation correspond aussi à l'âge de formation de la faille.Thesis abstractFluid circulation in fractured rocks is a common process in geology, and it is generally the consequence of faulting and fracturing during both tectonic compression and extension. This thesis is focused on fluid circulation during late stages of the Alpine exhumation. After a structural analysis of the late brittle deformation of the studied samples, several analytical methods (stable isotope investigations, U/Pb radiometric dating, (U-Th)/He thermochronology) have been applied to understand the interaction of metamorphic and meteoric fluids with one another as well as with the host rock. This thesis is articulated around three study directions. All studies were conducted in the Penninic Zone of the Valais, Switzerland. The first study deals with late, brittle deformation and focuses on the different deformation styles and on the relative age of the different families of fractures. In order to do this, late brittle structures observed in four different domains have been subdivided as a function of the existence (or not) and type of mineralization. Comparisons between mineralized and non-mineralized strike directions for all four domains show that mineralized structures follow the strike orientation of major tectonic movements indicated in the Penninic Zone of the Valais (Aosta-Ranzola Line to the S, Rhône Line to the Ν and Simplon Fault Zone to the E), whereas non-mineralized fractures have a more variable strike orientation. This difference could be interpreted as indicative of tectonic-related faulting (mineralized structures) vs. local, collapse-related faulting (non-mineralized fractures), but it is not strong enough to indicate a relative age of the late brittle structures, and/or a change in the orientation of the strain field in post-Miocene times. The second studied area is focused on the Simplon Fault Zone (SFZ). Stable isotope analyses of minerals filling these late fractures indicate that there are two different fluid circulation systems in the footwall and hanging wall of the SFZ. In the footwall, δ180 values of quartz from both the host rock and the late veins range from +10 %o to +12 %o. This is consistent with buffering of circulating fluids by the host rock during fracturing and vein precipitation. In the hanging wall, δΙ80 values for quartz crystals from the host rock and the late veins are similar in both the northern and southern parts of the detachment that are both affected by the same degree of metamorphism (greenschist to the Ν and amphibolite to the S). This is not the case in the central part of the SFZ, where there is a jump from amphibolite facies in the footwall to greenschist facies in the hanging wall. δ,80 values for quartz from the hanging wall late veins are approximately 3.0 %o lower (down to negative values in some cases) than the values observed in the footwall These data suggest that infiltration of meteoric water may have occurred in the most fractured parts of the hanging wall, where relative displacement on the SFZ was the greatest and the peak temperature lower. In the less fractured footwall the δ180 values reflect a host rock-buffered system.The third study is focused on geo-thermochronology at the contact between the Dent Blanche nappe and the Tsaté nappe where small, euhedral zircons were found in a hematite- and quartz-rich mineralization on a late normal fault plane parallel to the Rhône Line (see first part of the study). U/Pb analysis indicates that the zircons - both in the late mineralization and in the host rock - have absolute radiometric ages clustering around 270 - 280 Ma, which is the accepted age for intrusive rocks from the Austroalpine Dent Blanche units but not for the Tsaté nappe. The latter is classically interpreted as an ophiolitic remnant of the Jurassic Liguro-Piemontais Ocean. U/Pb analyses suggest that zircons in late mineralization are all inherited from the host rock; however, results of (U-Th)/He analyses indicate that cooling ages for the host rocks are different to the cooling ages for the zircons in late mineralization. Indeed, the calculated cooling age for the Arolla gneiss is 25.5 ± 2.0 Ma, whilst the cooling age for the associated mineralized fault plane is 17.7 ±1.4 Ma. Oxygen stable isotope fractionation between quartz and hematite in the same late mineralization corresponds to temperatures of about 170 °C. The proximity of the calculated emplacement temperature for the mineralization and the lower accepted closure temperature for zircon in the (U-Th)/He system (-180 °C) imply that the age of 17.7 ± 1.4 Ma can also be interpreted as the formation age of this late brittle fault.Résumé grand publicLa circulation des fluides dans les roches fracturées est typique de nombreux processus géologiques, et très souvent est la conséquence de la fracturation des roches. Cette thèse aborde la question de la circulation des fluides pendant les dernières phases du soulèvement des Alpes. Après une analyse structurale de la fracturation directement sur le terrain, plusieurs méthodes géochimiques