Tree cover at fine and coarse spatial grains interacts with shade tolerance to shape plant species distributions across the Alps

The role of competition for light among plants has long been recognized at local scales, but its potential importance for plant species' distribution at larger spatial scales has largely been ignored. Tree cover acts as a modulator of local abiotic conditions, notably by reducing light availability below the canopy and thus the performance of species that are not adapted to low-light conditions. However, this local effect may propagate to coarser spatial grains. Using 6,935 vegetation plots located across the European Alps, we fit Generalized Linear Models (GLM) for the distribution of 960 herbs and shrubs species to assess the effect of tree cover at both plot and landscape grain sizes (~ 10-m and 1-km, respectively). We ran four models with different combinations of variables (climate, soil and tree cover) for each species at both spatial grains. We used partial regressions to evaluate the independent effects of plot- and landscape-scale tree cover on plant communities. Finally, the effects on species' elevational range limits were assessed by simulating a removal experiment comparing the species' distribution under high and low tree cover. Accounting for tree cover improved model performance, with shade-tolerant species increasing their probability of presence at high tree cover whereas shade-intolerant species showed the opposite pattern. The tree cover effect occurred consistently at both plot and landscape spatial grains, albeit strongest at the former. Importantly, tree cover at the two grain sizes had partially independent effects on plot-scale plant communities, suggesting that the effects may be transmitted to coarser grains through meta-community dynamics. At high tree cover, shade-intolerant species exhibited elevational range contractions, especially at their upper limit, whereas shade-tolerant species showed elevational range expansions at both limits. Our findings suggest that the range shifts for herb and shrub species may be modulated by tree cover dynamics.

