Characterization of lead-recycling facility emissions at various workplaces : major insights for sanitary risks assessment

Most available studies on lead smelter emissions deal with the environmental impact of outdoor particles, but only a few focus on air quality at workplaces. The objective of this study is to physically and chemically characterize the Pb-rich particles emitted at different workplaces in a lead recycling plant. A multi-scale characterization was conducted from bulk analysis to the level of individual particles, to assess the particles properties in relation with Pb speciation and availability. Process PM from various origins were sampled and then compared; namely Furnace and Refining PM respectively present in the smelter and at refinery workplaces, Emissions PM present in channeled emissions.These particles first differed by their morphology and size distribution, with finer particles found in emissions. Differences observed in chemical composition could be explained by the industrial processes. All PM contained the same major phases (Pb, PbS, PbO, PbSO4 and PbO·PbSO4) but differed on the nature and amount of minor phases. Due to high content in PM, Pb concentrations in the CaCl2 extractant reached relatively high values (40 mg.L-1). However, the ratios (soluble/total) of CaCl2 exchangeable Pb were relatively low (< 0.02%) in comparison with Cd (up to 18%). These results highlight the interest to assess the soluble fractions of all metals (minor and major) and discuss both total metal concentrations and ratios for risk evaluations. In most cases metal extractability increased with decreasing size of particles, in particular, lead exchangeability was highest for channeled emissions. Such type of study could help in the choice of targeted sanitary protection procedures and for further toxicological investigations. In the present context, particular attention is given to Emissions and Furnace PM. Moreover, exposure to other metals than Pb should be considered. [Authors]

Genetics of cadmium hyperaccumulation variance in Thlaspi caerulescens natural populations from Switzerland

SUMMARY Heavy metal presence in the environment is a serious concern since some of them can be toxic to plants, animals and humans once accumulated along the food chain. Cadmium (Cd) is one of the most toxic heavy metal. It is naturally present in soils at various levels and its concentration can be increased by human activities. Several plants however have naturally developed strategies allowing them to grow on heavy metal enriched soils. One of them consists in the accumulation and sequestration of heavy metals in the above-ground biomass. Some plants present in addition an extreme strategy by which they accumulate a limited number of heavy metals in their shoots in amounts 100 times superior to those expected for a non-accumulating plant in the same conditions. Understanding the genetic basis of the hyperaccumulation trait - particularly for Cd - remains an important challenge which may lead to biotechnological applications in the soil phytoremediation. In this thesis, Thlaspi caerulescens J. & C. Presl (Brassicaceae) was used as a model plant to study the Cd hyperaccumulation trait, owing to its physiological and genetic characteristics. Twenty-four wild populations were sampled in different regions of Switzerland. They were characterized for environmental and soil parameters as well as intrinsic characteristics of plants (i.e. metal concentrations in shoots). They were as well genetically characterized by AFLPs, plastid DNA polymorphism and genes markers (CAPS and microsatellites) mainly developed in this thesis. Some of the investigated genes were putatively linked to the Cd hyperaccumulation trait. Since the study of the Cd hyperaccumulation in the field is important as it allows the identification of patterns of selection, the present work offered a methodology to define the Cd hyperaccumulation capacity of populations from different habitats permitting thus their comparison in the field. We showed that Cd, Zn, Fe and Cu accumulations were linked and that populations with higher Cd hyperaccumulation capacity had higher shoot and reproductive fitness. Using our genetic data, statistical methods (Beaumont & Nichols's procedure, partial Mantel tests) were applied to identify genomic signatures of natural selection related to the Cd hyperaccumulation capacity. A significant genetic difference between populations related to their Cd hyperaccumulation capacity was revealed based on somè specific markers (AFLP and candidate genes). Polymorphism at the gene encoding IRTl (Iron-transporter also participating to the transport of Zn) was suggested as explaining part of the variation in Cd hyperaccumulation capacity of populations supporting previous physiological investigations. RÉSUMÉ La présence de métaux lourds dans l'environnement est un phénomène préoccupant. En effet, certains métaux lourds - comme le cadmium (Cd) -sont toxiques pour les plantes, les animaux et enfin, accumulés le long de la chaîne alimentaire, pour les hommes. Le Cd est naturellement présent dans le sol et sa concentration peut être accrue par différentes activités humaines. Certaines plantes ont cependant développé des stratégies leur permettant de pousser sur des sols contaminés en métaux lourds. Parmi elles, certaines accumulent et séquestrent les métaux lourds dans leurs parties aériennes. D`autres présentent une stratégie encore plus extrême. Elles accumulent un nombre limité de métaux lourds en quantités 100 fois supérieures à celles attendues pour des espèces non-accumulatrices sous de mêmes conditions. La compréhension des bases génétiques de l'hyperaccumulation -particulièrement celle du Cd - représente un défi important avec des applications concrètes en biotechnologies, tout particulièrement dans le but appliqué de la phytoremediation des sols contaminés. Dans cette thèse, Thlaspi caerulescens J. & C. Presl (Brassicaceae) a été utilisé comme modèle pour l'étude de l'hyperaccumulation du Cd de par ses caractéristiques physiologiques et génétiques. Vingt-quatre populations naturelles ont été échantillonnées en Suisse et pour chacune d'elles les paramètres environnementaux, pédologique et les caractéristiques intrinsèques aux plantes (concentrations en métaux lourds) ont été déterminés. Les populations ont été caractérisées génétiquement par des AFLP, des marqueurs chloroplastiques et des marqueurs de gènes spécifiques, particulièrement ceux potentiellement liés à l'hyperaccumulation du Cd (CAPS et microsatellites). La plupart ont été développés au cours de cette thèse. L'étude de l'hyperaccumulation du Cd en conditions naturelles est importante car elle permet d'identifier la marque, éventuelle de sélection naturelle. Ce travail offre ainsi une méthodologie pour définir et comparer la capacité des populations à hyperaccumuler le Cd dans différents habitats. Nous avons montré que les accumulations du Cd, Zn, Fe et Cu sont liées et que les populations ayant une grande capacité d'hyperaccumuler le Cd ont également une meilleure fitness végétative et reproductive. Des méthodes statistiques (l'approche de Beaumont & Nichols, tests de Martel partiels) ont été utilisées sur les données génétiques pour identifier la signature génomique de la sélection naturelle liée à la capacité d'hyperaccumuler le Cd. Une différenciation génétique des populations liée à leur capacité d'hyperaccumuler le Cd a été mise en évidence sur certains marqueurs spécifiques. En accord avec les études physiologiques connues, le polymorphisme au gène codant IRT1 (un transporteur de Fe impliqué dans le transport du Zn) pourrait expliquer une partie de la variance de la capacité des populations à hyperaccumuler le Cd.

