Contact metamorphism and emplacement of the western Adamello tonalite

The geodynamic forces acting in the Earth's interior manifest themselves in a variety of ways. Volcanoes are amongst the most impressive examples in this respect, but like with an iceberg, they only represent the tip of a more extensive system hidden underground. This system consists of a source region where melt forms and accumulates, feeder connections in which magma is transported towards the surface, and different reservoirs where it is stored before it eventually erupts to form a volcano. A magma represents a mixture of melt and crystals. The latter can be extracted from the source region, or form anywhere along the path towards their final crystallization place. They will retain information of the overall plumbing system. The host rocks of an intrusion, in contrast, provide information at the emplacement level. They record the effects of thermal and mechanical forces imposed by the magma. For a better understanding of the system, both parts - magmatic and metamorphic petrology - have to be integrated. I will demonstrate in my thesis that information from both is complementary. It is an iterative process, using constraints from one field to better constrain the other. Reading the history of the host rocks is not always straightforward. This is shown in chapter two, where a model for the formation of clustered garnets observed in the contact aureole is proposed. Fragments of garnets, older than the intrusive rocks are overgrown by garnet crystallizing due to the reheating during emplacement of the adjacent pluton. The formation of the clusters is therefore not a single event as generally assumed but the result of a two-stage process, namely the alteration of the old grains and the overgrowth and amalgamation of new garnet rims. This makes an important difference when applying petrological methods such as thermobarometry, geochronology or grain size distributions. The thermal conditions in the aureole are a strong function of the emplacement style of the pluton. therefore it is necessary to understand the pluton before drawing conclusions about its aureole. A study investigating the intrusive rocks by means of field, geochemical, geochronologi- cal and structural methods is presented in chapter three. This provided important information about the assembly of the intrusion, but also new insights on the nature of large, homogeneous plutons and the structure of the plumbing system in general. The incremental nature of the emplacement of the Western Adamello tonalité is documented, and the existence of an intermediate reservoir beneath homogeneous plutons is proposed. In chapter four it is demonstrated that information extracted from the host rock provides further constraints on the emplacement process of the intrusion. The temperatures obtain by combining field observations with phase petrology modeling are used together with thermal models to constrain the magmatic activity in the immediate intrusion. Instead of using the thermal models to control the petrology result, the inverse is done. The model parameters were changed until a match with the aureole temperatures was obtained. It is shown, that only a few combinations give a positive match and that temperature estimates from the aureole can constrain the frequency of ancient magmatic systems. In the fifth chapter, the Anisotropy of Magnetic Susceptibility of intrusive rocks is compared to 3D tomography. The obtained signal is a function of the shape and distribution of ferromagnetic grains, and is often used to infer flow directions of magma. It turns out that the signal is dominated by the shape of the magnetic crystals, and where they form tight clusters, also by their distribution. This is in good agreement with the predictions made in the theoretical and experimental literature. In the sixth chapter arguments for partial melting of host rock carbonates are presented. While at first very surprising, this is to be expected when considering the prior results from the intrusive study and experiments from the literature. Partial melting is documented by compelling microstructures, geochemical and structural data. The necessary conditions are far from extreme and this process might be more frequent than previously thought. The carbonate melt is highly mobile and can move along grain boundaries, infiltrating other rocks and ultimately alter the existing mineral assemblage. Finally, a mineralogical curiosity is presented in chapter seven. The mineral assemblage magne§site and calcite is in apparent equilibrium. It is well known that these two carbonates are not stable together in the system Ca0-Mg0-Fe0-C02. Indeed, magnesite and calcite should react to dolomite during metamorphism. The presented explanation for this '"forbidden" assemblage is, that a calcite melt infiltrated the magnesite bearing rock along grain boundaries and caused the peculiar microstructure. This is supported by isotopie disequilibrium between calcite and magnesite. A further implication of partially molten carbonates is, that the host rock drastically looses its strength so that its physical properties may be comparable to the ones of the intrusive rocks. This contrasting behavior of the host rock may ease the emplacement of the intrusion. We see that the circle closes and the iterative process of better constraining the emplacement could start again. - La Terre est en perpétuel mouvement et les forces tectoniques associées à ces mouvements se manifestent sous différentes formes. Les volcans en sont l'un des exemples les plus impressionnants, mais comme les icebergs, les laves émises en surfaces ne représentent que la pointe d'un vaste système caché dans les profondeurs. Ce système est constitué d'une région source, région où la roche source fond et produit le magma ; ce magma peut s'accumuler dans cette région source ou être transporté à travers différents conduits dans des réservoirs où le magma est stocké. Ce magma peut cristalliser in situ et produire des roches plutoniques ou alors être émis en surface. Un magma représente un mélange entre un liquide et des cristaux. Ces cristaux peuvent être extraits de la source ou se former tout au long du chemin jusqu'à l'endroit final de cristallisation. L'étude de ces cristaux peut ainsi donner des informations sur l'ensemble du système magmatique. Au contraire, les roches encaissantes fournissent des informations sur le niveau d'emplacement de l'intrusion. En effet ces roches enregistrent les effets thermiques et mécaniques imposés par le magma. Pour une meilleure compréhension du système, les deux parties, magmatique et métamorphique, doivent être intégrées. Cette thèse a pour but de montrer que les informations issues de l'étude des roches magmatiques et des roches encaissantes sont complémentaires. C'est un processus itératif qui utilise les contraintes d'un domaine pour améliorer la compréhension de l'autre. Comprendre l'histoire des roches encaissantes n'est pas toujours aisé. Ceci est démontré dans le chapitre deux, où un modèle de formation des grenats observés sous forme d'agrégats dans l'auréole de contact est proposé. Des fragments de grenats plus vieux que les roches intru- sives montrent une zone de surcroissance générée par l'apport thermique produit par la mise en place du pluton adjacent. La formation des agrégats de grenats n'est donc pas le résultat d'un seul événement, comme on le décrit habituellement, mais d'un processus en deux phases, soit l'altération de vieux grains engendrant une fracturation de ces grenats, puis la formation de zone de surcroissance autour de ces différents fragments expliquant la texture en agrégats observée. Cette interprétation en deux phases est importante, car elle engendre des différences notables lorsque l'on applique des méthodes pétrologiques comme la thermobarométrie, la géochronologie ou encore lorsque l'on étudie la distribution relative de la taille des grains. Les conditions thermales dans l'auréole de contact dépendent fortement du mode d'emplacement de l'intrusion et c'est pourquoi il est nécessaire de d'abord comprendre le pluton avant de faire des conclusions sur son auréole de contact. Une étude de terrain des roches intrusives ainsi qu'une étude géochimique, géochronologique et structurale est présente dans le troisième chapitre. Cette étude apporte des informations importantes sur la formation de l'intrusion mais également de nouvelles connaissances sur la nature de grands plutons homogènes et la structure de système magmatique en général. L'emplacement incrémental est mis en évidence et l'existence d'un réservoir intermédiaire en-dessous des plutons homogènes est proposé. Le quatrième chapitre de cette thèse illustre comment utiliser l'information extraite des roches encaissantes pour expliquer la mise en place de l'intrusion. Les températures obtenues par la combinaison des observations de terrain et l'assemblage métamorphique sont utilisées avec des modèles thermiques pour contraindre l'activité magmatique au contact directe de cette auréole. Au lieu d'utiliser le modèle thermique pour vérifier le résultat pétrologique, une approche inverse a été choisie. Les paramètres du modèle ont été changés jusqu'à ce qu'on obtienne une correspondance avec les températures observées dans l'auréole de contact. Ceci montre qu'il y a peu de combinaison qui peuvent expliquer les températures et qu'on peut contraindre la fréquence de l'activité magmatique d'un ancien système magmatique de cette manière. Dans le cinquième chapitre, les processus contrôlant l'anisotropie de la susceptibilité magnétique des roches intrusives sont expliqués à l'aide d'images de la distribution des minéraux dans les roches obtenues par tomographie 3D. Le signal associé à l'anisotropie de la susceptibilité magnétique est une fonction de la forme et de la distribution des grains ferromagnétiques. Ce signal est fréquemment utilisé pour déterminer la direction de mouvement d'un magma. En accord avec d'autres études de la littérature, les résultats montrent que le signal est dominé par la forme des cristaux magnétiques, ainsi que par la distribution des agglomérats de ces minéraux dans la roche. Dans le sixième chapitre, une étude associée à la fusion partielle de carbonates dans les roches encaissantes est présentée. Si la présence de liquides carbonatés dans les auréoles de contact a été proposée sur la base d'expériences de laboratoire, notre étude démontre clairement leur existence dans la nature. La fusion partielle est documentée par des microstructures caractéristiques pour la présence de liquides ainsi que par des données géochimiques et structurales. Les conditions nécessaires sont loin d'être extrêmes et ce processus pourrait être plus fréquent qu'attendu. Les liquides carbonatés sont très mobiles et peuvent circuler le long des limites de grain avant d'infiltrer d'autres roches en produisant une modification de leurs assemblages minéralogiques. Finalement, une curiosité minéralogique est présentée dans le chapitre sept. L'assemblage de minéraux de magnésite et de calcite en équilibre apparent est observé. Il est bien connu que ces deux carbonates ne sont pas stables ensemble dans le système CaO-MgO-FeO-CO.,. En effet, la magnésite et la calcite devraient réagir et produire de la dolomite pendant le métamorphisme. L'explication présentée pour cet assemblage à priori « interdit » est que un liquide carbonaté provenant des roches adjacentes infiltre cette roche et est responsable pour cette microstructure. Une autre implication associée à la présence de carbonates fondus est que la roche encaissante montre une diminution drastique de sa résistance et que les propriétés physiques de cette roche deviennent comparables à celles de la roche intrusive. Cette modification des propriétés rhéologiques des roches encaissantes peut faciliter la mise en place des roches intrusives. Ces différentes études démontrent bien le processus itératif utilisé et l'intérêt d'étudier aussi bien les roches intrusives que les roches encaissantes pour la compréhension des mécanismes de mise en place des magmas au sein de la croûte terrestre.

