Quantifying rates of landscape evolution and tectonic processes by thermochronology and numerical modeling of crustal heat transport using PECUBE

PECUBE is a three-dimensional thermal-kinematic code capable of solving the heat production-diffusion-advection equation under a temporally varying surface boundary condition. It was initially developed to assess the effects of time-varying surface topography (relief) on low-temperature thermochronological datasets. Thermochronometric ages are predicted by tracking the time-temperature histories of rock-particles ending up at the surface and by combining these with various age-prediction models. In the decade since its inception, the PECUBE code has been under continuous development as its use became wider and addressed different tectonic-geomorphic problems. This paper describes several major recent improvements in the code, including its integration with an inverse-modeling package based on the Neighborhood Algorithm, the incorporation of fault-controlled kinematics, several different ways to address topographic and drainage change through time, the ability to predict subsurface (tunnel or borehole) data, prediction of detrital thermochronology data and a method to compare these with observations, and the coupling with landscape-evolution (or surface-process) models. Each new development is described together with one or several applications, so that the reader and potential user can clearly assess and make use of the capabilities of PECUBE. We end with describing some developments that are currently underway or should take place in the foreseeable future. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Radiocarbon dating of modern groundwater: the role of the unsaturated zone

Biological and physical processes occurring in soils may lead to significant isotopic changes between the isotopic compositions of atmospheric CO2 and of soil CO2. Also, during water and gas transport from the soil surface to the water table, isotopic changes likely occur due to numerous physical processes such as gas production and diffusion, water advection, and gas-water-rock interactions. In most cases, these changes are not included in the correction models developed for groundwater dating, whereas they can significantly impact the calculation of the 14C age. We explore the role of these processes using: i) experimental data from two aquifer sites (Fontainebleau sands and Astian sands, France), ii) a distributed model to simulate the 14C activities of soil CO2, and iii) numerical simulations in order to highlight the role of the physical processes.¦The 13C content in soil CO2 showed seasonal variations and highlighted the competition between CO2 production and CO2 diffusion. Their respective contributions played a significant role in defining the isotopic composition of CO2 at the water table. On both study sites, variations of the 14C activity in soil CO2 reflect the competition between the fluxes of root derived-CO2 and organic matter derived-CO2. Since the nuclear weapon tests in the fifties and sixties, soil CO2 became significantly depleted in 14C compared to modern atmospheric CO2. Models that take into account this 14C depletion in soil CO2 for dating modern groundwater would lead to apparent younger 14C ages than models that only consider the 14C activity in atmospheric CO2. Moreover, since 2000-2005, the inverse effect is observed as soil CO2 is enriched in 14C compared to atmospheric CO2.¦Therefore, we conclude that the isotopic composition of CO2 at the water table have to be taken into account for the dating of modern groundwater. This requires a systematic sampling of soil CO2 and the measurement of its 13C and 14C contents. We used this information in a numerical simulation to calculate the evolution of isotopic composition of CO2 from the soil surface to the water table. This simulation integrated physical processes in the unsaturated zone (e.g. CO2 production and diffusion, water advection, etc.) and gas-water-rock interactions.

New developments and applications in modelling occupational exposure to airborne contaminants

