Controls on ostracod valve geochemistry: Part 2. Carbon and oxygen isotope compositions

The stable carbon and oxygen isotope compositions of fossil ostracods are powerful tools to estimate past environmental and climatic conditions. The basis for such interpretations is that the calcite of the valves reflects the isotopic composition of water and its temperature of formation. However, calcite of ostracods is known not to form in isotopic equilibrium with water and different species may have different offsets from inorganic precipitates of calcite formed under the same conditions. To estimate the fractionation during ostracod valve calcification, the oxygen and carbon isotope compositions of 15 species living in Lake Geneva were related to their autoecology and the environmental parameters measured during their growth. The results indicate that: (1) Oxygen isotope fractionation is similar for all species of Candoninae with an enrichment in 18O of more than 30/00 relative to equilibrium values for inorganic calcite. Oxygen isotope fractionation for Cytheroidea is less discriminative relative to the heavy oxygen, with enrichments in 18O for these species of 1.7 to 2.30/00. Oxygen isotope fractionations for Cyprididae are in-between those of Candoninae and Cytheroidea. The difference in oxygen isotope fractionation between ostracods and inorganic calcite has been interpreted as resulting from a vital effect. (2) Comparison with previous work suggests that oxygen isotope fractionation may depend on the total and relative ion content of water. (3) Carbon isotope compositions of ostracod valves are generally in equilibrium with DIC. The specimens' δ13C values are mainly controlled by seasonal variations in δ13CDIC of bottom water or variation thereof in sediment pore water. (4) Incomplete valve calcification has an effect on carbon and oxygen isotope compositions of ostracod valves. Preferential incorporation of at the beginning of valve calcification may explain this effect. (5) Results presented here as well as results from synthetic carbonate growth indicate that different growth rates or low pH within the calcification site cannot be the cause of oxygen isotope 'vital effects' in ostracods. Two mechanisms that might enrich the 18O of ostracod valves are deprotonation of that may also contribute to valve calcification, and effects comparable to salt effects with high concentrations of Ca and/or Mg within the calcification site that may also cause a higher temperature dependency of oxygen isotope fractionation.

Oxidation of methane at the CH4/H2O-(CO2) transition zone in the external part of the Central Alps, Switzerland: Evidence from stable isotope investigations

With the aim of understanding the mechanisms that control the metamorphic transition from the CH4- to the H2O-(CO2)-dominated fluid zone in the Helvetic domain of the Central Alps of Switzerland, fluid inclusions in quartz, illite ``crystallinity'' index, vitrinite reflectance, and the stable isotope compositions of vein and whole rock minerals and fluids trapped in quartz were investigated along four cross-sections. Increasing temperature during prograde metamorphism led to the formation of dry gas by hydrocarbon cracking in the CH4-zone. Fluid immiscibility in the H2O-CH4-(CO2)-NaCl system resulted in cogenetic, CH4- and H2O-dominated fluid inclusions. In the CH4-zone, fluids were trapped at temperatures <= 270 +/- 5 degrees C. The end of the CH4-zone is markedby a sudden increase of CO2 content in the gas phase of fluid inclusions. At temperatures > 270 +/- 5 degrees C, in the H2O-zone, the total amount of volatiles within the fluid decreased below 1 mol% with no immiscibility. This resulted m total homogenization temperatures of H2O-(CO2-CH4)-NaCl inclusions below 180 degrees C. Hydrogen isotope compositions of methane in fluid inclusion have delta D values of less than -100 parts per thousand in the CH4-zone, typical for an origin through cracking of higher hydrocarbons, but where the methane has not equilibrated with the pore water. delta D values of fluid inclusion water are around -40 parts per thousand., in isotopic equilibrium with phyllosilicates of the whole rocks. Within the CH4 to H2O(CO2) transition zone, delta D(H2O) values in fluid inclusions decrease to -130 parts per thousand interpreted to reflect the contribution of deuterium depleted water from methane oxidation. In the H2O-zone, delta D(H2O) values increase again towards an average of -30 parts per thousand which is again consistent with isotopic equilibrium with host-rock phyllosilicates. delta C-13 values of methane in fluid inclusions from the CH4-zone are around -27 parts per thousand in isotopic equilibrium with calcite in veins and whole rocks. The delta C-13(CH4) values decrease to less than -35 parts per thousand at the transition to the H2O-zone and are no longer in equilibrium with the carbonates in the whole rocks. delta C-13 values of CO, are variable but too low to be in equilibrium with the wall rock fluids, compatible with a contribution of CO2 from closed system oxidation of methane. Differences in isotopic composition between host-rock and Alpine fissure carbonate are generally small, suggesting that the amount of CO2 produced by oxidation of methane was small compared to the C-budget in the rocks and local pore fluids were buffered by the wall rocks during precipitation of calcite within the fissures. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Energy expenditure by doubly labeled water: validation in humans and proposed calculation.

