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

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

Nucleation and growth of metamorphic minerals in contact aureoles

THESIS ABSTRACT Nucleation and growth of metamorphic minerals are the consequence of changing P-T-X-conditions. The thesis presented here focuses on processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments using a combination of geochemical analytics (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data, and numerical models. It is shown, that a combination of textural modeling and stable isotope analysis allows a distinction between several possible reaction paths for olivine growth in a siliceous dolomite contact aureole. It is suggested that olivine forms directly from dolomite and quartz. The formation of olivine from this metastable reaction implies metamorphic crystallization far from equilibrium. As a major consequence, the spatial distribution of metamorphic mineral assemblages in a contact aureole cannot be interpreted as a proxy for the temporal evolution of a single rock specimen, because each rock undergoes a different reaction path, depending on temperature, heating rate, and fluid-infiltration rate. A detailed calcite-dolomite thermometry study was initiated on multiple scales ranging from aureole scale to the size of individual crystals. Quantitative forward models were developed to evaluate the effect of growth zoning, volume diffusion and the formation of submicroscopic exsolution lamellae (<1 µm) on the measured Mg-distribution in individual calcite crystals and compare the modeling results to field data. This study concludes that Mg-distributions in calcite grains of the Ubehebe Peak contact aureole are the consequence of rapid crystal growth in combination with diffusion and exsolution. The crystallization history of a rock is recorded in the chemical composition, the size and the distribution of its minerals. Near the Cima Uzza summit, located in the southern Adamello massif (Italy), contact metamorphic brucite bearing dolomite marbles are exposed as xenoliths surrounded by mafic intrusive rocks. Brucite is formed retrograde pseudomorphing spherical periclase crystals. Crystal size distributions (CSD's) of brucite pseudomorphs are presented for two profiles and combined with geochemistry data and petrological information. Textural analyses are combined with geochemistry data in a qualitative model that describes the formation periclase. As a major outcome, this expands the potential use of CSD's to systems of mineral formation driven by fluid-infiltration. RESUME DE LA THESE La nucléation et la croissance des minéraux métamorphiques sont la conséquence de changements des conditions de pression, température et composition chimique du système (PT-X). Cette thèse s'intéresse aux processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux au cours d'un épisode de métamorphisme de contact, en utilisant la géochimie analytique (composition chimique, isotopique et en éléments traces), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique. Il est montré que la combinaison d'un modèle textural avec des analyses en isotopes stables permet de distinguer plusieurs chemins de réactions possibles conduisant à la croissance de l'olivine dans une auréole de contact riche en Silice et dolomite. Il est suggéré que l'olivine se forme directement à partir de la dolomie et du quartz. Cette réaction métastable de formation de l'olivine implique une cristallisation métamorphique loin de l'équilibre. La principale conséquence est que la distribution spatiale des assemblages de minéraux métamorphiques dans une auréole de contact ne peut pas être considérée comme un témoin de l'évolution temporelle d'un type de roche donné, puisque chaque type de roche suit différents chemins de réactions, en fonction de la température, la vitesse de réchauffement et le taux d'infiltration du fluide. Une étude thermométrique calcite-dolomite détaillée a été réalisée à diverses échelles, depuis l'échelle de l'auréole de contact jusqu'à l'échelle du cristal. Des modèles numériques quantitatifs ont été développés pour évaluer l'effet des zonations de croissance, de la diffusion volumique et de la formation de lamelles d'exsolution submicroscopiques (<1µm) sur la distribution du magnésium mesuré dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats de ce modèle ont été comparés ä des échantillons naturels. Cette étude montre que la distribution du Mg dans les grains de calcite de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA) résulte d'une croissance cristalline rapide, associée aux processus de diffusion et d'exsolution. L'histoire de cristallisation d'une roche est enregistrée dans la composition chimique, la taille et la distribution de ses minéraux. Près du sommet Cima Uzza situé au sud du massif d'Adamello (Italie), des marbres dolomitiques à brucite du métamorphisme de contact forment des xénolithes dans une intrusion mafique. La brucite constitue des pseudomorphes rétrogrades du périclase. Les distributions de taille des cristaux (CSD) des pseudomorphes de brucite sont présentées pour deux profiles et sont combinées aux données géochimiques et pétrologiques. Les analyses textorales sont combinées aux données géochimiques dans un modèle qualitatif qui décrit la formation du périclase. Ceci élargit l'utilisation potentielle de la C5D aux systèmes de formation de minéraux controlés par les infiltrations fluides. THESIS ABSTRACT (GENERAL PUBLIC) Rock textures are essentially the result of a complex interaction of nucleation, growth and deformation as a function of changing physical conditions such as pressure and temperature. Igneous and metamorphic textures are especially attractive to study the different mechanisms of texture formation since most of the parameters like pressure-temperature-paths are quite well known for a variety of geological settings. The fact that textures are supposed to record the crystallization history of a rock traditionally allowed them to be used for geothermobarometry or dating. During the last decades the focus of metamorphic petrology changed from a static point of view, i.e. the representation of a texture as one single point in the petrogenetic grid towards a more dynamic view, where multiple metamorphic