Contribution to the geology of Southern Turkey: new insights from the Mersin mélanges and from the Lycian and Antalya nappes

Abstract The study of fossil Tethyan continental margins implies the consideration of the oceanic domains to which they were connected. The advent of plate tectonics confirmed the importance of the detection of accretion-related mélanges. Ophiolitic mélanges are derived from both an upper ophiolitic obducting plate and a lower oceanic plate. Besides ophiolitic elements, the mélanges may incorporate parts of a magmatic arc and dismembered fragments of a passive continental margin. As the lower plate usually totally disappears during the obduction process, it can only be reconstructed from its elements found in the mélanges. Because of their key location at active margin boundaries, preserved accretion-related mélanges provide strong constraints on the geological evolution of former oceanic domains and their adjacent margins. The identification of Palaeotethyan remnants as accretionary series or reworked during the Late Triassic Eo-Cimmerian event, as well as the recognition of HugluPindos marginal sequences in southern Turkey and in the external Hellenides represent the main achievements of this work, making possible to establish new palaeogeographical correlations. The Mersin mélanges (Turkey), together with the Antalya and Mamonia (Cyprus) domains, are characterized by a series of exotic units found now south of the main Taurus range and compose the South-Taurides Exotic Units. The Mersin mélanges are subdivided in a Triassic and a Late Cretaceous unit. These units consist of the remnants of three major Tethyan oceans, the Palaeotethys, the Neotethys and the Huglu-Pindos. The definition and inventory of the Upper Antalya Nappes (Turkey) are still a matter of controversies and often conflicting interpretations. The recognition of Campanian radiolarians on top of the Kerner Gorge unit directly overlain by the Ordovician Seydi§ehir Fm. of the Tahtah Dag Nappe outlines a tectonic contact and demonstrates that the Upper Antalya Nappes system is composed of three different nappes, the Kerner Gorge, Bakirli and the Tahtah Dag nappes. Additionally, a limestone block in a doubtful tectonic position at the base of the Upper Antalya Nappes yielded for the first time two middle Viséan associations of foraminifers and problematic algae. The Tavas Nappe in the Lycian Nappes (Turkey) is classically divided into the Karadag, Teke Dere, Köycegiz and Haticeana units. As for the Mersin mélanges, the Tavas Nappe is highly composite and includes dismembered units belonging to the Palaeotethyan, Neotethyan and HugluPindos realms. The Karadag unit consists of a Gondwana-type platform succession ranging from the Late Devonian to the Late Triassic. It belongs to the Cimmerian Taurus terrane and was part of the northern passive margin of the Neotethys. The Teke Dere unit is composed of different parts of the Palaeotethyan succession including Late Carboniferous OIB-type basalts, Carboniferous MORB-type basalts, an Early Carboniferous siliciclastic series and a Middle Permian arc sequence. The microfauna and microflora identified in different horizons within the Teke Dere unit share strong biogeographical affinities with the northern Palaeotethyan borders. Kubergandian limestones in primary contact above the Early Carboniferous siliciclastics yielded a rich and diverse microfauna and microflora also identified in reworked cobbles within the Late Triassic Gevne Fm. of the Aladag unit (Turkey). The sedimentological evolution of the Köycegiz and Haticeana series is in many points similar to classical Pindos sequences. These series originated in the Huglu-Pindos Ocean along the northern passive margin of the Anatolian (Turkish transect) and Sitia-Pindos (Greek transect) terranes. Conglomerates at the base of the Lentas Unit in southern Crete (Greece) yielded a microfauna and microflora presenting also strong affinities with the northern borders of the Palaeotethys. This type of reworked sediments at the base of Pindos-like series would suggest a derivation from the Palaeotethyan active margin. -Résumé (French abstract) L'étude des marges continentales fossiles de l'espace téthysien implique d'étudier les domaines océaniques qui y étaient rattachés. Les progrès de la tectonique des plaques ont confirmé l'importance de la reconnaissance des mélanges d'accrétion. Les mélanges ophiolitiques dérivent d'une plaque supérieure ophiolitique qui obducte, et d'une plaque inférieure océanique. En plus d'éléments ophiolitiques, les mélanges peuvent aussi incorporer des parties d'un arc magmatique, ou des fragments d'une marge continentale passive. Comme la plaque inférieure disparaît généralement complètement durant le processus d'obduction, elle ne peut être reconstruite qu'au travers de ses éléments trouvés dans les mélanges. A cause de leur situation aux limites de marges actives, les mélanges d'accrétion bien préservés permettent de contraindre l'évolution géologique d'anciens océans et de leurs marges. L'identification de vestiges de la Paléotéthys en série d'accrétion ou remaniés lors de l'orogenèse éo-cimmérienne au Trias supérieur, ainsi que l'observation de séquences marginales de Huglu-Pinde en Turquie du sud et dans les Hellénides externes représentent les principaux résultats de ce travail, permettant d'établir de nouvelles corrélations paléogéographiques. Les mélanges de Mersin (Turquie), avec les domaines d'Antalya et de Mamonia (Chypre), sont caractérisés par des unités exotiques se trouvant au sud de la chaîne taurique, et forment les Unités Exotiques Sud-Tauriques. Les mélanges de Mersin sont subdivisés en une unité triasique, et une autre du Crétacé supérieur. Ces unités comprennent les reliques de trois principaux océans téthysiens, la Paléotéthys, la Néotéthys et Huglu-Pinde. L'inventaire et la définition des nappes supérieures d'Antalya (Turquie) sont encore matière à controverse et donne lieu à des interprétations conflictuelles. La découverte de radiolaires campaniens au sommet de l'unité de la Gorge de Kemer, directement recouverts par la formation ordovicienne de Seydisehir de la nappe du Tahtali Dag met en évidence un contact tectonique