To further validate the doubly labeled water method for measurement of CO2 production and energy expenditure in humans, we compared it with near-continuous respiratory gas exchange in nine healthy young adult males. Subjects were housed in a respiratory chamber for 4 days. Each received 2H2(18)O at either a low (n = 6) or a moderate (n = 3) isotope dose. Low and moderate doses produced initial 2H enrichments of 5 and 10 X 10(-3) atom percent excess, respectively, and initial 18O enrichments of 2 and 2.5 X 10(-2) atom percent excess, respectively. Total body water was calculated from isotope dilution in saliva collected at 4 and 5 h after the dose. CO2 production was calculated by the two-point method using the isotopic enrichments of urines collected just before each subject entered and left the chamber. Isotope enrichments relative to predose samples were measured by isotope ratio mass spectrometry. At low isotope dose, doubly labeled water overestimated average daily energy expenditure by 8 +/- 9% (SD) (range -7 to 22%). At moderate dose the difference was reduced to +4 +/- 5% (range 0-9%). The isotope elimination curves for 2H and 18O from serial urines collected from one of the subjects showed expected diurnal variations but were otherwise quite smooth. The overestimate may be due to approximations in the corrections for isotope fractionation and isotope dilution. An alternative approach to the corrections is presented that reduces the overestimate to 1%.

Oligo-Miocene extensional tectonics and fluid flow across the Northern Snake Range detachment system, Nevada

The Northern Snake Range (Nevada) represents a spectacular example of a metamorphic core complex and exposes a complete section from the mylonitic footwall into the hanging wall of a fossil detachment system. Paired geochronological and stable isotopic data of mylonitic quartzite within the detachment footwall reveal that ductile deformation and infiltration of meteoric fluids occurred between 27 and 23 Ma. Ar-40/Ar-39 ages display complex recrystallization-cooling relationships but decrease systematically from 26.9 +/- 0.2 Ma at the top to 21.3 +/- 0.2 Ma at the bottom of footwall mylonite. Hydrogen isotope (delta D) values in white mica are very low (-150 to -145 %) within the top 80-90 m of detachment footwall, in contrast to values obtained from the deeper part of the section where values range from -77 to -64 %, suggesting that time-integrated interaction between rock and meteoric fluid was restricted to the uppermost part of the mylonitic footwall. Pervasive mica-water hydrogen isotope exchange is difficult to reconcile with models of Ar-40 loss during mylonitization solely by volume diffusion. Rather, we interpret the Ar-40/Ar-39 ages of white mica with low-delta D values to date syn-mylonitic hydrogen and argon isotope exchange, and we conclude that the hydrothermal system of the Northern Snake Range was active during late Oligocene (27-23 Ma) and has been exhumed by the combined effects of ductile strain, extensional detachment faulting, and erosion.

Environmental and biological controls on the geochemistry (δ18O, δ13C, Mg/Ca, and Sr/Ca) of living ostracods from Lake Geneva