Biogeochemical evolution of a marine shore tailings deposit during bioremediation

Summary : Mining activities produce enormous amounts of waste material known as tailings which are composed of fine to medium size particles. These tailings often contain sulfides, which oxidation can lead to acid and metal contamination of water; therefore they need to be remediated. In this work a tailings bioremediation approach was investigated by an interdisciplinary study including geochemistry, mineralogy and microbiology. The aim of the work was to study the effect of the implementation of wetland above oxidizing tailings on the hydrogeology and the biogeochemical element cycles, and to assess the system evolution over time. To reach these goals, biogeochemical processes occurring in a marine shore tailings deposit were investigated. The studied tailings deposit is located at the Bahìa de Ite, Pacific Ocean, southern Peru, where between 1940 and 1996 the tailings were discharged from the two porphyry copper mines Cuajone and Toquepala. After the end of deposition, a remediation approach was initiated in 1997 with a wetland implementation above the oxidizing tailings. Around 90% of the tailings deposits (total 16 km2) were thus remediated, except the central delta area and some areas close to the shoreline. The multi-stable isotope study showed that the tailings were saturated with fresh water in spite of the marine setting, due to the high hydraulic gradient resulting from the wetland implementation. Submarine groundwater discharge (SGD) was the major source of SO4 2-, C1-, Na+, Fe2+, and Mn2+ input into the tailings at the original shelf-seawater interface. The geochemical study (aquatic geochemistry and X-Ray diffraction (XRD) and sequential extractions from the solid fraction) showed that iron and sulfur oxidation were the main processes in the non-remediated tailings, which showed a top a low-pH oxidation zone with strong accumulation of efflorescent salts at the surface due to capillary upward transport of heavy metals (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Co, and Ni) in the arid climate. The study showed also that the implementation of the wetland resulted in very low concentrations of heavy metals in solution (mainly under the detection limit) due to the near neutral pH and more reducing conditions (100-150 mV). The heavy metals, which were taken from solution, precipitated as hydroxides and sulfides or were bound to organic matter. The bacterial community composition analysis by Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP) and cloning and sequencing of 16S rRNA genes combined with a detailed statistical analysis revealed a high correlation between the bacterial distribution and the geochemical variables. Acidophilic autotrophic oxidizing bacteria were dominating the oxidizing tailings, whereas neutrophilic and heterotrophic reducing bacteria were driving the biogeochemical processes in the remediated tailings below the wetland. At the subsurface of the remediated tailings, an iron cycling was highlighted with oxidation and reduction processes due to micro-aerophilic niches provided by the plant rhizosphere in this overall reducing environment. The in situ bioremediation experiment showed that the main parameter to take into account for the effectiveness was the water table and chemistry which controls the system. The constructed remediation cells were more efficient and rapid in metal removal when saturation conditions were available. This study showed that the bioremediation by wetland implementation could be an effective and rapid treatment for some sulfidic mine tailings deposits. However, the water saturation of the tailings has to be managed on a long-term basis in order to guarantee stability. Résumé : L'activité minière produit d'énormes quantités de déchets géologiques connus sous le nom de « tailings » composées de particules de taille fine à moyenne. Ces déchets contiennent souvent des sulfures dont l'oxydation conduit à la formation d'effluents acides contaminés en métaux, d'où la nécessité d'effectuer une remédiation des sites de stockage concernés. Le but de ce travail est dans un premier temps d'étudier l'effet de la bio-remédiation d'un dépôt de tailings oxydés sur l'hydrogéologie du système et les cycles biogéochimiques des éléments et en second lieu, d'évaluer l'évolution du processus de remédiation dans le temps. Le site étudié dans ce travail est situé dans la Bahía de Ite, au sud du Pérou, au bord de l'Océan Pacifique. Les déchets miniers en question sont déposés dans un environnement marin. De 1940 à 1996, les déchets de deux mines de porphyre cuprifère - Cuajone et Toquepala - ont été acheminés sur le site via la rivière Locumba. En 1997, une première remédiation a été initiée avec la construction d'une zone humide sur les tailings. Depuis, environ 90% de la surface du dépôt (16 km2) a été traité, les parties restantes étant la zone centrale du delta du Locumba et certaines zones proches de la plage. Malgré la proximité de l'océan, les études isotopiques menées dans le cadre de ce travail ont montré que les tailings étaient saturés en eau douce. Cette saturation est due à la pression hydraulique résultant de la mise en place des zones humides. Un écoulement d'eau souterrain sous-marin a été à détecté à l'interface entre les résidus et l'ancien fond marin. En raison de la géologie locale, il constitue une source d'entrée de SO4 2-, Cl-, Na+, FeZ+, et Mn2+ dans le système. L'analyse de la géochimie aquatique, la Diffraction aux Rayons X (XRD) et l'extraction séquentielle ont montré que l'oxydation du fer et .des sulfures est le principal processus se produisant dans les déchets non remédiés. Ceci a entraîné le développement d'une zone d'oxydation à pH bas induisant une forte accumulation des sels efflorescents, conséquence de la migration capillaire des métaux lourds (Fe, Cu, Zn, Mn, Cd, Co et Ni) de la solution vers la surface dans ce climat aride. Cette étude a montré également que la construction de la zone humide a eu comme résultats une précipitation des métaux dans des phases minérales en raison du pH neutre et des conditions réductrices (100-150mV). Les métaux lourds ont précipité sous la forme d'hydroxydes et de sulfures ou sont adsorbés à la matière organique. L'analyse de la composition de la communauté bactérienne à l'aide la technique T-RFLP (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) et par le clonage/séquençage des gènes de l'ARNr 16S a été combinée à une statistique détaillée. Cette dernière a révélé une forte corrélation entre la distribution de bactéries spécifiques et la géochimie : Les bactéries autotrophes acidophiles dominent dans les déchets oxydés non remédiés, tandis que des bactéries hétérotrophes neutrophiles ont mené les processus microbiens dans les déchets remédiés sous la zone humide. Sous la surface de la zone humide, nos analyses ont également mis en évidence un cycle du fer par des processus d'oxydoréduction rendus possibles par la présence de niches micro-aérées par la rhizosphère dans cet environnement réducteur. L'expérience de bio-remédiation in situ a montré que les paramètres clés qui contrôlent l'efficacité du traitement sont le niveau de la nappe aquifère et la chimie de l'eau. Les cellules de remédiation se sont montrées plus efficaces et plus rapides lorsque le système a pu être saturé en eau. Finalement, cette étude a montré que la bio-remédiation de déchets miniers par la construction de zones humides est un moyen de traitement efficace, rapide et peu coûteux. Cependant, la saturation en eau du système doit être gérée sur le long terme afin de garantir la stabilité de l'ensemble du système.

