Hydrogen isotope fractionations between amphiboles, micas, and fluids in alkaline igneous intrusions

RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les teneurs des amphiboles en éléments majeurs et en isotopes stables ont été analysées dans plusieurs complexes ignés alcalins et hyperalcalins, dans le but de déterminer l'importance des variations de composition des minéraux pour le fractionnement isotopique de l'hydrogène dans un système naturel minéral-magma-fluide. Cette étude se concentre principalement sur les syénites néphéliniques de complexes intrusifs alcalins bien connus mais à chimie variable, dont les amphiboles, ainsi que d'autres silicates hydratés tels que micas et eudialytes, lorsque cela était possible, ont été séparés. L'intérêt principal s'est porté sur le complexe alcalin d'Ilímaussaq de la Province du Gardar, au Sud du Groenland. Dans une optique de comparaison, nous avons collecté et analysé d'autres échantillons provenant du complexe de Tugtutôq (Sud Groenland), des complexes de Khibina et Lovozero (Péninsule de Kola, Russie), du Mont St-Hilaire et du Mont Royal (Canada) et de 6 autres du nord-ouest de la Namibie (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld,et Okorusu). Les compositions isotopiques de l'hydrogène des amphiboles des ces différentes zones présentent de grandes variations (-227 à -700/00), ce qui est atypique pour des magmas d'origine mantellique. Les valeurs comprises entre -80 et -400/00 indiquent une provenance du manteau. Ces larges variations de compositions ainsi que l'extrême appauvrissement en isotope lourd de l'hydrogène (D), en comparaison avec d'autres roches ignées, semblent être propres.aux roches alcalines et hyperalcalines de ce type, ce qui indiquerait un processus commun. Les différents complexes alcalins choisis présentent un large intervalle de composition chimique des amphiboles. La caractérisation des amphiboles par microscopie électronique et par spectroscopie Mössbauer contribuent à observer le contrôle du Fe sur le fractionnement des isotopes de l'hydrogène. En effet, cela a mis en évidence un contrôle du Fe sur le fractionnement et même, dans le cas du complexe hyperalcalin d'Ilímaussaq, une relation entre le rapport Fei3+/FeT et les variations du rapport D/H. Les complexes étudiés diffèrent de par leur index agpaïtique (Na+K/Al) et également de par leur contenu en fer. Les plus hautes valeurs en Fe (27-35 wt%) et en éléments alcalins dans les amphiboles, ainsi que les teneurs de D/H les plus basses et leur grande variation, sont celles du complexe d'Ilímaussaq. Les amphiboles de la Péninsule de Kola et du Canada sont similaires, mais toutefois moins appauvries en D. En ce qui concerne les amphiboles des complexes du NO de la Namibie, elles présentent des compositions isotopiques de l'hydrogène magmatiques normales (-73 à -100 0/00), contiennent moins de Fe (15-17 wt%) et sont fortement enrichies en Ca et moins en Na. Dans ce cas, l'alcalinité est moins importante en comparaison des autres complexes étudiés. En dehors des teneurs en éléments alcalins des amphiboles, l'alcalinité des fluides s'avère également un facteur important, ce qui est cohérent avec certaines suggestions à partir de systèmes expérimentaux. Afin de mieux contraindre ce facteur, des expériences d'échanges hydrothermaux entre les amphiboles et les fluides de salinité différente ont été effectuées en simulant des conditions naturelles. L'approximation d'amphiboles naturelles de complexes ignés alcalins, couplée aux expériences d'échange, aide à préciser les facteurs contrôlant le fractionnement des isotopes de l'hydrogène dans les roches alcalines. Les valeurs extrêmement basses de 3D des amphiboles de ces complexes alcalins peuvent être dues à une combinaison de différents facteurs, telles qu'une haute alcalinité, une haute teneur en Fe et une faible profondeur d'intrusion. Les grandes variations ainsi que les faibles valeurs de SD des amphiboles étudiées peuvent résulter d'un processus magmatique interne et il est peu probable que de l'eau météorique soit impliquée et/ou que le dégazage magmatique ait joué un rôle. THESIS ABSTRACT Major element and stable isotope compositions of amphiboles were analyzed from a number of alkaline and peralkaline igneous complexes in order to determine the importance of compositional variations in minerals to hydrogen isotope fractionations in natural mineral-melt-fluid systems. The thesis mainly focuses on nepheline syenites of well-studied, but chemically variable alkaline intrusive rocks, from which amphiboles and, if possible, other hydrous silicates such as micas and eudialytes were separated. The system of primary interest was the alkaline Ilímaussaq Complex of the Gardar Province of South Greenland. For the purpose of comparison additional samples were collected and examined from the Tugtutôq Complex (South Greenland), the Khibina and Lovozero Complexes (Kola Peninsular, Russia), Mount St-Hilaire and Mount Royal (Canada) and six further complexes from NW Namibia (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld, and Okorusu). The hydrogen isotope compositions of amphiboles from the localities studied differ greatly, which is atypical for amphiboles from mantle, range between - 227 and - 700/00 (latter compatible with a simple mantle origin). As this wide range in compositions and the extreme depletion in the heavy hydrogen isotope (D) content relative to other igneous rocks appear to be unique to alkaline to peralkaline rocks of this type, a common process is indicated. The different alkaline complexes chosen cover a wide range of amphibole chemical compositions. Detailed chemical characterization of amphiboles by electron microprobe and Mössbauer spectroscopy analyses helped to constrain the control of Fe on the H-isotope fractionations. Complete characterization of the chemical compositions of the amphiboles support Fe-control on fractionations and at least for the peralkaline Ilímaussaq complex a relationship between Fe3+/FeT ratios and variations in D/H. The studied complexes differ in their agpaitic index (Na+K/Al) and also in their Fe-content. The most iron (27-35 wt. %) and alkaline element rich amphiboles, with the lowermost D/H ratio, as well with very wide range, are the ones from Ilímaussaq complex. Similar, but less D depleted amphiboles are from the Kola Peninsula and the Canadian localities. The complexes described from NW Namibia have amphiboles with normal magmatic hydrogen isotope composition (-730/00 to -1000/00), and have less Fe-content (15-17 wt. %), and are more Ca-and less Na-rich. In this case alkalinity is not that important in comparison to the other studied complexes. Beside the alkaline element contents in the amphiboles, the alkalinity of the fluids has been found to be an important factor, in conjunction with earlier suggestions from experimental systems. To further constrain this factor, hydrothermal exchange experiments between amphiboles and fluids of different salinity simulating natural conditions were performed. The approach of examining natural amphiboles from alkaline igneous complexes in parallel to performing exchange experiments - helped to further constrain the factors controlling the H-isotope fractionations in alkaline rocks. The observed changes between the hydrogen and oxygen isotope compositions of amphiboles and fluids before and after the experiments suggest that another phase was produced during the experiments, which influenced the final hydrogen isotope composition of the system. This presumably hydrous phase has also influenced the Fe3 +/Fe2+ ratio of the amphiboles, which became more oxidized. The extremely low SD values of amphiboles in these alkaline complexes may be due to a combination of different factors such as high alkalinity, high Fe-content, and shallow intrusion depths. This wide range and the low SD values of the amphiboles studied might be a result of internal, magmatic processes and it is unlikely that meteoric water was involved and/or magmatic degassing played an important role. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (pour le grand public) Fractionnement isotopique de l'hydrogène entre amphiboles, micas et fluides dans des intrusions alcalines Zsófia Wáczek Directeur de thèse, Prof. Torsten W. Vennemann Institut de Minéralogie et Géochimie, Université de Lausanne Les roches alcalines et celles qui leurs sont associées sont des sources importantes de nombreux minéraux et minerais, tels l'apatite, le niobium, le diamant et autres pierres précieuses. Cette étude se concentre sur des complexes alcalins localisés dans le sud du Groenland, au Canada, dans la péninsule de Kola en Russie et au nord-ouest de la Namibie. Ces complexes sont composés de roches ayant cristallisé à partir de magmas et de fluides très enrichis en alcalins. Cet enrichissement permet la précipitation de minéraux inhabituels riches en potassium et/ou sodium, telles les amphiboles sodiques, également enrichies en fer. Les amphiboles étudiées ont des compositions calciques, sodi-calciques et sodiques, qui reflètent leurs différents environnements de formation. Des études précédentes ont révélé une large gamme de rapports isotopiques de l'hydrogène dans les amphiboles de roches hyperalcalines, dont certains extrêmement bas. Cette variation importante est très intrigante, sachant que des valeurs entre -40 et -800/00 correspondent à des silicates ignés hydratés et non altérés, alors que des valeurs descendant jusqu'a -1500/00 nécessiteraient une altération par de l'eau météorique et/ou une contamination par les roches environnantes ou des sédiments riches en matière organique. Dans lé cas précis du complexe d'Ilímaussaq (sud du Groenland), aucune de ces explications n'a pu être démontrée et des valeurs encore plus faibles ont été trouvées. Le complexe d'Ilímaussaq présente des valeurs de rapport isotopique de l'hydrogène entre -227 et -500/00 dans les amphiboles. Une origine mantellique permet d'expliquer les valeurs élevées, mais d'autres processus doivent entrer en jeu pour engendrer les valeurs les plus négatives. C'est à l'identification de ces processus que nous nous sommes attachés dans ce travail. Les grandes variations observées dans les teneurs en fer et dans le rapport Fe3+/FeT des roches et des minéraux de ces complexes sont corrélées avec d'autres paramètres chimiques, tels que la composition isotopique de l'hydrogène dans les amphiboles. Nous avons dès lors abordé les questions suivantes: quelle est la relation entre la teneur en fer des amphiboles et leur composition isotopique? Que nous apprennent les changements de la teneur en fer et les changements dans le rapport Fe3+/FeT sur les processus pétrologiques dans ces roches? Pour répondre à ces questions, nous avons analysé les compositions isotopiques de l'oxygène et de l'hydrogène dans les amphiboles et d'autres silicates hydratés. La composition chimique et le rapport Fe3+/FeT des amphiboles ont également été déterminés. Des expériences hydrothermales simulant des conditions naturelles ont été entreprises afin de mieux comprendre les processus de fractionnement isotopiques dans ces systèmes très alcalins. Nos conclusions sont les suivantes: (1) Les valeurs extrêmement faibles ainsi que les larges variations des rapports isotopiques de l'hydrogène des amphiboles de ces complexes alcalins sont dues à une combinaison de facteurs tels que la forte alcalinité, la haute teneur en fer et la profondeur très faible de l'intrusion. (2) Ces valeurs sont probablement le résultat de processus magmatiques internes. (3) Il est peu probable que les eaux météoriques et/ou le dégazage magmatique aient joué un rôle lors de la formation de ces amphiboles. (4) Certaines corrélations, en accord avec les études précédentes, ont pu être trouvées au niveau des concentrations en fer. (5) Dans le cas du complexe d'Ilímaussaq exclusivement, une relation a été trouvée entre le rapport Fe3+/FeT et la composition isotopique de l'hydrogène des amphiboles.