Résumé: L'évaluation de l'exposition aux nuisances professionnelles représente une étape importante dans l'analyse de poste de travail. Les mesures directes sont rarement utilisées sur les lieux même du travail et l'exposition est souvent estimée sur base de jugements d'experts. Il y a donc un besoin important de développer des outils simples et transparents, qui puissent aider les spécialistes en hygiène industrielle dans leur prise de décision quant aux niveaux d'exposition. L'objectif de cette recherche est de développer et d'améliorer les outils de modélisation destinés à prévoir l'exposition. Dans un premier temps, une enquête a été entreprise en Suisse parmi les hygiénistes du travail afin d'identifier les besoins (types des résultats, de modèles et de paramètres observables potentiels). Il a été constaté que les modèles d'exposition ne sont guère employés dans la pratique en Suisse, l'exposition étant principalement estimée sur la base de l'expérience de l'expert. De plus, l'émissions de polluants ainsi que leur dispersion autour de la source ont été considérés comme des paramètres fondamentaux. Pour tester la flexibilité et la précision des modèles d'exposition classiques, des expériences de modélisations ont été effectuées dans des situations concrètes. En particulier, des modèles prédictifs ont été utilisés pour évaluer l'exposition professionnelle au monoxyde de carbone et la comparer aux niveaux d'exposition répertoriés dans la littérature pour des situations similaires. De même, l'exposition aux sprays imperméabilisants a été appréciée dans le contexte d'une étude épidémiologique sur une cohorte suisse. Dans ce cas, certains expériences ont été entreprises pour caractériser le taux de d'émission des sprays imperméabilisants. Ensuite un modèle classique à deux-zone a été employé pour évaluer la dispersion d'aérosol dans le champ proche et lointain pendant l'activité de sprayage. D'autres expériences ont également été effectuées pour acquérir une meilleure compréhension des processus d'émission et de dispersion d'un traceur, en se concentrant sur la caractérisation de l'exposition du champ proche. Un design expérimental a été développé pour effectuer des mesures simultanées dans plusieurs points d'une cabine d'exposition, par des instruments à lecture directe. Il a été constaté que d'un point de vue statistique, la théorie basée sur les compartiments est sensée, bien que l'attribution à un compartiment donné ne pourrait pas se faire sur la base des simples considérations géométriques. Dans une étape suivante, des données expérimentales ont été collectées sur la base des observations faites dans environ 100 lieux de travail différents: des informations sur les déterminants observés ont été associées aux mesures d'exposition des informations sur les déterminants observés ont été associé. Ces différentes données ont été employées pour améliorer le modèle d'exposition à deux zones. Un outil a donc été développé pour inclure des déterminants spécifiques dans le choix du compartiment, renforçant ainsi la fiabilité des prévisions. Toutes ces investigations ont servi à améliorer notre compréhension des outils des modélisations ainsi que leurs limitations. L'intégration de déterminants mieux adaptés aux besoins des experts devrait les inciter à employer cet outil dans leur pratique. D'ailleurs, en augmentant la qualité des outils des modélisations, cette recherche permettra non seulement d'encourager leur utilisation systématique, mais elle pourra également améliorer l'évaluation de l'exposition basée sur les jugements d'experts et, par conséquent, la protection de la santé des travailleurs. Abstract Occupational exposure assessment is an important stage in the management of chemical exposures. Few direct measurements are carried out in workplaces, and exposures are often estimated based on expert judgements. There is therefore a major requirement for simple transparent tools to help occupational health specialists to define exposure levels. The aim of the present research is to develop and improve modelling tools in order to predict exposure levels. In a first step a survey was made among professionals to define their expectations about modelling tools (what types of results, models and potential observable parameters). It was found that models are rarely used in Switzerland and that exposures are mainly estimated from past experiences of the expert. Moreover chemical emissions and their dispersion near the source have also been considered as key parameters. Experimental and modelling studies were also performed in some specific cases in order to test the flexibility and drawbacks of existing tools. In particular, models were applied to assess professional exposure to CO for different situations and compared with the exposure levels found in the literature for similar situations. Further, exposure to waterproofing sprays was studied as part of an epidemiological study on a Swiss cohort. In this case, some laboratory investigation have been undertaken to characterize the waterproofing overspray emission rate. A classical two-zone model was used to assess the aerosol dispersion in the near and far field during spraying. Experiments were also carried out to better understand the processes of emission and dispersion for tracer compounds, focusing on the characterization of near field exposure. An experimental set-up has been developed to perform simultaneous measurements through direct reading instruments in several points. It was mainly found that from a statistical point of view, the compartmental theory makes sense but the attribution to a given compartment could ñó~be done by simple geometric consideration. In a further step the experimental data were completed by observations made in about 100 different workplaces, including exposure measurements and observation of predefined determinants. The various data obtained have been used to improve an existing twocompartment exposure model. A tool was developed to include specific determinants in the choice of the compartment, thus largely improving the reliability of the predictions. All these investigations helped improving our understanding of modelling tools and identify their limitations. The integration of more accessible determinants, which are in accordance with experts needs, may indeed enhance model application for field practice. Moreover, while increasing the quality of modelling tool, this research will not only encourage their systematic use, but might also improve the conditions in which the expert judgments take place, and therefore the workers `health protection.