Sedimentology, geochemistry and mineralogy of the Paleocene-Eocene thermal maximum (PETM) : sediment records from Egypt, India and Spain

A gradual increase in Earth's surface temperatures marking the transition from the late Paleocene to early Eocene (55.8±0.2Ma), represents an extraordinary warming event known as Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM). Both marine and continental sedimentary records during this period reveal evidences for the massive injection of isotopically light carbon. The carbon dioxide injection from multiple potential sources may have triggered the global warming. The importance of the PETM studies is due to the fact that the PETM bears some striking resemblances to the human-caused climate change unfolding today. Most notably, the culprit behind it was a massive injection of heat-trapping greenhouse gases into the atmosphere and oceans, comparable in volume to what our persistent burning of fossil fuels could deliver in coming centuries. The exact knowledge of what went on during the PETM could help us to foresee the future climate change. The response of the oceanic and continental environments to the PETM is different. Many factors might control the response of the environments to the PETM such as paleogeography, paleotopography, paleoenvironment, and paleodepth. To better understand the mechanisms triggering PETM events, two different environments were studied: 1) shallow marine to inner shelf environment (Wadi Nukhul, Sinai; and the Dababiya GSSP, Luxor, Egypt), and 2) terrestrial environments (northwestern India lignite mines) representing wetland, and fluvial environments (Esplugafreda, Spain) both highlighting the climatic changes observed in continental conditions. In the marine realm, the PETM is characterized by negative ö13Ccar and ô13Corg excursions and shifts in Ô15N to ~0%o values above the P/E boundary and persisting along the interval suggesting a bloom and high production of atmospheric N2-fixers. Decrease in carbonate contents could be due to dissolution and/or dilution by increasing detrital input. High Ti, K and Zr and decreased Si contents at the P/E boundary indicate high weathering index (CIA), which coincides with significant kaolinite input and suggests intense chemical weathering under humid conditions at the beginning of the PETM. Two anoxic intervals are observed along the PETM. The lower one may be linked to methane released from the continental shelf with no change in the redox proxies, where the upper anoxic to euxinic conditions are revealed by increasing U, Mo, V, Fe and the presence of small size pyrite framboids (2-5fim). Productivity sensitive elements (Cu, Ni, and Cd) show their maximum concentrated within the upper anoxic interval suggesting high productivity in surface water. The obtained data highlight that intense weathering and subsequent nutrient inputs are crucial parameters in the chain of the PETM events, triggering productivity during the recovery phase. In the terrestrial environments, the establishment of wetland conditions and consequence continental climatic shift towards more humid conditions led to migration of modern mammals northward following the extension of the tropical belts. Relative ages of this mammal event based on bio-chemo- and paleomagnetic stratigraphy support a migration path originating from Asia into Europe and North America, followed by later migration from Asia into India and suggests a barrier to migration that is likely linked to the timing of the India-Asia collision. In contrast, at Esplugafereda, northeastern Spain, the terrestrial environment reacted differently. Two significant S13C shifts with the lower one linked to the PETM and the upper corresponding to the Early Eocene Thermal Maximum (ETM2); 180/160 paleothermometry performed on two different soil carbonate nodule reveal a temperature increase of around 8°C during the PETM. The prominent increase in kaolinite content within the PETM is linked to increased runoff and/or weathering of adjacent and coeval soils. These results demonstrate that the PETM coincides globally with extreme climatic fluctuations and that terrestrial environments are very likely to record such climatic changes. - La transition Paléocène-Eocène (55,8±0,2 Ma) est marquée par un réchauffement extraordinaire communément appelé « Paleocene-Eocene Thermal Maximum » (PETM). Les données géochimiques caractérisant les sédiments marins et continentaux de cette période indiquent que ce réchauffement a été déclenché par une augmentation massive de CO2 lié à la déstabilisation des hydrates de méthane stockés le long des marges océaniques. L'étude des événements PETM constitue donc un bon analogue avec le réchauffement actuel. Le volume de CO2 émis durant le PETM est comparable avec le CO2 lié à l'activité actuelle humaine. La compréhension des causes du réchauffement du PETM peut être cruciale pour prévoir et évaluer les conséquences du réchauffement anthropogénique, en particulier les répercussions d'un tel réchauffement sur les domaines continentaux et océaniques. De nombreux facteurs entrent en ligne de compte dans le cas du PETM, tels que la paléogéographie, la paléotopographie et les paléoenvironnement. Pour mieux comprendre les réponses environnementales aux événements du PETM, 2 types d'environnements ont été choisis : (1) le domaine marin ouvert mais relativement peu profond (Wadi Nukhul. Sinai, Dababiya, Luxor, Egypte), (2) le milieu continental marécageux humide (mines de lignite, Inde) et fluviatile, semi-aride (Esplugafreda, Pyrénées espagnoles). Dans le domaine marin, le PETM est caractérisé par des excursions négatives du ô13Ccar et ô13Corg et un shift persistant des valeurs de 815N à ~ 0 %o indiquant une forte activité des organismes (bactéries) fixant l'azote. La diminution des carbonates observée durant le PETM peut-être due à des phénomènes de dissolution ou une augmentation des apports terrigènes. Des taux élevés en Ti, K et Zr et une diminution des montants de Si, reflétés par des valeurs des indices d'altération (CIA) qui coïncident avec une augmentation significative des apports de kaolinite impliquent