ABSTRACT : Ostracods are benthic microcrustaceans enclosed in low-Mg calcite bivalves. Stable isotope compositions, Mg/Ca, and Sr/Ca ratios of ostracod fossil valves have proven useful to reconstruct past environmental conditions. Yet, several discrepancies persist and the influence of many factors remains unclear. It is the aim of this study to improve the use of ostracod valve geochemistry as palaeoenvironmental proxies by examining the extent of isotope fractionation and trace element partitioning during valve calcification. To achieve this, the environmental parameters (pH, temperature) and chemical composition of water (C-and O-isotope composition and calcium, magnesium, and strontium content) were measured at sites where living ostracods were sampled. The sampling was on a monthly basis over the course of one year at five different water depths (2, 5, 13, 33, and 70 m) in Lake Geneva, Switzerland. The one-year sampling enabled collection of environmental data for bottom and interstitial pore water. In littoral to sublittoral zones, C-isotope composition of DIC and the Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water are found to vary concomitantly with water temperature. This is due to the precipitation of calcite, which is induced by higher photosynthetic activity as temperature and/or solar radiation intensify in summer. In deeper zones, environmental parameters remain largely constant throughout the year. Variations of pH, DIC concentrations and C-isotope compositions in interstitial water result from aerobic as well as anaerobic respiration, calcite dissolution and methanogenesis. Bathymetric distribution, life cycles, and habitats were derived for 15 ostracod species and are predominantly related to water temperature and sediment texture. O-isotope compositions of ostracod valves in Lake Geneva reflect that of water and temperature. However, offsets of up to 3 permil are observed in comparison with proposed inorganic calcite precipitation equilibrium composition. Deprotonation of HCO3- and/or salt effect at crystallisation sites may explain the disequilibrium observed for O-isotopic compositions. C-isotope compositions of ostracod valves are not as well constrained and appear to be controlled by a complex interaction between habitat preferences and seasonal as well as spatial variations of the DIC isotope composition. For infaunal forms, C-isotope compositions reflect mainly the variation of DIC isotope composition in interstitial pore waters. For epifaunal forms, C-isotope compositions reflect the seasonal variation of DIC isotope compositions. C-isotope compositions of ostracod valves is at equilibrium with DIC except for a small number of species (L. inopinata, L. sanctipatricii and possibly C. ophtalmica, and I. beauchampi). Trace element uptake differs considerably from species to species. For most epifaunal forms, trace element content follows the seasonal cycle, recording temperature increases and/or variations of Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water. In contrast, infaunal forms are predominantly related to sediment pore water chemistry. RÉSUMÉ EN FRANÇAIS : Les ostracodes sont de petits crustacés benthiques qui possèdent une coquille faite de calcite à faible teneur en magnésium. La composition isotopique et les rapports Mg/Ca et Sr/Ca d'ostracodes fossiles ont été utilisés maintes fois avec succès pour effectuer des reconstructions paléoenvironnementales. Néanmoins, certains désaccords persistent sur l'interprétation de ces données. De plus, l'influence de certains facteurs pouvant biaiser le signal reste encore inconnue. Ainsi, le but de cette étude est de rendre plus performant l'emploi de la composition géochimique des ostracodes comme indicateur paléoenvironnemental. Pour réaliser cela, cinq sites situés dans le Léman à 2, 5, 13, 33 et 70 m de profondeur ont été choisis pour effectuer les échantillonnages. Chaque site a été visité une fois par mois durant une année. Les différents paramètres environnementaux (pH, température) ainsi que la composition géochimique de l'eau (composition isotopique de l'oxygène et du carbone ainsi que teneur en calcium, magnésium et strontium) ont été déterminés pour chaque campagne. Des ostracodes vivants ont été récoltés au cinq sites en même temps que les échantillons d'eau. Ce travail de terrain a permis de caractériser la géochimie de l'eau se trouvant juste au-dessus des sédiments ainsi que celle de l'eau se trouvant dans les interstices du sédiment. Dans les zones littorales à sublittorales, la composition isotopique du carbone inorganique dissout (CID) ainsi que les rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau varient linéairement avec la température. Ceci peut être expliqué par la précipitation de calcite qui est contrôlée par l'activité photosynthétique, variant elle même linéairement avec la température. Dans les zones plus profondes, les paramètres environnementaux restent relativement constants tout au long de l'année. Les variations du pH, de la concentration et de la composition isotopique du CID dans les sédiments résultent de la libération de carbone engendrée par la dégradation de la matière organique avec présence d'oxygène ou via réduction de nitrates et de sulfates, par la dissolution de carbonates, ainsi que par la méthanogenèse. La distribution bathymétrique, le cycle de vie ainsi que l'habitat de 15 espèces ont été déterminés. Ceux-ci sont principalement reliés à la température de l'eau et à la texture des sédiments. La composition isotopique de l'oxygène des valves d'ostracodes reflète celle de l'eau et la température qui régnait lors de la calcification. Néanmoins, des écarts pouvant aller jusqu'à 3 0/00 par rapport à l'équilibre théorique ont été obtenus. La déprotonation de HCO3 ou un 'effet de sel' pourrait être à l'origine du déséquilibre observé. La composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes n'est pas aussi bien cernée. Celle-ci semble être principalement contrôlée par une interaction complexe entre l'habitat des ostracodes et les variations saisonnières et spatiales de la composition isotopique du CID. Pour les espèces endofaunes, la composition isotopique du carbone reflète principalement la variation de la composition isotopique du CID à l'intérieur des sédiments. Pour les formes épifaunes, c'est la variation saisonnière de la composition du CID qui contrôle celle de la coquille des ostracodes. En général, la composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes est en équilibre avec celle de CID, hormis pour quelques rares espèces (L. inopinata, L. sanctipatricii et peut-être C. ophtalmica et I. beauchampi). L'incorporation des éléments traces diffère passablement d'une espèce à l'autre. Pour la plupart des espèces épifaunes, la teneur en éléments traces des coquilles reflète les variations saisonnières. Ces espèces semblent enregistrer les variations soit de la température soit des rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau. La teneur en élément traces des formes infaunales, au contraire, est principalement reliée à la chimie de l'eau interstitielle. RÉSUMÉ GRAND-PUBLIC : La connaissance de l'évolution du climat dans le futur est primordiale pour notre société, car elle permet de développer différentes stratégies pour faire face aux problèmes engendrés pas le changement climatique : stratégies environnementale, humanitaire, ou encore économique. Cette problématique est actuellement, à juste titre, sujet d'une vive préoccupation. La géologie peut-elle contribuer à l'effort communautaire entrepris? Naturellement, ce sont les climatologues qui sont sur le devant de la scène. Il n'empêche que ces derniers, pour pouvoir prédire l'avenir, doivent s'appuyer sur le passé. La géologie est alors d'un grand intérêt car c'est effectivement la seule science qui permette d'estimer les variations climatiques à grande échelle sur de longues périodes. Ainsi, voulant moi-même contribuer aux recherches menées dans ce domaine, je me suis tourné à la fin de mes études vers la paléoclimatologie, science qui a pour but de reconstruire le climat des temps anciens. Nous nous sommes rendu compte que l'évolution climatique de la région où nous habitons n'avait pas encore fait le sujet d'études approfondies. Il est pourtant important de connaître la variation locale des changements climatiques pour obtenir des modèles climatiques fiables. En conséquence, un vaste projet a vu le jour : reconstruire, à l'aide des sédiments du lac Léman, les variations paléoclimatiques et paléo-environnementales depuis le retrait du Glacier de Rhône, il y a environ 15'000 ans, jusqu'à nos jours. Pour ce genre de travail, la géochimie, qui est une forme de chimie, utilisée en science de la terre regroupant la chimie classique et la chimie isotopique, est une alliée particulièrement efficace. Elle permet en effet, via différentes mesures faites sur des archives géologiques (par exemple des fossiles ou des sédiments) d'obtenir des informations, souvent quantitatives, sur les conditions (le climat, la flore ou encore la bio productivité, etc...) qui régnaient il y a fort longtemps. Les coquilles d'ostracodes, qui sont de petits animaux vivant au fond des lacs, sont une des archives les plus prometteuses. Ces animaux sont des petits crustacés s'entourant d'une coquille calcaire qu'ils sécrètent eux-mêmes. A la mort de l'animal, la coquille est intégrée dans les sédiments et reste intacte à travers les âges. Des études ont montré qu'en analysant la géochimie de ces coquilles fossiles, il est possible de reconstruire les conditions environnementales qui régnaient à l'époque de vie de ces fossiles. Cette démarche nécessite qu'une condition bien précise soit remplie: la composition géochimique de la coquille doit enregistrer de manière fidèle la chimie de l'eau et/ou la température de l'eau présentes au moment de la sécrétion de la coquille. Le but spécifique de notre recherche a précisément été d'étudier la façon dont la chimie de l'eau ainsi que sa température sont enregistrées dans la coquillé des ostracodes. Une fois les relations entre ces divers paramètres dans l'étant actuel du système établies, il sera alors possible de les utiliser pour interpréter des données issues de coquilles fossiles. Pour ce faire, nous avons mesuré la température de l'eau de manière continue et récolté mensuellement des échantillons d'eau et des ostracodes vivants pendant une année. Cinq sites situés à 2, 5, 13, 33 et 70 mètres de profondeur ont été choisis pour effectuer ces échantillonnages dans le Léman. Le travail de terrain nous a amené à étudier la biologie de 15 espèces. Nous avons pu établir la profondeur à laquelle vivent ces animaux, leur période de développement ainsi que leur habitat respectifs. Ces résultats ont permis de mieux cerner la relation qu'il existe entre la chimie de l'eau, sa température et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes. Nous avons ainsi pu confirmer que les coquilles d'ostracodes enregistrent de manière fidèle la composition chimique et isotopique de l'eau. De même, nous avons pu établir de manière plus précise l'effet de la température sur la géochimie des coquilles. Néanmoins, les relations trouvées entre ces trois éléments sont plus complexes pour certaines espèces, cette complexité étant souvent liée à un caractère spécifique de leur écologie. Nous avons mis en lumière certains effets qui biaisent les résultats et défini précisément les conditions dans lesquelles on peut s'attendre à avoir des difficultés dans leur interprétation. Maintenant que nous avons établi les relations entre le climat actuel et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes actuels, nous pouvons, sur la base de ce modèle, reconstruire le climat depuis le retrait du Glacier du Rhône jusqu'à nos jours à l'aide d'ostracodes fossiles. Mais cela est une autre histoire et fera, je l'espère, le sujet de nos futures recherches.