Evolving from inferences to decisions in the interpretation of scientific evidence

Le travail d'un(e) expert(e) en science forensique exige que ce dernier (cette dernière) prenne une série de décisions. Ces décisions sont difficiles parce qu'elles doivent être prises dans l'inévitable présence d'incertitude, dans le contexte unique des circonstances qui entourent la décision, et, parfois, parce qu'elles sont complexes suite à de nombreuse variables aléatoires et dépendantes les unes des autres. Etant donné que ces décisions peuvent aboutir à des conséquences sérieuses dans l'administration de la justice, la prise de décisions en science forensique devrait être soutenue par un cadre robuste qui fait des inférences en présence d'incertitudes et des décisions sur la base de ces inférences. L'objectif de cette thèse est de répondre à ce besoin en présentant un cadre théorique pour faire des choix rationnels dans des problèmes de décisions rencontrés par les experts dans un laboratoire de science forensique. L'inférence et la théorie de la décision bayésienne satisfont les conditions nécessaires pour un tel cadre théorique. Pour atteindre son objectif, cette thèse consiste de trois propositions, recommandant l'utilisation (1) de la théorie de la décision, (2) des réseaux bayésiens, et (3) des réseaux bayésiens de décision pour gérer des problèmes d'inférence et de décision forensiques. Les résultats présentent un cadre uniforme et cohérent pour faire des inférences et des décisions en science forensique qui utilise les concepts théoriques ci-dessus. Ils décrivent comment organiser chaque type de problème en le décomposant dans ses différents éléments, et comment trouver le meilleur plan d'action en faisant la distinction entre des problèmes de décision en une étape et des problèmes de décision en deux étapes et en y appliquant le principe de la maximisation de l'utilité espérée. Pour illustrer l'application de ce cadre à des problèmes rencontrés par les experts dans un laboratoire de science forensique, des études de cas théoriques appliquent la théorie de la décision, les réseaux bayésiens et les réseaux bayésiens de décision à une sélection de différents types de problèmes d'inférence et de décision impliquant différentes catégories de traces. Deux études du problème des deux traces illustrent comment la construction de réseaux bayésiens permet de gérer des problèmes d'inférence complexes, et ainsi surmonter l'obstacle de la complexité qui peut être présent dans des problèmes de décision. Trois études-une sur ce qu'il faut conclure d'une recherche dans une banque de données qui fournit exactement une correspondance, une sur quel génotype il faut rechercher dans une banque de données sur la base des observations faites sur des résultats de profilage d'ADN, et une sur s'il faut soumettre une trace digitale à un processus qui compare la trace avec des empreintes de sources potentielles-expliquent l'application de la théorie de la décision et des réseaux bayésiens de décision à chacune de ces décisions. Les résultats des études des cas théoriques soutiennent les trois propositions avancées dans cette thèse. Ainsi, cette thèse présente un cadre uniforme pour organiser et trouver le plan d'action le plus rationnel dans des problèmes de décisions rencontrés par les experts dans un laboratoire de science forensique. Le cadre proposé est un outil interactif et exploratoire qui permet de mieux comprendre un problème de décision afin que cette compréhension puisse aboutir à des choix qui sont mieux informés. - Forensic science casework involves making a sériés of choices. The difficulty in making these choices lies in the inévitable presence of uncertainty, the unique context of circumstances surrounding each décision and, in some cases, the complexity due to numerous, interrelated random variables. Given that these décisions can lead to serious conséquences in the admin-istration of justice, forensic décision making should be supported by a robust framework that makes inferences under uncertainty and décisions based on these inferences. The objective of this thesis is to respond to this need by presenting a framework for making rational choices in décision problems encountered by scientists in forensic science laboratories. Bayesian inference and décision theory meets the requirements for such a framework. To attain its objective, this thesis consists of three propositions, advocating the use of (1) décision theory, (2) Bayesian networks, and (3) influence diagrams for handling forensic inference and décision problems. The results present a uniform and coherent framework for making inferences and décisions in forensic science using the above theoretical concepts. They describe how to organize each type of problem by breaking it down into its différent elements, and how to find the most rational course of action by distinguishing between one-stage and two-stage décision problems and applying the principle of expected utility maximization. To illustrate the framework's application to the problems encountered by scientists in forensic science laboratories, theoretical case studies apply décision theory, Bayesian net-works and influence diagrams to a selection of différent types of inference and décision problems dealing with différent catégories of trace evidence. Two studies of the two-trace problem illustrate how the construction of Bayesian networks can handle complex inference problems, and thus overcome the hurdle of complexity that can be present in décision prob-lems. Three studies-one on what to conclude when a database search provides exactly one hit, one on what genotype to search for in a database based on the observations made on DNA typing results, and one on whether to submit a fingermark to the process of comparing it with prints of its potential sources-explain the application of décision theory and influ¬ence diagrams to each of these décisions. The results of the theoretical case studies support the thesis's three propositions. Hence, this thesis présents a uniform framework for organizing and finding the most rational course of action in décision problems encountered by scientists in forensic science laboratories. The proposed framework is an interactive and exploratory tool for better understanding a décision problem so that this understanding may lead to better informed choices.

