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.

Is it worth treating fever in intensive care unit patients? Preliminary results from a randomized trial of the effect of external cooling.

BACKGROUND: Antipyresis is a common clinical practice in intensive care, although it is unknown if fever is harmful, beneficial, or a negligible adverse effect of infection and inflammation. METHODS: In a randomized study, rectal temperature and discomfort were assessed in 38 surgical intensive care unit patients without neurotrauma or severe hypoxemia and with fever (temperature >/=38.5 degrees C) and systemic inflammatory response syndrome. Eighteen patients received external cooling while 20 received no antipyretic treatment. RESULTS: Temperature and discomfort decreased similarly in both groups after 24 hours. No significant differences in recurrence of fever, incidence of infection, antibiotic therapy, intensive care unit and hospital length of stay, or mortality were noted between the groups. CONCLUSIONS: These results suggest that the systematic suppression of fever may not be useful in patients without severe cranial trauma or significant hypoxemia. Letting fever take its natural course does not seem to harm patients with systemic inflammatory response syndrome or influence the discomfort level and may save costs.

Correlative light and electron microscopy in parasite research.

The interaction of a parasite and a host cell is a complex process, which involves several steps: (1) attachment to the plasma membrane, (2) entry inside the host cell, and (3) hijacking of the metabolism of the host. In biochemical experiments, only an event averaged over the whole cell population can be analyzed. The power of microscopy, however, is to investigate individual events in individual cells. Therefore, parasitologists frequently perform experiments with fluorescence microscopy using different dyes to label structures of the parasite or the host cell. Though the resolution of light microscopy has greatly improved, it is not sufficient to reveal interactions at the ultrastructural level. Furthermore, only specifically labeled structures can be seen and related to each other. Here, we want to demonstrate the additional value of electron microscopy in this area of research. Investigation of the different steps of parasite-host cell interaction by electron microscopy, however, is often hampered by the fact that there are only a few cells infected, and therefore it is difficult to find enough cells to study. A solution is to profit from low magnification, hence large overview, and specific location of the players by fluorescence labels in a light microscope with the high power resolution and structural information provided by an electron microscope, in short by correlative light and electron microscopy.

Analysis of acute brain slices by electron microscopy: A correlative light-electron microscopy workflow based on Tokuyasu cryo-sectioning.

Acute brain slices are slices of brain tissue that are kept vital in vitro for further recordings and analyses. This tool is of major importance in neurobiology and allows the study of brain cells such as microglia, astrocytes, neurons and their inter/intracellular communications via ion channels or transporters. In combination with light/fluorescence microscopies, acute brain slices enable the ex vivo analysis of specific cells or groups of cells inside the slice, e.g. astrocytes. To bridge ex vivo knowledge of a cell with its ultrastructure, we developed a correlative microscopy approach for acute brain slices. The workflow begins with sampling of the tissue and precise trimming of a region of interest, which contains GFP-tagged astrocytes that can be visualised by fluorescence microscopy of ultrathin sections. The astrocytes and their surroundings are then analysed by high resolution scanning transmission electron microscopy (STEM). An important aspect of this workflow is the modification of a commercial cryo-ultramicrotome to observe the fluorescent GFP signal during the trimming process. It ensured that sections contained at least one GFP astrocyte. After cryo-sectioning, a map of the GFP-expressing astrocytes is established and transferred to correlation software installed on a focused ion beam scanning electron microscope equipped with a STEM detector. Next, the areas displaying fluorescence are selected for high resolution STEM imaging. An overview area (e.g. a whole mesh of the grid) is imaged with an automated tiling and stitching process. In the final stitched image, the local organisation of the brain tissue can be surveyed or areas of interest can be magnified to observe fine details, e.g. vesicles or gold labels on specific proteins. The robustness of this workflow is contingent on the quality of sample preparation, based on Tokuyasu's protocol. This method results in a reasonable compromise between preservation of morphology and maintenance of antigenicity. Finally, an important feature of this approach is that the fluorescence of the GFP signal is preserved throughout the entire preparation process until the last step before electron microscopy.