Genetic survey of "spinturnix sp" (Acari, Mesostigmata) and their bat hosts in Western Palearctic

SUMMARY : The coevolution between two intimately associated organisms, like host and parasite, is a widely investigated theme in evolutionary biology. Recently, the use of genetic data in the study of host-parasite systems evidences that the genetic information from some parasites can complement genetic data from their hosts and thus may help to better understand their host's evolutionary history. Phylogenetic and population genetic aspects of bat parasites have been poorly investigated. Spinturnicid mites are highly specialized ectoparasites, exclusively associated with bats and therefore represent an ideal model to extant our knowledge on bat and parasite biology and on their coevolutionary history. In this thesis, I developed several molecular markers (mitochondrial DNA) to compare the genetic patterns of Spinturnix mites with their bat hosts at different levels. The molecular co-phylogeny between Spinturnix sp. and their bat hosts suggests a partial cospeciation and the occurrence of failure to speciate events and multiple host switches. Thus, Spinturnix mites do not exactly mirror the phylogenetic pattern of their hosts, despite their intimate association. Similar roosting habits of the hosts seem to promote host switches between different species, as far as ecological conditions are favourable. The phylogeographic study of the Maghrebian bat M. punicus in the Mediterranean area confirms the presence of M. punicus in North Africa, Corsica and Sardinia and highlights that islands and mainland are genetically highly divergent. The comparison between the parasitic mite S. myoti and the Maghrebian bat suggests that the phylogeographic pattern of the mite is moulded by its host, with open water as main barrier for host and parasite dispersal. Moreover, the unique presence of a European S. myoti lineage on M. punicus from Corsica strongly suggests the former presence of mouse-eared bats (M. myotis and/or M. blythii) in Corsica. By highlighting the probable presence of a nowadays locally extinct host species, S. myoti may represent a good proxy for inferring complex evolutionary history of bat hosts. Finally, population genetic surveys of S. myoti and S. bechsteinii suggest that these mites benefit from close contacts between individuals during the mating season and/or hibernation to disperse among remote colonies. The contrasted genetic patterns of these two distinct bat-mite systems evidence that bat social structure is a determinant factor of the genetic structure of mite populations. Altogether, this PhD thesis demonstrates the usefulness of parasites to gather information about their bat hosts. In addition, my results illustrate how different ecological and biological characteristics of bat species allow the emergence of a surprising diversity in the genetic patterns of the parasites, which may contribute to the diversification and speciation of parasites. RESUME : La co-évolution entre deux organismes intimement liés, comme un parasite et son hôte, fait partie des questions largement étudiées en biologie évolutive. Récemment, l'utilisation de données génétique dans l'étude des interactions hôte-parasite a montré que l'information génétique de certains parasites peut compléter les données génétiques de l'hôte et ainsi peut éclairer l'histoire évolutive de leur hôte. Très peu études ont étudié les interactions entre les chauves-souris et leurs parasites d'un point de vue moléculaire. Les acariens du genre Spinturnix sont des ectoparasites très spécialisés exclusivement associés aux chauves-souris. Ils représentent donc un model idéal pour élargir nos connaissances tant sur l'écologie des parasites de chauves-souris que sur leur coévolution. Durant cette thèse, plusieurs marqueurs moléculaires (ADN mitochondrial) ont été développés pour ainsi comparer la distribution de la variation génétique des parasites du genre Spinturnix avec celle de leurs hôtes, et ceci à différents niveaux. Tout d'abord, la co-phylogénie moléculaire entre les espèces de Spinturnix et les leurs hôtes révèle une co-spéciation partielle ainsi que la présence d'événement de non spéciation et de transferts horizontaux. Ces parasites ne reflètent donc pas entièrement l'histoire évolutive de leurs hôtes, malgré leurs intimes associations. La cohabitation de plusieurs espèces de chauves-souris dans un même gîte permet aux parasites un transfert entre différentes espèces, atténuant ainsi leur degré de co-spéciation. Deuxièmement, l'étude phylogéographique du marin du Maghreb dans le bassin Méditerranéen confirme sa présence en Afrique du Nord, en Corse et en Sardaigne. La comparaison avec un de ses parasites S. myoti suggère que la répartition génétique de S. myoti est façonnée par celle de leurs hôtes, avec les étendues d'eau comme barrière principale tant à la dispersion de l'hôte que de son parasite. De plus, la présence unique d'une lignée européenne de ces parasites sur des marins du Maghreb de Corse suggère fortement la présence du grand ou petit marin en Corse dans le passé. En reflétant la présence potentielle à un endroit donné d'une espèce de chauve-souris actuellement disparue, S. myoti peut représenter une bonne alternative pour comprendre l'histoire évolutive complexe des chauves-souris. Finalement, l'étude des structures génétiques des populations des parasites S. myoti et S. bechsteinii suggère que les contacts corporels entre chauves-souris durant la saison de reproduction ou l'hibernation peuvent permettre la dispersion des parasites entre des colonies éloignées géographiquement. La différence de structure génétique entre ces deux associations particulières montre que la structure génétique des populations de parasites dépend fortement des traits d'histoire de vie de son hôte. Dans l'ensemble, cette thèse démontre l'importance des parasites pour amener des informations sur leurs hôtes, les chauves-souris. Elle illustre aussi comment les différences écologique et biologique des différentes espèces de chauves-souris peuvent amener une étonnante diversité de structure génétique au sein de populations de parasites, ce qui peut peut-être contribuer à la diversification et à la spéciation des parasites.