Upper Triassic to Cretaceous radiolaria from Nicaragua and northern Costa Rica - The Mesquito composite oceanic terrane

We propose a new terrane subdivision of Nicaragua and Northern Costa Rica, based on Upper Triassic to Upper Cretaceous radiolarian biochronology of ribbon radiolarites, the newly studied Siuna Serpentinite Mélange, and published 40Ar/39Ar dating and geochemistry of mafic and ultramafic igneous rock units of the area. The new Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT) comprises the southern half of the Chortis Block, that was assumed to be a continental fragment of N-America. The MCOT is defined by 4 corner localities characterized by ultramafic and mafic oceanic rocks and radiolarites of Late Triassic, Jurassic and Early Cretaceous age: 1. The Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2. The El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3.The Santa Elena Ultramafics (N-Costa Rica) and, 4. DSDP Legs 67/84. 1. The Siuna Serpentinite Mélange contains, high pressure metamorphic mafics and Middle Jurassic (Bajocian-Bathonian) radiolarites in original, sedimentary contact with arc-metandesites. The Siuna Mélange also contains Upper Jurassic black detrital chert formed in a marginal (fore-arc?) basin shortly before subduction. A phengite 40Ar/39Ar -cooling age dates the exhumation of the high pressure rocks as 139 Ma (earliest Cretaceous). 2. The El Castillo Mélange comprises a radiolarite block tectonically embedded in serpentinite that yielded a diverse Rhaetian (latest Triassic) radiolarian assemblage, the oldest fossils recovered so far from S-Central America. 3. The Santa Elena Ultramafics of N-Costa Rica together with the serpentinite outcrops near El Castillo (2) in Southern Nicaragua, are the southernmost outcrops of the MCOT. The Santa Elena Unit (3) itself is still undated, but it is thrust onto the middle Cretaceous Santa Rosa Accretionary Complex (SRAC), that contains Lower to Upper Jurassic, highly deformed radiolarite blocks, probably reworked from the MCOT, which was the upper plate with respect to the SRAC. 4. Serpentinites, metagabbros and basalts have long been known from DSDP Leg 67/84 (3), drilled off Guatemala in the Nicaragua-Guatemala forearc basement. They have been restudied and reveal 40Ar/39Ar dated Upper Triassic to middle Cretaceous enriched Ocean Island Basalts and Jurassic to Lower Cretaceous depleted Island arc rocks of probable Pacific origin. The area between localities 1-4 is largely covered by Tertiary to Recent arcs, but we suspect that its basement is made of oceanic/accreted terranes. Earthquake seismic studies indicate an ill-defined, shallow Moho in this area. The MCOT covers most of Nicaragua and could extend to Guatemala to the W and form the Lower (southern) Nicaragua Rise to the NE. Some basement complexes of Jamaica, Hispaniola and Puerto Rico may also belong to the MCOT. The Nicoya Complex s. str. has been regarded as an example of Caribbean crust and the Caribbean Large Igneous Province (CLIP). However, 40Ar/39Ar - dates on basalts and intrusives indicate ages as old as Early Cretaceous. Highly deformed Jurassic and Lower Cretaceous radiolarites occur as blocks within younger intrusives and basalts. Our interpretation is that radiolarites became first accreted to the MCOT, then became reworked into the Nicoya Plateau in Late Cretaceous times. This implies that the Nicoya Plateau formed along the Pacific edge of the MCOT, independent form the CLIP and most probably unrelated with he Galapagos hotspot. No Jurassic radiolarite, no older sediment age than Coniacian-Santonian, and no older 40Ar/39Ar age than 95 Ma is known from S-Central America between SE of Nicoya and Colombia. For us this area represents the trailing edge of the CLIP s. str.

Late Oligocene Larger Foraminifera from Nosara (Nicoya Península, Costa Rica) and Windward (Carriacou, Lesser Antilles), calibrated by 87Sr/86Sr isotope stratigraphy.