et démontre que les nappes supérieures sont composées de trois différentes nappes, celle de la Gorge de Kemer, celle du Bakirli et celle Tahtali Dag. De plus, un bloc de calcaire dont la position tectonique demeure incertaine à la base des nappes supérieures a fourni pour la première fois deux associations viséennes de foraminifères et d'algues problématiques. La nappe de Tavas dans les nappes lyciennes (Turquie) est séparée en unités du Karadag, du Teke Dere, de Köycegiz et d'Haticeana. Comme pour les mélanges de Mersin, la nappe de Tavas est composite et inclut des unités appartenant à la Paléotéthys, à la Néotéthys et à Huglu-Pinde. L'unité du Karadag est une plateforme carbonatée de type Gondwana se développant du Dévonien supérieur au Trias supérieur. Elle appartient au domaine cimmérien du Taurus et formait la marge nord de la Néotéthys. L'unité du Teke Dere est composée de différentes écailles paléotéthysiennes et inclut des basaltes d'île océanique du Carbonifère supérieur, des basaltes de ride océanique du Carbonifère, une série siliciclastique du Carbonifère supérieur et un arc du Permien moyen. Les microfaunes et -flores trouvées à différents niveaux de la série du Teke Dere partagent de fortes affinités paléogéographiques avec les marges nord de la Paléotéthys. Des calcaires du Kubergandien en contact primaire au-dessus de la série siliciclastique a donné de riches microfaunes et -flores, également identifiées dans des galets remaniés dans la formation de Gevne du Trias supérieur de l'Aladag. L'évolution sédimentologique des séries de Köycegiz et d'Haticeana sont très similaires aux séries classiques du Pinde. Ces séquences prennent leur racine dans l'océan de Huglu-Pinde, le long de la marge passive nord anatolienne (profil turc) et de la marge de Sitia-Pinde (profil grec). Des conglomérats à la base de l'unité de Lentas au sud de la Crète (Grèce) ont donné des microfaunes et flores partageant également de fortes similitudes avec les bordures nord de la Paléotéthys. Le type de sédiments remaniés à la base d'unités de type Pinde suggère une dérivation depuis la marge active de la Paléotéthys. -Résumé grand public (non-specialized abstract) Au début du 20ème siècle, Alfred Wegener bouleverse les croyances géologiques de l'époque et publie plusieurs articles sur la dérive ou la translation des continents. En utilisant des arguments géographiques (similarités des lignes de côte), paléontologiques (faunes et flores similaires) et climatiques (dépôts tropicaux et glaciaires), Wegener explique qu'il y a plusieurs millions d'années, les terres émergées actuelles ne devaient former qu'un seul et grand continent. La fin du 20ème siècle verra l'avènement de la théorie de la tectonique des plaques suite à la reconnaissance du cycle de Wilson, des rides médio-océaniques, des anomalies magnétiques dans les océans et des sutures océaniques qui représentent les reliques d'océans disparus. Le Cycle de Wilson se caractérise par une suite d'évènements géologiques majeurs pouvant se résumer de la manière suivante : (1) séparation d'un craton continental en deux parties, créant une limite de plaque divergente. C'est ce que l'on appelle un rift; (2) développement et croissance d'un océan entre ces deux blocs. Des roches magmatiques remontent à la surface de la terre et forment une chaîne de montagne sous-marine que l'on appelle ride médio-océanique ou dorsale. L'océan continue de se développer, et des sédiments se déposent à sa surface formant la suite ophiolitique ou trinité de Steinmann; (3) après une phase d'expansion plus ou moins longue, les conditions imposées aux limites des plaques à la surface de la terre changent, et l'océan se met à se refermer par disparition progressive (subduction) de sa croûte océanique sous une croûte continentale par exemple. Ceci crée une nouvelle limite de plaque, convergente cette fois; (4) la subduction de la plaque océanique sous la plaque continentale provoque une remontée de magma formant des chaînes volcaniques à la surface de la Terre ; (5) une fois que la plaque océanique a complètement disparu, les deux blocs préalablement séparés par l'océan font collision, formant ainsi une chaîne de montagne. Les chaînes de montagnes sont de manière générale formées par un empilement plus ou moins complexe de nappes. C'est au coeur de certaines de ces nappes que se trouvent les vestiges de l'océan disparu. Un des objectifs de ce travail était la recherche de ces vestiges dans le domaine téthysien de la Méditerranée orientale. Pour ce faire, nous avons parcourus une grande partie du sud de la Turquie, nous sommes allés à Chypre, dans le Sultanat d'Oman, en Iran, en Crète, et nous avons visités quelques îles grecques du Dodécanèse. La région de la Méditerranée orientale est une zone qui a été tectoniquement très active, et qui continue de l'être de nos jours par des phénomènes de subduction (ex. les volcans de Santorin), et par des mouvements coulissants entre des plaques continentales (ex. la faille nord-anatolienne) qui donnent régulièrement lieu à des tremblements de terre. Pour le géologue, la complexité de ces zones d'étude réside dans le fait que les chaînes de montagne actuelles ne contiennent en général pas seulement les restes d'un océan, mais bien de plusieurs bassins océaniques qui se sont succédés dans l'espace et dans le temps. Les nappes qui se trouvent au sud de la Turquie et dans le Dodécanèse forment un important jalon dans la chaîne alpine qui s'étend depuis les Alpes jusque dans l'Himalaya. L'idée d'un continuum au coeur de ce système se basait principalement sur l'âge des océans et sur la reconnaissance de similarités dans l'évolution des séries sédimentaires. La localisation des vestiges de la Paléotéthys ainsi que l'identification des séries sédimentaires ayant appartenu à l'océan de HugluPinde repris sous forme de nappes en Turquie et en Grèce sont cruciales pour permettre de bonnes corrélations locales et régionales. La reconnaissance, la compréhension et l'interprétation de ces séries sédimentaires permettront d'élaborer un modèle d'évolution géodynamique régional, s'appuyant sur des faits de terrains indiscutables, et prenant en compte les contraintes globales que ce genre d'exercice implique.