une altération chimique accrue, du fait de conditions plus humides au début du PETM. Deux événements anoxiques globaux ont été mis en évidence durant le PETM. Le premier, situé dans la partie inférieur du PETM, serait lié à la libération des hydrates de méthane stockés le long des talus continentaux et ne correspond pas à des variations significatives des éléments sensibles aux changements de conditions redox. Le second est caractérisé par une augmentation des éléments U, Mo, V et Fe et la présence de petit framboids de pyrite dont la taille varie entre 2 et 5pm. Le second épisode anoxique est caractérisé par une forte augmentation des éléments sensibles aux changements de la productivité (Cu, Ni et Co), indiquant une augmentation de la productivité dans les eaux de surface. Les données obtenues mettent en évidence le rôle crucial joué par l'altération et les apports en nutriments qui en découlent. Ces paramètres sont cruciaux pour la succession des événements qui ont conduit au PETM, et plus particulièrement l'augmentation de la productivité dans la phase de récupération. Durant le PETM, le milieu continental est caractérisé par l'établissement de conditions humides qui ont facilité voir provoqué la migration des mammifères modernes qui ont suivi le déplacement de ces ceintures climatiques. L'âge de cette migration est basé sur des arguments chimiostratigraphiques (isotopes stables), biostratigraphiques et paléomagnétiques. Les données bibliographiques ainsi que celles que nous avons récoltées en Inde, montrent que les mammifères modernes ont d'abord migré depuis l'Asie vers l'Europe, puis dans le continent Nord américain. Ces derniers ne sont arrivés en Inde que plus tardivement, suggérant que le temps de leur migration est lié à la collision Inde-Asie. Dans le Nord-Est de l'Espagne (Esplugafreda), la réponse du milieu continental aux événements PETM est assez différente. Comme en Inde, deux excursions signicatives en ô13C ont été observées. La première correspond au PETM et la seconde est corrélée avec l'optimum thermique de l'Eocène précoce (ETM2). Les isotopes stables de l'oxygène mesurés 2 différents types de nodules calcaires provenant de paléosols suggère une augmentation de 10°C pendant le PETM. Une augmentation simultanée des taux de kaolinite indique une intensification de l'altération chimique et/ou de l'érosion de sols adjacents. Ces résultats démontrent que le PETM coïncide globalement avec des variations climatiques extrêmes qui sont très aisément reconnaissables dans les dépôts continentaux.

Cadmium distribution in soils covering Jurassic oolitic limestone with high Cd contents in the Swiss Jura

Oolitic carbonates belonging to the Hauptrogenstein Formation of Bajocian (Middle Jurassic) age have been shown to be anomalously enriched in cadmium (Cd) throughout the Jura Mountains. Soils associated with this type of rock substratum may be naturally polluted with regards to Cd. At Schleifenberg (Canton Basel Land, Switzerland) the Hauptrogenstein Formation is almost entirely exposed along a trail on its SW flank. Cadmium concentrations were systematically measured throughout this formation and Cd enrichments in rocks are shown to occur to a maximum content of 4.9 mg kg(-1). We investigated associated soils, which cover the entire outcrop, and show that they have been formed through the weathering of the underlying bedrock and through the uptake of colluvial limestone fragments from the same and older formations. Cadmium contents in the soils reach a maximum value of 2.0 mg kg(-1), thereby exceeding the official Swiss indicative guideline value for soils fixed at 0.8 mg.kg(-1). Mineralogical analyses on the soils and associated bedrock suggest that no allochthonous component related to aeolian transport is present. Sequential extractions applied to selected soil samples show that about half of the Cd resides in the carbonate fraction coming from the fractured parent-rock, while the Cd released from the weathered carbonates is associated either with organic matter (over 10%) or with Fe and Mn-oxihydroxides (approximately 30%). No exchangeable Cd phase was found and this, together with the buffer capacity of this calcareous soil, suggests that the amount of mobile Cd is quite negligible in this soil, which also greatly reduces the amount of bioavailable

Environmental effects of Deccan volcanism across the Cretaceous-Tertiary transition in Meghalaya, India

The Urn Sohryngkew section of Meghalaya, NE India, located 800-1000 km from the Deccan volcanic province, is one of the most complete Cretaceous-Tertiary boundary (KTB) transitions worldwide with all defining and supporting criteria present: mass extinction of planktic foraminifera, first appearance of Danian species, delta(13)C shift, Ir anomaly (12 ppb) and KTB red layer. The geochemical signature of the KTB layer indicates not only an extraterrestrial signal (Ni and all Platinum Group Elements (PGEs)) of a second impact that postdates Chicxulub, but also a significant component resulting from condensed sedimentation (P), redox fluctuations (As, Co, Fe, Pb, Zn, and to a lesser extent Ni and Cu) and volcanism. From the late Maastrichtian C29r into the early Danian, a humid climate prevailed (kaolinite: 40-60%, detrital minerals: 50-80%). During the latest Maastrichtian, periodic acid rains (carbonate dissolution; CIA index: 70-80) associated with pulsed Deccan eruptions and strong continental weathering resulted in mesotrophic waters. The resulting super-stressed environmental conditions led to the demise of nearly all planktic foraminiferal species and blooms (>95%) of the disaster opportunist Guembelitria cretacea. These data reveal that detrimental marine conditions prevailed surrounding the Deccan volcanic province during the main phase of eruptions in C29r below the KTB. Ultimately these environmental conditions led to regionally early extinctions followed by global extinctions at the KTB. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Trace element differentiation in ferruginous accumulation soil patterns under tropical rainforest of southern Cameroon, the role of climatic change