ABSTRACT: The Late Oligocene first occurrence of Miogypsina gunteri Cole and Miogypsina tani Drooger is verified in the light of larger foraminiferal assemblages from Nosara (Nicoya Peninsula, Costa Rica) and Windward (Carriacou, Grenada, Lesser Antilles). At Windward, they co-occur with planktonic foraminifera and nannofossils studied by earlier workers. 87Sr/86Sr isotope ratios were measured in calcite of larger foraminifera at both sites to determine independent absolute ages of the two outcrops. Late Oligocene shallow water formations unconformably overlie Paleocene-Eocene distal turbidites and siliceous shales in the outcrops in Costa Rica. The shallow-water lithostratigraphy includes near shore volcanic sandstones that alternate with sandy bioclastic limestones. The latter have yielded rich assemblages of larger foraminifera that have been studied in oriented sections, SEM for split material and polished rock thin sections for transmitted light and cathodoluminescence (CL) observation. The association of larger foraminifera includes Heterostegina antillea Cushman, Miogypsina tani Drooger, Miogypsina gunteri Cole, Miogypsina c.f (Miolepidocyclina) panamensis (Cushman), Miogypsina sp., Lepidocyclina (nephrolepidina) vaughani Cushman, Lepidocyclina yurnagurensis Cushman, Lepidocyclina undosa Cushman. At Windward, scattered outcrops of the Belvedere Formation expose mass flow deposits rich in larger foraminifera associated with an early late Oligocene (NP24) planktonic foraminifa assemblage. Planktonic foraminifera and nanno-fossils recovered in rocks slightly downsection indicate an upper Middle Oligocene age. Larger foraminifera species collected just north of Windward include Lepidocyclina undosa Cushman and Miogypsina gunteri Cole. The 87Sr/86Sr ratio was measured in 11 specimens of megalosphaeric Lepidocyclina spp., mechanically extracted from 2 rock samples collected at Punta Peladas (Costa Rica) Ratios range from 0.709088 to 0.708196, which correspond to a model age of 27.4 to 24.94 Ma. Very similar ratios, ranging from 0.708150 to 0.708167 were obtained from Windward Village (Carriacou). All measured 87Sr/86Sr ratios fall within a Chattian (Late Oligocene) age. Nannofossils, planktonic foraminifera and identical 87Sr/86Sr ratios from Punta Peladas and Windward clearly indicate a Chattian (Upper Oligocene) first occurrence of Miogypsina gunteri and Miogypsina tani and confirm this age range for the other larger foraminifera cited above. The first occurrence of Miogypsina gunteri in the lower Athe upper Aquitanian as proposed by European workers cannot be confirmed.

Melt variability in percolated peridotite: an experimental study applied to reactive migration of tholeiitic basalt in the upper mantle

Melt-rock reaction in the upper mantle is recorded in a variety of ultramafic rocks and is an important process in modifying melt composition on its way from the source region towards the surface. This experimental study evaluates the compositional variability of tholeiitic basalts upon reaction with depleted peridotite at uppermost-mantle conditions. Infiltration-reaction processes are simulated by employing a three-layered set-up: primitive basaltic powder ('melt layer') is overlain by a 'peridotite layer' and a layer of vitreous carbon spheres ('melt trap'). Melt from the melt layer is forced to move through the peridotite layer into the melt trap. Experiments were conducted at 0.65 and 0.8 GPa in the temperature range 1,170-1,290 degrees C. In this P-T range, representing conditions encountered in the transition zone (thermal boundary layer) between the asthenosphere and the lithosphere underneath oceanic spreading centres, the melt is subjected to fractionation, and the peridotite is partially melting (T (s) similar to 1,260 degrees C). The effect of reaction between melt and peridotite on the melt composition was investigated across each experimental charge. Quenched melts in the peridotite layers display larger compositional variations than melt layer glasses. A difference between glasses in the melt and peridotite layer becomes more important at decreasing temperature through a combination of enrichment in incompatible elements in the melt layer and less efficient diffusive equilibration in the melt phase. At 1,290A degrees C, preferential dissolution of pyroxenes enriches the melt in silica and dilutes it in incompatible elements. Moreover, liquids become increasingly enriched in Cr(2)O(3) at higher temperatures due to the dissolution of spinel. Silica contents of liquids decrease at 1,260 degrees C, whereas incompatible elements start to concentrate in the melt due to increasing levels of crystallization. At the lowest temperatures investigated, increasing alkali contents cause silica to increase as a consequence of reactive fractionation. Pervasive percolation of tholeiitic basalt through an upper-mantle thermal boundary layer can thus impose a high-Si 'low-pressure' signature on MORB. This could explain opx + plag enrichment in shallow plagioclase peridotites and prolonged formation of olivine gabbros.

Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation models

Summary Detection, analysis and monitoring of slope movements by high-resolution digital elevation modelsSlope movements, such as rockfalls, rockslides, shallow landslides or debris flows, are frequent in many mountainous areas. These natural hazards endanger the inhabitants and infrastructures making it necessary to assess the hazard and risk caused by these phenomena. This PhD thesis explores various approaches using digital elevation models (DEMs) - and particularly high-resolution DEMs created by aerial or terrestrial laser scanning (TLS) - that contribute to the assessment of slope movement hazard at regional and local scales.The regional detection of areas prone to rockfalls and large rockslides uses different morphologic criteria or geometric instability factors derived from DEMs, i.e. the steepness of the slope, the presence of discontinuities, which enable a sliding mechanism, and the denudation potential. The combination of these factors leads to a map of susceptibility to rockfall initiation that is in good agreement with field studies as shown with the example of the Little Mill Campground area (Utah, USA). Another case study in the Illgraben catchment in the Swiss Alps highlighted the link between areas with a high denudation potential and actual rockfall areas.Techniques for a detailed analysis and characterization of slope movements based on high-resolution DEMs have been developed for specific, localized sites, i.e. ancient slide scars, present active instabilities or potential slope instabilities. The analysis of the site's characteristics mainly focuses on rock slopes and includes structural analyses (orientation of discontinuities); estimation of spacing, persistence and roughness of discontinuities; failure mechanisms based on the structural setting; and volume calculations. For the volume estimation a new 3D approach was tested to reconstruct the topography before a landslide or to construct the basal failure surface of an active or potential instability. The rockslides at Åknes, Tafjord and Rundefjellet in western Norway were principally used as study sites to develop and test the different techniques.The monitoring of slope instabilities investigated in this PhD thesis is essentially based on multitemporal (or sequential) high-resolution DEMs, in particular sequential point clouds acquired by TLS. The changes in the topography due to slope movements can be detected and quantified by sequential TLS datasets, notably by shortest distance comparisons revealing the 3D slope movements over the entire region of interest. A detailed analysis of rock slope movements is based on the affine transformation between an initial and a final state of the rock mass and its decomposition into translational and rotational movements. Monitoring using TLS was very successful on the fast-moving Eiger rockslide in the Swiss Alps, but also on the active rockslides of Åknes and Nordnesfjellet (northern Norway). One of the main achievements on the Eiger and Aknes rockslides is to combine the site's morphology and structural setting with the measured slope movements to produce coherent instability models. Both case studies also highlighted a strong control of the structures in the rock mass on the sliding directions. TLS was also used to monitor slope movements in soils, such as landslides in sensitive clays in Québec (Canada), shallow landslides on river banks (Sorge River, Switzerland) and a debris flow channel (Illgraben).The PhD thesis underlines the broad uses of high-resolution DEMs and especially of TLS in the detection, analysis and monitoring of slope movements. Future studies should explore in more depth the different techniques and approaches developed and used in this PhD, improve them and better integrate the findings in current hazard assessment practices and in slope stability models.Résumé Détection, analyse et surveillance de mouvements de versant à l'aide de modèles numériques de terrain de haute résolutionDes mouvements de versant, tels que des chutes de blocs, glissements de terrain ou laves torrentielles, sont fréquents dans des régions montagneuses et mettent en danger les habitants et les infrastructures ce qui rend nécessaire d'évaluer le danger et le risque causé par ces phénomènes naturels. Ce travail de thèse explore diverses approches qui utilisent des modèles numériques de terrain (MNT) et surtout des MNT de haute résolution créés par scanner laser terrestre (SLT) ou aérien - et qui contribuent à l'évaluation du danger de mouvements de versant à l'échelle régionale et locale.La détection régionale de zones propices aux chutes de blocs ou aux éboulements utilise plusieurs critères morphologiques dérivés d'un MNT, tels que la pente, la présence de discontinuités qui permettent un mécanisme de glissement ou le potentiel de dénudation. La combinaison de ces facteurs d'instabilité mène vers une carte de susceptibilité aux chutes de blocs qui est en accord avec des travaux de terrain comme démontré avec l'exemple du Little Mill Campground (Utah, États-Unis). Un autre cas d'étude - l'Illgraben dans les Alpes valaisannes - a mis en évidence le lien entre les zones à fort potentiel de dénudation et les sources effectives de chutes de blocs et d'éboulements.Des techniques pour l'analyse et la caractérisation détaillée de mouvements de versant basées sur des MNT de haute résolution ont été développées pour des sites spécifiques et localisés, comme par exemple des cicatrices d'anciens éboulements et des instabilités actives ou potentielles. Cette analyse se focalise principalement sur des pentes rocheuses et comprend l'analyse structurale (orientation des discontinuités); l'estimation de l'espacement, la persistance et la rugosité des discontinuités; l'établissement des mécanismes de rupture; et le calcul de volumes. Pour cela une nouvelle approche a été testée en rétablissant la topographie antérieure au glissement ou en construisant la surface de rupture d'instabilités actuelles ou potentielles. Les glissements rocheux d'Åknes, Tafjord et Rundefjellet en Norvège ont été surtout utilisés comme cas d'étude pour développer et tester les diverses approches. La surveillance d'instabilités de versant effectuée dans cette thèse de doctorat est essentiellement basée sur des MNT de haute résolution multi-temporels (ou séquentiels), en particulier des nuages de points séquentiels acquis par SLT. Les changements topographiques dus aux mouvements de versant peuvent être détectés et quantifiés sur l'ensemble d'un glissement, notamment par comparaisons des distances les plus courtes entre deux nuages de points. L'analyse détaillée des mouvements est basée sur la transformation affine entre la position initiale et finale d'un bloc et sa décomposition en mouvements translationnels et rotationnels. La surveillance par SLT a démontré son potentiel avec l'effondrement d'un pan de l'Eiger dans les Alpes suisses, mais aussi aux glissements rocheux d'Aknes et Nordnesfjellet en Norvège. Une des principales avancées à l'Eiger et à Aknes est la création de modèles d'instabilité cohérents en combinant la morphologie et l'agencement structural des sites avec les mesures de déplacements. Ces deux cas d'étude ont aussi démontré le fort contrôle des structures existantes dans le massif rocheux sur les directions de glissement. Le SLT a également été utilisé pour surveiller des glissements dans des terrains meubles comme dans les argiles sensibles au Québec (Canada), sur les berges de la rivière Sorge en Suisse et dans le chenal à laves torrentielles de l'Illgraben.Cette thèse de doctorat souligne le vaste champ d'applications des MNT de haute résolution et particulièrement du SLT dans la détection, l'analyse et la surveillance des mouvements de versant. Des études futures devraient explorer plus en profondeur les différentes techniques et approches développées, les améliorer et mieux les intégrer dans des pratiques actuelles d'analyse de danger et surtout dans la modélisation de stabilité des versants.

Heated Optical Fiber for Distributed Soil-Moisture Measurements: A Lysimeter Experiment

An Actively Heated Fiber Optics (AHFO) method to estimate soil moisture is tested and the analysis technique improved on. The measurements were performed in a lysimeter uniformly packed with loam soil with variable water content profiles. In the first meter of the soil profi le, 30 m of fiber optic cable were installed in a 12 loops coil. The metal sheath armoring the fiber cable was used as an electrical resistance heater to generate a heat pulse, and the soil response was monitored with a Distributed Temperature Sensing (DTS) system. We study the cooling following three continuous heat pulses of 120 s at 36 W m(-1) by means of long-time approximation of radial heat conduction. The soil volumetric water contents were then inferred from the estimated thermal conductivities through a specifically calibrated model relating thermal conductivity and volumetric water content. To use the pre-asymptotic data we employed a time correction that allowed the volumetric water content to be estimated with a precision of 0.01-0.035 (m(3) m(-3)). A comparison of the AHFO measurements with soil-moisture measurements obtained with calibrated capacitance-based probes gave good agreement for wetter soils [discrepancy between the two methods was less than 0.04 (m(3) m(-3))]. In the shallow drier soils, the AHFO method underestimated the volumetric water content due to the longertime required for the temperature increment to become asymptotic in less thermally conductive media [discrepancy between the two methods was larger than 0.1 (m(3) m(-3))]. The present work suggests that future applications of the AHFO method should include longer heat pulses, that longer heating and cooling events are analyzed, and, temperature increments ideally be measured with higher frequency.

Constraints on the permeability structure of alluvial aquifers from the poro-elastic inversion of multi-frequency P-wave velocity logs

We have explored the possibility of obtaining first-order permeability estimates for saturated alluvial sediments based on the poro-elastic interpretation of the P-wave velocity dispersion inferred from sonic logs. Modern sonic logging tools designed for environmental and engineering applications allow one for P-wave velocity measurements at multiple emitter frequencies over a bandwidth covering 5 to 10 octaves. Methodological considerations indicate that, for saturated unconsolidated sediments in the silt to sand range and typical emitter frequencies ranging from approximately 1 to 30 kHz, the observable velocity dispersion should be sufficiently pronounced to allow one for reliable first-order estimations of the permeability structure. The corresponding predictions have been tested on and verified for a borehole penetrating a typical surficial alluvial aquifer. In addition to multifrequency sonic logs, a comprehensive suite of nuclear and electrical logs, an S-wave log, a litholog, and a limited number laboratory measurements of the permeability from retrieved core material were also available. This complementary information was found to be essential for parameterizing the poro-elastic inversion procedure and for assessing the uncertainty and internal consistency of corresponding permeability estimates. Our results indicate that the thus obtained permeability estimates are largely consistent with those expected based on the corresponding granulometric characteristics, as well as with the available evidence form laboratory measurements. These findings are also consistent with evidence from ocean acoustics, which indicate that, over a frequency range of several orders-of-magnitude, the classical theory of poro-elasticity is generally capable of explaining the observed P-wave velocity dispersion in medium- to fine-grained seabed sediments

Deep learning via semi-supervised embedding

We show how nonlinear embedding algorithms popular for use with shallow semi-supervised learning techniques such as kernel methods can be applied to deep multilayer architectures, either as a regularizer at the output layer, or on each layer of the architecture. This provides a simple alternative to existing approaches to deep learning whilst yielding competitive error rates compared to those methods, and existing shallow semi-supervised techniques.