A Miocene mud volcano and its plumbing system: A chaotic complex revisited (Monferrato, NW Italy)

Chaotic deposits are frequently reported in the geological literature and are commonly interpreted as olistostromes or tectonic melanges. A chaotic complex in the Cenozoic succession of Monferrato (NW Italy) consists of interbedded mud breccia and burrowed silty clays that are pierced by sheared mud breccias and embed carbonate-cemented blocks. These may be represented by microcrystalline limestones or strongly cemented matrix-supported breccias locally containing remains of chemosymbiotic organisms (lucinid bivalves). Moreover, cylindrical concretions, up to 15 cm in diameter and 1 m long, occur in the chaotic complex and crosscut bedding planes at high angles. The cement of all these lithified portions is mainly dolomite characterized by low delta(13)C values (from -10.3 to -23parts per thousand PDB) and delta(18)O values up to + 7parts per thousand PDB. The delta(13)C values testify to precipitation of carbonates induced by microbial oxidation of methane, whereas the markedly positive delta(18)C signature, ubiquitous in the cylindrical concretions, is the evidence for the presence and destabilization of gas hydrates. The studied section provides a well-exposed example of the geological record of the birth, life, and death of a mud volcano. Unsheared, soft mud breccias represent mud flows along the flanks of the volcano, whereas sheared mud breccias are the result of the injection of unconsolidated overpressured fine-grained sediments, both taking place during ``eruptive'' phases. They were followed by more quiet stages of hemipelagic sedimentation, burrowing, and CH4 seeping. The cylindrical concretions represent the first described ancient example of the chimneys observed in present-day mud-volcano settings. They are the remnants of a cold-seep plumbing network that crosscut the mud volcano edifice. The chimneys were the pathway for the expulsion toward the sea floor of gas- and sediment-charged fluids likely originated from destabilization of methane gas hydrates. The association of mud breccias and methane-derived carbonates may not be due to mass gravity flows but can be primary and, therefore, is a diagnostic criterion for recognizing chaotic deposits due to mud volcano activity in the geological record.

