Palaeoenvironment and palaeoclimate of the Middle Miocene lake in the Steinheim basin, SW Germany: A reconstruction from C, O, and Sr isotopes of fossil remains

A differentiated reconstruction of palaeolimnologic, -environmental, and -climatic conditions is presented for the Middle Miocene long-term freshwater lake (14.3 to 13.5 Ma) of the Steinheim basin, on the basis of a combined C, 0, and Sr isotope study of sympatric skeletal fossils of aquatic and terrestrial organisms from the lake sediments. The oxygen isotope composition for lake water of the Steinheim basin (delta O-18(H2O) = +2.0 +/- 0.4 parts per thousand VSMOW, n = 6) was reconstructed from measurements of delta O-18(PO4) of aquatic turtle bones. The drinking water calculated from the enamel of large mammals (proboscideans, rhinocerotids, equids, cervids, suids) has delta O-18(H2O) values (delta(OH2O)-O-18 = -5.9 +/- 1.7 parts per thousand VSMOW, n = 31) typical for Middle Miocene meteoric water of the area. This delta O-18(H2O) value corresponds to a mean annual air temperature (MAT) of 18.8 +/- 3.8 degrees C, calculated using a modem-day delta(OH2O)-O-18-MAT relation. Hence, large mammals did not use the lake water as principal drinking water. In contrast, small mammals, especially the then abundant pika Prolagus oeningensis drank from O-18-enriched water sources (delta O-18(H2O) = +2.7 +/- 2.3 parts per thousand VSMOW, n = 7), such as the lake water. Differences in Sr and 0 isotopic compositions between large and small mammal teeth indicate different home ranges and drinking behaviour and support migration of some large mammals between the Swabian Alb plateau and the nearby Molasse basin, while small mammals ingested their food and water locally. Changes in the lake level, water chemistry, and temperature were inferred using isotopic compositions of ostracod and gastropod shells from a composite lake sediment profile. Calcitic ostracod valves (Ilyocypris binocularis; delta O-18 = +1.7 +/- 1.2 parts per thousand VPDB, delta C-18 = -0.5 +/- 0.9 parts per thousand, VPDB, n = 68) and aragonitic, gastropod shells (Gyraulus spp.; delta O-18 = +2.0 +/- 13 parts per thousand VPDB, delta C-13 = -1.1 +/- 1.3 parts per thousand VPDB, n = 89) have delta O-18 and delta C-13 values similar to or even higher than those of marine, carbonates. delta C-13 values:of the biogenic carbonates parallel lake level fluctuations while delta O-18 values scatter around +2 +/- 2 parts per thousand and reflect the short term variability of meteoric water inflow vs. longer term evaporation. Sr-87/Sr-86 ratios of aragonitic Gyraulus spp. gastropod shells parallel the lake level fluctuations, reflecting variable inputs of groundwater and surface waters. Using a water delta O-18(H2O) value of +2.0 parts per thousand VSMOW, water temperatures calculated from skeletal tissue delta O-18 values of ostracods are 16.7 +/- 5.0 degrees C, gastropods 20.6 +/- 5.6 degrees C, otoliths 21.8 +/- 1.4 degrees C, and fish teeth 17.0 +/- 2.7 degrees C. The calculated MAT (similar to 19 degrees C), lake water temperatures (similar to 17 to 22 degrees C) and the O-18-enriched water compositions are indicative of warm-temperate climatic conditions, possibly with a high humidity during this period. Vegetation in the area surrounding the basin was largely of the C-3-type, as indicated by carbon isotopic compositions of tooth enamel from large mammals (delta C-13 = -11.1 +/- 1.1 parts per thousand VPDB, n = 40). (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Garnet-chloritoid-kyanite metapelites from the Raspas Complex (SW Ecuador): a key eclogite-facies assemblage