Modelling hydrodynamics in the Rio Parana, Argentina : an evaluation and inter-comparison of reduced-complexity and physics based models applied to a large sand-bed river

Depth-averaged velocities and unit discharges within a 30 km reach of one of the world's largest rivers, the Rio Parana, Argentina, were simulated using three hydrodynamic models with different process representations: a reduced complexity (RC) model that neglects most of the physics governing fluid flow, a two-dimensional model based on the shallow water equations, and a three-dimensional model based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Row characteristics simulated using all three models were compared with data obtained by acoustic Doppler current profiler surveys at four cross sections within the study reach. This analysis demonstrates that, surprisingly, the performance of the RC model is generally equal to, and in some instances better than, that of the physics based models in terms of the statistical agreement between simulated and measured flow properties. In addition, in contrast to previous applications of RC models, the present study demonstrates that the RC model can successfully predict measured flow velocities. The strong performance of the RC model reflects, in part, the simplicity of the depth-averaged mean flow patterns within the study reach and the dominant role of channel-scale topographic features in controlling the flow dynamics. Moreover, the very low water surface slopes that typify large sand-bed rivers enable flow depths to be estimated reliably in the RC model using a simple fixed-lid planar water surface approximation. This approach overcomes a major problem encountered in the application of RC models in environments characterised by shallow flows and steep bed gradients. The RC model is four orders of magnitude faster than the physics based models when performing steady-state hydrodynamic calculations. However, the iterative nature of the RC model calculations implies a reduction in computational efficiency relative to some other RC models. A further implication of this is that, if used to simulate channel morphodynamics, the present RC model may offer only a marginal advantage in terms of computational efficiency over approaches based on the shallow water equations. These observations illustrate the trade off between model realism and efficiency that is a key consideration in RC modelling. Moreover, this outcome highlights a need to rethink the use of RC morphodynamic models in fluvial geomorphology and to move away from existing grid-based approaches, such as the popular cellular automata (CA) models, that remain essentially reductionist in nature. In the case of the world's largest sand-bed rivers, this might be achieved by implementing the RC model outlined here as one element within a hierarchical modelling framework that would enable computationally efficient simulation of the morphodynamics of large rivers over millennial time scales. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

The Permo-Triassic boundary in the Antalya Nappes (Western Taurides - Turkey)

The Antalya nappes (western Taurides-Turkey)*consist of several tectonic units which document the*Southern Neotethyan paleomargin from the Arabo-African*shallow shelf to the oceanic crust.*The Kerner Gorge Units (Upper Antalya nappes)*show a full stratigraphical succession from Ordovician*to Late Cretaceous. A carbonate platform regime*appeared during Late Permian times and existed up*to the early Middle Triassic. For detailed investigations*on the Permo-Triassic boundary, two lithostratigraphic*profiles have been selected: the Curuk*dag and the Kerner Gorge sections.*The main results presented in this paper are : 1) the Late Permian Pamucak Formation (Midian-*Dzhulfian) consists of calcareous algae-foraminiferae*bearing black limestones, locally rich in*brachiopods, crinoids and bryozoae : 2) this black limestone is overlain by an oolitic*grainstone. In the Curuk dag section, the oolitic horizon*is capped by a thin level of calcrete type; emersive*conditions are also inferred by a strong diagenetic*change within the oolitic deposit : 3) the first Early Triassic fossils, appearing*within or above the oolitic grainstone, are microforaminifera*and Pseudoclaraia wangi (late Griesbachian*in age). In the Curuk dag, a rich Early Triassic*microforaminifera association seems linked to a microbiallite*boundstone facies : 4) the overlying unfossiliferous lime mudstone,*the oolitical thick bedded grainstone, the variegated*marly limestone and the vermicular limestone facies*are present. not only in southern Turkey but seem*constant through ' the entire peri arabo-african platform.*Striking similarities appear between the studied*profiles and the Bellerophon-Werfen succession in the*Southern Alps..

Adjustable Suture Removal: Increasing Aqueous Flow in "Safe" Trabeculectomy.

Purpose: Aqueous flow through trabeculectomy blebs has been suggested to influence filtration bleb survival. We investigated the relationship between the requirement to increase aqueous flow via adjustable suture removal and surgical outcomes following "safe trabeculectomy" with mitomycin C (MMC). Methods: 62 consecutive eyes of 53 patients underwent fornix based trabeculectomy with adjustable sutures, intraoperative MMC and intensive postoperative steroids. Subconjunctival antimetabolite injections and bleb needlings were administered according to bleb vascularity and IOP trends. Main outcome measures were: success rates (definition: IOP≤21mmHg and 20% IOP reduction); number of antimetabolite injections; bleb needlings; number of of eyes recommencing glaucoma medications and complications. Results: Mean age was 70.4±16.0 years (mean± SD); mean preoperative IOP was 24.5±9.1 mmHg and decreased to 12.3±8.9mmHg postoperatively. Mean number of sutures was 2.6 ± 0.7. Eyes were divided into 2 groups in relation to the number of sutures removed. The number of subconjunctival MMC injections required for those requiring 2 suture removals was significantly greater than those requiring 1 suture removal (p<0.05) The number of needlings and 5FU injections also increased but did not reach significance (p=0.09 and p=0.34 respectively). Least-squared linear regression analysis showed the number of needlings required had a statistically significant (p=0.05) trend with respect to time elapsed between surgery and first suture removal. No other interventions had significant trends. Mean time between surgery and suture removal was: 4.2±9.2 weeks (suture #1) and 5.7±9.7 weeks (suture#2). Antiglaucoma medication was restarted in only 5 eyes. Postoperative complications were infrequent: Seidel (3.2%), peripheral choroidal effusions at any time (3.2%), and shallow anterior chamber (1.6%). Conclusion: Eyes requiring a greater number of suture removals required a significantly greater number of antifibrosis interventions. The time elapsed before suture removal was inversely related to the number of postoperative needlings, suggesting these eyes may have decreased aqueous production and therefore require aggressive post-operative management to prevent bleb failure.

Phosphorus and carbon burial during cretaceous oceanic anoxic events, links with climatic changes