Regions under tropical rainforest cover, such as central Africa and Brazil are characterised by degradation and dismantling of old ferricrete structures. In southern Cameroon, these processes are relayed by present-day ferruginous accumulation soil facies, situated on the middle and the lower part of hill slopes. These facies become progressively harder towards the surface, containing from bottom to top, mainly kaolinite, kaolinite-goethite and Al-rich goethite-hematite, and are discontinuous to the relictic hematite-dominated ferricrete that exist in the upper part of the hill slope. These features were investigated in terms of geochemical differentiation of trace elements. It appears that, in contrast to the old ferricrete facies, the current ferruginous accumulations are enriched in transitional trace elements (V, Cr, Co, Y, Sc) and Ph, while alkali-earth elements are less differentiated. This recent chemical accumulation is controlled both by intense weathering of the granodiorite bedrock and by mobilisation of elements previously accumulated in the old ferricrete. The observed processes are clearly linked to the present-day humid climate with rising groundwater tables. They slowly replace the old ferricretes formed during Cretaceous time under more seasonal climatic conditions, representing an instructive case of continuos global change. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Correlating the end-Triassic mass extinction and flood basalt volcanism at the 100 ka level

New high-precision U/Pb geochronology from volcanic ashes shows that the Triassic-Jurassic boundary and end-Triassic biological crisis from two independent marine stratigraphic sections correlate with the onset of terrestrial flood volcanism in the Central Atlantic Magmatic Province to <150 ka. This narrows the correlation between volcanism and mass extinction by an order of magnitude for any such catastrophe in Earth history. We also show that a concomitant drop and rise in sea level and negative delta C-13 spike in the very latest Triassic occurred locally in <290 ka. Such rapid sea-level fluctuations on a global scale require that global cooling and glaciation were closely associated with the end-Triassic extinction and potentially driven by Central Atlantic Magmatic Province volcanism.

Garnet growth in the metasediments of the Zermatt-Saas Fee zone (western alps)

The Zermatt-Saas Fee Zone (ZSZ) in the Western Alps consists of multiple slices of ultramafic, mafic and metasedimentary rocks. They represent the remnants of the Mesozoic Piemonte-Ligurian oceanic basin which was subducted to eclogite facies conditions with peak pressures and temperatures of up to 20-28 kbar and 550-630 °C, followed by a greenschist overprint during exhumation. Previous studies, emphasizing on isotopie geochronology and modeling of REE-behavior in garnets from mafic eclogites, suggest that the ZSZ is buildup of tectonic slices which underwent a protracted diachronous subduction followed by a rapid synchronous exhumation. In this study Rb/Sr geochronology is applied to phengite included in garnets from metasediments of two different slices of the ZSZ to date garnet growth. Inclusion ages for 2 metapelitic samples from the same locality from the first slice are 44.25 ± 0.48 Ma and 43.19 ± 0.32 Ma. Those are about 4 Ma older than the corresponding matrix mica ages of respectively 40.02 ± 0.13 Ma and 39.55 ± 0.25 Ma. The inclusion age for a third calcschist sample, collected from a second slice, is 40.58 ± 0.24 Ma and the matrix age is 39.8 ± 1.5 Ma. The results show that garnet effectively functioned as a shield, preventing a reset of the Rb/Sr isotopie clock in the included phengites to temperatures well above the closure of Sr in mica. The results are consistent with the results of former studies on the ZSZ using both Lu/Hf and Sm/Nd geochronology on mafic eclogites. They confirm that at least parts of the ZSZ underwent close to peak metamorphic HP conditions younger than 43 m.y. ago before being rapidly exhumed about 40 m.y. ago. Fluid infiltration in rocks of the second slice occurred likely close to the peak metamorphic conditions, resulting in rapid growth of garnets. Similar calcschists from the same slice contain two distinct types of porphyroblast garnets with indications of multiple growth pulses and resorption indicated by truncated chemical zoning patterns. In-situ oxygen isotope Sensitive High Resolution Ion Microprobe (SHRIMP) analyses along profiles on central sections of the garnets reveal variations of up to 5 %o in individual garnets. The complex compositional zoning and graphite inclusion patterns as well as the variations in oxygen isotopes correspond to growing under changing fluid composition conditions caused by external infiltrated fluids. The ultramafic and mafic rocks, which were subducted along with the sediments and form the volumetrically most important part of the ZSZ, are the likely source of those mainly aqueous fluids. - La Zone de Zermatt-Saas Fee (ZZS) est constituée de multiples écailles de roches ultramafiques, mafiques et méta-sédimentaires. Cette zone, qui affleure dans les Alpes occidentales, représente les restes du basin océanique Piémontais-Ligurien d'âge mésozoïque. Lors de la subduction de ce basin océanique à l'Eocène, les différentes roches composant le planché océanique ont atteint les conditions du faciès éclogitique avec des pressions et des températures maximales estimées entre 20 - 28 kbar et 550 - 630 °C respectivement, avant de subir une rétrogression au faciès schiste vert pendant l'exhumation. Différentes études antérieures combinant la géochronologie isotopique et la modélisation des mécanismes gouvernant l'incorporation des terres rares dans les grenats des éclogites mafiques, suggèrent que la ZZS ne correspond pas à une seule unité, mais est constituée de différentes écailles tectoniques qui ont subi une subduction prolongée et diachrone suivie d'une exhumation rapide et synchrone. Afin de tester cette hypothèse, j'ai daté, dans cette étude, des phengites incluses dans les grenats des méta-sédiments de deux différentes écailles tectoniques de la ZZS, afin de dater la croissance relative de ces grenats. Pour cela j'ai utilisé la méthode géochronologique basée sur la décroissance du Rb87 en Sr87. J'ai daté trois échantillons de deux différentes écailles. Les premiers deux échantillons proviennent de Triftji, au nord du Breithorn, d'une première écaille dont les méta-sédiments sont caractérisés par des bandes méta-pélitiques à grenat et des calcschistes. Le troisième échantillon a été collectionné au Riffelberg, dans une écaille dont les méta-sédiments sont essentiellement des calcschistes qui sont mélangés avec des roches mafiques et des serpentinites. Ce mélange se trouve au-dessus de la grande masse de serpentinites qui forment le Riffelhorn, le Trockenersteg et le Breithorn, et qui est connu sous le nom de la Zone de mélange de Riffelberg (Bearth, 1953). Les inclusions dans les grenats de deux échantillons méta-pélitiques de la première écaille sont datées à 44.25 ± 0.48 Ma et à 43.19 ± 0.32 Ma. Ces âges sont à peu près 4 Ma plus vieux que les âges obtenus sur les phengites provenant de la matrice de ces mêmes échantillons qui donnent des âges de 40.02 ± 0.13 Ma et 39.55 ± 0.25 Ma respectivement. Les inclusions de phengite dans les grenats appartenant à un calcschiste de la deuxième écaille ont un âge de 40.58 ± 0.24 Ma alors que les phengites de la matrice ont un âge de 39.8 ± 1.5 Ma. Pour expliquer ces différences d'âge entre les phengites incluses dans le grenat et les phengites provenant de la matrice, nous suggérons que la cristallisation de grenat ait permis d'isoler ces phengites et de les préserver de tous rééquilibrage lors de la suite du chemin métamorphique prograde, puis rétrograde. Ceci est particulièrement important pour expliquer l'absence de rééquilibrage des phengites dans des conditions de températures supérieures à la température de fermeture du système Rb/Sr pour les phengites. Les phengites en inclusions n'ayant pas pu être datées individuellement, nous interprétons l'âge de 44 Ma pour les inclusions de phengite comme un âge moyen pour l'incorporation de ces phengites dans le grenat. Ces résultats sont cohérents avec les résultats des études antérieures de la ZZS utilisant les systèmes isotopiques de Sm/Nd et Lu/Hf sur des eclogites mafiques. ils confirment qu'aux moins une partie de la ZZS a subi des conditions de pression et de température maximale il y a moins de 44 à 42 Ma avant d'être rapidement exhumée à des conditions métamorphiques du faciès schiste vert supérieur autour de 40 Ma. Cette étude détaillée des grenats a permis, également, de mettre en évidence le rôle des fluides durant le métamorphisme prograde. En effet, si tous les grenats montrent des puises de croissance et de résorption, on peut distinguer, dans différents calcschists provenant de la deuxième écaille, deux types distincts de porphyroblast de grenat en fonction de la présence ou non d'inclusions de graphite. Nous lions ces puises de croissances/résorptions ainsi que la présence ou l'absence de graphite en inclusion dans les grenats à l'infiltration de fluides dans le système, et ceci durant tous le chemin prograde mais plus particulièrement proche et éventuellement peu après du pic du métamorphisme comme le suggère l'âge de 40 Ma mesuré dans les inclusions de phengites de l'échantillon du Riffelberg. Des analyses in-situ d'isotopes d'oxygène réalisé à l'aide de la SHRIMP (Sensitive High Resolution Ion Microprobe) dans des coupes centrales des grenats indiquent des variations jusqu'à 5 %o au sein même d'un grenat. Les motifs de zonations chimiques et d'inclusions de graphite complexes, ainsi que les variations du δ180 correspondent à une croissance de grenat sous des conditions de fluides changeantes dues aux infiltrations de fluides externes. Nous lions l'origine de ces fluides aqueux aux unités ultramafiques et mafiques qui ont été subductés avec les méta-sédiments ; unités ultramafiques et mafiques qui forment la partie volumétrique la plus importante de la ZZS.