Partial melting of basic dykes in the contact aureoles of two shallow-level, gabbro-pyroxenite intrusions, Fuerteventura

THESIS ABSTRACT Low-pressure anatexis of basic dykes gave rise to unusual, zebra-like migmatites, in the contact metamorphic aureoles of two layered gabbro-pyroxenite intrusions, PXl and PX2, in the root zone of an ocean island, Fuerteventura Basal Complex (Canary Islands). This thesis focuses on the understanding of processes attributing to the partial melting and formation of these migmatites, characterised by a dense network of closely spaced, millimetre-wide leucocratic segregations with perfectly preserved igneous textures. The presence of fluids are required to decrease the solidus of basic igneous lithologies, to allow partial melting in such aloes-pressure (1-2 kb) environment. An oxygen isotope study was thus carried out on dykes inside and beyond the PX2 aureole, in order to decipher the nature and origin of such fluids. Low or negative δ18O values were obtained for whole rocks and mineral-separates, decreasing towards the contact, with the intrusion itself retaining fairly high values. This trend has been attributed to the advection of meteoric water during magma emplacement, with increasing fluid/rock ratios (higher dyke intensities towards the intrusion acting as fluid-pathways) and higher temperatures promoting increasing exchange during recrystallisation. A comparison of whole rock and mineral major- and trace- element data allowed the redistribution of elements .between different mineral phases and generations, during contact metamorphism and partial melting to be assessed. Certain trace-elements, e.g. Zr, Hf, Y, and REEs, were internally redistributed during contact metamorphic recrystallisation, causing- the enrichment of neocrystallised diopsides compared to relict phenocrysts. This has been assigned to the liberation of trace elements on the breakdown of primary minerals, kaersutite and sphene, on entering the thermal aureole. Major and trace element compositions of minerals in migmatite melanosomes and leucosomes are almost identical, pointing to a syn- or post- solidus reequilibration on cooling of the migmatite terrain. The mineralogical, textural and geochemical evolution of dykes in a contact metamorphic aureole, is recorded around an apophysis of the PX1 intrusion, where there is evidence of incipient partial melting. Hydrothermal mineral pseudomorphs in the outer parts of the aureole are progressively replaced by dry mineral assemblages, with increasingly recrystallised diopside and evidence of partial melting -the extent of which varies from one lithology to another. The appearance of more mafic lithologies towards the intrusion, with lower whole rock SiO2 and mobile element abundances, e.g. Rb, Cs, K, has been explained by the migration and accumulation of feldspathic material into leucosomes outside the samples. A micro-structural study of leucosomes and leucocratic pods, with the aid of high-resolution X-ray computed micro-tomography (HRXµCT), allowing the visualization and quantification of shapes and orientations, was carried out in order to better understand the processes of melt segregation in the PX1 aureole. Leucocratic pods, representing former amygdales, are considered as natural strain ellipsoids. Their short axes are oriented perpendicular to leucosome planes, which sub-parallel the intrusive contact. Leucosomes thus effectively represent foliation planes. This implies that the direction of maximum shortening, during migmatisation, was perpendicular to the orientation of leucosomes, contradicting earlier models that suggest leucosomes represent tension veins. RESUME DE LA THESE Un phénomène rare de fusion partielle de filons basiques à basse pression a été étudié dans les auréoles de contact de deux intrusions litées de gabbro-pyroxénite, PX1 et PX2, localisées dans le soubassement de l'île volcanique de Fuerteventura aux Canaries. Cette anatexie a engendré des migmatites finement zébrées d'aspect très inhabituel, dont les processus de formation ont été étudiés dans le présent travail. Ces roches sont caractérisées par un réseau dense de veinules leucocrates d'épaisseur millimétrique, dont les textures ignées sont parfaitement préservées. La fusion partielle de roches basiques à basse pression (1-2 kbar) requiert la présence d'eau afin d'abaisser le solidus du système à des températures géologiquement réalistes. Une étude comparative des isotopes de l'oxygène a ainsi été menée sur des filons respectivement affectés et non affectés par le métamorphisme de contact, afin de confirmer la présence de ces fluides, de déterminer l'importance de leur interaction avec les roches et leur origine. Des valeurs de δ180 basses ou négatives ont été mesurées sur roche totale et minéraux séparés, décroissantes en direction du contact, alors que l'intrusion elle-même a conservé des valeurs élevées. Ce gradient a été attribué à l'advection d'eau météorique durant la mise en place du magma, les températures les plus élevées favorisant d'autant plus la circulation des fluides et les échanges isotopiques durant la recristallisation des roches. Cette recristallisation engendré une redistribution chimique complète des éléments entre les différentes générations de minéraux résultant du métamorphisme de contact et de l'anatexie, mise en évidence par microanalyse. Certains éléments traces comme Zr, Hf, Y et les REE ont été concentrés dans le diopside néoformé consécutivement à la déstabilisation de minéraux primaires riches en ces éléments comme la kaersutite ou le sphène. Les compositions en éléments majeurs et traces des minéraux des mélanosomes et leucosomes des migmatites sont pratiquement identiques, indiquant une rééquilibration syn- à postsolidus lors du refroidissement de l'auréole de contact. La transformation progressive des filons basiques au niveau de leur minéralogie, textures et composition chimique a pu être observée en détail à l'approche du contact d'une apophyse de l'intrusion PX1. La paragenèse magmatique initiale n'est jamais préservée, les faciès les plus distants du contact