According to Jenkyns (2010), oceanic anoxic events (OAE) record profound changes in the climatic and paleoceanographic state of the planet and represent major disturbances in the global carbon cycle. One of the most studied OAEs on a worldwide scale is the Cenomanian-Turonian OAE 2, which is characterized by a pronounced positive excursion in carbon-isotope records and the important accumulation of organic-rich sediments. The section at Gongzha (Tibet) and the sections at Barranca and Axaxacualco (Mexico) are located in remote parts of the Tethys, and show δ13C records, which are well correlated with those of classical Tethyan sections. Both sections, however, do not exhibit the presence of organic-rich sediments. Phosphorus Mass Accumulation Rates (PMAR) in Tibet show a pattern similar to that observed in the Tethys by Mort et al. (2007), which suggests enhanced Ρ regeneration during the OAE 2 time interval, though there is no evidence for anoxic conditions in Tibet. Ρ appears here to have been mainly driven by detrital influx and sea-level fluctuations. The sections at Barranca and Axaxacualco show that the Mexican carbonate platform persisted during this anoxic event, which allowed the evolution of platform fauna otherwise not present in Tethyan sections. The persistence of this carbonate platform close to the Caribbean Igneous Plateau, which is thought to have released bio-limiting metals, is explained by local uplift which delayed the drowning of the platform and a specific oceanic circulation that permitted the preservation of oligotrophic conditions in the area. The Coniacian-Santonian OAE (OAE3) appears to have been more dependent on local conditions than OAE2. The presence of black shales associated with OAE3 appear to have been restricted to shallow-water settings and epicontinental seas in areas located around the Atlantic Ocean. The sections at Olazagutia (Spain), and Ten Mile - Arbor Park (USA), two potential Global Boundary Stratotype Sections and Points (GSSP) sites, are devoid of organic-rich sediments and lack a δ13C positive excursion around the C-S boundary. The Gabal Ekma section (Sinai, Egypt) exhibits accumulations of organic-rich sediments, in addition to phosphorite bone beds layers, which may have been linked to an epicontinental upwelling zone and/or storm inputs. Our data suggest that OAE 3 is rarely expressed by truly anoxic conditions and seems to have been linked to local conditions rather than global paleoenvironmental change. The evidence for detrital-P being the likely cause of Ρ fluctuations during the OAEs studied here does not negate the idea that anoxia was the principal driver of these fluctuations in the western Tethys. However, an explanation is required as to why the Ρ accumulation signatures are mirrored in both oxic and anoxic sedimentary successions. 'Eustatic/climatic' and 'productivity/anoxic' models may have both operated simultaneously in different parts of the world depending on local conditions, both producing similar trends in Ρ accumulation. - Selon Jenkyns (2010), les événements anoxiques océaniques enregistrent de profonds changements dans le climat et la paléoceanographie de la planète et représente des perturbations majeures du cycle du carbone. L'un des plus étudiés à l'échelle mondiale est l'ΟΑΕ2 du Cénomanien-Turonien, qui est caractérisé par une très forte excursion positive des isotopes du carbone et une importante accumulation de sédiments riche en matière organique. La section de Gongzha (Tibet) et les sections de Barranca et Axaxcualco (Mexique) sont situées aux confins de la Téthys, et enregistrent une courbe isotopique en δ13C parfaitement corrélable avec les sections téthysiennes, mais ne montre pas d'accumulation de black shales. Le taux de phosphore en accumulation de masses (PMAR) au Tibet montre un pattern similaire observé également par Mort et al. (2007) dans la Téthys, suggérant un model de régénération du Ρ durant l'anoxie, cependant aucune conditions anoxiques régnent dans la région du Tibet. Ρ apparaît donc principalement guidé par le détritisme et les fluctuations du niveau marin. Les sections de Barranca et d'Axaxacualco montrent que la plateforme carbonatée mexicaine persiste durant cet événement anoxique, et permet le développement d'une faune de plateforme qui n'est pas présente dans les sections téthysiennes. La persistance de cette plateforme carbonatée si proche du plateau Caribéen, qui est connu pour le relâchement de métaux bio-limitant, peut être expliqué par un soulèvement tectonique local qui inhibe l'ennoiement de la plateforme et une circulation océanique spécifique qui permet la préservation de conditions oligotrophiques dans cette région. L'événement anoxique océanique du Coniacien-Santonien apparaît plus dépendant des conditions locales que pour l'ΟΑΕ2. Les black shales associés à POAE3 sont restreints aux zones situées autour de l'océan Atlantique et plus particulièrement aux eaux peu profondes et épicontinentales. Les sections d'Olazagutia (Espagne), Ten Mile Creek et Arbor Park (USA), qui sont deux potentielles sections GSSP (Sections de stratotype de limite globaux et de points), ne montre pas d'accumulation de black shales et pas de forte excursion positive en δ13C autour de la limite C-S. La section de Gabal Ekma (Sinai, Egypte) montre des accumulations de black shales, en plus des couches de phosphorites et d'accumulation d'os (« bone beds »), vraisemblablement lié à des zones active d'upwelling épicontinentale et/ou d'apport de tempêtes. Nos données suggèrent que l'OAE 3 est rarement exprimé par de vraies conditions anoxiques et semble être plus lié à des conditions plus locales que des changements paléo-environnementaux globaux, comme observés pour le Cénomanien- Turonien. Les arguments pour un modèle lié au phosphore détritique qui serait la cause des fluctuations du phosphore total durant les OAEs, n'écartent pas l'idée que l'anoxie est la principale cause de ces fluctuations dans les sections riches en matière organique de l'Ouest téthysien. Cependant une explication est nécessaire pour comprendre pourquoi la signature de l'accumulation du phosphore est semblable dans les successions sédimentaires déposées dans des conditions oxygénées et anoxiques. Les modèles « Eustatisme/Climat » et « Productivité/anoxie » ont simultanément opéré dans les différentes parties du monde dépendant de conditions locales, et ont produit des tendances similaires en accumulation de phosphore.

Étude des sédiments quaternaires, de la molasse et sa tectonique, dans le Grand Lac (Léman) à partir de données sismiques 2D et 3D