Contact metamorphism and emplacement of the western Adamello tonalite

The geodynamic forces acting in the Earth's interior manifest themselves in a variety of ways. Volcanoes are amongst the most impressive examples in this respect, but like with an iceberg, they only represent the tip of a more extensive system hidden underground. This system consists of a source region where melt forms and accumulates, feeder connections in which magma is transported towards the surface, and different reservoirs where it is stored before it eventually erupts to form a volcano. A magma represents a mixture of melt and crystals. The latter can be extracted from the source region, or form anywhere along the path towards their final crystallization place. They will retain information of the overall plumbing system. The host rocks of an intrusion, in contrast, provide information at the emplacement level. They record the effects of thermal and mechanical forces imposed by the magma. For a better understanding of the system, both parts - magmatic and metamorphic petrology - have to be integrated. I will demonstrate in my thesis that information from both is complementary. It is an iterative process, using constraints from one field to better constrain the other. Reading the history of the host rocks is not always straightforward. This is shown in chapter two, where a model for the formation of clustered garnets observed in the contact aureole is proposed. Fragments of garnets, older than the intrusive rocks are overgrown by garnet crystallizing due to the reheating during emplacement of the adjacent pluton. The formation of the clusters is therefore not a single event as generally assumed but the result of a two-stage process, namely the alteration of the old grains and the overgrowth and amalgamation of new garnet rims. This makes an important difference when applying petrological methods such as thermobarometry, geochronology or grain size distributions. The thermal conditions in the aureole are a strong function of the emplacement style of the pluton. therefore it is necessary to understand the pluton before drawing conclusions about its aureole. A study investigating the intrusive rocks by means of field, geochemical, geochronologi- cal and structural methods is presented in chapter three. This provided important information about the assembly of the intrusion, but also new insights on the nature of large, homogeneous plutons and the structure of the plumbing system in general. The incremental nature of the emplacement of the Western Adamello tonalité is documented, and the existence of an intermediate reservoir beneath homogeneous plutons is proposed. In chapter four it is demonstrated that information extracted from the host rock provides further constraints on the emplacement process of the intrusion. The temperatures obtain by combining field observations with phase petrology modeling are used together with thermal models to constrain the magmatic activity in the immediate intrusion. Instead of using the thermal models to control the petrology result, the inverse is done. The model parameters were changed until a match with the aureole temperatures was obtained. It is shown, that only a few combinations give a positive match and that temperature estimates from the aureole can constrain the frequency of ancient magmatic systems. In the fifth chapter, the Anisotropy of Magnetic Susceptibility of intrusive rocks is compared to 3D tomography. The obtained signal is a function of the shape and distribution of ferromagnetic grains, and is often used to infer flow directions of magma. It turns out that the signal is dominated by the shape of the magnetic crystals, and where they form tight clusters, also by their distribution. This is in good agreement with the predictions made in the theoretical and experimental literature. In the sixth chapter arguments for partial melting of host rock carbonates are presented. While at first very surprising, this is to be expected when considering the prior results from the intrusive study and experiments from the literature. Partial melting is documented by compelling microstructures, geochemical and structural data. The necessary conditions are far from extreme and this process might be more frequent than previously thought. The carbonate melt is highly mobile and can move along grain boundaries, infiltrating other rocks and ultimately alter the existing mineral assemblage. Finally, a mineralogical curiosity is presented in chapter seven. The mineral assemblage magne§site and calcite is in apparent equilibrium. It is well known that these two carbonates are not stable together in the system Ca0-Mg0-Fe0-C02. Indeed, magnesite and calcite should react to dolomite during metamorphism. The presented explanation for this '"forbidden" assemblage is, that a calcite melt infiltrated the magnesite bearing rock along grain boundaries and caused the peculiar microstructure. This is supported by isotopie disequilibrium between calcite and magnesite. A further implication of partially molten carbonates is, that the host rock drastically looses its strength so that its physical properties may be comparable to the ones of the intrusive rocks. This contrasting behavior of the host rock may ease the emplacement of the intrusion. We see that the circle closes and the iterative process of better constraining the emplacement could start again. - La Terre est en perpétuel mouvement et les forces tectoniques associées à ces mouvements se manifestent sous différentes formes. Les volcans en sont l'un des exemples les plus impressionnants, mais comme les icebergs, les laves émises en surfaces ne représentent que la pointe d'un vaste système caché dans les profondeurs. Ce système est constitué d'une région source, région où la roche source fond et produit le magma ; ce magma peut s'accumuler dans cette région source ou être transporté à travers différents conduits dans des réservoirs où le magma est stocké. Ce magma peut cristalliser in situ et produire des roches plutoniques ou alors être émis en surface. Un magma représente un mélange entre un liquide et des cristaux. Ces cristaux peuvent être extraits de la source ou se former tout au long du chemin jusqu'à l'endroit final de cristallisation. L'étude de ces cristaux peut ainsi donner des informations sur l'ensemble du système magmatique. Au contraire, les roches encaissantes fournissent des informations sur le niveau d'emplacement de l'intrusion. En effet ces roches enregistrent les effets thermiques et mécaniques imposés par le magma. Pour une meilleure compréhension du système, les deux parties, magmatique et métamorphique, doivent être intégrées. Cette thèse a pour but de montrer que les informations issues de l'étude des roches magmatiques et des roches encaissantes sont complémentaires. C'est un processus itératif qui utilise les contraintes d'un domaine pour améliorer la compréhension de l'autre. Comprendre l'histoire des roches encaissantes n'est pas toujours aisé. Ceci est démontré dans le chapitre deux, où un modèle de formation des grenats observés sous forme d'agrégats dans l'auréole de contact est proposé. Des fragments de grenats plus vieux que les roches intru- sives montrent une zone de surcroissance générée par l'apport thermique produit par la mise en place du pluton adjacent. La formation des agrégats de grenats n'est donc pas le résultat d'un seul événement, comme on le décrit habituellement, mais d'un processus en deux phases, soit l'altération de vieux grains engendrant une fracturation de ces grenats, puis la formation de zone de surcroissance autour de ces différents fragments expliquant la texture en agrégats observée. Cette interprétation en deux phases est importante, car elle engendre des différences notables lorsque l'on applique des méthodes pétrologiques comme la thermobarométrie, la géochronologie ou encore lorsque l'on étudie la distribution relative de la taille des grains. Les conditions thermales dans l'auréole de contact dépendent fortement du mode d'emplacement de l'intrusion et c'est pourquoi il est nécessaire de d'abord comprendre le pluton avant de faire des conclusions sur son auréole de contact. Une étude de terrain des roches intrusives ainsi qu'une étude géochimique, géochronologique et structurale est présente dans le troisième chapitre. Cette étude apporte des informations importantes sur la formation de l'intrusion mais également de nouvelles connaissances sur la nature de grands plutons homogènes et la structure de système magmatique en général. L'emplacement incrémental est mis en évidence et l'existence d'un réservoir intermédiaire en-dessous des plutons homogènes est proposé. Le quatrième chapitre de cette thèse illustre comment utiliser l'information extraite des roches encaissantes pour expliquer la mise en place de l'intrusion. Les températures obtenues par la combinaison des observations de terrain et l'assemblage métamorphique sont utilisées avec des modèles thermiques pour contraindre l'activité magmatique au contact directe de cette auréole. Au lieu d'utiliser le modèle thermique pour vérifier le résultat pétrologique, une approche inverse a été choisie. Les paramètres du modèle ont été changés jusqu'à ce qu'on obtienne une correspondance avec les températures observées dans l'auréole de contact. Ceci montre qu'il y a peu de combinaison qui peuvent expliquer les températures et qu'on peut contraindre la fréquence de l'activité magmatique d'un ancien système magmatique de cette manière. Dans le cinquième chapitre, les processus contrôlant l'anisotropie de la susceptibilité magnétique des roches intrusives sont expliqués à l'aide d'images de la distribution des minéraux dans les roches obtenues par tomographie 3D. Le signal associé à l'anisotropie de la susceptibilité magnétique est une fonction de la forme et de la distribution des grains ferromagnétiques. Ce signal est fréquemment utilisé pour déterminer la direction de mouvement d'un magma. En accord avec d'autres études de la littérature, les résultats montrent que le signal est dominé par la forme des cristaux magnétiques, ainsi que par la distribution des agglomérats de ces minéraux dans la roche. Dans le sixième chapitre, une étude associée à la fusion partielle de carbonates dans les roches encaissantes est présentée. Si la présence de liquides carbonatés dans les auréoles de contact a été proposée sur la base d'expériences de laboratoire, notre étude démontre clairement leur existence dans la nature. La fusion partielle est documentée par des microstructures caractéristiques pour la présence de liquides ainsi que par des données géochimiques et structurales. Les conditions nécessaires sont loin d'être extrêmes et ce processus pourrait être plus fréquent qu'attendu. Les liquides carbonatés sont très mobiles et peuvent circuler le long des limites de grain avant d'infiltrer d'autres roches en produisant une modification de leurs assemblages minéralogiques. Finalement, une curiosité minéralogique est présentée dans le chapitre sept. L'assemblage de minéraux de magnésite et de calcite en équilibre apparent est observé. Il est bien connu que ces deux carbonates ne sont pas stables ensemble dans le système CaO-MgO-FeO-CO.,. En effet, la magnésite et la calcite devraient réagir et produire de la dolomite pendant le métamorphisme. L'explication présentée pour cet assemblage à priori « interdit » est que un liquide carbonaté provenant des roches adjacentes infiltre cette roche et est responsable pour cette microstructure. Une autre implication associée à la présence de carbonates fondus est que la roche encaissante montre une diminution drastique de sa résistance et que les propriétés physiques de cette roche deviennent comparables à celles de la roche intrusive. Cette modification des propriétés rhéologiques des roches encaissantes peut faciliter la mise en place des roches intrusives. Ces différentes études démontrent bien le processus itératif utilisé et l'intérêt d'étudier aussi bien les roches intrusives que les roches encaissantes pour la compréhension des mécanismes de mise en place des magmas au sein de la croûte terrestre.

Relating the permeability of quartz sands to their grain size and spectral induced polarization characteristics

Recently, Revil & Florsch proposed a novel mechanistic model based on the polarization of the Stern layer relating the permeability of granular media to their spectral induced polarization (SIP) characteristics based on the formation of polarized cells around individual grains. To explore the practical validity of this model, we compare it to pertinent laboratory measurements on samples of quartz sands with a wide range of granulometric characteristics. In particular, we measure the hydraulic and SIP characteristics of all samples both in their loose, non-compacted and compacted states, which might allow for the detection of polarization processes that are independent of the grain size. We first verify the underlying grain size/permeability relationship upon which the model of Revil & Florsch is based and then proceed to compare the observed and predicted permeability values for our samples by substituting the grain size characteristics by corresponding SIP parameters, notably the so-called Cole-Cole time constant. In doing so, we also asses the quantitative impact of an observed shift in the Cole-Cole time constant related to textural variations in the samples and observe that changes related to the compaction of the samples are not relevant for the corresponding permeability predictions. We find that the proposed model does indeed provide an adequate prediction of the overall trend of the observed permeability values, but underestimates their actual values by approximately one order-of-magnitude. This discrepancy in turn points to the potential importance of phenomena, which are currently not accounted for in the model and which tend to reduce the characteristic size of the prevailing polarization cells compared to the considered model, such as, for example, membrane polarization, contacts of double-layers of neighbouring grains, and incorrect estimation of the size of the polarized cells because of the irregularity of natural sand grains.

