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

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

High elevation Plantago lanceolata plants are less resistant to herbivory than their low elevation conspecifics: is it just temperature?

Traits that mediate species interactions are evolutionarily shaped by biotic and abiotic drivers, yet we know relatively little about the relative importance of these factors. Herbivore pressure, along with resource availability and third-party' mutualists, are hypothesized to play a major role in the evolution of plant defence traits. Here, we used the model system Plantago lanceolata, which grows along steep elevation gradients in the Swiss Alps, to investigate the effect of elevation, herbivore pressure, mycorrhizal inoculation and temperature on plant resistance. Over a 1200 m elevation gradient, the levels of herbivory and iridoid glycosides (IGs) declined with increasing elevation. By planting seedlings at three different elevations, we further showed that both low-elevation growing conditions and mycorrhizal inoculation resulted in increased plant resistance to herbivores. Finally, using a temperature-controlled experiment comparing high- and low-elevation ecotypes, we showed that high-elevation ecotypes are less resistant to herbivory, and that lower temperatures impair IGs deployment after herbivore attack. We thus propose that both lower herbivore pressure, and colder temperatures relax the defense syndrome of high elevation plants.

Chemistry, isotope values (δD, δ18O, δ34S(SO4)) and temperatures of the water inflows in two Gotthard tunnels, Swiss Alps

Water inflows in the Gotthard Highway Tunnel and in the Gotthard Exploration Tunnel are meteoric waters infiltrating at different elevations, on both sides of an important orographic divide. Limited interaction of meteoric waters with gneissic rocks produces Ca-HCO3 and Na-Ca-HCO3 waters, whereas prolonged interaction of meteoric waters with the same rocks generates Na-HCO3 to Na-SO4 waters. Waters circulating in Triassic carbonate-evaporite rocks have a Ca-SO4 composition. Calcium-Na-SO4 waters are also present. They can be produced through interaction of either Na-HCO3 waters with anhydrite or Ca-SO4 waters with a local gneissic rock, as suggested by reaction path modeling. An analogous simulation indicates that Na-HCO3 waters are generated through interaction of Ca-HCO3 waters with a local gneissic rock. The two main SO4-sources present in the Alps are leaching of upper Triassic sulfate minerals and oxidative dissolution of sulfide minerals of crystalline rocks. Values of delta S-34(SO4) < <similar to>+ 9 parts per thousand, are due to oxidative dissolution of sulfide minerals, whereas delta S-34(SO4) > similar to+ 9 parts per thousand are controlled either by bacterial SO4 reduction or leaching of upper Triassic sulfate minerals. Most waters have temperatures similar to the expected values for a geothermal gradient of 22 degreesC/km and are close to thermal equilibrium with rocks. However relatively large, descending flows of cold waters and ascending flows of warm waters are present in both tunnels and determine substantial cooling and heating, respectively, of the interacting rocks. The most import upflow zone of warm, Na-rich waters is below Guspisbach, in the Gotthard Highway Tunnel, at 6.2-9.0 km from the southern portal. These warm waters have equilibrium temperatures of 65-75 degreesC and therefore constitute an important low-enthalpy geothermal resource. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Mineralogical, K-Ar, stable and Sr isotope systematics of K-white micas during very low-grade metamorphism of limestones (Helvetic nappes, Western Switzerland)

Mineralogical, K-Ar, Rb-Sr and stable isotope analyses have been carried out on K-white micas from Helvetic Malm limestones in order to examine their evolution during very low- to low-grade Alpine metamorphism, associated with intense ductile deformation. Metamorphic temperatures were estimated al approximately 300-degrees-C from stable isotopes (quartz-calcite thermometry), occurrence of chloritoid, and `'epizonal'' illite crystallinity index. K-white micas consist of variable mixtures of 2M, phengite and muscovite, as revealed by detailed X-ray diffraction analyses using peak decomposition of the (060, 331) spectra. K-Ar apparent ages display a strong grain-size dependence in which mainly fine-grained size fractions (< 2 mum) record Alpine ages (37-15 Ma). However, these ages provide a relative rather than an absolute chronology of the diachronous Alpine metamorphic evolution of the Helvetic nappes. The resetting of the K-Ar isotopic system of K-white micas to Alpine metamorphic conditions reflects an apparent combination of crystallization/recrystallization and radiogenic Ar-40 diffusion loss. The oxygen isotope compositions of micas (+ 15 to + 22 parts per thousand) are intermediate between detrital and O-18-enriched values expected for micas neoformed within an abundant marine carbonate matrix. No isotopic equilibrium has been reached between calcite and micas. The variable depletion of hydrogen isotope compositions (- 126 to - 82 parts per thousand) is influenced by the interaction with organic matter under closed-system conditions. Organic matter, if not removed, may also represent a serious source of error in K-Ar age determination, by introducing radiogenic Ar-40 contamination. Sr-87/Sr-86 isotope ratios of micas range from 0.70879 to 0.70902 with one outlier at 0.71794. The low values reflect Sr exchange with calcite occurring during crystallization/recrystallization of micas under closed-system conditions.

The thermal circuits of the Argentera Massif (western Alps, Italy): An example of low-enthalpy geothermal resources controlled by Neogene alpine tectonics

This work presents geochemistry and structural geology data concerning the low enthalpy geothermal circuits of the Argentera crystalline Massif in northwestern Italian Alps. I n this area some thermal springs (50-60 degreesC), located in the small Bagni di Vinadio village, discharge mixtures made up of a Na-Cl end-member and a Na-SO4 component. The latter is also discharged by the thermal springs of Terme di Valdieri located some kilometres apart within the same tectonic complex. Both end-members share the same meteoric origin and the same reservoir temperature, which is close to 150 degreesC. Explanations are thus required to understand how they reach the surface and how waters of the same origin and circulating in similar rocks can attain such different compositions. Sodium-sulphate waters discharged at both sites, likely represent the common interaction product of meteoric waters with the widespread granitic-migmatitic rocks of the Argentera Massif, whereas Na-CI waters originate through leaching of mineralised cataclastic rocks, which are rich in phyllosilicatic minerals and fluid inclusions, both acting as Cl- sources. Due to the relatively low inferred geothermal gradient of the region, -25C/km, meteoric waters have to descend to depths of 5.5-6 km to attain temperatures of similar to 150 degreesC. These relevant depths can be reached by descending meteoric waters, due to the recent extensional stress field, which allows the development of geothermal circulations at greater depths than in other sectors of the Alps by favouring a greater fractures aperture. The ascent of the thermal waters rakes place along brittle shear zones. In both sites, the thermal waters emerge at the bottoms of the valleys, close to either the lateral termination of a brittle shear zone at Terme di Valdieri, or a step-over between two en-echelon brittle shear zones at Bagni di Vinadio. These observations attest to a strong control operated on the location of outlet regions by both brittle tectonics and the minima in hydraulic potential inside the fractured massif.