RESUME L'Institut de Géophysique de l'Université de Lausanne a développé au cours de ces dernières années un système d'acquisition de sismique réflexion multitrace à haute résolution 2D et 3D. L'objectif de cette thèse était de poursuivre ce développement tout améliorant les connaissances de la géologie sous le lac Léman, en étudiant en particulier la configuration des grands accidents sous-lacustres dans la Molasse (Tertiaire) qui forme l'essentiel du substratum des formations quaternaires. En configuration 2D, notre système permet d'acquérir des profils sismiques avec une distance inter-CDP de 1,25 m. La couverture varie entre 6 et 18 selon le nombre de traces et la distance inter-tir. Le canon à air (15/15 eu. in.), offre une résolution verticale de 1,25 ni et une pénétration maximale de 300 m sous le fond de l'eau. Nous avons acquis au total plus de 400 km de sections 2D dans le Grand Lac et le Haut Lac entre octobre 2000 et juillet 2004. Une campagne de sismique 3D a fourni des données au large d'Evian sur une surface de 442,5 m sur 1450 m, soit 0,64 km2. La navigation ainsi que le positionnement des hydrophones et de la source ont été réalisés avec des GPS différentiels. Nous avons utilisé un traitement sismique conventionnel, sans appliquer d'AGC et en utilisant une migration post-stack. L'interprétation du substratum antéquaternaire est basée sur l'identification des sismofaciès, sur leurs relations avec les unités géologiques adjacentes au lac, ainsi que sur quelques données de forages. Nous obtenons ainsi une carte des unités géologiques dans le Grand Lac. Nous précisons la position du chevauchement subalpin entre la ville de Lausanne, sur la rive nord, et le bassin de Sciez, sur la rive sud. Dans la Molasse de Plateau, nous avons identifié les décrochements de Pontarlier et de St. Cergue ainsi que plusieurs failles non reconnues jusqu'ici. Nous avons cartographié les accidents qui affectent la Molasse subalpine ainsi que le plan de chevauchement du flysch sur la Molasse près de la rive sud du lac. Une nouvelle carte tectonique de la région lémanique a ainsi pu être dressée. L'analyse du substratum ne montre pas de failles suggérant une origine tectonique de la cuvette lémanique. Par contre, nous suggérons que la forme du creusement glaciaire, donc de la forme du lac Léman, a été influencée par la présence de failles dans le substratum antéquaternaire. L'analyse des sédiments quaternaires nous a permis de tracer des cartes des différentes interfaces ou unités qui les composent. La carte du toit du substratum antéquaternaire montre la présence de chenaux d'origine glaciaire dont la profondeur maximale atteint la cote -200 ni. Leur pente est dirigée vers le nord-est, à l'inverse du sens d'écoulement actuel des eaux. Nous expliquons cette observation par l'existence de circulations sous-glaciaires d'eau artésienne. Les sédiments glaciaires dont l'épaisseur maximale atteint 150 ni au centre du lac ont enregistré les différentes récurrences glaciaires. Dans la zone d'Evian, nous mettons en évidence la présence de lentilles de sédiments glaciolacustres perchées sur le flanc de la cuvette lémanique. Nous avons corrélé ces unités avec des données de forage et concluons qu'il s'agit du complexe inférieur de la pile sédimentaire d'Evian. Celui-ci, âgé de plus de 30 000 ans, serait un dépôt de Kame associé à un lac périglaciaire. La sismique réflexion 3D permet de préciser l'orientation de l'alimentation en matériel détritique de l'unité. La finesse des images obtenues nous permet également d'établir quels types d'érosion ont affecté certaines unités. Les sédiments lacustres, dont l'épaisseur maximale imagée atteint plus de 225 m et sans doute 400 ni sous le delta du Rhône, indiquent plusieurs mécanismes de dépôts. A la base, une mégaturbidite, épaisse d'une trentaine de mètres en moyenne, s'étend entre l'embouchure de la Dranse et le delta du Rhône. Au-dessus, la décantation des particules en suspension d'origine biologique et détritique fournit l'essentiel des sédiments. Dans la partie orientale du lac, les apports détritiques du Rhône forment un delta qui prograde vers l'ouest en s'imbriquant avec les sédiments déposés par décantation. La structure superficielle du delta a brutalement évolué, probablement à la suite de l'évènement catastrophique du Tauredunum (563 A.D.). Sa trace probable se marque par la présence d'une surface érosive que nous avons cartographiée. Le delta a ensuite changé de géométrie, avec notamment un déplacement des chenaux sous-lacustres. Sur l'ensemble de nos sections sismiques, nous n'observons aucune faille dans les sédiments quaternaires qui attesterait d'une tectonique postglaciaire du substratum. ABSTRACT During the last few years the institute of Geophysics of the University of Lausanne cleveloped a 2D and 3D high-resolution multichannel seismic reflection acquisition system. The objective of the present work was to carry on this development white improving our knowledge of the geology under Lake Geneva, in particular by studying the configuration of the large accidents affecting the Tertiary Molasse that makes up the basement of most Quaternary deposits. In its 2D configuration, our system makes it possible to acquire seismic profiles with a CDP interval of 1.25 m. The fold varies from 6 to 18 depending on the number of traces and the shooting interval. Our air gun (15/15 cu. in.) provides a vertical resolution of 1.25 m and a maximum penetration depth of approximately 300 m under water bottom. We acquired more than 400 km of 2D sections in the Grand Lac and the Haut Lac between October 2000 and July 2004. A 3D seismic survey off the city of Evian provided data on a surface of 442.5 m x 1450 m (0.64 km2). Ship's navigation as well as hydrophone- and source positioning were carried out with differential GPS. The seismic data were processed following a conventional sequence without .applying AGC and using post-stack migration. The interpretation of the pre-Quaternary substratum is based on sismofacies, on their relationships with terrestrial geological units and on some borehole data. We thus obtained a map of the geological units in the Grand Lac. We defined the location of the subalpine thrust from Lausanne, on the north shore, to the Sciez Basin, on the south shore. Within the Molasse de Plateau, we identified the already know Pontarlier and St Cergue transforms Fault as well as faults. We mapped faults that affect subalpine Molasse as well as the thrust fault plane between alpine flysch and Molasse near the lake's south shore. A new tectonic map of the Lake Geneva region could thus be drawn up. The substratum does not show faults indicating a tectonic origin for the Lake Geneva Basin. However, we suggest that the orientation of glacial erosion, and thus the shape of Lake Geneva, vas influenced by the presence of faults in the pre-Quaternary basement. The analysis of Quaternary sediments enabled us to draw up maps of various discontinuities or internal units. The top pre-Quaternary basement map shows channels of glacial origin, the deepest of them reaching an altitude of 200 m a.s.l. The channel's slopes are directed to the North-East, in opposite direction of the present water flow. We explain this observation by the presence of artesian subglacial water circulation. Glacial sediments, the maximum thickness of which reaches 150 m in the central part of the lake, record several glacial recurrences. In the Evian area, we found lenses of glacio-lacustrine sediments set high up on the flank of the Lake Geneva Bassin. We correlated these units with on-land borehole data and concluded that they represent the lower complex of the Evian sedimentary pile. The lower complex is aider than 30 000 years, and it could be a Kame deposit associated with a periglacial lake. Our 3D seismic reflexion survey enables us to specify the supply direction of detrital material in this unit. With detailed seismic images we established how some units were affected by different erosion types. The lacustrine sediments we imaged in Lake Geneva are thicker than 225 m and 400 m or more Linder the Rhone Delta. They indicate several depositional mechanisms. Their base is a major turbidite, thirty meters thick on average, that spreads between the Dranse mouth and the Rhone delta. Above this unit, settling of suspended biological and detrital particles provides most of the sediments. In the eastern part of the lake, detrital contribution from the Rhone builds a delta that progrades to the west and imbricates with the settling sediments. The shallow structure of the Rhone delta abruptly evolved, probably after the catastrophic Tauredunum event (563 A.D.). It probably coincides with an erosive surface that we mapped. As a result, the delta geometry changed, in particular associated with a displacement of water bottom channels. In all our seismic sections, we do not observe fault in the Quaternary sediments that would attest postglacial tectonic activity in the basement.

Environmental changes in the aftermath of Neoproterozoic glaciations: a biogeochemical study of sediments from SW-Gondwana