Conservation genetics and population monitoring of the Alpine Salamander (Salamandra Atra) :

SUMMARYIn the context of the biodiversity crisis, amphibians are experiencing the most severe worldwide decline of all vertebrates and are in urgent need of better management. Efficient conservation strategies rely on sound knowledge of the species biology and of the genetic and demographic processes that might impair their welfare. Nonetheless, these processes are poorly understood in amphibians. Delineating population boundaries remains consequently problematic for these species, while it is of critical importance to define adequate management units for conservation. In this study, our attention focused on the alpine salamander (Salamandra atra), a species that deserves much interest in terms of both conservation biology and evolution. This endemic alpine species shows peculiar life-history traits (viviparity, reduced activity period, slow maturation) and has a slow population turnover, which might be problematic for its persistence in a changing environment. Due to its elusive behaviour (individuals spend most of their time underground and are unavailable for sampling), dynamic processes of gene and individuals were poorly understood for that species. Consequently, its conservation status could hardly be reliably assessed. Similarly the fire salamander (Salamandra salamandra) also poses special challenges for conservation, as no clear demarcation of geographical populations exists and dispersal patterns are poorly known. Through a phylogeographic analysis, we first studied the evolutionary history of the alpine salamander to better document the distribution of the genetic diversity along its geographical range. This study highlighted the presence of multiple divergent lineages in Italy together with a clear genetic divergence between populations from Northern and Dinaric Alps. These signs of cryptic genetic differentiation, which are not accounted for by the current taxonomy of the species, should not be neglected for further definition of conservation units. In addition, our data supported glacial survival of the species in northern peripheral glacial réfugia and nunataks, a pattern rarely documented for long-lived species. Then, we evaluated the level of gene flow between populations at the local scale and tested for asymmetries in male versus female dispersal using both field-based (mark-recapture) and genetic approaches. This study revealed high level of gene flow between populations, which stems mainly from male dispersal. This corroborated the idea that salamanders are much better dispersers than hitherto thought and provided a well- supported example of male-biased dispersal in amphibians. In a third step, based on a mark- recapture survey, we addressed the problem of sampling unavailability in alpine salamanders and evaluated its impact on two monitoring methods. We showed that about three quarters of individuals were unavailable for sampling during sampling sessions, a proportion that can vary with climatic conditions. If not taken into account, these complexities would result in false assumptions on population trends and misdirect conservation efforts. Finally, regarding the daunting task of delineating management units, our attention was drawn on the fire salamander. We conducted a local population genetic study that revealed high levels of gene flow among sampling sites. Management units for this species should consequently be large. Interestingly, despite the presence of several landscape features often reported to act as barriers, genetic breaks occurred at unexpected places. This suggests that landscape features may rather have idiosyncratic effects on population structure. In conclusion, this work brought new insights on both genetic and demographic processes occurring in salamanders. The results suggest that some biological paradigms should be taken with caution when particular species are in focus. Species- specific studies remain thus fundamental for a better understanding of species evolution and conservation, particularly in the context of