processes govern the texture formation, including non-equilibrium processes. This thesis tries to advance our understanding on the processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments and their dynamic interplay by using a combination of geochemical analyses (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data and numerical models. In a first part the thesis describes the formation of metamorphic olivine porphyroblast in the Ubehebe Peak contact aureole (USA). It is shown that not the commonly assumed succession of equilibrium reactions along a T-t-path formed the textures present in the rocks today, but rather the presence of a meta-stable reaction is responsible for forming the olivine porphyroblast. Consequently, the spatial distribution of metamorphic minerals within a contact aureole can no longer be regarded as a proxy for the temporal evolution of a single rock sample. Metamorphic peak temperatures for samples of the Ubehebe Peak contact aureole were determined using calcite-dolomite. This geothermometer is based on the temperature-dependent exchange of Mg between calcite and dolomite. The purpose of the second part of this thesis was to explain the interfering systematic scatter of measured Mg-content on different scales and thus to clarify the interpretation of metamorphic temperatures recorded in carbonates. Numerical quantitative forward models are used to evaluate the effect of several processes on the distribution of magnesium in individual calcite crystals and the modeling results were then compared to measured field. Information about the crystallization history is not only recorded in the chemical composition of grains, like isotope composition or mineral zoning. Crystal size distributions (CSD's) provide essential information about the complex interaction of nucleation and growth of minerals. CSD's of brucite pseudomorphs formed retrograde after periclase of the southern Adamello massif (Italy) are presented. A combination of the textural 3D-information with geochemistry data is then used to evaluate reaction kinetics and to constrain the actual reaction mechanism for the formation of periclase. The reaction is shown to be the consequence of the infiltration of a limited amount of a fluid phase at high temperatures. The composition of this fluid phase is in large disequilibrium with the rest of the rock resulting in very fast reaction rates. RESUME DE LA THESE POUR LE GRAND PUBLIC: La texture d'une roche résulte de l'interaction complexe entre les processus de nucléation, croissance et déformation, en fonction des variations de conditions physiques telles que la pression et la température. Les textures ignées et métamorphiques présentent un intérêt particulier pour l'étude des différents mécanismes à l'origine de ces textures, puisque la plupart des paramètres comme les chemin pression-température sont relativement bien contraints dans la plupart des environnements géologiques. Le fait que les textures soient supposées enregistrer l'histoire de cristallisation des roches permet leur utilisation pour la datation et la géothermobarométrie. Durant les dernières décennies, la recherche en pétrologie métamorphique a évolué depuis une visualisation statique, c'est-à-dire qu'une texture donnée correspondait à un point unique de la grille pétrogénétique, jusqu'à une visualisation plus dynamique, où les multiples processus métamorphiques qui gouvernent 1a formation d'une texture incluent des processus hors équilibre. Cette thèse a pour but d'améliorer les connaissances actuelles sur les processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux lors d'épisodes de métamorphisme de contact et l'interaction dynamique existant entre nucléation et croissance. Pour cela, les analyses géochimiques (compositions chimiques en éléments majeurs et traces et composition isotopique), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique ont été combinés. Dans la première partie, cette thèse décrit la formation de porphyroblastes d'olivine métamorphique dans l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA). Il est montré que la succession généralement admise des réactions d'équilibre le long d'un chemin T-t ne peut pas expliquer les textures présentes dans les roches aujourd'hui. Cette thèse montre qu'il s'agirait plutôt d'une réaction métastable qui soit responsable de la formation des porphyroblastes d'olivine. En conséquence, la distribution spatiale des minéraux métamorphiques dans l'auréole de contact ne peut plus être interprétée comme le témoin de l'évolution temporelle d'un échantillon unique de roche. Les pics de température des échantillons de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak ont été déterminés grâce au géothermomètre calcite-dolomite. Celui-ci est basé sur l'échange du magnésium entre la calcite et la dolomite, qui est fonction de la température. Le but de la deuxième partie de cette thèse est d'expliquer la dispersion systématique de la composition en magnésium à différentes échelles, et ainsi d'améliorer l'interprétation des températures du métamorphisme enregistrées dans les carbonates. Des modèles numériques quantitatifs ont permis d'évaluer le rôle de différents processus sur la distribution du magnésium dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats des modèles ont été comparés aux échantillons naturels. La composition chimique des grains, comme la composition isotopique ou la zonation minérale, n'est pas le seul témoin de l'histoire de la cristallisation. La distribution de la taille des cristaux (CSD) fournit des informations essentielles sur les interactions entre nucléation et croissance des minéraux. La CSD des pseudomorphes de brucite retrograde formés après le périclase dans le sud du massif Adamello (Italie) est présentée dans la troisième partie. La combinaison entre les données textorales en trois dimensions et les données géochimiques a permis d'évaluer les cinétiques de réaction et de contraindre les mécanismes conduisant à la formation du périclase. Cette réaction est présentée comme étant la conséquence de l'infiltration d'une quantité limitée d'une phase fluide à haute température. La composition de cette phase fluide est en grand déséquilibre avec le reste de la roche, ce qui permet des cinétiques de réactions très rapides.