Abstract The late Neoproterozoic or Ediacaran period, (635 to -543 Ma) is a primordial time in the Earth history corresponding to the beginning of animal life and the most extreme ice ages on Earth. In this dissertation, palaeoenvironmental conditions were reconstructed for Ediacaran, post-Gaskiers shelf deposits in SW- Gondwana and their changes were evaluated according to the diversity of organisms. The present study addresses the question of interactions between biodiversity and environmental change by using the elemental and isotopic geochemistry of sedimentary rocks and associated organic matter, as well as the distribution of hydrocarbon biomarkers. The studied sedimentary sequences are from a large basin extended from the Paraguay belt to the Rio de la Plata craton, including the Corumbâ Group in SW-Brazil (Paraguay belt), the Arroyo del Soldado Group in Uruguay and the Sierras Bayas Group in Argentina (both in the Rio de la Plata craton). Several geochemical signatures of the sediments from Corumbâ and Sierras Bayas groups provides evidence for an euxinic setting in the Ediacaran Ocean: 1) The occurrence of syngenetic pyrite in the Corumbâ Group together with hydrocarbon biomarkers of an anoxic microbial consortium including traces of gammacerane, a distribution of hopanes with maxima at C29 as well as a low pristane/phytane (Pr/Ph) ratio; 2) the occurrence of 34S enrichments within sulfides of the Sierras Bayas Group exceeding the sulfur isotopic composition of coeval carbonate-associated sulfate. In the Arroyo del Soldado Group, an event of reducing conditions was revealed by higher concentrations of redox-sensitive trace elements and negative 513Ccar shifts in all sections. This event is extended to the whole unit in the deepest section and is restricted to tempestites in the two other shallow sections. The persistent negative. ôl3Ccar values recorded at the basinal setting implies strong isotopic gradient between shallow and deep water environments and therefore, a locus of deposition below the redox chemocline. In all studied sections, the excursions, the strong enrichment of authigenic trace-elements, the occurrence of longer chain «-alkanes, gammacerane and low Pr/Ph and Ph/>;-C]a ratios, combined with the previous sedimentological and paleontological observations indicate that the chemistry of the ocean was strongly controlled by the oxygen availability; waters being moderately oxic at the surface and anoxic at depth for much of the Neoproterozoic. This water column stratification was favourable to the storage of large amounts of nutrients in the deep ocean. During upwelling periods, the export of these nutrient-rich waters may have triggered an important bioproductivity in surface waters. Drops in Al3Cc,,.](Cr and positive ôl3Ccllr excursions highlight the increase in primary productivity. Preservation of organic carbon was ensured by reducing conditions at the bottom. The Al3ccar.kcr excursions could also reflect changes in the composition of the primary biomass. New geochemical evidence from SW-Gondwana sections supports a stratified Ediacaran ocean, outside restricted or hypersaline environments, in the aftermath of glaciations. The association of ocean stratification and the appearance of metazoans support the model that the evolution of eukaryotic life was related to the increase of oxygen levels in surface environments due to an efficient recycling of nutrients in the anoxic deep ocean. Résumé Le Néoprotérozoïque terminal, ou Édiacarien (635 à -543 Ma), est un période de première importance dans l'histoire de la Terre, car elle correspond a l'apparition des métazoaires pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Le présent mémoire se propose de reconstituer les conditions paléoenvironnementales des dépôts de plateforme mis en place durant l'Édiacarien, au sud-ouest du Gondwana. Les interactions entre changements environnementaux et biodiversité sont évaluées en s'appuyant d'une part sur la composition élémentaire et isotopique des roches sédimentaires et de leur matière organique, et d'autre part sur la distribution moléculaire de biomarqueurs hydrocarbonés. Les séquences sédimentaires étudiées proviennent d'un grand bassin qui s'étend de la chaîne du Paraguay jusqu'au craton du Rio de la Plata. La séquence du Groupe Corumbâ au Sud Ouest du Brésil se situe dans la chaîne du Paraguay, tandis que le Groupe Arroyo del Soldado en Uruguay et le Groupe Sierras Bayas en Argentine sont situés sur le craton du Rio de la Plata. L'étude géochimique des sédiments des groupes Corumbâ et Sierras Bayas révèle de façon claire des conditions euxiniques dans l'océan édiacarien. On trouve ainsi, dans le Groupe Corumbâ, les biomarqueurs d'un cortège microbien anoxique et sulfurique comprenant des bactéries sulfato-réductrices, et dans les sulfures du Groupe Sierras Bayas, des enrichissements en Î4S excédant les rapports isotopiques du soufre dans le sulfate cogénétique associé aux carbonates. Dans la séquence de l'Arroyo del Soldado, un événement réducteur est mis en évidence par des teneurs plus élevées en éléments traces sensibles aux conditions redox et par des excursions négatives du 613Ccardans toutes les coupes. Cet événement affecte la totalité de la section la plus profonde et n'apparaît que dans les tempestites dans les sections les moins profondes. La persistance de valeurs négatives du ô13Ccarau large implique un gradient isotopique prononcé entre les environnements superficiels et profonds, et donc, ta présence d'une chémocline redox. Les excursions du. ôBCcar, l'enrichissement authigène en éléments traces, la présence de gammacérane et de rt-alcanes à longue chaîne, ainsi que de faibles rapports Pr/Ph et Ph/«-Cl8, viennent s'ajouter aux observations préliminaires sur la sédimentologie et la paléontologie pour indiquer que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, les eaux étant modérément oxiques à la surface et anoxiques en profondeur pendant la plus grande partie du Néoprotérozoïque. La stratification de la colonne d'eau était favorable au stockage de grandes quantités de nutriments dans l'océan profond. Dans les zones d'upwelling, la migration d'eaux profondes riches en nutriment vers la surface a pu provoquer une bioproductivité prononcée dans les eaux de surface. La conservation du carbone organique était assurée par les conditions anoxiques prévalant au fond. Les excursions du A13Ccar.kt.r pourraient aussi refléter des changements dans la biomasse primaire. Le présent travail apporte donc de nouvelles preuves qu'un océan stratifié s'est maintenu à la suite des glaciations néoprotérozoïques dans le Sud Ouest du Gondwana. L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Résumé pour le grand public La période Ediacarienne (635 à -543 Ma) à la fin du Précambrien est l'une de plus énigmatiques dans l'histoire de la Terre, car elle est caractérisée par la diversification de la vie multicellulaire (eucaryote) pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Dans ce travail de thèse, nous cherchons à déceler l'existence éventuelle d'un lien entre ces changements environnementaux et l'évolution de la vie eucaryote à travers une étude biogéochimique. La biogéochimie est l'étude des activités biologiques dans la géosphère, telles que celles intervenant dans les cycles des éléments chimiques (y compris les isotopes stables) et celles de production de composés carbonés caractérisant certains groups d'organismes ou taxons. La recherche des signatures paléoenvironnementales dans les roches précambriennes a été fortement facilitée par l'utilisation des biomarqueurs ou fossiles moléculaires. Ces composés, provenant des lipides biologiques (molécules avec des fonctions spécifiques dans les organismes), peuvent être reliés à des taxons spécifiques ou à des voies métaboliques. La transformation d'un biolipide en fossile moléculaire intervient lorsque des restes organiques déposés dans un substrat subissent un enfouissement et une augmentation de la pression (diagenèse). Ce processus mène à la formation de kérogène, un grand agrégat chimique de matière organique insoluble dans des solvants organiques, et de bitume ou fraction soluble (extractible) de la matière organique. L'analyse intégrée du kérogène et du bitume fournit des indications précieuses pour les reconstitutions paléoenvironnementales. Des conditions paléoenvironnementales ont ainsi été déterminées pour une plateforme marine Ediacarienne située dans la partie sud-américaine du bloc occidental du paléocontinent Gondwana. Les séquences sédimentaires étudiées appartiennent au même bassin qui s'étend de la ceinture du Paraguay (Groupe Corumbâ, Brésil) au craton du Rio de la Plata (Groupes Arroyo del Soldado, Uruguay et Sierras Bayas, Argentina). Nous nous sommes intéressés aux isotopes stables de carbonates et de la matière organique associée (kérogène et bitume), aux éléments majeurs et traces, ainsi qu'aux biomarqueurs caractérisant ces roches. Les résultats de cette dissertation suggèrent qu'au cours de l'Édiacarien, suite aux glaciations néoprotérozoïques dans le bloc occidental du Gondwana, l'océan était stratifié en zones spécifiques d'eaux riches en sulfures et dépourvues d'oxygène (euxiniques). L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Les excursions isotopiques (tendance à des valeurs positives ou négatives) en constante fluctuation pour le carbone et très positives pour le soufre des sulfures, l'enrichissement en éléments trace et la présence de certains composés (e.g. gammacerane; Pr/Ph et Ph/«-Ci8 en basse proportion) conjugués aux observations sédimentologiques et paléontologiques des différents profils étudiés indiquent que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, avec des eaux modérément oxygénées en surface et euxiniques en profondeur pour la plupart du Néoprotérozoïque.

Quantitative integration of high-resolution hydrogeophysical data through Monte-Carlo-type conditional simulations

Geophysical techniques can help to bridge the inherent gap with regard to spatial resolution and the range of coverage that plagues classical hydrological methods. This has lead to the emergence of the new and rapidly growing field of hydrogeophysics. Given the differing sensitivities of various geophysical techniques to hydrologically relevant parameters and their inherent trade-off between resolution and range the fundamental usefulness of multi-method hydrogeophysical surveys for reducing uncertainties in data analysis and interpretation is widely accepted. A major challenge arising from such endeavors is the quantitative integration of the resulting vast and diverse database in order to obtain a unified model of the probed subsurface region that is internally consistent with all available data. To address this problem, we have developed a strategy towards hydrogeophysical data integration based on Monte-Carlo-type conditional stochastic simulation that we consider to be particularly suitable for local-scale studies characterized by high-resolution and high-quality datasets. Monte-Carlo-based optimization techniques are flexible and versatile, allow for accounting for a wide variety of data and constraints of differing resolution and hardness and thus have the potential of providing, in a geostatistical sense, highly detailed and realistic models of the pertinent target parameter distributions. Compared to more conventional approaches of this kind, our approach provides significant advancements in the way that the larger-scale deterministic information resolved by the hydrogeophysical data can be accounted for, which represents an inherently problematic, and as of yet unresolved, aspect of Monte-Carlo-type conditional simulation techniques. We present the results of applying our algorithm to the integration of porosity log and tomographic crosshole georadar data to generate stochastic realizations of the local-scale porosity structure. Our procedure is first tested on pertinent synthetic data and then applied to corresponding field data collected at the Boise Hydrogeophysical Research Site near Boise, Idaho, USA.