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The stable isotope composition of ostracod fossils is useful for palaeoenvironmental reconstruction. Laboratory as well as 'natural environment' cultures demonstrate that the carbon and oxygen isotope compositions of ostracod shells faithfully record the environmental conditions at the time of valve precipitation. Oxygen isotope composition of ostracod calcite reflects the composition and temperature of the host water, but ostracod shells are enriched in 18O compared to the value expected for inorganic calcite precipitating under equilibrium under the same conditions. This 'vital effect' is generally constant for closely related species and equals 1.5 to 3 0/00 for Candoninae, 0 to 2.5 0/00 for Cyprididae and 0.8 to 1.5 0/00 for Cytheroidea. The carbon isotope composition of ostracod calcite is controlled by a complex interaction between the ecology of the species and environmental parameters. Previous natural environmental studies suggest that many (but not all) taxa crystallize their shells in or very close to equilibrium with the carbon isotope composition of dissolved inorganic carbon, and that the composition of littoral, epifaunal species reflects seasonal variation in the carbon isotope composition of dissolved inorganic carbon of bottom water according to their life cycles, while that of deep-water, infaunal species reflects the variation interstitial pore water according to microhabitat preferences.

Reconstructing paleoelevation in eroded orogens

Hydrogen isotope and Ar-40/Ar-39 geochronological data are presented from muscovite within a crustal-scale extensional detachment of the Shuswap Metamorphic Complex, North American Cordillera. The hydrogen isotope compositions (deltaD(ms)) of precisely dated muscovite attain values as low as -156parts per thousand in the detachment mylonite, whereas footwall quartzite has a deltaD(ms) value of -81parts per thousand. The very low deltaD(ms) values in the detachment are best explained by infiltration of meteoric water, with maximum deltaD values of -135parts per thousand +/- 3parts per thousand, during extensional unroofing of the orogen at 49.0-47.9 Ma. On the basis of the empirically determined relationship between elevation and isotopic composition of precipitation, the reconstructed early Eocene paleoelevations of the orogen are 4060 +/- 250 m to 4320 +/- 250 m, at least 1000 m higher than the highest present-day peaks. We propose that the isotopic composition of surface-derived waters in extensional detachments represents a newly recognized method to estimate maximum paleoelevations attained immediately preceding extensional orogenic collapse.