The Raspas Complex (Ecuador) contains one of the few eclogitic bodies in the northern Andes. It consists of metaperidotites, eclogites, and metapelites. The latter display three assemblages: (i) garnet + chloritoid + kyanite, (ii) garnet + chloritoid and (iii) garnet + chlorite, in all cases with quartz and muscovite in addition. The growth of these assemblages was coeval with the main ductile deformation, and was followed by minor reequilibration (chlorite growth in garnet + chloritoid samples and chloritoid + quartz aggregates replacing garnet and kyanite in garnet + chloritoid + kyanite samples). Detailed microprobe analyses show increasing magnesian compositions for garnet (from core to rim) and chloritoid (inclusions within garnet compared to matrix grains) in kyanite-bearing samples. The above data are interpreted in the framework of the KFMASH system. Reaction progress along the divariant reaction Cld = Grt + Ky explains the change in chemistry of coexisting phases. The divariant Grt-Cld-Ky assemblage has a narrow stability field, and the P-T conditions are estimated at about 20 kbar, 550-600degreesC. Decompression, recorded by chloritoid-quartz pseudomorphs of garnet, probably occurred as temperature decreased.

Igneous layering, fractional crystallization and growth of granitic plutons: The Dolbel batholith in SW Niger

This study reassesses the development of compositional layering during the growth of granitic plutons, with emphasis on fractional crystallization and its interaction with both injection and inflation-related deformation. The Dolbel batholith (SW Niger) consists of 14, kilometre-sized plutons emplaced by pulsed magma inputs. Each pluton has a coarse-grained core and a peripheral layered series. Rocks consist of albite (An(<= 11)), K-feldspar (Or(96 99), Ab(1) (4)), quartz, edenite (X(Mg)=0337-0.55), augite (X(Mg)=0.65-0.72) and accessories (apatite, titanite and Fe-Ti-oxides). Whole-rock compositions are metaluminous, sodic (K(2)O/Na(2)O=0.49-0.62) and iron-rich [FeO(tot)/(FeO(tot)+MgO)=0.65-0.82]. The layering is present as size-graded and modally graded, sub-vertical, rhythmic units. Each unit is composed of three layers, which are, towards the interior: edenite +/- plagioclase (C(a/p)), edenite+plagioclase+augite+quartz (C(q)), and edenite+plagioclase+augite+quartz+K-feldspar (C(k)). All phases except quartz show zoned microstructures consisting of external intercumulus overgrowths, a central section showing oscillatory zoning and, in the case of amphibole and titanite, complexly zoned cores. Ba and Sr contents of feldspars decrease towards the rims. Plagioclase crystal size distributions are similar in all units, suggesting that each unit experienced a similar thermal history. Edenite, characteristic of the basal C(a/p) layer, is the earliest phase to crystallize. Microtextures and phase diagrams suggest that edenite cores may have been brought up with magma batches at the site of emplacement and mechanically segregated along the crystallized wall, whereas outer zones of the same crystals formed in situ. The subsequent C(q) layers correspond to cotectic compositions in the Qz-Ab-Or phase diagram at P(H2O)=5 kbar. Each rhythmic unit may therefore correspond to a magma batch and their repetition to crystallization of recurrent magma recharges. Microtextures and chemical variations in major phases allow four main crystallization stages to be distinguished: (1) open-system crystallization in a stirred magma during magma emplacement, involving dissolution and overgrowth (core of edenite and titanite crystals); (2) in situ fractional crystallization in boundary layers (C(a/p) and C(q) layers); (3) equilibrium `en masse' eutectic crystallization (C(k) layers); (4) compaction and crystallization of the interstitial liquid in a highly crystallized mush (e. g. feldspar intercumulus overgrowths). It is concluded that the formation of the layered series in the Dolbel plutons corresponds principally to in situ differentiation of successive magma batches. The variable thickness of the Ck layers and the microtextures show that crystallization of a rhythmic unit stops and it is compacted when a new magma batch is injected into the chamber. Therefore, assembly of pulsed magma injections and fractional crystallization are independent, but complementary, processes during pluton construction.

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.