Thermomechanical analysis of strain localization in a ductile detachment zone

At the latitude of the Thor-Odin dome (British Columbia) the Columbia River Detachment defines the eastern margin of the Shuswap metamorphic core complex and localizes in a 1 km thick muscovite-bearing quartzite mylonite. We present a combined Ar-40/Ar-39, (micro) structural, and oxygen isotope study of the deformation history in the detachment and evaluate the spatial and temporal relationships between microstructure formation and localization of strain. High-precision Ar-40/Ar-39 geochronology from different levels in the mylonite delineates a pattern of increasingly younger (49.0 to 47.9 Ma) deformation ages in deeper levels of the mylonitic footwall. The correlation of Ar-40/Ar-39 ages with decreasing deformation temperatures (similar to 550 degrees-400 degrees C) in the top 200 m of the mylonite indicates that deformation migrated downward from the contact with the hanging wall. Strain localization was diachronous in progressively deeper levels of the footwall and was likely controlled by fluid-assisted strain hardening due to advective heat removal and contemporaneous reaction weakening due to dissolution-reprecipitation of white mica. The observed constant high-stress microstructures across the entire detachment indicate that flow stress was buffered by the interplay of strain rate and temperature, where high strain rates at elevated temperature produced the same microstructure as lower strain rates under decreasing temperature conditions. The combined data suggest that the complex interplay among temporally nonuniform rates of footwall exhumation, heat advection, and embrittlement by meteoric fluids strongly determines the thermomechanical behavior of extensional detachments.

Middle and Late Jurassic carbon stable-isotope stratigraphy and radiolarite sedimentation of the Umbria-Marche basin (Central Italy)

A continuous carbon isotope curve from Middle-Upper Jurassic pelagic carbonate rocks was acquired from two sections in the southern part of the Umbria-Marche Apennines in central Italy. At the Colle Bertone section (Terni) and the Terminilletto section (Rieti), the Upper Toarcian to Bajocian Calcari e Marne a Posidonia Formation and the Aalenian to Kimmeridgian Calcari e Marne a Posidonia and Calcari Diasprigni formations were sampled, respectively. Biostratigraphy in both sections is based on rich assemblages of calcareous nannofossils and radiolarians, as well as some ammonites found in the upper Toarcian-Bajocian interval. Both sections revealed a relative minimum of delta(13)C(PDB) close to + 2 parts per thousand in the Aalenian and a maximum around 3.5 parts per thousand in early Bajocian, associated with an increase in visible chert. In basinal sections in Umbria-Marche, this interval includes the very cherry base of the Calcari Diasprigni Formation (e.g. at Valdorbia) or the chert-rich uppermost portion of the Calcari a Posidonia (e.g at Bosso). In the Terminilletto section, the Bajocian-early Barthonian interval shows a gradual decrease in delta(13)C(PDB) values and a low around 2.3 parts per thousand. This part of the section is characterised by more than 40 m of almost chart-free limestones and correlates with a recurrence of limestone-rich facies in basinal sections at Valdorbia. A double peak with values of delta(13)C(PDB) around + 3 parts per thousand was observed in the Callovian and Oxfordian, constrained by well preserved radiolarian faunas. The maxima lie in the Callovian and the middle Oxfordian, and the minimum between the two peaks should be near the Callovian/Oxfordian boundary. In the Terminilletto section, visible chert increases together with delta(13)C(PDB) values from the middle Bathonian and reaches peak values in the Callovian-Oxfordian. In basinal sections in Umbria-Marche, a sharp increase in visible chert is observed at this level within the Calcari Diasprigni. A drop of delta(13)C values towards + 2 parts per thousand occurs in the Kimmeridgian and coincides with a decrease of visible chert in outcrop. The observed delta(13)C positive anomalies during the early Bajocian and the Callovian-Oxfordian may record changes in global climate towards warmer, more humid periods characterised by increased nutrient mobilisation and increased carbon burial. High biosiliceous (radiolarians, siliceous sponges) productivity and preservation appear to coincide with the delta(13)C positive anomalies, when the production of platform carbonates was subdued and ceased in many areas, with a drastic reduction of periplatform ooze input in many Tethyan basins. The carbon and silica cycles appear to be linked through global warming and increased continental weathering. Hydrothermal events related to extensive rifting and/or accelerated oceanic spreading may be the endogenic driving force that created a perturbation of the exogenic system (excess CO2 into the atmosphere and greenhouse conditions) reflected by the positive delta(13)C shifts and biosiliceous episodes.