Garnet growth in the Nufenen Pass area (Swiss Alps)

Abstract : Textural division of a mineral in pyramids, with their apices located at the centre of the mineral and their bases corresponding to the mineral faces is called textural sector zoning. Textural sector zoning is observed in many metamorphic minerals like andalousite and garnet. Garnets found in the graphite rich black shales of the Mesozoic cover of the Gotthard Massif display textural sector zoning. The morphology of this sector zoning is not the same in different types of black shales observed in the Nufenen pass area. Garnets in foliated black shales display a well developed sector zoning while garnets found in cm-scale layered black shales display well developed sectors in the direction of the schistosity plane. This sector zoning is always associated with up to 30μm sized birefringent lamellae emanating radial from the sector boundaries. They alternate with isotrope lamellae. The garnet forming reaction was determined using singular value decomposition approach and results compared to thermodynamic calculations. It is of the form chl + mu + cc + cld = bt + fds + ank + gt + czo and is similar in both layered and foliated black shales. The calculated X(O) is close to 0.36 and does not significantly vary during the metamorphic history of the rock. This corresponds to X CO2, X CH4, and X H2O BSE imaging of garnets on oriented-cuts revealed that the orientation of the lamellae found within the sectors is controlled by crystallography. BSE imaging and electron microprobe analysis revealed that these lamellae are calcium rich compared to the isotropic lamellae. The addition of Ca to an almandine rich garnet causes a small distortion of the X site and potentially, ordering. Ordered and disordered garnet might have very similar free energies for this composition. Hence, two garnets with different composition can be precipitated with minor overstepping of the reaction. It is enough that continued nucleation of a new garnet layer slightly prefers the same structure to assure a fiber-like growth of both garnet compositions side by side. This hypothesis is in agreement with the thermodynamic properties of the garnet solid solution described in the literature and could explain the textures observed in garnets with these compositions. To understand the differences in sector zoning morphology, and crystal growth kinetics, crystal size distribution were determined in several samples using 2D spatial analysis of slab surfaces. The same nucleation rate law was chosen for all cases. Different growth rate law for non-layered black shales and layered black shales were used. Garnet in layered black shales grew according to a growth rate law of the form R=kt ½. The transport of nutrient is the limiting factor. Transport will occur preferentially on the schistosity planes. The shapes of the garnets in such rocks are therefore ovoid with the longest axis parallel to the schistosity planes. Sector zoning is less developed with sectors present only parallel to the schistosity planes. Garnet in non-layered blackshales grew according to a growth rate law of the form R=kt. The limiting factor is the attachment at the surface of the garnet. Garnets in these rocks will display a well developed sector zoning in all directions. The growth rate law is thus influenced by the texture of the rock. It favours or hinders the transport of nutrient to the mineral surface. Résumé : La zonation sectorielle texturale consiste en la division d'un cristal en pyramides dont les sommets sont localisés au centre du minéral. La base de ces pyramides correspond aux faces du minéral. Ce type de zonation est fréquemment observé dans les minéraux métamorphiques tels que l'andalousite ou le grenat. Les grenats présents dans les marnes riches en graphites de la couverture Mésozoïque du Massif du Gotthard présent une zonation sectorielle texturale. La morphologie de cette zonation n'est pas la même dans les marnes