Electron microscopy of RecA-DNA complexes: Two different states, their functional significance and relation to the solved crystal structure

Seven different electron microscopy techniques habe been employed to study the RecA protein of E. coli. This review provides a summary of the conclusions that have been drawn from these studies, and attempts to relate these observations to models for the role of RecA protein in homologous recombination.

Synapses on motoneuron dendrites in the brachial section of the frog spinal cord: a computer-aided electron microscopic study of cobalt-filled cells.

Cobalt-labelled motoneuron dendrites of the frog spinal cord at the level of the second spinal nerve were photographed in the electron microscope from long series of ultrathin sections. Three-dimensional computer reconstructions of 120 dendrite segments were analysed. The samples were taken from two locations: proximal to cell body and distal, as defined in a transverse plane of the spinal cord. The dendrites showed highly irregular outlines with many 1-2 microns-long 'thorns' (on average 8.5 thorns per 100 microns 2 of dendritic area). Taken together, the reconstructed dendrite segments from the proximal sites had a total length of about 250 microns; those from the distal locations, 180 microns. On all segments together there were 699 synapses. Nine percent of the synapses were on thorns, and many more close to their base on the dendritic shaft. The synapses were classified in four groups. One third of the synapses were asymmetric with spherical vesicles; one half were symmetric with spherical vesicles; and one tenth were symmetric with flattened vesicles. A fourth, small class of asymmetric synapses had dense-core vesicles. The area of the active zones was large for the asymmetric synapses (median value 0.20 microns 2), and small for the symmetric ones (median value 0.10 microns 2), and the difference was significant. On average, the areas of the active zones of the synapses on thin dendrites were larger than those of synapses on large calibre dendrites. About every 4 microns 2 of dendritic area received one contact. There was a significant difference between the areas of the active zones of the synapses at the two locations. Moreover, the number per unit dendritic length was correlated with dendrite calibre. On average, the active zones covered more than 4% of the dendritic area; this value for thin dendrites was about twice as large as that of large calibre dendrites. We suggest that the larger active zones and the larger synaptic coverage of the thin dendrites compensate for the longer electrotonic distance of these synapses from the soma.

Indirect hydrogen monitoring by chemi-ionisation following an associative ionisation pathway after metastable helium atoms production by electron impact ionisation: Protonation and deuteration of carrier gas

Gas chromatography (GC) is an analytical tool very useful to investigate the composition of gaseous mixtures. However, hydrogen (H2) detection after a GC separation is only possible with a Thermal Conductivity Detector (TCD), a Helium Ionisation Detector (HID) or expensive Atomic Emission Detector (AED). Recently, indirect H2 detection by GC coupled to mass spectrometry (MS) was demonstrated but the mechanism of carrier gas protonation remained unclear. With electron impact as ionisation source of MS and helium (He) as GC carrier gas, H2 is not ionised according the expected Penning ionisation neither according to the Associative ionisation. Rearrangement ionisation (RI) was found to be the main channel for H2 and D2 ionisation under GC-MS conditions used in most of laboratories using GC-MS, leading to the formation of [He−H]+ and [He−D]+ ions.

Focused ion beam scanning electron microscopy in biology.

Since the end of the last millennium, the focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) has progressively found use in biological research. This instrument is a scanning electron microscope (SEM) with an attached gallium ion column and the 2 beams, electrons and ions (FIB) are focused on one coincident point. The main application is the acquisition of three-dimensional data, FIB-SEM tomography. With the ion beam, some nanometres of the surface are removed and the remaining block-face is imaged with the electron beam in a repetitive manner. The instrument can also be used to cut open biological structures to get access to internal structures or to prepare thin lamella for imaging by (cryo-) transmission electron microscopy. Here, we will present an overview of the development of FIB-SEM and discuss a few points about sample preparation and imaging.

3D reconstruction and comparison of shapes of DNA minicircles observed by cryo-electron microscopy.

We use cryo-electron microscopy to compare 3D shapes of 158 bp long DNA minicircles that differ only in the sequence within an 18 bp block containing either a TATA box or a catabolite activator protein binding site. We present a sorting algorithm that correlates the reconstructed shapes and groups them into distinct categories. We conclude that the presence of the TATA box sequence, which is believed to be easily bent, does not significantly affect the observed shapes.