Sulfur and strontium isotope composition of the Llobregat River (NE Spain): Tracers of natural and anthropogenic chemicals in stream waters

The use of sulfur and strontium isotopes as tracers for the source/s of water contaminants have been applied to the water of the Llobregat River system (NE Spain). Surface water samples from June 1997 were collected from the Llobregat River and its main tributaries and creeks. The chemistry of most stream waters are controlled mainly by the weathering of Tertiary chemical sediments within the drainage basin. The largest variation in delta(34)S values were found in the small creeks with values ranging from -9.9 to 15parts per thousand, whilst in the main river channels values ranged from 6.3 to 12.4parts per thousand. The Sr-87/Sr-86 ratio for dissolved strontium ranged from 0.70795 for a non-polluted site to 0.70882 for a polluted one. Most of the waters with high NO3 and low Ca/Na ratio converge to the same Sr-87/Sr-86 value, pointing to dominant pollutant end member contribution or a mixing of pollutants with an isotopic composition around 0.7083-0.7085. Although the concentration of the natural inputs in the river for sulfate and strontium are high, as a result of the sulfate outcrops within the geology of the basin, their isotopic characteristics suggest that they can be used as a discriminating device in water pollution problems. However to establish the detailed characteristics of the isotopes as geochemical tools, specific high-resolution case studies are necessary in small areas, where the inputs are well known.

Early Cretaceous life, climate and anoxia

Early Cretaceous life and the environment were strongly influenced by the accelerated break up of Pangaea, which was associated with the formation of a multitude of rift basins, intensified spreading, and important volcanic activity on land and in the sea. These processes likely interacted with greenhouse conditions, and Early Cretaceous climate oscillated between "normal" greenhouse, predominantly arid conditions, and intensified greenhouse, predominantly humid conditions. Arid conditions were important during the latest Jurassic and early Berriasian, the late Barremian, and partly also during the late Aptian. Humid conditions were particularly intense and widespread during shorter episodes of environmental change (EECs): the Valanginian Weissert, the latest Hauterivian Faraoni, the latest Barremian earliest Aptian Taxy, the early Aptian Selli, the early late Aptian Fallot and the late Aptian-early Albian Paquier episodes. Arid conditions were associated with evaporation, low biogeochemical weathering rates, low nutrient fluxes, and partly stratified oceans, leading to oxygen depletion and enhanced preservation of laminated, organic-rich mud (LOM). Humid conditions enabled elevated biogeochemical weathering rates and nutrient fluxes, important runoff and the buildup of freshwater lids in proximal basins, intensified oceanic and atmospheric circulation, widespread upwelling and phosphogenesis, important primary productivity and enhanced preservation of LOM in expanded oxygen-minimum zones. The transition of arid to humid climates may have been associated with the net transfer of water to the continent owing to the infill of dried-out groundwater reservoirs in internally drained inland basins. This resulted in shorter-term sea-level fall, which was followed by sea-level rise. These sea-level changes and the influx of freshwater into the ocean may have influenced oxygen-isotope signatures. Climate change preceding and during the Early Cretaceous EECs may have been rapid, but in general, the EECs had a "pre"-history, during which the stage was set for environmental change. Negative feedback on the climate through increased marine LOM preservation was unlikely, because of the low overall organic-carbon accumulation rates during these episodes. Life and climate co-evolved during the Early Cretaceous. Arid conditions may have affected continental life, such as across the Tithonian/Berriasian boundary. Humid conditions and the corresponding tendency to develop dys- to anaerobic conditions in deeper ocean waters led to phases of accelerated extinction in oceans, but may have led to more luxuriant vegetation cover on continents, such as during the Valanginian, to the benefit of herbivores. During Early Cretaceous EECs, reef systems and carbonate platforms in general were particularly vulnerable. They were the first to disappear and the last to recover, often only after several million years. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The duration of prograde garnet crystallization in the UHP eclogites at Lago di Cignana, Italy