litées et dans les marnes foliées. Les grenats des marnes foliées montrent des secteurs bien développés dans 3 directions. Les grenats des marnes litées montrent des secteurs développés uniquement dans la direction des plans de schistosité. Cette zonation sectorielle est toujours associée à des lamelles biréfringentes de quelques microns de large qui partent de la limite des secteurs et qui sont perpendiculaires aux faces du grenat. Ces lamelles alternent avec des lamelles isotropes. La réaction de formation du grenat a été déterminée par calcul matriciel et thermodynamique. La réaction est de la forme chl + mu + cc + cld= bt + fds + ank + gt + czo. Elle est similaire dans les roches litées et dans les roches foliées. L'évaluation des conditions fluides montrent que le X(O) est proche de 0.36 et ne change pas de façon significative durant l'histoire métamorphique de la roche. Des images BSE sur des coupes orientées ont révélé que l'orientation de lamelles biréfringentes est contrôlée parla crystallographie. La comparaison des analyses à la microsonde électronique et des images BSE révèle également que les lamelles biréfringentes sont plus riches en calcium que les lamelles isotropes. L'addition de calcium va déformer légèrement le site X et ainsi créer un ordre sur ce site. L'énergie interne d'un grenat ordré et d'un grenat désordonné sont suffisamment proches pour qu'un léger dépassement de l'énergie de la réaction de formation permette la coexistence des 2 types de grenat dans le même minéral. La formation de lamelles est expliquée par le fait qu'un grenat préférera la même structure. Ces observations sont en accord avec la thermodynamique des solutions solides du grenat et permet d'expliquer les structures similaires observées dans des grenats provenant de lithologies différentes. Une étude de la distribution des tailles des grenats et une modélisation de la croissance a permis de mettre en évidence 2 mécanismes de croissance différents suivant la texture de la roche. Dans les 2 cas, la loi de nucléation est la même. Dans les roches litées, la loi de croissance est de forme R=kt½. Le transport des nutriments est le facteur limitant. Ce transport a lieu préférentiellement dans la direction des niveaux de schistosité. Les grenats ont une forme légèrement allongée car la croissance des secteurs est facilitée sur les niveaux de schistosité. La croissance des grenats dans les roches foliées suit une loi de croissance de la forme R=kt. Les seuls facteurs limitant la croissance sont les processus d'attachement à la surface du grenat. La loi de croissance de ces grenats est donc contrainte par la texture de la roche. Cela se marque par des différences dans la morphologie de la zonation sectorielle.

Evidence for an organic origin of pedogenic calcitic nanofibres

Calcium carbonate nanofibres are found in numerous terrestrial environments, often associated with needle fibre calcite. This study attempts to mimic the natural system and generate comparable crystalline structures. A comparison of natural and synthesized nanofibre structures, using HRTEM as well as electron energy loss spectroscopy (EELS) and electron spectroscopic imaging (ESI), has demonstrated that this type of nanocrystal can result from precipitation on organic templates, most likely cellulose nanofibres. This study emphasizes the fundamental role of organic templates in the precipitation of calcium carbonate in vadose environments, even at the nanoscale.

7Ni-O chemical interaction and the transition temperature of Ni-doped Bi2Sr2Ca1Cu2O8

We find that even very low Ni doping levels of high-quality Bi2Sr2Ca1Cu2O8 single crystals strongly affect the transition temperature T(c). We also observed that T(c) is not related to the total Ni concentration, but only to that of Ni engaged in NiO-type bonds. By controlling the temperature during crystal growth, one can modify the relative weight of Ni in NiO-type bonds with respect to other configurations-and therefore T(c).