The role of basalt replenishment in the generation of basaltic andesites of the ongoing activity at Arenal volcano, Costa Rica: evidence from clinopyroxene and spinel

The bulk composition of magma erupted from Volcan Arenal has remained nearly constant (SiO2 = 53.6-54.9 wt%; MgO = 5.0-4.5 wt%) during almost 30 years of continuous activity (1969-1996). None the less, clinopyroxene (cpx) phenocrysts and their spinel inclusions record a much more complex open-system evolution in which steady-state production of the erupted basaltic andesitic magma is linked to episodic injections of basalt into Arenal's magma conduit/reservoir system. High-resolution major element zoning profiles (electron microprobe) on a large number of phenocrysts (>14,000 analyses), tied to back-scattered electron (BSE) images, have been used to assess the compositional characteristics of the magmatic end members as well as the timing and dynamics of magma replenishment events. No two cpx phenocrysts have exactly the same zoning profile. The vast majority of our analyses record the crystallization of cpx (Cr2O3 < 0.12 wt%; Mg# = 65-79; Al/Ti = 2-7) from a liquid comparable to or more evolved than erupted magma compositions. However, half of all cpx grains are cored by high-Cr cpx (Cr2O3 = 0.2-0.72 wt%) or contain similar basaltic compositions as abrupt growth bands in phenocrysts with and without high-Cr cores; phenocrysts with high-Cr cpx occur throughout the ongoing activity. In a few cases, high-Cr cpx occurs very near the outer margin of the grain without an apparent growth hiatus, particularly in 1968/69 and 1992/93. The main conclusions are: (1) all basaltic andesitic lavas erupted at Arenal during the ongoing activity that began in July, 1968, are the products of magma mixing, (2) clinopyroxenes record multiple replenishment events of basaltic magma in contrast to the near constancy of erupted bulk compositions, (3) some phenocrysts preserve records of multiple interactions with basaltic magmas requiring magmatic processes to operate on time-scales shorter than residence times of some phenocrysts, (4) multiple occurrences of clinopyroxene with high-Cr rims suggest that basalt replenishment events have occurred with sub-decadal frequency and may predate eruption by months or less. From this we infer that Arenal volcano is underlain by a continuously active, small-volume magmatic reservoir maintained in quasi-steady state by basalt recharge over several decades. The monotony of erupting Arenal magmas implies that fractionation, recharge, ascent, and eruption are well balanced in order for magmas to be essentially uniform while containing phenocrysts with vastly different growth histories at the time of eruption.

Recrystallisation rims in zircon (Valle d'Arbedo, Switzerland): an integrated cathodoluminescence, LA-ICP-MS, SHRIMP, and TEM study

Recrystallization rims are a common feature of zircon crystals that underwent metamorphism. We present a microstructural and microchemical study of partially recrystallized zircon grains collected in polymetamorphic migmatites (Valle d'Arbedo, Ticino, Switzerland). The rims are bright in cathodo-luminescence (CL), with sharp and convex contacts characterized by inward-penetrating embayments transgressing igneous zircon cores. Laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS) data and transmission electron microscopy (TEM) imaging indicate that the rims are chemically and microstructurally different from the cores. The rims are strongly depleted in REE, with concentrations up to two orders of magnitude lower than in the cores, indicating a significant loss of REE during zircon recrystallization. Enrichment in non-formula elements, such as Ca, has not been observed in the rims. The microstructure of zircon cores shows a dappled intensity at and below the 100 nm scale, possibly due to radiation damage. Other defects such as pores and dislocations are absent in the core except at healed cracks. Zircon rims are mostly dapple-free, but contain nanoscale pores and strain centers, interpreted as fluid inclusions and chemical residues, respectively. Sensitive high-resolution ion microprobe (SHRIMP) U-Pb ages show that the recrystallization of the rims took place >200 Ma ago when the parent igneous zircon was not metamict. The chemical composition and the low-Ti content of the rims indicate that they form at sub-solidus temperatures (550-650 degrees C). Recrystallization rims in Valle d'Arbedo zircon are interpreted as the result of the migration of chemical reaction fronts in which fluid triggered in situ and contemporaneous interface-coupled dissolution-reprecipitation mechanisms. This study indicates that strong lattice strain resulting from the incorporation of a large amount of impurities and structural defects is not a necessary condition for zircon to recrystallize. Our observations suggest that the early formation of recrystallization rims played a major role in preserving zircon from the more recent Alpine metamorphic overprint.

Melt topology and chemistry during partial melting in contact aureoles : an experimental study and field example