étant constitués d'un assemblage pseudomorphique hydrothermal. Ce dernier est progressivement remplacé par des assemblages anhydres incluant du diopside néoformé, puis apparaissent les premiers signes de fusion partielle, dont l'importance varie fortement d'une lithologie à l'autre. L'apparition de faciès plus basiques en direction du contact, avec des teneurs réduites en SiO2 et en éléments incompatibles tels Rb, Cs, K, a été attribuée à l'échappement de leucosomes feldspathiques hors du système. Une étude microstructurale de la distribution spatiale du matériel leucocrate au sein des migmatites par microtomographie X de haute résolution (HRXµCT) a été menée pour mieux comprendre les processus de ségrégation des liquides dans l'auréole de PX1. De petites entités ovoïdes, représentant d'anciennes structures amygdalaires au sein des filons, ont été considérées comme des ellipsoïdes marqueurs de la déformation finie. Leur petit axe est orienté perpendiculairement aux plans définis par les leucosomes, eux-mêmes subparallèles au contact intrusif. Les leucosomes matérialisent donc des plans de clivage. Ainsi, la direction de raccourcissement maximum durant la fusion partielle était perpendiculaire à l'orientation des leucosomes, contrairement à ce qui a été dit dans de précédentes publications, qui suggéraient que les leucosomes représentaient des veines de tension. RESUME DE LA THESE (POUR LE GRAND PUBLIC) L'observation directe du soubassement d'une île volcanique est une occasion rare, accessible dans le «complexe de base » de l'île canarienne de Fuerteventura. Ce dernier a enregistré divers phénomènes magmatiques, métamorphiques et de fusion partielle induits par l'intrusion répétée de magmas alimentant des appareils volcaniques sus jacents, sous forme de petits plutons, essaims de filons et complexes annulaires de gabbros alcalins, pyroxénites, syénites et carbonatites. Dans ce contexte de flux de chaleur élevé, des filons basiques ont subi une fusion partielle au contact de deux intrusions de gabbro-pyroxénite, un phénomène extrêmement rare à une profondeur aussi réduite, estimée à quelque 3-6 km. Les produits de cette fusion partielle sont des liquides très riches en feldspath, concentrés en un réseau dense de veinules blanches (leucosomes) au sein du matériau résiduel sombre non fondu (mélanosome) pour former ce qu'on appelle des migmatites. Outre les aspects pétrologiques liés à la formation de ces migmatites, l'intérêt majeur du phénomène réside dans le fait qu'il puisse représenter la source des magmas évolués parfois observés sur les îles océaniques. A des pressions aussi faibles que dans le soubassement de Fuerteventura (1-2 Kbar), la présence de fluides abondants est nécessaire pour abaisser la température de début de fusion des roches (solidus) à des valeurs géologiquement réalistes. Des expériences ont montré que même en présence de plusieurs %-poids d'eau, une température de 1000°C était encore nécessaire pour obtenir une proportion de liquide équivalente à celle observée sur le terrain, soit 25%. Or les magmas alcalins des îles océaniques, bien qu'hydratés, n'en contiennent de loin pas autant, ce qui implique une source d'eau externe. Une étude isotopique de l'oxygène a été entreprise afin de tester cette hypothèse. Les valeurs obtenues en 5180 sont basses ou négatives et indiquent l'influence d'eau d'origine météorique. Cette eau de pluie se serait infiltrée le long des filons depuis la surface du volcan et les aurait complètement hydrothermalisés en profondeur (situation encore visible à l'extérieur de l'auréole de contact), leur permettant ainsi de stocker l'eau nécessaire à leur fusion partielle ultérieure. L'interaction entre eau de pluie et filons a été d'autant plus importante que ces derniers étaient proches du contact avec l'intrusion, ce qui suggère que la circulation de ces eaux et leur interaction avec les roches a été favorisée par la chaleur fournie par l'intrusion elle-même. Un autre aspect de ce travail s'est focalisé sur la redistribution des éléments traces au sein des minéraux des filons basiques durant le métamorphisme de contact et la fusion partielle. Ainsi, le pyroxène de seconde génération est-il sensiblement enrichi en traces telles Zr, Hf, Y et les terres rares, par rapport au pyroxène magmatique originel, en relation avec la déstabilisation de minéraux primaires riches en ces éléments tels le sphène et la kaersutite. Cependant, les compositions en éléments majeurs et traces des minéraux recristallisés des migmatites sont pratiquement les mêmes dans les leucosomes et les mélanosomes, suggérant une rééquilibration chimique complète durant le refroidissement de ces lithologies. Si certaines migmatites se sont comportées en système chimiquement fermé (hormis l'eau météorique), d'autres filons ont manifestement perdu une partie de leurs leucosomes, ainsi qu'en témoigne leur composition progressivement appauvrie en silice et autres éléments incompatibles mobiles, tels K et Rb à l'approche du contact de l'intrusion. Parallèlement à cette évolution chimique, les paragenèses hydrothermales distantes du contact sont progressivement remplacées par des paragenèses anhydres, puis par l'apparition des premiers leucosomes, tandis que les textures magmatiques initiales sont complètement effacées au profit d'une combinaison de textures magmatique dans les leucosomes et en mosaïque dans les mélanosomes. Enfin, la distribution spatiale des liquides de fusion partielle a été étudiée par microtomographie X de haute résolution, dans des filons contenant des entités ovoïdes leucocrates, sans doute d'anciennes amygdales à zéolites. Ces dernières ont été considérées comme des ellipsoïdes de la déformation finie. L'orientation de leur petit axe, perpendiculaire au plan défini par les veinules de leucosomes, indique que ces derniers représentent des plans de clivage perpendiculaires à la direction de raccourcissement maximum. Ainsi, la ségrégation des liquides de fusion partielle se serait faite dans les plans de compression et non dans des plans de dilatation, contrairement à ce que laisserait penser le sens commun.