current global changes.RESUMEDans le contexte de la crise de la biodiversité actuelle, les amphibiens subissent le déclin le plus important de tous les vertébrés et ont urgemment besoin d'une meilleure protection. L'établissement de stratégies de conservation efficaces repose sur des connaissances solides de la biologie des espèces et des processus génétiques et démographiques pouvant menacer leur survie. Ces processus sont néanmoins encore peu étudiés chez les amphibiens.Dans cette étude, notre attention s'est portée sur la salamandre noire (Salamandra atra), une espèce endémique des Alpes dont les traits d'histoire de vie atypiques (viviparité, phase d'activité réduite, lent turnover des populations) pourraient la rendre très vulnérable face aux changements environnementaux. Par ailleurs, en raison de son comportement cryptique (les individus passent la plupart de leur temps sous terre) la dynamique des gènes et des individus est mal comprise chez cette espèce. Il est donc difficile d'évaluer son statut de conservation de manière fiable. La salamandre tachetée {Salamandra salamandra), pour qui il n'existe aucune démarcation géographique apparente des populations, pose également des problèmes en termes de gestion. Dans un premier temps, nous avons étudié l'histoire évolutive de la salamandre noire afin de mieux décrire la distribution de sa diversité génétique au sein de son aire géographique. Cela a permis de mettre en évidence la présence de multiples lignées en Italie, ainsi qu'une nette divergence entre les populations du nord des Alpes et des Alpes dinariques. Ces résultats seront à prendre en compte lorsqu'il s'agira de définir des unités de conservation pour cette espèce. D'autre part, nos données soutiennent l'hypothèse d'une survie glaciaire dans des refuges nordiques périglaciaires ou dans des nunataks, fait rarement documenté pour une espèce longévive. Nous avons ensuite évalué la différentiation génétique des populations à l'échelle locale, ce qui a révélé d'important flux de gènes, ainsi qu'une asymétrie de dispersion en faveur des mâles. Ces résultats corroborent l'idée que les amphibiens dispersent mieux que ce que l'on pensait, et fournissent un exemple robuste de dispersion biaisée en faveur des mâles chez les amphibiens. Nous avons ensuite abordé le problème de Γ inaccessibilité des individus à la capture. Nous avons montré qu'environ trois quarts des individus sont inaccessibles lors des échantillonnages, une proportion qui peut varier en fonction des conditions climatiques. Ignoré, ce processus pourrait entraîner une mauvaise interprétation des fluctuations de populations ainsi qu'une mauvaise allocation des efforts de conservation. Concernant la définition d'unités de gestion pour la salamandre tachetée, nous avons pu mettre en évidence un flux de gènes important entre les sites échantillonnés. Les unités de gestion pour cette espèce devraient donc être étendues. Etonnamment, malgré la présence de nombreuses barrières potentielles au flux de gènes, les démarcations génétiques sont apparues à des endroits inattendus. En conclusion, ce travail a apporté une meilleure compréhension des processus génétiques et démographiques en action chez les salamandres. Les résultats suggèrent que certains paradigmes biologiques devraient être considérés avec précaution quand il s'agit de les appliquer à des espèces particulières. Les études spécifiques demeurent donc fondamentales pour une meilleure compréhension de l'évolution des espèces et leur conservation, tout particulièrement dans le contexte des changements globaux actuels.

Evolution démographique d'une population de musaraignes aquatiques (Neomys fodiens) en Suisse romande

Studies on water shrews, Neomy fodiens, showed a significant decrease of capture rates throughout the winter period. Thereafter, during reproduction, animals dispersed along the stream as far as one kilometer from their original site. In this work, we assess the extension of their dispersion movements. We suppose that very small populations persist wintertime at localized spots and from their recolonize the empty habitats