This study was initiated to investigate partial melting within the high-grade metamorphic rocks beneath the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA), in order to understand the melt generation, melt migration, and geometry of initial melt distribution on grain scale during crustal anatexis. The emplacement of the Little Cottonwood stock produced a contact aureole in the pelitic host rocks of the Big Cottonwood formation (BC). Metamorphic isogrades in pelitic rocks range form biotite to 2nd sillimanite grade as a function of distance from the contact. Migmatites are restricted to the highest grade and resulted form partial melting of the BC formation rocks. First melt was produced by a combined muscovite/biotite dehydration reaction in the sillimanite + k-feldspar stability field. Melt extraction from the pelites resulted in restites (magnetite + cordierite + alumosilicate ± biotite) surrounded by feldspar enriched quartzite zones. This texture is the result of gradual infiltration of partial melts into the quartzite. Larger, discrete melt accumulation occurred in extensional or transpressional domains such as boudin necks, veins, and ductile shear zones. Melt composition are Si02- rich, crystallized as pegmatites, and apparently were very mobile. They were able to infiltrate the quartzite pervaisivly. These melts are similar in composition to first melts produced in the hydrothermal partial melt experiments at 2kbar between 700 - 800°C on fine grained high metamorphic rocks (andalusite-cordierited-biotite-zone) of the BC formation. The experimental melts are water rich and in disequilibrium with the melting rock. Initial melt composition is heterogeneous for short run duration, reflective a lack of chemical equilibrium between individual melt pools. Rock core scale heterogeneity decreased with time indicating partial homogenization of melt compositions. A simultaneous shift of melt composition to higher silica content with time was observed. The silica content of the melt increased due to local melt/mineral reactions. Melt textures indicate that reactive melt transport is most efficient along grain boundaries rimmed by dissimilar grains. Melt heterogeneity resulted in chemical potential gradients which are major driving forces for initial melt migration and govern melt distribution during initial melting. An additional subject of the thesis is the crystal size distributions of opaque minerals in a fine-grained, high-grade meta-pelite of the Big Cottonwood which were obtained from 3D X-ray tomography (uCT) and 2D thin section analysis. µCT delivers accurate size distributions within a restricted range (~ a factor of 20 in size in a single 3D image), while the absolute number of crystals is difficult to obtain from these sparsely distributed, small crystals on the basis of 2D images. Crystal size distributions obtained from both methods are otherwise similar. - Ce travail de recherche a été entrepris dans le but d'étudier les processus de fusion partielle dans les roches fortement métamorphiques de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA) et ceci afin de comprendre la génération de liquide de fusion, la migration de ces liquides et la géométrie de la distribution initiale des liquides de fusion à l'échelle du grain durant l'anatexie de la croûte. L'emplacement du petit massif intrusif de Little Cottonwood a produit une auréole de contact dans les roches pélitiques encaissantes appartenant à la Foimation du Big Cottonwood (BC). Les isogrades métamorphiques dans les roches pélitiques varient de l'isograde de la biotite à la deuxième isograde de la sillimanite en fonction de la distance par rapport au massif intrusif. Les migmatites sont restreintes aux zones montrant le plus haut degré métamorphique et résultent de la fusion partielle des roches de la Formation de BC. Le premier liquide de fusion a été produit par la réaction de déshydratation combinée de la muscovite et de la biotite dans le champ de stabilité du feldspath potassique Pt de la sillimanite. L'extraction du liquide de fusion des pélites forme des restites (magnétites + cordiérite + aluminosilicate ± biotite) entourées par des zones de quartzites enrichies en feldspath. Cette texture est le résultat de l'infiltration graduelle du liquide de fusion partielle dans les quartzites. Des accumulations distinctes et plus larges de liquide de fusion ont lieu dans des domaines d'extension ou de transpression tels que les boudins, les veines, et les zones de cisaillement ductile. La composition des liquides de fusion est similaire à celle des liquides pegmatoïdes, et ces liquides sont apparemment très mobiles et capables d'infiltrer les quartzites. Ces liquides de fusion ont la même composition que les premiers liquides produits dans les expériences hydrotheunales de fusion partielle à 2kbar et entre 700-800° C sur les roches finement grenues et hautement métamorphiques (andalousite-cordiérite-biotite zone) de la Formation de BC. Les liquides de fusion obtenus expérimentalement sont riches en eau et sont en déséquilibre avec la roche en fusion. La composition initiale des liquides de fusion est hétérogène pour les expériences de courte durée et reflète l'absence d'équilibre chimique entre les différentes zones d'accumulation des liquides de fusion. L'hétérogénéité à l'échelle du noyau s'estompe avec le temps et témoigne de l'homogénéisation de la composition des liquides de fusion. Par ailleurs, on observe parallèlement un décalage de la composition des liquides vers des compositions plus riches en silice au cours du temps. Le contenu en silice des liquides de fusion évolue vers un liquide pegmatitique en raison des réactions liquides/minéraux. Les textures des liquides de fusion indiquent que le transport des liquides est plus efficace le long des bordures de grains bordés par des grains différents. Aucun changement apparent du volume total n'est visible. L'hétérogénéité des liquides s'accompagne d'un gradient de potentiel chimique qui sert de moteur principal à la migration des liquides et à la distribution des liquides durant la fusion. Un sujet complémentaire de ce travail de thèse réside dans l'étude de la distribution de la taille des cristaux opaques dans les pélites finement grenues et fortement métamorphiques de la Formation de Big Cottonwood. Les distributions de taille ont été obtenues suite à l'analyse d'images 3D acquise par tomographie ainsi que par analyse de lames minces. La microtomographie par rayon X fournit une distribution de taille précise sur une marge restreinte (- un facteur de taille 20 dans une seule image 3D), alors que le nombre absolu de cristaux est difficile à obtenir sur la base d'image 2D en raison de la petite taille et de la faible abondance de ces cristaux. Les distributions de taille obtenues par les deux méthodes sont sinon similaire. Abstact: Chemical differentiation of the primitive Earth was due to melting and separation of melts. Today, melt generation and emplacement is still the dominant process for the growth of the crust. Most granite formation is due to partial melting of the lower crust, followed by transport of magma through the crust to the shallow crust where it is emplaced. Partial melting and melt segregation are essential steps before such a granitic magma can ascent through the crust. The chemistry and physics of partial melting and segregation is complex. Hence detailed studies, in which field observations yield critical information that can be compared to experimental observations, are crucial to the understanding of these fundamental processes that lead and are leading to the chemical stratification of the Earth. The research presented in this thesis is a combined field and experimental study of partial melting of high-grade meta-pelitic rocks of the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA). Contact metamorphic rocks are ideal for textural studies of melt generation, since the relatively short times of the metamorphic event prevents much of the recrystallization which plagues textural studies of lower crustal rocks. The purpose of the study is to characterize melt generation, identify melting reactions, and to constrain melt formation, segregation and migration mechanisms. In parallel an experimental study was undertaken to investigate melt in the high grade meta pelitic rocks, to confirm melt composition, and to compare textures of the partial molten rock cores in the absence of deformation. Results show that a pegmatoidal melt is produced by partial melting of the pelitic rocks. This melt is highly mobile. It is capable of pervasive infiltration of the adjacent quartzite. Infiltration results in rounded quartz grains bordered by a thin feldspar rim. Using computed micro X-ray tomography these melt networks can be imaged. The infiltrated melt leads to rheological weakening and to a decompaction of the solid quartzite. Such decompaction can explain the recent discovery of abundant xenocrysts in many magmas, since it favors the isolation of mineral grains. Pervasive infiltration is apparently strongly influenced by melt viscosity and melt-crystal wetting behavior, both of which depend on the water content of melt and the temperature. In all experiments the first melt is produced on grain boundaries, dominantly by the local minerals. Grain scale heterogeneity of a melting rock leads thus to chemical concentration gradients in the melt, which are the driving force for initial melt migration. Pervasive melt films along grain boundaries leading to an interconnected network are immediately established. The initial chemical heterogeneities in the melt diminish with time. Résumé large public: La différenciation chimique de la Terre primitive est la conséquence de la fusion des roches et de la séparation des liquides qui en résultent. Aujourd'hui, la production de liquide magmatique est toujours le mécanisme dominant pour la croissance de la croûte terrestre. Ainsi la formation de la plupart des granites est un processus qui implique la production de magma par fusion partielle de la croûte inférieure, la migration de ces magmas à travers la croûte et finalement son emplacement dans les niveaux superficielle de la croûte terrestre. Au cours de cette évolution, les processus de fusion partielle et de ségrégation sont des étapes indispensables à l'ascension des granites à travers la croûte. Les conditions physico-chimiques nécessaires à la fusion partielle et à l'extraction de ces liquides sont complexes. C'est pourquoi des études détaillées des processus de fusion partielle sont cruciales pour la compréhension de ces mécanismes fondamentaux responsables de la stratification chimique de la Terre. Parmi ces études, les observations de terrain apportent notamment des informations déterminantes qui peuvent être comparées aux données expérimentales. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse associe études de terrain et données expérimentales sur la fusion partielle des roches pélitiques de haut degré métamorphiques provenant de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA). Les roches du métamorphisme de contact sont idéales pour l'étude de la folination de liquide de fusion. En effet, la durée relativement courte de ce type d'événement métamorphique prévient en grande partie la recristallisation qui perturbe les études de texture des roches dans la croûte inférieure. Le but de cette étude est de caractériser la génération des liquides de fusion, d'identifier les réactions responsables de la fusion de ces roches et de contraindre la formation de ces liquides et leur mécanisme de ségrégation et de migration. Parallèlement, des travaux expérimentaux ont été entrepris pour reproduire la fusion partielle de ces roches en laboratoire. Cette étude a été effectuée dans le but de confirmer la composition chimique des liquides, et de comparer les textures obtenues en l'absence de déformation. Les résultats montrent qu'un liquide de fusion pegmatoïde est produit par fusion partielle des roches pélitiques. La grande mobilité de ce liquide permet une infiltration pénétrative dans les quarzites. Ces infiltrations se manifestent par des grains de quartz arrondis entourés par une fine bordure de feldspath. L'utilisation de la tomography à rayons X a permis d'obtenir des images de ce réseau de liquide de fusion. L'infiltration de liquide de fusion entraîne un affaiblissement de la rhéologie de la roche ainsi qu'une décompaction des quartzites massifs. Une telle décompaction peut expliquer la découverte récente d'abondants xénocristaux dans beaucoup de magmas, puisque elle favorise l'isolation des minéraux. L'infiltration pénétrative est apparemment fortement influencée par la viscosité du fluide de fusion et le comportement de la tension superficielle entre les cristaux et le liquide, les deux étant dépendant du contenu en eau dans le liquide de fusion et de la température. Dans toutes les expériences, le premier liquide est produit sur les bordures de grains, principalement par les minéraux locaux. L'hétérogénéité à l'échelle des grains d'une roche en fusion conduit donc à un gradient de concentration chimique dans le liquide, qui sert de moteur à l'initiation de la migration du liquide. Des fines couches de liquide de fusion le long de bordures de grains formant un réseau enchevêtré s'établit immédiatement. Les hétérogénéités chimiques initiales dans le liquide s'estompent avec le temps.