Multiple plume events in the genesis of the peri-Caribbean Cretaceous oceanic plateau province

The oceanic crust fragments exposed in central America, in north-western South America, and in the Caribbean islands have been considered to represent accreted remnants of the Caribbean-Colombian Oceanic Plateau (CCOP). On the basis of trace element and Nd, Sr, and Pb isotopic compositions we infer that cumulate rocks, basalts, and diabases from coastal Ecuador have a different source than the basalts from the Dominican Republic. The latter suite includes the 86 Ma basalts of the Duarte Complex which are light rare earth element (REE) -enriched and display (relative to normal mid-ocean ridge basalts, NMORB) moderate enrichments in large ion lithophile elements, together with high Nb, Ta, Pb, and low Th contents. Moreover, they exhibit a rather restricted range of Nd and Pb isotopic ratios consistent with their derivation from an ocean island-type mantle source, the composition of which includes the HIMU (high U-238/Pb-204) component characteristic of the Galapagos hotspot. In contrast, the 123 Ma Ecuadorian oceanic rocks have flat REE patterns and (relative to NMORB) are depleted in Zr, Hf, Th, and U. Moreover, they show a wide range of Nd and Pb isotopic ratios intermediate between those of ocean island basalts and NMORB. It is unlikely, on geochemical grounds, that the plume source of the Ecuadorian fragments was similar to that of the Galapagos. In addition, because of the NNE motion of the Farallon plate during the Early Cretaceous, the Ecuadorian oceanic plateau fragments could not have been derived from the Galapagos hotspot but were likely formed at a ridge-centered or near-ridge hotspot somewhere in the SE Pacific.

Trace element partitioning in HP-LT metamorphic assemblages during subduction-related metamorphism, Ile de Groix, France: a detailed LA-ICPMS study