Formation of chlorite during thrust fault reactivation. Record of fluid origin and P-T conditions in the Monte Perdido thrust fault (southern Pyrenees)

The chemical and isotopic compositions of clay minerals such as illite and chlorite are commonly used to quantify diagenetic and low-grade metamorphic conditions, an approach that is also used in the present study of the Monte Perdido thrust fault from the South Pyrenean fold-and-thrust belt. The Monte Perdido thrust fault is a shallow thrust juxtaposing upper Cretaceous-Paleocene platform carbonates and Lower Eocene marls and turbidites from the Jaca basin. The core zone of the fault, about 6 m thick, consists of intensely deformed clay-bearing rocks bounded by major shear surfaces. Illite and chlorite are the main hydrous minerals in the fault zone. Illite is oriented along cleavage planes while chlorite formed along shear veins (< 50 mu m in thickness). Authigenic chlorite provides essential information about the origin of fluids and their temperature. delta O-18 and delta D values of newly formed chlorite support equilibration with sedimentary interstitial water, directly derived from the local hanging wall and footwall during deformation. Given the absence of large-scale fluid flow, the mineralization observed in the thrust faults records the P-T conditions of thrust activity. Temperatures of chlorite formation of about 240A degrees C are obtained via two independent methods: chlorite compositional thermometers and oxygen isotope fractionation between cogenetic chlorite and quartz. Burial depth conditions of 7 km are determined for the Monte Perdido thrust reactivation, coupling calculated temperature and fluid inclusion isochores. The present study demonstrates that both isotopic and thermodynamic methods applied to clay minerals formed in thrust fault are useful to help constrain diagenetic and low-grade metamorphic conditions.

Preservation of an extreme transient geotherm in the Raft River detachment shear zone

Extensional detachment systems separate hot footwalls from cool hanging walls, but the degree to which this thermal gradient is the product of ductile or brittle deformation or a preserved original transient geotherm is unclear. Oxygen isotope thermometry using recrystallized quartz-muscovite pairs indicates a smooth thermal gradient (140 degrees C/100 m) across the gently dipping, quartzite-dominated detachment zone that bounds the Raft River core complex in northwest Utah (United States). Hydrogen isotope values of muscovite (delta D-Ms similar to-100 parts per thousand) and fluid inclusions in quartz (delta D-Fluid similar to-85 parts per thousand) indicate the presence of meteoric fluids during detachment dynamics. Recrystallized grain-shape fabrics and quartz c-axis fabric patterns reveal a large component of coaxial strain (pure shear), consistent with thinning of the detachment section. Therefore, the high thermal gradient preserved in the Raft River detachment reflects the transient geotherm that developed owing to shearing, thinning, and the potentially prominent role of convective flow of surface fluids.