Weathering and the mobility of phosphorus in the catchments and forefields of the Rhone and Oberaar glaciers, central Switzerland: Implications for the global phosphorus cycle on glacial-interglacial timescales

In this study we evaluate the dynamics of the biophile element phosphorus (P) in the catchment and proglacial areas of the Rhone and Oberaar glaciers (central Switzerland). We analysed erosion and dissolution rates of P-containing minerals in the subglacial environment by sampling water and suspended sediment in glacier outlets during three ablation and two accumulation seasons. We also quantified biogeochemical weathering rates of detrital P in proglacial sedimentary deposits using two chronosequences of samples of fresh, suspended, material obtained from the Oberaar and Rhone water outlets, Little-Ice-Age (LIA) moraines and Younger Dryas (YD) tills in each catchment. Subglacial P weathering is mainly a physical process and detrital P represents more than 99%, of the precipitation-corrected total P denudation flux (234 and 540 kg km(-2) yr(-1) for the Rhone and Oberaar catchments, respectively). The calculated detrital P flux rates are three to almost five times higher than the world average flux. The precipitation-corrected soluble reactive P (SRP) flux corresponds to 1.88-1.99 kg km(-2) yr(-1) (Rhone) and 2.12-2.44 kg km(-2) yr(-1) (Oberaar), respectively. These fluxes are comparable to those of tropical rivers draining transport-limited, tectonically inactive weathering areas. In order to evaluate the efficiency of detrital P weathering in the Rhone and Oberaar proglacial areas, we systematically graded apatite grains extracted from the chronosequence in each catchment relative to weathering-induced changes in their surface morphologies (grades 1-4). Fresh apatite grains are heavily indented and dissolution rounded (grade 1). LIA grains from two 0-10 cm deep moraine samples show extensive dissolution etching, similar to surface grains from the YD profile (mean grades 2.7, 3.5 and 3.5, respectively). In these proglacial deposits, the weathering front deepens progressively as a function of time due to biocorrosion in the evolving acidic pedosphere, with mechanical indentations on grains acting as sites of preferential dissolution. We also measured iron-bound, organic and detrital P concentrations in the chronosequence and show that organic and iron-bound P has almost completely replaced detrital P in the top layers of the YD profiles. Detrital P weathering rates are calculated as 3 10 and 280 kg km(-2) yr(-1) for LIA moraines and 10 kg km(-2) yr(-1) for YD tills. During the first 300 years of glacial sediment exposure P dissolution rates are shown to be approximately 70 times higher than the mean global dissolved P flux from ice-free continents. After 11.6 kyr the flux is 2.5 times the global mean. These data strengthen the argument for substantial changes in the global dissolved P flux on glacial-interglacial timescales. A crude extrapolation from the data described here suggests that the global dissolved P flux may increase by 40-45% during the first few hundred years of a deglaciation phase

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.