Devolatilization reactions and subsequent transfer of fluid from subducted oceanic crust into the overlying mantle wedge are important processes, which are responsible for the specific geochemical characteristics of subduction-related metamorphic rocks, as well as those of arc magmatism. To better understand the geochemical fingerprint induced by fluid mobilization during dehydration and rehydration processes related to subduction zone metamorphism, the trace element and rare earth element (REE) distribution patterns in HP-LT metamorphic assemblages in eclogite-, blueschist- and greenschist-facies rocks of the Ile de Groix were obtained by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICPMS) analysis. This study focuses on 10 massive basic rocks representing former hydrothermally altered mid-ocean ridge basalts (MORB), four banded basic rocks of volcano-sedimentary origin and one micaschist. The main hosts for incompatible trace elements are epidote (REE, Th, U, Pb, Sr), garnet [Y, heavy REE (HREE)], phengite (Cs, Rb, Ba, B), titanite [Ti, Nb, Ta, REE; HREE > LREE (light REE)], rutile (Ti, Nb, Ta) and apatite (REE, Sr). The trace element contents of omphacite, amphibole, albite and chlorite are low. The incompatible trace element contents of minerals are controlled by the stable metamorphic mineral assemblage and directly related to the appearance, disappearance and reappearance of minerals, especially epidote, garnet, titanite, rutile and phengite, during subduction zone metamorphism. Epidote is a key mineral in the trace element exchange process because of its large stability field, ranging from lower greenschist- to blueschist- and eclogite-facies conditions. Different generations of epidote are generally observed and related to the coexisting phases at different stages of the metamorphic cycle (e.g. lawsonite, garnet, titanite). Epidote thus controls most of the REE budget during the changing P-T conditions along the prograde and retrograde path. Phengite also plays an important role in determining the large ion lithophile element (LILE) budget, as it is stable to high P-T conditions. The breakdown of phengite causes the release of LILE during retrogression. A comparison of trace element abundances in whole-rocks and minerals shows that the HP-LT metamorphic rocks largely retain the geochemical characteristics of their basic, volcano-sedimentary and pelitic protoliths, including a hydrothermal alteration overprint before the subduction process. A large part of the incompatible trace elements remained trapped in the rocks and was recycled within the various metamorphic assemblages stable under changing metamorphic conditions during the subduction process, indicating that devolatilization reactions in massive basic rocks do not necessarily imply significant simultaneous trace element and REE release.

Metal concentrations in soils around the copper smelter and surrounding industrial complex of Port Kembla, NSW, Australia

Anthropogenic emissions of metals from sources such as smelters are an international problem, but there is limited published information on emissions from Australian smelters. The objective of this study was to investigate the regional distribution of heavy metals in soils in the vicinity of the industrial complex of Port Kembla, NSW, Australia, which comprises a copper smelter, steelworks and associated industries. Soil samples (n=25) were collected at the depths of 0-5 and 5-20 cm, air dried and sieved to < 2 mm. Aqua regia extractable amounts of As, Cr, Cu, Ph and Zn were analysed by inductively coupled plasma mass spectrometry (lCP-MS) and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES). Outliers were identified from background levels by statistical methods. Mean background levels at a depth of 0-5 cm were estimated at 3.2 mg/kg As, 12 mg/kg Cr, 49 mg/kg Cu, 20 mg/kg Ph and 42 mg/kg Zn. Outliers for elevated As and Cu values were mainly present within 4 km from the Port Kembla industrial complex, but high Ph at two sites and high Zn concentrations were found at six sites up to 23 km from Port Kembla. Chromium concentrations were not anomalous close to the industrial complex. There was no significant difference of metal concentrations at depths of 0-5 and 5-20 cm, except for Ph and Zn. Copper and As concentrations in the soils are probably related to the concentrations in the parent rock. From this investigation, the extent of the contamination emanating from the Port Kembla industrial complex is limited to 1-13 km, but most likely <4 km, depending on the element; the contamination at the greater distance may not originate from the industrial complex. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Trace element supplementation modulates pulmonary infection rates after major burns: a double-blind, placebo-controlled trial.

Infections remain the leading cause of death after major burns. Trace elements are involved in immunity and burn patients suffer acute trace element depletion after injury. In a previous nonrandomized study, trace element supplementation was associated with increased leukocyte counts and shortened hospital stays. This randomized, placebo-controlled trial studied clinical and immune effects of trace element supplements. Twenty patients, aged 40 +/- 16 y (mean +/- SD), burned on 48 +/- 17% of their body surfaces, were studied for 30 d after injury. They consumed either standard trace element intakes plus supplements (40.4 micromol Cu, 2.9 micromol Se, and 406 micromol Zn; group TE) or standard trace element intakes plus placebo (20 micromol Cu, 0.4 micromol Se, and 100 micromol Zn; group C) for 8 d. Demographic data were similar for both groups. Mean plasma copper and zinc concentrations were below normal until days 20 and 15, respectively (NS). Plasma selenium remained normal for group TE but decreased for group C (P < 0.05 on days 1 and 5). Total leukocyte counts tended to be higher in group TE because of higher neutrophil counts. Proliferation to mitogens was depressed compared with healthy control subjects (NS). The number of infections per patient was significantly (P < 0.05) lower in group TE (1.9 +/- 0.9) than in group C (3.1 +/- 1.1) because of fewer pulmonary infections. Early trace element supplementation appears beneficial after major burns; it was associated with a significant decrease in the number of bronchopneumonia infections and with a shorter hospital stay when data were normalized for burn size.

Heavy metal ions are potent inhibitors of protein folding.

Environmental and occupational exposure to heavy metals such as cadmium, mercury and lead results in severe health hazards including prenatal and developmental defects. The deleterious effects of heavy metal ions have hitherto been attributed to their interactions with specific, particularly susceptible native proteins. Here, we report an as yet undescribed mode of heavy metal toxicity. Cd2+, Hg2+ and Pb2+ proved to inhibit very efficiently the spontaneous refolding of chemically denatured proteins by forming high-affinity multidentate complexes with thiol and other functional groups (IC(50) in the nanomolar range). With similar efficacy, the heavy metal ions inhibited the chaperone-assisted refolding of chemically denatured and heat-denatured proteins. Thus, the toxic effects of heavy metal ions may result as well from their interaction with the more readily accessible functional groups of proteins in nascent and other non-native form. The toxic scope of heavy metals seems to be substantially larger than assumed so far.