ont été appliquées pour comprendre l'interaction entre les différents fluides circulants, et avec leur propre roche mère. L'étude, concentrée sur trois directions principales, a été conduite dans la zone Pennique du Valais suisse. La première partie traite de la déformation cassante dans le secteur cité. L'analyse détaillée des fractures a permis de les subdiviser en structures minéralisées et non-minéralisées, sur quatre domaines différents. La comparaison entre les directions des structures minéralisées et non-minéralisées a permis de montrer que les premières suivent l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région, alors que les structures non- minéralisées ont une orientation plus variable. Cette différence pourrait être interprétée comme indication d'une dislocation tectonique (structures minéralisées) contre une dislocation gravitaire locale (structures non-minéralisées), mais elle n'est pas assez forte pour indiquer un âge relatif des structures tardives et/ou un changement de l'orientation des contraintes après -20 Ma vers le présent.A partir de ces observations, la deuxième étude est concentrée dans la région de la faille du Simplon. Les analyses géochimiques sur les minéraux remplissant les structures tardives indiquent qu'il y a deux différents systèmes de circulation des fluides dans les deux parties (toit et mur) de la faille. Dans le mur, les valeurs isotopiques des minéraux cristallisés à partir d'un fluide tardif sont les mêmes de ceux de la roche mère, donc il y a eu rééquilibration chimique entre fluide et roche pendant la fracturation de cette dernière et la précipitation des minéraux. Dans le toit, les valeurs isotopiques dans la roche mère et dans les minéraux des veines tardives sont comparables dans les parties Ν et S de la faille, où les roches du toit et du mur ont atteint une température maximale - pendant phase prograde de la formation des Alpes - comparable. Au contraire, dans la partie centrale, où le mur a atteint des températures maximales plus élevées par rapport au toit, les valeurs géochimiques des minéralisations tardives du toit sont parfois plus basses que les valeurs observées dans le mur. Ces données suggèrent que l'infiltration de l'eau de surface aurait pu se produire dans la partie plus fracturée du toit, où le déplacement relatif le long de la faille était majeur et les températures maximales mineures. Au contraire, les données géochimiques du mur de la partie centrale indiquent un système isotopique équilibré par la roche mère.La troisième partie de ce travail se base sur l'étude géochimique intégrée des isotopes stables d'Oxygène et radioactifs du Plomb, Uranium, Thorium et Hélium, auprès d'une faille normale minéralisée et des roches de la région à cheval entre deux nappes, la nappe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. Ici, des petits zircons ont été trouvés dans la minéralisation citée, riche en hématite et quartz. L'analyse radiométrique Uranium/Plomb a montré que les zircons dans la minéralisation et dans les roches autour ont des âges comparables (autour 280 Ma). Cela signifie que les zircons dans la minéralisation tardive ont été hérités de la roche mère pendant la fracturation et la circulation des fluides tardives. De l'autre coté, les résultats des analyses Uranium-Thorium/Hélium indiquent que les âges de refroidissement pour les roches mères sont différents comparés aux âges de refroidissement pour les zircons dans la minéralisation tardive: ces derniers sont plus jeunes d'environ 8 Ma (autour 25 Ma et autour 17 Ma respectivement). Les analyses des isotopes de l'oxygène sur quartz et hématite dans la même minéralisation donnent une température de mise en place de cette dernière d'environ 170° C. La température de fermeture du système chimique des zircons dans le système (Uranium-Thorium)/Hélium est d'environ 180 °C: la proximité de ces deux températures implique que l'âge de refroidissement de la minéralisation tardive peut également être interprété comme âge de formation de la faille.

A comparison of alpha and gamma spectrometry for environmental natural radioactivity surveys.

An alpha-spectrometry, using automated borate fusion and sequential extraction and exchange chromatography, was used to determine the uranium and thorium based on environmental radioactivity of 20 soil samples. The same set of the samples was analysed using gamma-spectrometry with an HPGe detector. The two data sets were checked for coherence using Z-score and chi2 statistical tests. We show that gamma-spectrometry is a valid alternative to time-consuming alpha-spectrometry for the determination of natural uranium and thorium activity in soil (activity range: 12.5-58.2 Bq/kg). The measured activities were compared with the theoretical activities to ensure secular equilibrium in the 238U and 232Th series. For 226Ra, a special study was made on deconvolution of the 186 keV multiplet with the Levenberg-Marquardt algorithm. Finally, the combined use of Z-score and chi2-tests was found to be a powerful tool for comparing the results obtained with two different methods.