The distinct core-to-rim zonation of different REEs in garnet in metamorphic rocks, specifically Sm relative to Lu, suggests that Sm-Nd and Lu-Hf isochron ages will record different times along a prograde garnet growth history. Therefore, REE zonations in garnet must be measured in order to correctly interpret the isochron ages in terms of the garnet growth interval, which could span several m.y. New REE profiles, garnet crystal size distributions, and garnet growth modeling, combined with previously published Sm-Nd and Lu-Hf geochronology on a UHP eclogite of the Zermatt-Saas Fee (ZSF) ophiolite, Lago di Cignana (Italy), demonstrate that prograde garnet growth of this sample occurred over a similar to 30 to 40 m.y. interval. Relative to peak metamorphism at 38 to 40 Ma, garnet growth is estimated to have begun at similar to 11 to 14 kbar pressure at similar to 70 to 80 Ma. Although such a protracted garnet growth interval is surprising, this is supported by plate tectonic reconstructions which suggest that subduction of the Liguro-Piemont ocean occurred through slow and oblique convergence. These results demonstrate that REE zonations in garnet, coupled to crystal size distributions, provide a powerful means for understanding prograde metamorphic paths when combined with Sm-Nd and Lu-Hf geochronology. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé grand public Comme toute matière, la roche est sensible à son environnement et cherche à s'adapter pour acquérir un état stable (état d'équilibre). Les changements des conditions physiques (température et pression) vont ainsi impliquer des modifications dans la roche. Le métamorphisme est l'étude de ces changements. Les minéraux qui constituent la roche peuvent modifier, leur structure, leur chimie ou être remplacer par d'autres minéraux plus stables. Il est ainsi crucial de déterminer les processus responsables et limitant de la croissance minérale. Trois processus permettent la croissance ; (1) la dissolution des éléments du réactant, (2) le transport de ces éléments vers le site de croissance, (3) l'incorporation de ces éléments dans la nouvelle structure. Cette thèse se focalise sur les structures des minéraux de haute pression (forme, zonation chimique, structure interne) pour essayer de déterminer les facteurs importants à l'origine de leur état final. Les zones d'étude se situent dans la zone de Sésia. La première partie traite de la problématique liée à l'incorporation d'un élément dans une structure minérale. A l'image de la croissance humaine, les irrégularités minéralogiques permettent de mettre en lumière un dysfonctionnement de la croissance due à un excès ou à une carence d'un élément. Bien dosé, cet élément est cependant essentiel à la croissance. Les zoisites (épidotes) des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent une zonation chimique en sablier. Dans cette zonation la teneur en fer excède la capacité maximum que peut contenir la structure orthorhombique de la zoisite. Des défauts de structure permettent l'accommodation de cet excès. La zoisite peut ainsi adapter sa structure pour permettre l'incorporation d'une relativement grande quantité de fer. Les études précédentes montraient, pour des conditions similaires, la formation de deux épidotes distinctes. La deuxième partie se penche sur la compétition entre le minéral qui fait sa croissance et les minéraux (réactants) qui l'entourent. Les métapélites de la région du Monte Mucrone contiennent des grenats atollaires. Des études détaillées de la texture et de la zonation chimique du grenat ainsi qu'une modélisation thermodynamique ont permis de mieux cerner les facteurs importants responsables de la forme atollaire. Cette structure est obtenue par un changement du comportement de la croissance du grenat le long d'un chemin P-T hercynien. Dans un premier stade, le grenat croît rapidement et consume peu le quartz de la matrice. La croissance se fait ainsi le long des jointures des grains de quartz. Dans un second temps, les changements de conditions PT donnent une croissance lente du grenat et une forte consommation du quartz. Le grenat peut ainsi développer sa forme dodécaédrale classique. La troisième partie s'intéresse aux distances de transport par diffusion d'un élément (ici l'argon) durant la haute pression. Pour ce faire, un profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotite a été mesuré depuis un veine de haute pression riche en argon jusque dans son encaissant (granitoïd du Monte Mucrone). Le profile montre une répartition des âges suivant une courbe de diffusion. Le transport se fait sur une longueur de deux centimètre avec l'aide d'un fluide. Il est réduit à une échelle millimétrique quand la phase fluide disparaît. Cette étude montre ainsi les difficultés de transport des éléments durant la haute pression ne permettant pas un rééquilibrage de la roche à grande échelle. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé de thèse Les processus de croissance (diffusion des éléments et les réactions d'interface) et les conditions dans lesquelles les minéraux grandissent (température, pression, fluide, composition chimique de la roche), déterminent la texture ainsi que la zonation des minéraux. Cette thèse se focalise, par le biais de textures peu communes, sur trois différents processus impliqués dans la croissance minérale à haute pression (Zone de Sésia, Alpes de l'Ouest, Italie). L'incorporation d'un élément dans une structure minérale ne peut se faire que dans des sites en accord avec la taille et la charge ionique de l'élément. De plus, la balance de charge doit être maintenue dans le minéral. La régularité de la structure cristalline fixe ainsi une limite maximum de concentration d'un élément donné. Les zoisites provenant des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent des zonations en sablier caractérisées par une concentration anormale en fer. La zonation se marque par une différente teinte de biréfringence et par un plus grand angle d'extinction que le reste de la zoisite. Une inter-croissance de clinozoisite à l'intérieur de la structure orthorhombique de la zoisite peut ainsi être suspectée. Les analyses XRD (diffraction des rayons x) ainsi que les analyses Raman ne confirment pas cette suspicion. Seules les analyses TEM (microscope à électrons transmis) montrent des défauts de structure pouvant être interprétés comme des modules de clinozoisite. Ils ne peuvent cependant pas être considérés comme une phase thermodynamique. Un nouveau trou d'immiscibilité entre deux zoisite (X ep= 0.1 and Xep = 0.15) a ainsi pu être établi. Dans les métapélites la région du Monte Mucrone, des grenats fortement zonés montrent une évolution texturale singulière. Ils présentent une forme initiale de `champignon' qui se développe pour former une structure atollaire finale. L'étude conjuguée de la structure 3D et des zonations, ainsi que l'établissement d'un model thermodynamique, indiquent que ces structures proviennent de deux épisodes de croissances : (1) La croissance du grenat durant un chemin prograde hercynien (de 525 °C et 6.2 kbar à 640 °C et 9 kbar) permet la formation des textures atollaires. Elles sont le résultat d'une croissance poecilitique initiale suivie d'une croissance idiomorphique du grenat. (2) La structure est rendue plus complexe par la cristallisation d'un grenat homogène tout autour ainsi qu'à l'intérieur du grenat hercynien durant la haute pression alpine (550 °C and 20 kbar). L'arrivée de l'eau durant la haute pression facilite le transport d'éléments et permet une cristallisation rapide du grenat. La diffusion peut être un facteur limitant de la croissance minéralogique. Elle a aussi une grande importance pour la géochronologie. Une veine de haute pression à l'intérieur du granitoïde du Monte Mucrone a été étudiée dans le but de déterminer la distance de diffusion de l'argon. Le profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotites, établi de la veine vers le métagranitoïde, suit une courbe de diffusion. Les âges sont élevés proche de la veine (800 Ma) puis décroissent jusqu'à des âges homogènes (170-150 Ma) à deux centimètres de la veine. La présence de fluide, marqué par de hautes concentrations en chlore, permet une diffusion centimétrique. Cependant, la distance est réduite à une échelle millimétrique quand le fluide est absent. Les très faibles distances de diffusion préservent les âges pré-alpins et impliquent un événement géologique pour les âges de 170-150 Ma. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Thesis abstract Rock textures and zonings are the consequence of growth processes (element diffusion and interface reaction) steered by the environment in which they grew (pressure, differential stress, temperature, fluid and rock composition). The thesis presented here focuses on three different topics, each of it dealing with aspects of mineral growth processes during subduction, in a high-pressure environment. All studies were conducted in the Sesia Zone of the Western European Alps, Italy. The first study addresses the crystallography and geochemistry of element incorporation in zoisite, one of the major hydrous minerals found in subduction zone rocks. Elements can be incorporated into a mineral structure only on crystallographic sites that offer enough space for the ion and the overall charge balance has to be maintained. Element concentrations are hence limited. Incorporation of some elements produces complex zoning, including hourglass like patterns, which are the focus of the first contribution. Zoisites from Cima di Bonze (Sesia Zone) show spectacular hourglass zoning defined by Fe-content variations. The hourglass zones have a distinct birefringence and a different extinction angle than the regular part of the zoisite. We show by detailed XRD (X-ray diffraction) and confocal Raman analyses that the high Fe-zones are nevertheless zoisite, and not clinozoisite as one might expect. High resolution TEM (transmission electron microscopy) analyses show planar defects on (100) that can be interpreted as small-scale clinozoisite modules. However, these clinozoisites cannot be interpreted as a distinctive thermodynamic phase and the entire mineral has to be considered as zoisite. The miscibility gap between two zoisites (Xep = 0.1 and Xep = 0.15) can be then definite at 550 ± 50°C and 14 to 20 Kbar. Strongly zoned garnets in quartz rich metapelite from the Monte Mucrone area (Sesia Zone) show evolution form 3D mushroom to atoll structure. The second contribution presents textural investigations, garnet zoning and thermodynamic modeling that demonstrate that atoll garnets are the result of two distinctive growth events. (1) Garnet atoll structure is already formed during a prograde Hercynian path from 525 °C and 6.2 kbar to 640 °C and 9 kbar. It results in an initial poikilitic growth followed by a final idiomorphic growth event. (2) Alpine HP garnet are homogenous (550 °C and 20 kbar) and grew around and also inside the Hercynian garnet. Lack of prograde Alpine garnet and fast growth of the HP garnet is explained by the absence of water during much of the prograde path. Water saturation was only observed towards the end, close towards the peak metamorphic conditions. Diffusion could be a limiting factor for crystal growth. It has also a great importance in geochronology. HP vein inside the metagranitoide of the Monte Mucrone (~300 Ma) was investigated to determine argon diffusion scales during high-pressure metamorphism. 40Ar/39Ar biotite ages profile from the vein toward the metagranodiorite show a diffusion curve: old ages (800 Ma) located close to the vein decrease until homogenous 170-150 Ma ages are obtained, two centimeter away from the vein. Centimeter-scale diffusion occurs with help of a fluid phase marked by high chlorine concentrations. Argon diffusion is reduced to a millimeter scale when free fluid is absent. Very short diffusion distance permits to preserve pre-Alpine ages. The 170-150 Ma ages are considered to be geologic meaningful, probably resulting from the extensional tectonics linked to opening of the Tethian ocean.