Linking temperature estimates and microstructures in deformed polymineralic mantle rocks

To constrain deformation temperatures of mantle shear zones, we studied a strike-slip shear zone (Hilti massif, Semail ophiolite, Oman) and focused on the interaction between microstructural mechanisms and chemical equilibration processes. Quantitative microfabric analysis on harzburgites with different deformation intensity (porphyroclastic tectonite, mylonite, and ultramylonite) was combined with orthopyroxene geothermometry. The average grain size of all phases decreases with decreasing shear zone thickness. Dynamic recrystallization of porphyroclasts in combination with dissolution-precipitation and nucleation result in small-sized, chemically equilibrated pyroxenes. The composition of orthopyroxene was used to calculate deformation temperatures. In the case of the porphyroclastic tectonites, the chemical composition of orthopyroxene has been reset by diffusion yielding temperature estimates of 880-900 degrees C. The mylonites were deformed by dislocation creep of olivine and show a broad range of calculated temperatures, which result from a combination of grain size reduction and inheritance of equilibrium compositions from earlier high-temperature events and diffusion. In mylonites, diffusion profiles combined with geothermometry and grain size analysis indicate a mylonitic deformation temperature of 800-900 degrees C possibly followed by diffusion. In ultramylonites, the smallest grains (<30 mu m) reveal equilibration at temperatures of similar to 700 degrees C during the last stages of ductile deformation, which was dominated by diffusion creep of olivine. Our results provide a crucial link between temperature and evolution of microstructures from dislocation creep to diffusion creep in mantle shear zones.

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.

Structure and expression profile of the Arabidopsis PHO1 gene family indicates a broad role in inorganic phosphate homeostasis.

PHO1 has been recently identified as a protein involved in the loading of inorganic phosphate into the xylem of roots in Arabidopsis. The genome of Arabidopsis contains 11 members of the PHO1 gene family. The cDNAs of all PHO1 homologs have been cloned and sequenced. All proteins have the same topology and harbor a SPX tripartite domain in the N-terminal hydrophilic portion and an EXS domain in the C-terminal hydrophobic portion. The SPX and EXS domains have been identified in yeast (Saccharomyces cerevisiae) proteins involved in either phosphate transport or sensing or in sorting proteins to endomembranes. The Arabidopsis genome contains additional proteins of unknown function containing either a SPX or an EXS domain. Phylogenetic analysis indicated that the PHO1 family is subdivided into at least three clusters. Reverse transcription-PCR revealed a broad pattern of expression in leaves, roots, stems, and flowers for most genes, although two genes are expressed exclusively in flowers. Analysis of the activity of the promoter of all PHO1 homologs using promoter-beta-glucuronidase fusions revealed a predominant expression in the vascular tissues of roots, leaves, stems, or flowers. beta-Glucuronidase expression is also detected for several promoters in nonvascular tissue, including hydathodes, trichomes, root tip, root cortical/epidermal cells, and pollen grains. The expression pattern of PHO1 homologs indicates a likely role of the PHO1 proteins not only in the transfer of phosphate to the vascular cylinder of various tissues but also in the acquisition of phosphate into cells, such as pollen or root epidermal/cortical cells.

The Exotic Palaeo-Thethys Terrane in Central Iran: New geological data from Anarak, Jandaq and Posht-e-Badam areas