Synorogenic extension: Quantitative constraints on the age and displacement of the Zanskar shear zone (northwest Himalaya)

subsequent extension-induced exhumation. Geochronological dating of various Structural, thermobarometric, and geochronological data place limits on the age and tectonic displacement along the Zanskar shear zone, a major north-dipping synorogenic extensional structure separating the high-grade metamorphic sequence of the High Himalayan Crystalline Sequence from the overlying low-grade sedimentary rocks of the Tethyan Himalaya, A complete Barrovian metamorphic succession, from kyanite to biotite zone mineral assemblages, occurs within the I-km-thick Zanskar shear zone. Thermobarometric data indicate a difference In equilibration depths of 12 +/- 3 km between the lower kyanite zone and the garnet zone, which is Interpreted as a minimum estimate for the finite vertical displacement accommodated by the Zanskar shear zone. For the present-day dip of the structure (20 degrees), a simple geometrical model shows that a net slip of 35 +/- 9 km is required to regroup these samples to the same structural level. Because the kyanite to garnet zone rocks represent only part of the Zanskar shear zone, and because its original dip may have been less than the present-day dip, these estimates fur the finite displacement represent minimum values. Field relations and petrographic data suggest that migmatization and associated leucogranite intrusion in the footwall of the Zanskar shear zone occurred as a continuous profess starting at the Barrovian metamorphic peak and lasting throughout the subsequent extension-induced exhumation. Geochronological dataing of various leucogranitic plutons and dikes in the Zanskar shear zone footwall indicates that the main ductile shearing along the structure ended by 19.8 Ma and that extension most likely initiated shortly before 22.2 Ma.

Mesozoic sequence of Fuerteventura (Canary Islands): Witness of Early Jurassic sea-floor spreading in the central Atlantic

The Fuerteventura Jurassic sedimentary succession consists of oceanic and elastic deposits, the latter derived from the southwestern Moroccan continental margin. Normal mid-oceanic-ridge basalt (N-MORB) flows and breccias are found at the base of the sequence and witness sea-floor spreading events in the central Atlantic. These basalts were extruded in a postrift environment (post-late Pliensbachian), We propose a Toarcian age for the Atlantic oceanic floor in this region, on the basis of the presence higher up in the sequence of the Bositra buchi filament microfacies (Aalenian-Bajocian) and of elastic deposits reflecting tectono-eustatic events (e.g,, late Toarcian to mid-Callovian erosion of the rift shoulder). The S-l sea-floor oceanic magnetic anomaly west of Fuerteventura is therefore at least Toarcian in age. The remaining sequence records Atlantic-Tethyan basinal facies (e.g., Callovian-Oxfordian red clays, Aptian-Albian black shales) alternating with elastic deposits (e.g., Kimmeridgian-Berriasian periplatform calciturbidites and a Lower Cretaceous deep-sea fan system). The Fuerteventura N-MORB outcrops represent the only Early Jurassic oceanic basement described so far in the central Atlantic. They are covered by a 1600 m, nearly continuous sedimentary sequence which extends to Upper Cretaceous facies.

Precise U-Pb age constraints for end-Triassic mass extinction, its correlation to volcanism and Hettangian post-extinction recovery

New precise zircon U-Pb ages are proposed for the Triassic-Jurassic (Rhetian-Hettangian) and the Hettangian-Sinemurian boundaries, The ages were obtained by ID-TIMS dating of single chemical-abraded zircons from volcanic ash layers within the Pucara Group, Aramachay Formation in the Utcubamba valley, northern Peru. Ash layers situated between last and first occurrences of boundary-defining ammonites yielded Pb-206/U-238 ages of 201.58 +/- 0.17/0.28 Ma (95% c.l., uncertainties without/with decay constant errors, respectively) for the Triassic-Jurassic and of 199.53 +/- 0.19/0.29 Ma for the Hettangian-Sinemurian boundaries. The former is established on a tuff located 1 m above the last local occurrence of the topmost Triassic genus Choristoceras, and 5 m below the Hettangian genus Psiloceras. The latter sample was obtained from a tuff collected within the Badouxia canadensis beds. Our new ages document total duration of the Hettagian of no more than c. 2 m.y., which has fundamental implications for the interpretation and significance of the ammonite recovery after the topmost Triassic extinction. The U-Pb age is about 0.8 +/- 0.5% older than Ar-40-Ar-39 dates determined on flood basalts of the Central Atlantic Magmatic Province (CAMP). Given the widely accepted hypothesis that inaccuracies in the K-40 decay constants or physical constants create a similar bias between the two dating methods, our new U-Pb zircon age determination for the T/J boundary corroborates the hypothesis that the CAMP was emplaced at the same time and may be responsible for a major climatic turnover and mass extinction. The zircon Pb-206/U-238 age for the T/J boundary is marginally older than the North Mountain Basalt (Newark Supergroup, Nova Scotia, Canada), which has been dated at 201.27 +/- 0.06 Ma [Schoene et al., 2006. Geochim. Cosmochim. Acta 70, 426-445]. It will be important to look for older eruptions of the CAMP and date them precisely by U-Pb techniques while addressing all sources of systematic uncertainty to further test the hypothesis of volcanic induced climate change leading to extinction. Such high-precision, high-accuracy data will be instrumental for constraining the contemporaneity of geological events at a 100 kyr level. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Analysis, modelling and classification of geospatial data using machine learning