Oxygen isotope sector zoning in natural hydrothermal quartz

Oxygen isotope measurements using SIMS and laser-fluorination methods confirm the presence of concentric and sector zoning in low-temperature (200 degrees C to < 400 degrees C) hydrothermal quartz from Alpine veins. While concentric zoning is most readily explained by changes in the chemical composition of the fluid or temperature of crystallization, the reasons for sector zoning are more difficult to explain. Relative enrichment in (18)O for crystallographically different sectors of quartz corresponds to m > r > z. Sector zoning is, however, largely limited to the exterior zones of crystals and/or to crystals with large Al (> 1000 ppm) and trace element contents, probably formed at temperatures < 250 degrees C. Differences in delta(18)O between the prismatic (m) relative to the rhombohedral (r and z) growth sectors of up to 2 parts per thousand can be explained by a combination of a face-related crystallographic and/or a growth rate control. In contrast, isotopic sector zoning of up to about 1.5 parts per thousand amongst the different rhombohedral faces increases in parallel with the trace element content and is likely to represent disequilibrium growth. This is indicated by non-systematic, up to 2 parts per thousand, differences within single growth zones and the irregular, larger or smaller, delta(18)O values (of several permil) of the exterior compared to the inner zones of the same crystals. Disequilibrium growth may be related to the large trace element content incorporated into the growing quartz at lower temperatures (< 250 degrees C) and/or be related to fluid-vapour separation, allowing crystal growth from both a vapour as well as a liquid phase.

Crystal structure of NLRC4 reveals its autoinhibition mechanism.

Nucleotide-binding and oligomerization domain-like receptor (NLR) proteins oligomerize into multiprotein complexes termed inflammasomes when activated. Their autoinhibition mechanism remains poorly defined. Here, we report the crystal structure of mouse NLRC4 in a closed form. The adenosine diphosphate-mediated interaction between the central nucleotide-binding domain (NBD) and the winged-helix domain (WHD) was critical for stabilizing the closed conformation of NLRC4. The helical domain HD2 repressively contacted a conserved and functionally important α-helix of the NBD. The C-terminal leucine-rich repeat (LRR) domain is positioned to sterically occlude one side of the NBD domain and consequently sequester NLRC4 in a monomeric state. Disruption of ADP-mediated NBD-WHD or NBD-HD2/NBD-LRR interactions resulted in constitutive activation of NLRC4. Together, our data reveal the NBD-organized cooperative autoinhibition mechanism of NLRC4 and provide insight into its activation.

Mechanism of HFR1 function in adaptive growth responses in "Arabidopsis thaliana"