Résumé Le « terrane » d'Anarak-Jandak occupe une position géologique clé au nord-ouest du Microcontinent Centre-East Iranien (CE1M), connecté avec le Bloc du Grand Kavir et la ceinture métamorphique de Sanandaj-Sirjan. Nous discutons ici l'origine de ces différentes unités, reliées jusqu'à présent à des épisodes orogéniques d'âge Précambrien à Paléozoïque inférieur, pour conclure finalement de leur affinité paléotéthysienne. Leur histoire commence par un épisode de rifting d'âge Ordovicien supérieur-Dévonien inférieur, pour se terminer au Trias par la collision des blocs Cimmériens dérivé du Gondwana avec le Bloc du Turan d'affinité asiatique (événement Eocimmérien). La plus importante unité métamorphique affleurant au sud-ouest de la région de Jandak-Anarak-Kaboudan est une épaisse séquence silicoclastique à grains fins contenant des blocs ophiolitiques (marginal-sea-type), et des associations basalte-gabbro à signatures géochimiques de type supra-subduction. Dans la région de Nakhlak, nous avons daté ces gabbros par la méthode U-Pb à 387f0.11 Ma ; les roches métamorphiques pélitiques ont donné des âges de refroidissement Ar-Ar pour la muscovite de 320 à 333 Ma. Ce complexe d'accrétion "varisque" a été métamorphisé dans le faciès schiste vert-amphibolite au cours de l'accrétion de la ceinture granitique d'Airekan, d'âge Cambrien inférieur (549±15 Ma par la méthode U/Pb), qui affleure aujourd'hui à l'extrémité nord-ouest du terrane d'Anarak-Jandak . La subduction vers le nord de l'océan Paléotéthys depuis le Paléazoïque supérieur jusqu'au Trias, a permis l'accumulation de grandes quantités de matériel océanique dans la zone de subduction. Par exemple, une succession de guyots (Anarak, Kaboudan, et Meraji Seamounts) et de hauts sous-marins, entrés en collision oblique avec le prisme d'accrétion, est à l'origine d'un léger métamorphisme de type HP qui affecte ces séries {âges Ar-Ar de 280 à 230 Ma). De plus, le magmatisme bimodal de Chah Gorbeh est caractérisé d'une part par des roches de type trondjémite-gabbros (262 Ma), d'autre part par des laves en coussin de type basaltes alcalins-rhyolites; ces roches magmatiques ont recoupé l'ophiolite d'Anarak lors de la mise en place de cette dernière dans la fosse interne de subduction. Quant au prisme d'accrétion de Doshakh, d'âge essentiellement Permien supérieur, i1 a été accrété le long de la marge continentale et métamorphisé dans le faciès schiste vert. La fermeture de la Paléotéthys s'enregistre finalement par la sédimentation dans le bassin d'avant pays du flysch de Bayazeh, d'âge probable Triasique. Le matériel issu de l'arc magmatique de la Paléotéthys est très bien préservé dans les dépôts infra-arc Dévonien supérieur-Carbonifère de Godar-e-Siah, ainsi que dans la succession d'avant-arc de Nakhlak. Pendant l'intervalle Paléozoïque supérieur-Trias, la région de Jandak a été soumise à un régime extensif de type bassin d'arrière-arc, dont un témoin pourrait être la ceinture ophiolitique d'Arusan, elle-même comparable aux écailles ophiolitiques d'Aghdarband au nord-est de l'Iran. Cet ensemble métamorphique est recoupé par des granites d'arc à collisionnel datés à 215±15 Ma. Dans la région de Yazd, témoin de la marge passive Cimmérienne, la sédimentation syn-rift Silurienne à Dévonienne inférieure a été interrompue pendant l'intervalle Trias moyen-Trias supérieur; il en a été de même pour les dépôts de plate-forme Paléozoïque supérieur. L'érosion, qui dans ce dernier cas a atteint le Permien, pourrait être liée au bombement flexural de la marge passive. La collision finale n'a pas induit de déformations trop importantes, et se caractérise par la mise en place de nappes sur la marge passive. Cet événement est scellé par des dépôts molassique du Lias. D'un point de vue régional, la zone s'étendant actuellement de la Mer Noire au Pamir a été soumise à six épisodes d'extension-compression du Jurassique inférieur (début du l'ouverture en position arrière-arc de la Néotéthys) à l'Eocène moyen. Par exemple, le terrane d'AnarakJandak, probablement situé entre le Kopeh Dagh et la plate-forme nord Afghane, s'est complètement détaché de sa patrie d'origine au début du Crétacé supérieur. Des preuves de cet événement se retrouvent dans les séries de plate-forme de Khur (préservation de séries syn-rift puis de marge passive). Les ophiolites de Nain et de Sabzevar sont de plus interprétée comme un témoin de l'existence de ce bassin d'arrière-arc. Dans l'intervalle Eocène-Oligocène, l'indentation par la plaque indienne de l'Eurasie a été contemporaine de la rotation horaire de fragments de l'ancien microcontinent Iranien et de la formation du CEIM. Cette rotation est responsable du transport du terrane d'Anarak-Jandak vers sa position actuelle en Iran Central, et de la dislocation de Terranes de moindre importance, comme le bloc de Posht-e Badam. Depuis le Miocène supérieur, et à la suite de la collision entre l'Arabie et l'Iran, le ternane d'Anarak-Jandak a subi des déformations liées à l'activité d'une zone de cisaillement dextre parallèle à la suture du Zagros, à l'arrière de l'arc magmatique d'Uromieh-Dokhtar. Résumé large public Le Microcontinent Centre-Est Iranien occupe une position géologique clé au centre de l'Iran. Les différentes unités qui le composent, reliées jusqu'à présent à des épisodes orogéniques d'âge Précambrien à Paléozoïque inférieur, sont maintenant rajeunies et liés à la fermeture de l'océean Paléotéthys. Leur histoire commence par un épisode de rifting d'âge Ordovicien supérieur à Dévonien inférieur, pour se terminer au Trias par la collision des- blocs Cimmériens, dérivés du Gondwana, avec le Bloc du Turan d'affinité asiatique. Dans la marge active asiatique de la Paléotéthys, nous avons daté les restes d'un océan marginal à 387±0.11 Ma. Ce complexe d'accrétion a été métamorphisé au cours de la réaccrétion de la ceinture granitique d'Airekan, d'âge Cambrien inférieur (549±15 Ma), qui affleure aujourd'hui à l'extrémité nord-ouest du « terrane » d'Anarak-Jandak correspondant à la plus grande partie de la région étudiée. Le matériel issu de l'arc magmatique de la Paléotéthys est très bien préservé et daté du Dévonien supérieur-Carbonifère. Pendant l'intervalle Paléozoïque supérieur-Trias, la région a été soumise à un régime extensif de type bassin d'arrière-arc, dont un témoin pourrait être la ceinture ophiolitique d'Arusan, comparable aux écailles ophiolitiques d'Aghdarband au nord-est de l'Iran. Cet ensemble métamorphique est recoupé par des granites datés à 215±15 Ma. La subduction vers le nord de l'océan Paléotéthys depuis le Paléozoïque supérieur jusqu'au Trias, a permis l'accumulation de grandes quantités de matériel océanique dans la zone de subduction. Par exemple, une succession de volcans sous-marins, entrés en collision avec le prisme d'accrétion, est à l'origine d'un léger métamorphisme de type HP qui affecte ces séries (280 à 230 Ma). Quant au prisme d'accrétion de Doshakh, d'âge essentiellement Permien supérieur, il a été mis en place le long de la marge continentale et métamorphisé dans le faciès schiste vert. La fermeture de la Paléotéthys s'enregistre finalement par la sédimentation dans le bassin d'avant pays du flysch de Bayazeh, d'âge Triasique. Dans la région de Yazd, on trouve les témoins de la marge passive Cimmérienne, la sédimentation syn-rift Silurienne à Dévonienne inférieure a été interrompue pendant l'intervalle Trias moyen-Trias supérieur, marqué par la flexuration de la marge passive lorsqu'elle rentra en collision avec la marge active asiatique. Cet événement est scellé par des dépôts molassique à charbon du Lias. Le «terrane» d'Anarak-Jandak, probablement situé à l'origine entre le Kopeh Dagh et la plate-forme nord Afghane, s'est complètement détaché de cette région au début du Crétacé supérieur lors de l'ouverture d'un bassin d'arrière-arc, engendré, cette fois, par la subduction de l'océan Néotéthys situé au sud des blocs cimmériens. Des preuves de cet événement se retrouvent dans les séries syn-rift, puis de marge passive de Khour. Les ophiolites de Nain et de Sabzevar sont interprétées comme un témoin de l'existence de ce bassin d'arrière-arc. Dans l'intervalle Eocène-Oligocène, l'indentation de l'Eurasie par la plaque indienne a été contemporaine de la rotation horaire de fragments de l'ancien microcontinent centre-Iranien. Cette rotation de près de 90° est responsable du transport du « terrane » d'Anarak-Jandak vers sa position actuelle. Abstract The Anarak-Jandaq terrane occupies a strategic geological situation at the north-western part of the Central-East Iranian Microcontinent (CEIM) and in connection with the Great Kavir Block and Sanandaj-Sirjan metamorphic belt. Our recent findings redefine the origin of these mentioned areas so far attributed to the Precambrian-Early Palaeozoic orogenic episodes, to be now directly related to the tectonic evolution of the Palaeo-Tethys Ocean, commenced by Late Ordovician-Early Devonian rifting events and terminated in the Triassic by the Eocimmerian tectonic event due to the collision of the Cimmerian blocks with the Asiatic Turan block. The most distributed metamorphic unit that is exposed from the south-west of Jandaq to the Anarak and Kaboudan areas is a thick and fine grain siliciclastic sequence accompanied by marginal-sea-basin ophiolitic blocks including basalt-gabbro association with supra-subduction-geochemical signature. These gabbros in the Nakhlak area were dated by U/Pb method at 387.6 ± 0.11 Ma and the metamorphic pelitic rocks yielded a range of 320 to 333 Ma muscovite-cooling ages based on 40Ar/39 Ar method. This "Variscan" accretionary complex was metamorphosed in greenschist-amphibolite facies during accretion to the Lower Cambrian Airekan granitic belt (549 ± 15 Ma by U/Pb method) that crops out at the northwestern edge of the Anarak-Jandaq terrane. Continued northward subduction of the Palaeo-Tethys Ocean during the entire Late Palaeozoic-Middle Triassic brought huge amount of oceanic material to the subduction zone. One chain of Carboniferous-Triassic oceanic rises and seamounts (the Anarak, Kaboudan, and Meraji Seamounts) obliquely collided with the accretionary wedge and created a mild HP metamorphic event (280-230 Ma based on 40Ar/39Ar results). Bimodal magmatism of the Chah Gorbeh area is characterized by a 262 Ma trondjemite-gabbro as well as pillow alkalibasalts-rhyolites which intruded the Anarak ophiolite when it was being emplaced within the inner-wall trench. The mainly Late Permian-Triassic Doshakh wedge was accreted along the continent and metamorphosed under lower greenschist facies and the probable Triassic Bayazeh flysch filled the foreland basin during the final closure. The Palaeo-Tethys magmatic arc products have been well preserved in the Late Devonian-Carboniferous Godar-e-Siah intra-arc deposits and the Triassic Nakhlak fore-arc succession. During the Late Palaeozoic-Triassic times, the Jandaq area has been affected by back-arc extension and probably the Arusan ophiolitic belt is the remnant of this narrow basin comparable to the Aqdarband ophiolitic remnant in north-east Iran. This metamorphic belt was intruded by 215 ± 15 Ma arc to collisional granites. In the passive margin of the Cimmerian block, on the Yazd region, the Silurian-Early Devonian syn-rift succession as well as the nearly continuous Upper Palaeozoic platform-type deposition was interrupted during the Middle to Late Triassic time, local erosion down to Devonian levels may be related to flexural bulge erosion. The collision event was not so strong to generate intensive deformation but was accompanied by some nappe thrusting onto the passive margin. It is finally unconformably covered by Liassic continental molassic deposits. Related to the onset of Neo-Tethyan back-arc opening in Early Jurassic to Mid-Eocene times, six periods of extensional-compressional events have differently influenced an elongated area, extending from the West Black Sea to Pamir. The Anarak-Jandaq terrane which was situated somewhere in this affected area, probably between the Kopeh Dagh and North Afghan platform, was completely detached from its source at the beginning of the Late Cretaceous