The research considers the problem of spatial data classification using machine learning algorithms: probabilistic neural networks (PNN) and support vector machines (SVM). As a benchmark model simple k-nearest neighbor algorithm is considered. PNN is a neural network reformulation of well known nonparametric principles of probability density modeling using kernel density estimator and Bayesian optimal or maximum a posteriori decision rules. PNN is well suited to problems where not only predictions but also quantification of accuracy and integration of prior information are necessary. An important property of PNN is that they can be easily used in decision support systems dealing with problems of automatic classification. Support vector machine is an implementation of the principles of statistical learning theory for the classification tasks. Recently they were successfully applied for different environmental topics: classification of soil types and hydro-geological units, optimization of monitoring networks, susceptibility mapping of natural hazards. In the present paper both simulated and real data case studies (low and high dimensional) are considered. The main attention is paid to the detection and learning of spatial patterns by the algorithms applied.

Local and global error models to improve uncertainty quantification

In groundwater applications, Monte Carlo methods are employed to model the uncertainty on geological parameters. However, their brute-force application becomes computationally prohibitive for highly detailed geological descriptions, complex physical processes, and a large number of realizations. The Distance Kernel Method (DKM) overcomes this issue by clustering the realizations in a multidimensional space based on the flow responses obtained by means of an approximate (computationally cheaper) model; then, the uncertainty is estimated from the exact responses that are computed only for one representative realization per cluster (the medoid). Usually, DKM is employed to decrease the size of the sample of realizations that are considered to estimate the uncertainty. We propose to use the information from the approximate responses for uncertainty quantification. The subset of exact solutions provided by DKM is then employed to construct an error model and correct the potential bias of the approximate model. Two error models are devised that both employ the difference between approximate and exact medoid solutions, but differ in the way medoid errors are interpolated to correct the whole set of realizations. The Local Error Model rests upon the clustering defined by DKM and can be seen as a natural way to account for intra-cluster variability; the Global Error Model employs a linear interpolation of all medoid errors regardless of the cluster to which the single realization belongs. These error models are evaluated for an idealized pollution problem in which the uncertainty of the breakthrough curve needs to be estimated. For this numerical test case, we demonstrate that the error models improve the uncertainty quantification provided by the DKM algorithm and are effective in correcting the bias of the estimate computed solely from the MsFV results. The framework presented here is not specific to the methods considered and can be applied to other combinations of approximate models and techniques to select a subset of realizations

Contribution à la cartographie géomorphologique de la dynamique sédimentaire des petits bassins versants torrentiels