Fluid-rock-strain feedbacks in extensional shear zones

La présence de fluide météorique synchrone à l'activité du détachement (Farmin, 2003 ; Mulch et al., 2007 ; Gébelin et al., 2011), implique que les zones de cisaillement sont des systèmes ouverts avec des cellules de convections à l'échelle crustale et un intense gradient géothermique au sein du détachement (Morrison et Anderson, 1998, Gottardi et al., 2011). De plus, les réactions métamorphiques liées à des infiltrations fluides dans les zones de cisaillement extensionnel peuvent influencer les paramètres rhéologiques du système (White and Knipe, 1978), et impliquer la localisation de la déformation dans la croûte. Dans ce manuscrit, deux zones de cisaillement infiltrées par des fluides météoriques sont étudiées, l'une étant largement quartzitique, et l'autre de nature granitique ; les relations entre déformation, fluides, et roches s'appuient sur des approches structurales, microstructurales, chimiques et isotopiques. L'étude du détachement du Columbia river (WA, USA) met en évidence que la déformation mylonitique se développe en un million d'années. La phase de cisaillement principal s'effectue à 365± 30°C d'après les compositions isotopiques en oxygène du quartz et de la muscovite. Ces minéraux atteignent l'équilibre isotopique lors de leur recristallisation dynamique contemporaine à la déformation. La zone de cisaillement enregistre une baisse de température, remplaçant le mécanisme de glissement par dislocation par celui de dissolution- précipitation dans les derniers stades de l'activité du détachement. La dynamique de circulation fluide bascule d'une circulation pervasive à chenalisée, ce qui engendre localement la rupture des équilibres d'échange isotopiques. La zone de cisaillement de Bitterroot (MT, USA) présente une zone mylonitique de 600m d'épaisseur, progressant des protomylonites aux ultramylonites. L'intensité de la localisation de la déformation se reflète directement sur l'hydratation des feldspaths, réaction métamorphique majeure dite de « rock softening ». Une étude sur roche totale indique des transferts de masse latéraux au sein des mylonites, et d'importantes pertes de volume dans les ultramylonites. La composition isotopique en hydrogène des phyllosilicates met en évidence la présence (1) d'une source magmatique/métamorphique originelle, caractérisée par les granodiorites ayant conservé leur foliation magmatique, jusqu'aux protomylonites, et (2) une source météorique qui tamponne les valeurs des phyllosilicates des fabriques mylonitiques jusqu'aux veines de quartz non-déformées. Les compositions isotopiques en oxygène des minéraux illustrent le tamponnement de la composition du fluide météorique par l'encaissant. Ce phénomène cesse lors du processus de chloritisation de la biotite, puisque les valeurs des chlorites sont extrêmement négatives (-10 per mil). La thermométrie isotopique indique une température d'équilibre isotopique de la granodiorite entre 600-500°C, entre 500-300°C dans les mylonites, et entre 300 et 200°C dans les fabriques cassantes (cataclasites et veines de quartz). Basé sur les résultats issus de ce travail, nous proposons un modèle général d'interactions fluide-roches-déformation dans les zones de détachements infiltrées par des fluides météoriques. Les zones de détachements évoluent rapidement (en quelques millions d'années) au travers de la transition fragile-ductile ; celle-ci étant partiellement contrôlée par l'effet thermique des circulations de fluide météoriques. Les systèmes de détachements sont des lieux où la déformation et les circulations fluides sont couplées ; évoluant rapidement vers une localisation de la déformation, et de ce fait, une exhumation efficace. - The presence of meteoric fluids synchronous with the activity of extensional detachment zones (Famin, 2004; Mulch et al., 2007; Gébelin et al., 2011) implies that extensional systems involve fluid convection at a crustal scale, which results in high geothermal gradients within active detachment zones (Morrison and Anderson, 1998, Gottardi et al., 2011). In addition, the metamorphic reactions related to fluid infiltration in extensional shear zones can influence the rheology of the system (White and Knipe, 1978) and ultimately how strain localizes in the crust. In this thesis, two shear zones that were permeated by meteoric fluids are studied, one quartzite-dominated, and the other of granitic composition; the relations between strain, fluid, and evolving rock composition are addressed using structural, microstructural, and chemical/isotopic measurements. The study of the Columbia River detachment that bounds the Kettle core complex (Washington, USA) demonstrates that the mylonitic fabrics in the 100 m thick quartzite- dominated detachment footwall developed within one million years. The main shearing stage occurred at 365 ± 30°C when oxygen isotopes of quartz and muscovite equilibrated owing to coeval deformation and dynamic recrystallization of these minerals. The detachment shear zone records a decrease in temperature, and dislocation creep during detachment shearing gave way to dissolution-precipitation and fracturing in the later stages of detachment activity. Fluid flow switched from pervasive to channelized, leading to isotopic disequilibrium between different minerals. The Bitterroot shear zone detachment (Montana, USA) developed a 600 m thick mylonite zone, with well-developed transitions from protomylonite to ultramylonite. The localization of deformation relates directly to the intensity of feldspar hydration, a major rock- softening metamorphic reaction. Bulk-rock analyses of the mylonitic series indicate lateral mass transfer in the mylonite (no volume change), and significant volume loss in ultramylonite. The hydrogen isotope composition of phyllosilicates shows (1) the presence of an initial magmatic/metamorphic source characterized by the granodiorite in which a magmatic, and gneissic (protomylonite) foliation developed, and (2) a meteoric source that buffers the values of phyllosilicates in mylonite, ultramylonite, cataclasite, and deformed and undeformed quartz veins. The mineral oxygen isotope compositions were buffered by the host-rock compositions until chloritization of biotite started; the chlorite oxygen isotope values are negative (-10 per mil). Isotope thermometry indicates a temperature of isotopic equilibrium of the granodiorite between 600-500°C, between 500-300°C in the mylonite, and between 300 and 200°C for brittle fabrics (cataclasite and quartz veins). Results from this work suggest a general model for fluid-rock-strain feedbacks in detachment systems that are permeated by meteoric fluids. Phyllosilicates have preserved in their hydrogen isotope values evidence for the interaction between rock and meteoric fluids during mylonite development. Fluid flow generates mass transfer along the tectonic anisotropy, and mylonites do not undergo significant volume change, except locally in ultramylonite zones. Hydration of detachment shear zones attends mechanical grain size reduction and enhances strain softening and localization. Self-exhuming detachment shear zones evolve rapidly (a few million years) through the transition from ductile to brittle, which is partly controlled by the thermal effect of circulating surface fluids. Detachment systems are zones in the crust where strain and fluid flow are coupled; these systems. evolve rapidly toward strain localization and therefore efficient exhumation.