Trace element distribution among rock-forming minerals from metamorphosed to partially molten basic igneous rocks in a contact aureole (Fuerteventura, Canaries)

Low pressure partial melting of basanitic and ankaramitic dykes gave rise to unusual, zebra-like migmatites, in the contact aureole of a layered pyroxenite-gabbro intrusion, in the root zone of an ocean island (Basal Complex, Fuerteventura, Canary Islands). These migmatites are characterised by a dense network of closely spaced, millimetre-wide leucocratic segregations. Their mineralogy consists of plagioclase (An(32-36)), diopside, biotite, oxides (magnetite, ilmenite), +/-amphibole, dominated by plagioclase in the leucosome and diopside in the melanosome. The melanosome is almost completely recrystallised, with the preservation of large, relict igneous diopside phenocrysts in dyke centres. Comparison of whole-rock and mineral major- and trace-element data allowed us to assess the redistribution of elements between different mineral phases and generations during contact metamorphism and partial melting. Dykes within and outside the thermal aureole behaved like closed chemical systems. Nevertheless, Zr, Hf, Y and REEs were internally redistributed, as deduced by comparing the trace element contents of the various diopside generations. Neocrystallised diopside - in the melanosome, leucosome and as epitaxial phenocryst rims - from the migmatite zone, are all enriched in Zr, Hf, Y and REEs compared to relict phenocrysts. This has been assigned to the liberation of trace elements on the breakdown of enriched primary minerals, kaersutite and sphene, on entering the thermal aureole. Major and trace element compositions of minerals in migmatite melanosomes and leucosomes are almost identical, pointing to a syn- or post-solidus reequilibration on the cooling of the migmatite terrain i.e. mineral-melt equilibria were reset to mineral-mineral equilibria. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Forensic intelligence framework-Part I: induction of a transversal model by comparing illicit drugs and false identity documents monitoring

Forensic intelligence is a distinct dimension of forensic science. Forensic intelligence processes have mostly been developed to address either a specific type of trace or a specific problem. Even though these empirical developments have led to successes, they are trace-specific in nature and contribute to the generation of silos which hamper the establishment of a more general and transversal model. Forensic intelligence has shown some important perspectives but more general developments are required to address persistent challenges. This will ensure the progress of the discipline as well as its widespread implementation in the future. This paper demonstrates that the description of forensic intelligence processes, their architectures, and the methods for building them can, at a certain level, be abstracted from the type of traces considered. A comparative analysis is made between two forensic intelligence approaches developed independently in Australia and in Europe regarding the monitoring of apparently very different kind of problems: illicit drugs and false identity documents. An inductive effort is pursued to identify similarities and to outline a general model. Besides breaking barriers between apparently separate fields of study in forensic science and intelligence, this transversal model would assist in defining forensic intelligence, its role and place in policing, and in identifying its contributions and limitations. The model will facilitate the paradigm shift from the current case-by-case reactive attitude towards a proactive approach by serving as a guideline for the use of forensic case data in an intelligence-led perspective. A follow-up article will specifically address issues related to comparison processes, decision points and organisational issues regarding forensic intelligence (part II).

A novel set of DIP-STR markers for improved analysis of challenging DNA mixtures.

Currently available molecular biology tools allow forensic scientists to characterize DNA evidence found at crime scenes for a large variety of samples, including those of limited quantity and quality, and achieve high levels of individualization. Yet, standard forensic markers provide limited or no results when applied to mixed DNA samples where the contributors are present in very different proportions (unbalanced DNA mixtures). This becomes an issue mostly for the analysis of trace samples collected on the victim or from touched objects. To this end, we recently proposed an innovative type of genetic marker, named DIP-STR that relies on pairing deletion/insertion polymorphisms (DIP) with standard short tandem repeats (STR). This novel compound marker allows detection of the minor DNA contributor in a DNA mixture of any gender and cellular origin with unprecedented resolution (beyond a DNA ratio of 1:1000). To provide a novel analytical tool useful in practice to common forensic laboratories, this article describes the first set of 10 DIP-STR markers selected according to forensic technical standards. The novel DIP-STR regions are short (between 146 and 271 bp), include only highly polymorphic tri-, tetra- and pentanucleotide tandem repeats and are located on different chromosomes or chromosomal arms to provide statistically independent results. This novel set of DIP-STR can target the amplification of 0.03-0.1 ng of DNA when mixed with a 1000-fold excess of major DNA. DIP-STR relative allele frequencies are estimated based on a survey of 103 Swiss individuals. Finally, this study provides an estimate of the occurrence of informative alleles and a calculation of the corresponding random match probability of the detected minor DIP-STR genotype assessed across 10,506 pairwise conceptual mixtures.

Role of nitric oxide in genotoxicity: implication for carcinogenesis.

Reactive oxygen species can initiate carcinogenesis by virtue of their capacity to react with DNA and cause mutations. Recently, it has been suggested that nitric oxide (NO) and its derivatives produced in inflamed tissues could contribute to the carcinogenesis process. Genotoxicity of NO follows its reaction with oxygen and superoxide. It can be due either to direct DNA damage or indirect DNA damage. Direct damage includes DNA base deamination, peroxynitrite-induced adducts formation and single strand breaks in the DNA. Indirect damage is due to the interaction of NO reactive species with other molecules such as amines, thiols and lipids. The efficiency of one pathway or another might depend on the cellular antioxidant status or the presence of free metals.