Les laves torrentielles sont l'un des vecteurs majeurs de sédiments en milieu montagneux. Leur comportement hydrogéomorphologique est contrôlé par des facteurs géologique, géomorphologique, topographique, hydrologique, climatique et anthropique. Si, en Europe, la recherche s'est plus focalisée sur les aspects hydrologiques que géomorphologiques de ces phénomènes, l'identification des volumes de sédiments potentiellement mobilisables au sein de petits systèmes torrentiels et des processus responsables de leur transfert est d'une importance très grande en termes d'aménagement du territoire et de gestion des dangers naturels. De plus, une corrélation entre des événements pluviométriques et l'occurrence de laves torrentielles n'est pas toujours établie et de nombreux événements torrentiels semblent se déclencher lorsqu'un seuil géomorphologique intrinsèque (degré de remplissage du chenal) au cours d'eau est atteint.Une méthodologie pragmatique a été développée pour cartographier les stocks sédimentaires constituant une source de matériaux pour les laves torrentielles, comme outil préliminaire à la quantification des volumes transportés par ces phénomènes. La méthode s'appuie sur des données dérivées directement d'analyses en environnement SIG réalisées sur des modèles numériques d'altitude de haute précision, de mesures de terrain et d'interprétation de photographies aériennes. La méthode a été conçue pour évaluer la dynamique des transferts sédimentaires, en prenant en compte le rôle des différents réservoirs sédimentaires, par l'application du concept de cascade sédimentaire sous un angle cartographique.Les processus de transferts sédimentaires ont été étudiés dans deux bassins versants des Alpes suisses (torrent du Bruchi, à Blatten beiNaters et torrent du Meretschibach, à Agarn). La cartographie géomorphologique a été couplée avec des mesures complémentaires permettant d'estimer les flux sédimentaires et les taux d'érosion (traçages de peinture, piquets de dénudation et utilisation du LiDAR terrestre). La méthode proposée se révèle innovatrice en comparaison avec la plupart des systèmes de légendes géomorphologiques existants, qui ne sont souvent pas adaptés pour cartographier de manière satisfaisante les systèmes géomorphologiques complexes et actifs que sont les bassins torrentiels. L'intérêt de cette méthode est qu'elle permet l'établissement d'une cascade sédimentaire, mais uniquement pour des systèmes où l'occurrence d'une lave torrentielle est contrôlé par le degré de remplissage en matériaux du chenal. Par ailleurs, le produit cartographique ne peut être directement utilisé pour la création de cartes de dangers - axées sur les zones de dépôt - mais revêt un intérêt pour la mise en place de mesures de correction et pour l'installation de systèmes de monitoring ou d'alerte.La deuxième partie de ce travail de recherche est consacrée à la cartographie géomorphologique. Une analyse a porté sur un échantillon de 146 cartes ou systèmes de légende datant des années 1950 à 2009 et réalisés dans plus de 40 pays. Cette analyse a permis de mettre en évidence la diversité des applications et des techniques d'élaboration des cartes géomorphologiques. - Debris flows are one of the most important vectors of sediment transfer in mountainous areas. Their hydro-geomorphological behaviour is conditioned by geological, geomorphological, topographical, hydrological, climatic and anthropic factors. European research in torrential systems has focused more on hydrological processes than on geomorphological processes acting as debris flow triggers. Nevertheless, the identification of sediment volumes that have the potential to be mobilised in small torrential systems, as well as the recognition of processes responsible for their mobilisation and transfer within the torrential system, are important in terms of land-use planning and natural hazard management. Moreover, a correlation between rainfall and debris flow occurrence is not always established and a number of debris flows seems to occur when a poorly understood geomorphological threshold is reached.A pragmatic methodology has been developed for mapping sediment storages that may constitute source zone of bed load transport and debris flows as a preliminary tool before quantifying their volumes. It is based on data directly derived from GIS analysis using high resolution DEM's, field measurements and aerial photograph interpretations. It has been conceived to estimate sediment transfer dynamics, taking into account the role of different sediment stores in the torrential system applying the concept of "sediment cascade" in a cartographic point of view.Sediment transfer processes were investigated in two small catchments in the Swiss Alps (Bruchi torrent, Blatten bei Naters and Meretschibach torrent, Agarn). Thorough field geomorphological mapping coupled with complementary measurements were conducted to estimate sediment fluxes and denudation rates, using various methods (reference coloured lines, wooden markers and terrestrial LiDAR). The proposed geomorphological mapping methodology is quite innovative in comparison with most legend systems that are not adequate for mapping active and complex geomorphological systems such as debris flow catchments. The interest of this mapping method is that it allows the concept of sediment cascade to be spatially implemented but only for supply-limited systems. The map cannot be used directly for the creation of hazard maps, focused on the deposition areas, but for the design of correction measures and the implementation of monitoring and warning systems.The second part of this work focuses on geomorphological mapping. An analysis of a sample of 146 (extracts of) maps or legend systems dating from the middle of the 20th century to 2009 - realised in more than 40 different countries - was carried out. Even if this study is not exhaustive, it shows a clear renewed interest for the discipline worldwide. It highlights the diversity of applications, techniques (scale, colours and symbology) used for their conception.