AbstractPlants are sessile organisms, which have evolved an astonishing ability to sense changes in their environment. Depending on the surrounding conditions, such as changes in light and temperature, plants modulate the activity of important transcriptional regulators. The shade avoidance syndrome (SAS) is one important mechanism for shade-intolerant plants to adapt their growth in high vegetative density. In shaded conditions plants sense a diminished red/far-red ratio via the phytochrome system and respond with morphological changes such as elongation growth of stems and petioles. The Phytochrome Interacting Factors 4 and 5 (PIF4 and PIF5) are positive regulators of the SAS and required for a full response (Lorrain et al, 2008). They regulate the SAS by inducing the expression of shade avoidance marker genes such as PIL1, ATHB2, XTR7 and HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).I investigated the molecular mechanism underlying the regulation of the SAS by HFR1 (long Hypocotyl in FR light). Although HFR1 is a PIF-related bHLH transcription factor, we discovered that HFR1 is a non-DNA binding protein. Moreover, we revealed that HFR1 inhibits an exaggerated SAS by forming non-DNA binding heterodimers with PIF4 and PIF5 (Hornitschek et al, 2009). This negative feedback loop is an important mechanism to limit elongation growth also in elevated temperatures. HFR1 accumulation and activity are highly temperature-dependent and the increased activity of HFR1 at warmer temperatures also provides an important restraint on PIF4-driven elongation growth (Foreman et al, 2011).Finally we performed a genome-wide analysis to determine how PIF4 and PIF5 regulate growth in response to shade. We identified potential PIF5- target genes, which represent many well-known shade-responsive genes. Our analysis of gene expression also revealed a role of PIF4 and PIF5 in simulated sun possibly via the regulation of auxin sensitivity.RésuméLes plantes sont des organismes sessiles ayant développé une capacité surprenante à détecter des changements dans leur environnement. En fonction des conditions extérieures, telles que les variations de lumière ou de température, elles adaptent l'activité d'importants régulateurs transcriptionnels. Le syndrome d'évitement de l'ombre (SAS), est un mécanisme important pour les plantes intolérantes à l'ombre leur permettant d'adapter leur croissance lorsqu'elles se développent dans des conditions de végétations très denses. Dans ces conditions, les plantes détectent une réduction de la quantité relative de lumière rouge par rapport à la lumière rouge-lointain (rapport R/FR). Ce changement, perçu via le système des phytochromes, induit des modifications morphologiques telle qu'une élongation des tiges et des pétioles. Les protéines PIF4 et PIF5 (Phytochrome Interacting Factors) sont des régulateurs positifs du SAS et sont nécessaires pour une réponse complète (Lorrain et al, 2008). Ces facteurs de transcription régulent le SAS en induisant l'expression de gènes marqueurs de cette réponse tels que PIL1, ATHB2, XTR7 et HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).J'ai étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à la régulation du SAS par HFR1 (long Hypocotyl in FR light). HFR1 est un facteur de transcription type bHLH de la famille des PIF, quoique nous ayons découvert que HFR1 est une protéine ne se liant pas à Γ ADN. Nous avons montré que HFR1 inhibe un SAS exagéré en formant des heterodimères avec PIF4 et PIF5 (Hornitschek et al, 2009). Nous avons également montré que cette boucle de régulation négative est également un mécanisme important pour limiter la croissance de l'élongation dans des conditions de fortes températures. De plus l'accumulation et l'activité de HFR1 augmentent avec la température ce qui permet d'inhiber plus fortement l'effet activateur de PIF4 sur la croissance.Enfin, nous avons effectué une analyse génomique à large échelle afin de déterminer comment PIF4 et PIF5 régulent la croissance en réponse à l'ombre. Nous avons identifié les gènes cibles potentiels de PIF5, correspondant en partie à des gènes connus dans la réponse de l'évitement de l'ombre. Notre analyse de l'expression des gènes a également révélé un rôle important de PIF4 et PIF5 dans des conditions de croissance en plein soleil, probablement via la régulation de la sensibilité à l'auxine.

Drosophila Myc interacts with host cell factor (dHCF) to activate transcription and control growth.

The Myc proto-oncoproteins are transcription factors that recognize numerous target genes through hexameric DNA sequences called E-boxes. The mechanism by which they then activate the expression of these targets is still under debate. Here, we use an RNAi screen in Drosophila S2 cells to identify Drosophila host cell factor (dHCF) as a novel co-factor for Myc that is functionally required for the activation of a Myc-dependent reporter construct. dHCF is also essential for the full activation of endogenous Myc target genes in S2 cells, and for the ability of Myc to promote growth in vivo. Myc and dHCF physically interact, and they colocalize on common target genes. Furthermore, down-regulation of dHCF-associated histone acetyltransferase and histone methyltransferase complexes in vivo interferes with the Myc biological activities. We therefore propose that dHCF recruits such chromatin-modifying complexes and thereby contributes to the expression of Myc targets and hence to the execution of Myc biological activities.

Low doses of ionizing radiation promote tumor growth and metastasis by enhancing angiogenesis.

Radiotherapy is a widely used treatment option in cancer. However, recent evidence suggests that doses of ionizing radiation (IR) delivered inside the tumor target volume, during fractionated radiotherapy, can promote tumor invasion and metastasis. Furthermore, the tissues that surround the tumor area are also exposed to low doses of IR that are lower than those delivered inside the tumor mass, because external radiotherapy is delivered to the tumor through multiple radiation beams, in order to prevent damage of organs at risk. The biological effects of these low doses of IR on the healthy tissue surrounding the tumor area, and in particular on the vasculature remain largely to be determined. We found that doses of IR lower or equal to 0.8 Gy enhance endothelial cell migration without impinging on cell proliferation or survival. Moreover, we show that low-dose IR induces a rapid phosphorylation of several endothelial cell proteins, including the Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) Receptor-2 and induces VEGF production in hypoxia mimicking conditions. By activating the VEGF Receptor-2, low-dose IR enhances endothelial cell migration and prevents endothelial cell death promoted by an anti-angiogenic drug, bevacizumab. In addition, we observed that low-dose IR accelerates embryonic angiogenic sprouting during zebrafish development and promotes adult angiogenesis during zebrafish fin regeneration and in the murine Matrigel assay. Using murine experimental models of leukemia and orthotopic breast cancer, we show that low-dose IR promotes tumor growth and metastasis and that these effects were prevented by the administration of a VEGF receptor-tyrosine kinase inhibitor immediately before IR exposure. These findings demonstrate a new mechanism to the understanding of the potential pro-metastatic effect of IR and may provide a new rationale basis to the improvement of current radiotherapy protocols.