The Gronnedal-Ika carbonatite-syenite complex, South Greenland: Carbonatite formation by liquid immiscibility

The Gronnedal-Ika complex is dominated by layered nepheline syenites which were intruded by a xenolithic syenite and a central plug of calcite to calcite-siderite carbonatite. Aegirine-augite, alkali feldspar and nepheline are the major mineral phases in the syenites, along with rare calcite. Temperatures of 680-910degreesC and silica activities of 0.28-0.43 were determined for the crystallization of the syenites on the basis of mineral equilibria. Oxygen fugacities, estimated using titanomagnetite compositions, were between 2 and 5 log units above the fayalite-magnetite-quartz buffer during the magmatic stage. Chondrite-normalized REE patterns of magmatic calcite in both carbonatites and syenites are characterized by REE enrichment (La-CN-Yb-CN = 10-70). Calcite from the carbonatites has higher Ba (similar to5490 ppm) and lower HREE concentrations than calcite from the syenites (54-106 ppm Ba). This is consistent with the behavior of these elements during separation of immiscible silicate-carbonate liquid pairs. epsilon(Nd)(T = 1.30 Ga) values of clinopyroxenes from the syenites vary between +1.8 and +2.8, and epsilon(Nd)(T) values of whole-rock carbonatites range from +2.4 to +2.8. Calcite from the carbonatites has delta(18)O values of 7.8 to 8.6parts per thousand and delta(13)C values of -3.9 to -4.6parts per thousand. delta(18)O values of clinopyroxene separates from the nepheline syenites range between 4.2 and 4.9parts per thousand. The average oxygen isotopic composition of the nepheline syenitic melt was calculated based on known rock-water and mineral-water isotope fractionation to be 5.7 +/- 0.4parts per thousand. Nd and C-O isotope compositions are typical for mantle-derived rocks and do not indicate significant crustal assimilation for either syenite or carbonatite magmas. The difference in delta(18)O between calculated syenitic melts and carbonatites, and the overlap in epsilon(Nd) values between carbonatites and syenites, are consistent with derivation of the carbonatites from the syenites via liquid immiscibility.

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.

H2O-δD-Fe-III relations of dehydrogenation and dehydration processes in magmatic amphiboles

Stable isotope compositions of a suite of magmatic amphiboles from alkaline basalts and andesitic rocks were examined to constrain the effects of degassing processes on the hydrogen isotope compositions. The Fe3+ (as Fe3+/Fe-total) and H2O contents, as well as the H isotope compositions of the amphiboles, differ markedly (27-58%, 0.5-2.2 wt%, -107 to -15 parts per thousand, respectively) but indicate systematic variations. The observed trends can be explained either as dehydrogenation or dehydration processes, both of which are coupled to oxidation processes, the latter most probably related to O2- substitution within amphiboles. The dehydrogenation-dehydration models can be used to assess the primary compositions of the magmas. As an important example, delta D values of amphiboles of Martian meteorites are discussed in a similar context. Copyright (c) 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Mineral zoning and geochemistry of epithermal polymetallic Zn-Pb-Ag-Cu-Bi mineralization at Cerro de Pasco, Peru