Major environmental change and bonebed genesis prior to the Triassic-Jurassic mass extinction

We present new geochemical and sedimentological data from marginal marine strata of Penarth Bay, south Wales (UK) to elucidate the origin of widespread but enigmatic concentrations of vertebrate hard parts (bonebeds) in marine successions of Rhaetian age (late Triassic). Sedimentological evidence shows that the phosphatic constituents of the bonebeds were subjected to intense phosphatization in shallow current-dominated settings and subsequently reworked and transported basinward by storms. Interbedded organic-rich strata deposited under quiescent and poorly oxygenated conditions record enhanced phosphorus regeneration from sedimentary organic matter into the water column and probably provided the main source of phosphate required for heavy bonebed clast phosphatization. The stratigraphically limited interval showing evidence for oxygen depletion and accelerated P-cycling coincides with a negative 4% organic carbon isotope excursion, which possibly reflects supra-regional changes in carbon cycling and clearly predates the 'initial isotope excursion' characterizing many Triassic-Jurassic boundary strata. our data indicate that Rhaetian bonebeds are the lithological signature of profound, climatically driven changes in carbon cycling and redox conditions and support the idea of a multi-pulsed environmental crisis at the end of the Triassic, possibly linked to successive episodes of igneous activity in the central Atlantic Magmatic Province.

Geodynamic reconstructions of the Australides-1: Palaeozoic

A full global geodynamical reconstruction model has been developed at the University of Lausanne over the past 20 years, and is used herein to re-appraise the evolution of the Australides from 600 to 200 Ma. Geological information of geodynamical interest associated with constraints on tectonic plate driving forces allow us to propose a consistent scenario for the evolution of Australia-Antarctica-proto-Pacific system. According to our model, most geodynamic units (GDUs) of the Australides are exotic in origin, and many tectonic events of the Delamerian Cycle, Lachlan SuperCycle, and New England SuperCycle are regarded as occurring off-shore Gondwana.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Budgeting rockfall and modeling sedimentary delivery in torrent systems

This thesis is a compilation of projects to study sediment processes recharging debris flow channels. These works, conducted during my stay at the University of Lausanne, focus in the geological and morphological implications of torrent catchments to characterize debris supply, a fundamental element to predict debris flows. Other aspects of sediment dynamics are considered, e.g. the coupling headwaters - torrent, as well as the development of a modeling software that simulates sediment transfer in torrent systems. The sediment activity at Manival, an active torrent system of the northern French Alps, was investigated using terrestrial laser scanning and supplemented with geostructural investigations and a survey of sediment transferred in the main torrent. A full year of sediment flux could be observed, which coincided with two debris flows and several bedload transport events. This study revealed that both debris flows generated in the torrent and were preceded in time by recharge of material from the headwaters. Debris production occurred mostly during winter - early spring time and was caused by large slope failures. Sediment transfers were more puzzling, occurring almost exclusively in early spring subordinated to runoffconditions and in autumn during long rainfall. Intense rainstorms in summer did not affect debris storage that seems to rely on the stability of debris deposits. The morpho-geological implication in debris supply was evaluated using DEM and field surveys. A slope angle-based classification of topography could characterize the mode of debris production and transfer. A slope stability analysis derived from the structures in rock mass could assess susceptibility to failure. The modeled rockfall source areas included more than 97% of the recorded events and the sediment budgets appeared to be correlated to the density of potential slope failure. This work showed that the analysis of process-related terrain morphology and of susceptibility to slope failure document the sediment dynamics to quantitatively assess erosion zones leading to debris flow activity. The development of erosional landforms was evaluated by analyzing their geometry with the orientations of potential rock slope failure and with the direction of the maximum joint frequency. Structure in rock mass, but in particular wedge failure and the dominant discontinuities, appear as a first-order control of erosional mechanisms affecting bedrock- dominated catchment. They represent some weaknesses that are exploited primarily by mass wasting processes and erosion, promoting not only the initiation of rock couloirs and gullies, but also their propagation. Incorporating the geological control in geomorphic processes contributes to better understand the landscape evolution of active catchments. A sediment flux algorithm was implemented in a sediment cascade model that discretizes the torrent catchment in channel reaches and individual process-response systems. Each conceptual element includes in simple manner geomorphological and sediment flux information derived from GIS complemented with field mapping. This tool enables to simulate sediment transfers in channels considering evolving debris supply and conveyance, and helps reducing the uncertainty inherent to sediment budget prediction in torrent systems. Cette thèse est un recueil de projets d'études des processus de recharges sédimentaires des chenaux torrentiels. Ces travaux, réalisés lorsque j'étais employé à l'Université de Lausanne, se concentrent sur les implications géologiques et morphologiques des bassins dans l'apport de sédiments, élément fondamental dans la prédiction de laves torrentielles. D'autres aspects de dynamique sédimentaire ont été abordés, p. ex. le couplage torrent - bassin, ainsi qu'un modèle de simulation du transfert sédimentaire en milieu torrentiel. L'activité sédimentaire du Manival, un système torrentiel actif des Alpes françaises, a été étudiée par relevés au laser scanner terrestre et complétée par une étude géostructurale ainsi qu'un suivi du transfert en sédiments du torrent. Une année de flux sédimentaire a pu être observée, coïncidant avec deux laves torrentielles et plusieurs phénomènes de charriages. Cette étude a révélé que les laves s'étaient générées dans le torrent et étaient précédées par une recharge de débris depuis les versants. La production de débris s'est passée principalement en l'hiver - début du printemps, causée par de grandes ruptures de pentes. Le transfert était plus étrange, se produisant presque exclusivement au début du printemps subordonné aux conditions d'écoulement et en automne lors de longues pluies. Les orages d'été n'affectèrent guère les dépôts, qui semblent dépendre de leur stabilité. Les implications morpho-géologiques dans l'apport sédimentaire ont été évaluées à l'aide de MNT et études de terrain. Une classification de la topographie basée sur la pente a permis de charactériser le mode de production et transfert. Une analyse de stabilité de pente à partir des structures de roches a permis d'estimer la susceptibilité à la rupture. Les zones sources modélisées comprennent plus de 97% des chutes de blocs observées et les bilans sédimentaires sont corrélés à la densité de ruptures potentielles. Ce travail d'analyses des morphologies du terrain et de susceptibilité à la rupture documente la dynamique sédimentaire pour l'estimation quantitative des zones érosives induisant l'activité torrentielle. Le développement des formes d'érosion a été évalué par l'analyse de leur géométrie avec celle des ruptures potentielles et avec la direction de la fréquence maximale des joints. Les structures de roches, mais en particulier les dièdres et les discontinuités dominantes, semblent être très influents dans les mécanismes d'érosion affectant les bassins rocheux. Ils représentent des zones de faiblesse exploitées en priorité par les processus de démantèlement et d'érosion, encourageant l'initiation de ravines et couloirs, mais aussi leur propagation. L'incorporation du control géologique dans les processus de surface contribue à une meilleure compréhension de l'évolution topographique de bassins actifs. Un algorithme de flux sédimentaire a été implémenté dans un modèle en cascade, lequel divise le bassin en biefs et en systèmes individuels répondant aux processus. Chaque unité inclut de façon simple les informations géomorpologiques et celles du flux sédimentaire dérivées à partir de SIG et de cartographie de terrain. Cet outil permet la simulation des transferts de masse dans les chenaux, considérants la variabilité de l'apport et son transport, et aide à réduire l'incertitude liée à la prédiction de bilans sédimentaires torrentiels. Ce travail vise très humblement d'éclairer quelques aspects de la dynamique sédimentaire en milieu torrentiel.