Experimental calcium oxalate crystal production and dissolution by selected wood rot fungi.

Twenty-six species of white-rotting Agaricomycotina fungi (Basidiomycota) were screened for their ability to produce calcium-oxalate (CaOx) crystals in vitro. Most were able to produce CaOx crystals in malt agar medium in the absence of additional calcium. In the same medium enriched with Ca2+, all the species produced CaOx crystals (weddellite or whewellite). Hyphae of four species (Ganoderma lucidum, Polyporus ciliatus, Pycnoporus cinnabarinus, and Trametes versicolor) were found coated with crystals (weddellite/whewellite). The production of CaOx crystals during the growth phase was confirmed by an investigation of the production kinetics for six of the species considered in the initial screening (Pleurotus citrinopileatus, Pleurotus eryngii, Pleurotus ostreatus, P. cinnabarinus, Trametes suaveolens, and T. versicolor). However, the crystals produced during the growth phase disappeared from the medium over time in four of the six species (P. citrinopileatus, P. eryngii, P. cinnabarinus, and T. suaveolens). For P. cinnabarinus, the disappearance of the crystals was correlated with a decrease in the total oxalate concentration measured in the medium from 0.65 μg mm−2 (at the maximum accumulation rate) to 0.30 μg mm−2. The decrease in the CaOx concentration was correlated with a change in mycelia morphology. The oxalate dissolution capability of all the species was also tested in a medium containing calcium oxalate as the sole source of carbon (modified Schlegel medium). Three species (Agaricus blazei, Pleurotus tuberregium, and P. ciliatus) presented a dissolution halo around the growth zone. This study shows that CaOx crystal production is a widespread phenomenon in white-rot fungi, and that an excess of Ca2+ can enhance CaOx crystal production. In addition, it shows that some white-rot fungal species are capable of dissolving CaOx crystals after growth has ceased. These results highlight a diversity of responses around the production or dissolution of calcium oxalate in white-rot fungi and reveal an unexpected potential importance of fungi on the oxalate cycle in the environment.

Mechanical properties of rat cardiac skinned fibers are altered by chronic growth hormone hypersecretion.

Chronic growth hormone (GH) hypersecretion in rats leads to increased isometric force without affecting the unloaded shortening velocity of isolated cardiac papillary muscles, despite a marked isomyosin shift toward V3. To determine if alterations occurred at the level of the contractile proteins in rats bearing a GH-secreting tumor (GH rats), we examined the mechanical properties of skinned fibers to eliminate the early steps of the excitation-contraction coupling mechanism. We found that maximal active tension and stiffness at saturating calcium concentrations (pCa 4.5) were markedly higher in GH rats than in control rats (tension, 52.9 +/- 5.2 versus 38.1 +/- 4.6 mN.mm-2, p < 0.05; stiffness, 1,105 +/- 120 versus 685 +/- 88 mN.mm-2.microns-1, p < 0.01), whereas values at low calcium concentrations (pCa 9) were unchanged. In addition, the calcium sensitivity of the contractile proteins was slightly but significantly higher in GH rats than in control rats (delta pCa 0.04, p < 0.001). The crossbridge cycling rate, reflected by the response to quick length changes, was lower in GH rats than in control rats (62.0 +/- 2.6 versus 77.4 +/- 6.6 sec-1, p < 0.05), in good agreement with a decrease in the proportion of alpha-myosin heavy chains in the corresponding papillary muscles (45.5 +/- 2.0% versus 94.6 +/- 2.4%, p < 0.001). The changes in myosin heavy chain protein phenotype were paralleled by similar changes of the corresponding mRNAs, indicating that the latter occurred mainly at a pretranslational level. These results demonstrate that during chronic GH hypersecretion in rats, alterations at the myofibrillar level contribute to the increase in myocardial contractility observed in intact muscle.