Geochemistry and stable isotope composition of fresh alkaline porphyry copper tailings: Implications on sources and mobility of elements during transport and early stages of deposition

Prevention of acid mine drainage (AMD) in sulfide-containing tailings requires the identification of the geochemical processes and element pathways in the early stages of tailing deposition. However, analyses of recently deposited tailings in active tailings impoundments are scarce because mineralogical changes occur near the detection limits of many assays. This study shows that a detailed geochemical study which includes stable isotopes of water (delta H-2, delta O-18), dissolved sulfates (delta S-34, delta O-18) and hydrochernical parameter (pH, Eh, DOC, major and trace elements) from tailings samples taken at different depths in rainy and dry seasons allows the understanding of weathering (oxidation, dissolution, sorption, and desorption), water and element pathways, and mixing processes in active tailings impoundments. Fresh alkaline tailings (pH 9.2-10.2) from the Cu-Mo porphyry deposit in El Teniente, Chile had low carbonate (0.8-1.1 Wt-% CaCO3 equivalent) and sulfide concentrations (0.8-1.3 wt.%, mainly as pyrite). In the alkaline tailings water, Mo and Cu (up to 3.9 mg/L Mo and 0.016 mg/L Cu) were mobile as MoO42- and Cu (OH)(2)(0). During the flotation, tailings water reached equilibrium with gypsum (up to 738 mg/L Ca and 1765 mg/ L SO4). The delta S-34 VS. delta O-18 covariations of dissolved sulfate (2.3 to 4.5% delta S-34 and 4.1 to 6.0 % delta O-18) revealed the sulfate sources: the dissolution of primary sulfates (12.0 to 13.2%. delta S-34, 7.4 to 10.9%.delta O-18) and oxidation of primary sulfides (-6.7 to 1.7%. delta S-34). Sedimented tailings in the tailings impoundment can be divided into three layers with different water sources, element pathways, and geochemical processes. The deeper sediments (> 1 m depth) were infiltrated by catchment water, which partly replaced the original tailings water, especially during the winter season. This may have resulted in the change from alkaline to near-neutral pH and towards lower concentrations of most dissolved elements. The neutral pH and high DOC (up to 99.4 mg/L C) of the catchment water mobilized Cu (up to 0.25 mg/L) due to formation of organic Cu complexes; and Zn (up to 130 mg/L) due to dissolution of Zn oxides and desorption). At I m depth, tailings pore water obtained during the winter season was chemically and isotopically similar to fresh tailings water (pH 9.8-10.6, 26.7-35.5 mg/L Cl, 2.3-6.0 mg/L Mo). During the summer, a vadose zone evolved locally and temporarily up to 1.2 m depth. resulting in a higher concentration of dissolved solids in the pore water due to evaporation. During periodical new deposition of fresh tailings, the geochemistry of the surface layer was geochemically similar to fresh tailings. In periods without deposition, sulfide oxidation was suggested by decreasing pH (7.7-9.5), enrichment of MoO42- and SO42-, and changes in the isotopic composition of dissolved sulfates. Further enrichment for Na, K, Cl, SO4, Mg, Cu, and Mo (up to 23.8 mg/L Mo) resulted from capillary transport towards the surface followed by evaporation and the precipitation of highly soluble efflorescent salts (e.g., mirabilite, syngenite) at the tailing surface during summer. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dispersion of natural arsenic in the Malcantone watershed, Southern Switzerland: field evidence for repeated sorption-desorption and oxidation-reduction processes

In recent years, elevated arsenic concentrations have been found in waters and soils of many, countries, often resulting in a health threat for the local population. Switzerland is not an exception and this paper deals with the release and subsequent fate of arsenic in a 200-km(2) mountainous watershed, characterized by crystalline silicate rocks (gneisses, schists, amphibolites) that contain abundant As-bearing sulfide ore deposits, some of which have been mined for iron and gold in the past. Using analytical methods common for mineralogical, ground water and soil studies (XRD, XRF, XAS-XANES and -EXAFS, electron microprobe, extraction, ICP, AAS with hydride generator, ion chromatography), seven different field situations and related dispersion processes of natural arsenic have been studied: (1) release by rock weathering, (2) transport and deposition by water and ice; (3) release of As to the ground and surface water due to increasing pH; (4) accumulation in humic soil horizons; (5) remobilization by reduction in water-saturated soils and stagnant ground waters; (6) remobilization by using P-rich fertilizers or dung and (7) oxidation, precipitation and dilution in surface waters. Comparison of the results with experimental adsorption studies and speciation diagrams from the literature allows us to reconstruct and identify the typical behavior of arsenic in a natural environment under temperate climatic conditions. The main parameters identified are: (a) once liberated from the primary minerals, sorption processes on Fe-oxy-hydroxides dominate over Al-phases, such as Al-hydroxides or clay minerals and limit the As concentrations in the spring and well waters between 20 and 300 mug/l. (b) Precipitation as secondary minerals is limited to the weathering domain, where the As concentrations are still high and not yet too diluted by rain and soils waters. (c) Although neutral and alkaline pH conditions clearly increase the mobility of As, the main factor to mobilize As is a low redox potential (Eh close or below 0 mV), which favors the dissolution of the Fe-oxy-hydroxides on which the As is sorbed. (d) X-ray absorption spectroscopy (XAS) of As in water-logged humic forest soils indicates that the reduction to As III only occurs at the solid-water interface and that the solid contains As as As V (e) A and Bh horizons of humic cambisols can effectively capture As when As-rich waters flow through them. Complex spatial and temporal variation of the various parameters in a watershed results in repeated mobilization and immobilization of As, which continuously transports As from the upper to the lower part of a watershed and ultimately to the ocean. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.