Heterogeneous 40Ar* distributions in naturally deformed muscovite: in situ UV-laser ablation evidence for micro structurally controlled intragrain diffusion

Micas are commonly used in Ar-40/Ar-39 thermochronological studies of variably deformed rocks yet the physical basis by which deformation may affect radiogenic argon retention in mica is poorly constrained. This study examines the relationship between deformation and deformation-induced microstructures on radiogenic argon retention in muscovite, A combination of furnace step-heating and high-spatial resolution in situ UV-laser ablation Ar-40/Ar-39 analyses are reported for deformed muscovites sampled from a granitic pegmatite vein within the Siviez-Mischabel Nappe, western Swiss Alps (Penninic domain, Brianconnais unit). The pegmatite forms part of the Variscan (similar to 350 Ma) Alpine basement and exhibits a prominent Alpine S-C fabric including numerous mica `fish' that developed under greenschist facies metamorphic conditions, during the dominant Tertiary Alpine tectonic phase of nappe emplacement. Furnace step-heating of milligram quantities of separated muscovite grains yields an Ar-40/Ar-39 age spectrum with two distinct staircase segments but without any statistical plateau, consistent with a previous study from the same area. A single (3 X 5 mm) muscovite porphyroclast (fish) was investigated by in situ UV-laser ablation. A histogram plot of 170 individual Ar-40/Ar-39 UV-laser ablation ages exhibit a range from 115 to 387 Ma with modes at approximately 340 and 260 Ma. A variogram statistical treatment of the (40)Ad/Ar-39 results reveals ages correlated with two directions; a highly correlated direction at 310 degrees and a lesser correlation at 0 degrees relative to the sense of shearing. Using the highly correlated direction a statistically generated (Kriging method) age contour map of the Ar-40/Ar-39 data reveals a series of elongated contours subparallel to the C-surfaces which where formed during Tertiary nappe emplacement. Similar data distributions and slightly younger apparent ages are recognized in a smaller mica fish. The observed intragrain age variations are interpreted to reflect the partial loss of radiogenic argon during Alpine (similar to 35 Ma) greenschist facies metamorphism. One-dirnensional diffusion modelling results are consistent with the idea that the zones of youngest apparent age represent incipient shear band development within the mica porphyroclasts, thus providing a network of fast diffusion pathways. During Alpine greenschist facies metamorphism the incipient shear bands enhanced the intragrain loss of radiogenic argon. The structurally controlled intragrain age variations observed in this investigation imply that deformation has a direct control on the effective length scale for argon diffusion, which is consistent with the heterogeneous nature of deformation. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

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.

Microfabrics in carbonate mylonites along a large-scale shear zone (Helvetic Alps)

Carbonate mylonites with varying proportions of second-phase minerals were collected at positions of increasing metamorphic grade along the basal thrust of the Morcles nappe (Helvetic nappes, Switzerland). Variations of temperature, stress, and strain rate, changes in chemistry of solid and fluid phases, and differing degrees of strain localization and annealing were tracked by measuring the shapes, mean sizes, and size distributions of both matrix and second-phase grains, as well as crystal preferred orientation (CPO) of the matrix. Field structures suggest that strain rate was constant along the fault. The mean and distribution of the calcite grain sizes were affected most profoundly by temperature: Increased temperature, presumably accompanied by decreased stress, correlated with larger mean sizes and wider size distributions. At a given location, the matrix grains in mylonites with more second-phase particles are, on average, smaller, have narrower size distributions, and have more elongate shapes. For example, mylonites with 50 vol.% of second phases have matrix grain sizes half that of pure mylonites. Changes in calcite chemistry and the presence of synkinematic fluids seemed to influence microfabric only weakly. Temporal variations in conditions, such as exhumation-induced cooling, apparently provoke changes in temperature, stress, and strain rate along the nappe. These changes result in further strain localization during retrograde conditions and cause the grain size to be reduced by an additional 50%. The matrix CPO strengthens with increasing temperature or strain, but weakens and rotates with increasing second-phase content, These fabric changes suggest differing rates of grain growth, grain size reduction, and development of CPO owing to variations in the deformation conditions and, perhaps, mechanisms. To interpret natural mylonite structures or to extrapolate mechanical data to natural situations requires careful characterization of the microfabric, and, in particular, second-phase minerals. (c) 2007 Elsevier B.V, All rights reserved.