A growth hormone-releasing peptide that binds scavenger receptor CD36 and ghrelin receptor up-regulates sterol transporters and cholesterol efflux in macrophages through a peroxisome proliferator-activated receptor gamma-dependent pathway.

Macrophages play a central role in the pathogenesis of atherosclerosis by accumulating cholesterol through increased uptake of oxidized low-density lipoproteins by scavenger receptor CD36, leading to foam cell formation. Here we demonstrate the ability of hexarelin, a GH-releasing peptide, to enhance the expression of ATP-binding cassette A1 and G1 transporters and cholesterol efflux in macrophages. These effects were associated with a transcriptional activation of nuclear receptor peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)gamma in response to binding of hexarelin to CD36 and GH secretagogue-receptor 1a, the receptor for ghrelin. The hormone binding domain was not required to mediate PPARgamma activation by hexarelin, and phosphorylation of PPARgamma was increased in THP-1 macrophages treated with hexarelin, suggesting that the response to hexarelin may involve PPARgamma activation function-1 activity. However, the activation of PPARgamma by hexarelin did not lead to an increase in CD36 expression, as opposed to liver X receptor (LXR)alpha, suggesting a differential regulation of PPARgamma-targeted genes in response to hexarelin. Chromatin immunoprecipitation assays showed that, in contrast to a PPARgamma agonist, the occupancy of the CD36 promoter by PPARgamma was not increased in THP-1 macrophages treated with hexarelin, whereas the LXRalpha promoter was strongly occupied by PPARgamma in the same conditions. Treatment of apolipoprotein E-null mice maintained on a lipid-rich diet with hexarelin resulted in a significant reduction in atherosclerotic lesions, concomitant with an enhanced expression of PPARgamma and LXRalpha target genes in peritoneal macrophages. The response was strongly impaired in PPARgamma(+/-) macrophages, indicating that PPARgamma was required to mediate the effect of hexarelin. These findings provide a novel mechanism by which the beneficial regulation of PPARgamma and cholesterol metabolism in macrophages could be regulated by CD36 and ghrelin receptor downstream effects.

An exquisite cross-control mechanism among endothelial cell fate regulators directs the plasticity and heterogeneity of lymphatic endothelial cells.

Arteriovenous-lymphatic endothelial cell fates are specified by the master regulators, namely, Notch, COUP-TFII, and Prox1. Whereas Notch is expressed in the arteries and COUP-TFII in the veins, the lymphatics express all 3 cell fate regulators. Previous studies show that lymphatic endothelial cell (LEC) fate is highly plastic and reversible, raising a new concept that all 3 endothelial cell fates may co-reside in LECs and a subtle alteration can result in a reprogramming of LEC fate. We provide a molecular basis verifying this concept by identifying a cross-control mechanism among these cell fate regulators. We found that Notch signal down-regulates Prox1 and COUP-TFII through Hey1 and Hey2 and that activated Notch receptor suppresses the lymphatic phenotypes and induces the arterial cell fate. On the contrary, Prox1 and COUP-TFII attenuate vascular endothelial growth factor signaling, known to induce Notch, by repressing vascular endothelial growth factor receptor-2 and neuropilin-1. We show that previously reported podoplanin-based LEC heterogeneity is associated with differential expression of Notch1 in human cutaneous lymphatics. We propose that the expression of the 3 cell fate regulators is controlled by an exquisite feedback mechanism working in LECs and that LEC fate is a consequence of the Prox1-directed lymphatic equilibrium among the cell fate regulators.

Transforming growth factor-beta: the breaking open of a black box.

Transforming growth factor-beta (TGF-beta) and its related proteins regulate broad aspects of body development, including cell proliferation, differentiation, apoptosis and gene expression, in various organisms. Deregulated TGF-beta function has been causally implicated in the generation of human fibrotic disorders and in tumor progression. Nevertheless, the molecular mechanisms of TGF-beta action remained essentially unknown until recently. Here, we discuss recent progress in our understanding of the mechanism of TGF-beta signal transduction with respect to the regulation of gene expression, the control of cell phenotype and the potential usage of TGF-beta for the treatment of human diseases.