The roles of flux- and decompression melting and their respective fractionation lines for continental crust formation: Evidence from the Kohistan arc

Delamination and foundering of the lower continental crust (LCC) into the mantle is part of the crust-forming mechanism. However, knowledge of the composition and mineralogy of the preserved or delaminated LCC over geological timescales remains scarce. We provide a synopsis of recent research within the Kohistan arc (Pakistan) and demonstrate that hydrous and less hydrous liquid lines of descent related to flux assisted and decompression mantle melting, respectively, produce compositionally different lower crustal rocks. The argument refers to two lower crustal sections exposed in Kohistan, the older Southern Plutonic Complex (SPC) and the younger Chilas Complex. The SPC typifies a hydrous, high-pressure fractionation sequence of olivine-pyroxenes-garnet-Fe/Ti-oxide-amphibole-plagioclase. The Chilas Complex illustrates a less hydrous fractionation sequence of olivine-clinopyroxene-orthopyroxene-plagioclase-amphibole. Despite the similarity of the Chilas Complex rocks to proposed lower crust compositions, the less hydrous fractionation results in unrealistically small volumes of silica-rich rocks, precluding the Chilas Complex gabbros to represent the magmatic complement to the upper crust. The composition of the SPC lower crust differs markedly from bulk lower crust estimates, but is complementary to silica-rich rocks exposed along this section and in the Kohistan batholith. These observations inspire a composite model for the formation of continental crust (CC) where the negatively buoyant delaminated and the buoyant preserved lower continental crusts (LCC) differ in genesis, mineralogy, and composition. We propose that the upper, non-sedimentary subsequent removal of the complementary, negatively buoyant garnet-pyroxene-amphibole-plagioclase-rich cumulates. In contrast, the LCC, which is buoyant and preserved over geological timescales, is formed by less hydrous parental mantle melts. We suggest that the bulk continental crust composition is related to mixing of these petrologically not directly related end members. Published by Elsevier B.V.