The large Cerro de Pasco Cordilleran base metal deposit in central Peru is located on the eastern margin of a middle Miocene diatreme-dome complex and comprises two mineralization stages. The first stage consists of a large pyrite-quartz body replacing Lower Mesozoic Pucara carbonate rocks and, to a lesser extent, diatreme breccia. This body is composed of pyrite with pyrrhotite inclusions, quartz, and black and red chalcedony (containing hypogene hematite). At the contact with the pyrite-quartz body, the diatreme breccia is altered to pyrite-quartz-sericite-pyrite. This body was, in part, replaced by pipelike pyrrhotite bodies zoned outward to carbonate-replacement Zn-Pb ores hearing Fe-rich sphalerite (up to 24 mol % Fes). The second mineralization stage is partly superimposed on the first and consists of zoned east-west-trending Cu-Ag-(Au-Zn-Pb) enargite-pyrite veins hosted in the diatreme breccia in the western part of the deposit and well-zoned Zn-Pb-(Bi-Ag-Cu) carbonate-replacement orebodies; in both cases, sphalerite is Fe poor and the inner parts of the orebodies show typically advanced argillic alteration assemblages, including aluminum phosphate Sulfate (APS) minerals. The zoned enargite-pyrite veins display mineral zoning, from a core of enargite-pyrite +/- alunite with traces of Au, through an intermediate zone of tennantite, chalcopyrite, and Bi minerals to a poorly developed Outer zone hearing sphalerite-galena +/- kaolinite. The carbonate-hosted replacement ores are controlled along N 35 degrees E, N 90 degrees E, N 120 degrees E, and N 170 degrees E faults. They form well-zoned upward-flaring pipelike orebodies with a core of famatinite-pyrite and alunite, an intermediate zone with tetrahedrite-pyrite, chalcopyrite, matildite, cuprobismutite, emplectite, and other Bi minerals accompanied by APS minerals, kaolinite, and dickite, and an outer zone composed of Fe-poor sphalerite (in the range of 0.05-3.5 mol % Fes) and galena. The outermost zone consists of hematite, magnetite, and Fe-Mn-Zn-Ca-Mg carbonates. Most of the second-stage carbonate-replacement orebodies plunge between 25 degrees and 60 degrees to the west, suggesting that the hydrothermal fluids ascended from deeper levels and that no lateral feeding from the veins to the carbonate-replacement orebodies took place. In the Venencocha and Santa Rosa areas, located 2.5 km northwest of the Cerro de Pasco open pit and in the southern part of the deposit, respectively, advanced argillic altered dacitic domes and oxidized veins with advanced argillic alteration halos occur. The latter veins are possibly the oxidized equivalent of the second-stage enargite-pyrite veins located in the western part of the deposit. The alteration assemblage quartz-muscovite-pyrite associated with the pyrite-quartz body suggests that the first stage precipitated at slightly, acidic fin. The sulfide mineral assemblages define an evolutionary path close to the pyrite-pyrrhotite boundary and are characteristic of low-sulfidation states; they suggest that the oxidizing slightly acidic hydrothermal fluid was buffered by phyllite, shale, and carbonate host rock. However, the presence in the pyrite-quartz body of hematite within quartz suggests that, locally, the fluids were less buffered by the host rock. The mineral assemblages of the second mineralization stage are characteristic of high- to intermediate-sulfidation states. High-sulfidation states and oxidizing conditions were achieved and maintained in the cores of the second-stage orebodies, even in those replacing carbonate rocks. The observation that, in places, second-stage mineral assemblages are found in the inner and outer zones is explained in terms of the hydrothermal fluid advancing and waning. Microthermometric data from fluid inclusions in quartz indicate that the different ores of the first mineralization stage formed at similar temperatures and moderate salinities (200 degrees-275 degrees C and 0.2-6.8 wt % NaCl equiv in the pyrite-quartz body; 192 degrees-250 degrees C and 1.1-4.3 wt % NaCl equiv in the pyrrhotite bodies; and 183 degrees-212 degrees C and 3.2-4.0 wt % NaCl equiv in the Zn-Pb ores). These values are similar to those obtained for fluid inclusions in quartz and sphalerite from the second-stage ores (187 degrees-293 degrees C and 0.2-5.2 wt % NaCl equiv in the enargite-pyrite veins: 178 degrees-265 degrees C and 0.2-7.5 wt % NaCl equiv in quartz of carbonate-replacement orebodies; 168 degrees-999 degrees C and 3-11.8 wt % NaCl equiv in sphalerite of carbonate-replacement orebodies; and 245 degrees-261 degrees C and 3.2-7.7 wt % NaCl equiv in quartz from Venencocha). Oxygen and hydrogen isotope compositions oil kaolinite from carbonate-replacement orebodies (delta(18)O = 5.3-11.5%o, delta D = -82 to -114%o) and on alunite from the Venencocha and Santa Rosa areas (delta(18)O = 1.9-6.9%o, delta D = -56 to -73%o). Oxygen isotope compositions of quartz from the first and second stages have 6180 values from 9.1 to 1.7.8 per mil. Calculated fluids in equilibrium with kaolinite have delta(18)O values of 2.0 to 8.2 and delta D values of -69 to -97 per mil; values in equilibrium with alunite are -1.4 to -6.4 and -62 to -79 per mil. Sulfur isotope compositions of sulfides from both stages have a narrow range of delta(34)S values, between -3.7 and +4.2 per mil; values for sulfates from the second stage are between 4.2 and 31.2 per mil. These results define two mixing trends for the ore-forming fluids. The first trend reflects mixing between a moderately saline (similar to 10 wt % NaCl equiv) magmatic end member that had degassed (as indicated by the low delta D values) and meteoric water. The second mixing indicates condensation of magmatic vapor with HCl and SO(2) into meteoric water, which formed alunite. The hydrothermal system at Cerro de Pasco was emplaced at a shallow depth (similar to 500 m) in the epithermal and upper part of a porphyry environment. The similar temperatures and salinities obtained for the first stage and second stages, together with the stable isotope data, indicate that both stages are linked and represent successive stages of epithermal polymetallic mineralization in the upper part of a porphyry system.

Caution on the storage of waters and aqueous solutions in plastic containers for hydrogen and oxygen stable isotope analysis

RATIONALE The choice of containers for storage of aqueous samples between their collection, transport and water hydrogen (2H) and oxygen (18O) stable isotope analysis is a topic of concern for a wide range of fields in environmental, geological, biomedical, food, and forensic sciences. The transport and separation of water molecules during water vapor or liquid uptake by sorption or solution and the diffusive transport of water molecules through organic polymer material by permeation or pervaporation may entail an isotopic fractionation. An experiment was conducted to evaluate the extent of such fractionation. METHODS Sixteen bottle-like containers of eleven different organic polymers, including low and high density polyethylene (LDPE and HDPE), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), and perfluoroalkoxy-Teflon (PFA), of different wall thickness and size were completely filled with the same mineral water and stored for 659?days under the same conditions of temperature and humidity. Particular care was exercised to keep the bottles tightly closed and prevent loss of water vapor through the seals. RESULTS Changes of up to +5 parts per thousand for d2H values and +2.0 parts per thousand for d18O values were measured for water after more than 1?year of storage within a plastic container, with the magnitude of change depending mainly on the type of organic polymer, wall thickness, and container size. The most important variations were measured for the PET and PC bottles. Waters stored in glass bottles with Polyseal (TM) cone-lined PP screw caps and thick-walled HDPE or PFA containers with linerless screw caps having an integrally molded inner sealing ring preserved their original d2H and d18O values. The carbon, hydrogen, and oxygen stable isotope compositions of the organic polymeric materials were also determined. CONCLUSIONS The results of this study clearly show that for precise and accurate measurements of the water stable isotope composition in aqueous solutions, rigorous sampling and storage procedures are needed both for laboratory standards and for unknown samples. Copyright (c) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.