Environmental and biological controls on the geochemistry (δ18O, δ13C, Mg/Ca, and Sr/Ca) of living ostracods from Lake Geneva

ABSTRACT : Ostracods are benthic microcrustaceans enclosed in low-Mg calcite bivalves. Stable isotope compositions, Mg/Ca, and Sr/Ca ratios of ostracod fossil valves have proven useful to reconstruct past environmental conditions. Yet, several discrepancies persist and the influence of many factors remains unclear. It is the aim of this study to improve the use of ostracod valve geochemistry as palaeoenvironmental proxies by examining the extent of isotope fractionation and trace element partitioning during valve calcification. To achieve this, the environmental parameters (pH, temperature) and chemical composition of water (C-and O-isotope composition and calcium, magnesium, and strontium content) were measured at sites where living ostracods were sampled. The sampling was on a monthly basis over the course of one year at five different water depths (2, 5, 13, 33, and 70 m) in Lake Geneva, Switzerland. The one-year sampling enabled collection of environmental data for bottom and interstitial pore water. In littoral to sublittoral zones, C-isotope composition of DIC and the Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water are found to vary concomitantly with water temperature. This is due to the precipitation of calcite, which is induced by higher photosynthetic activity as temperature and/or solar radiation intensify in summer. In deeper zones, environmental parameters remain largely constant throughout the year. Variations of pH, DIC concentrations and C-isotope compositions in interstitial water result from aerobic as well as anaerobic respiration, calcite dissolution and methanogenesis. Bathymetric distribution, life cycles, and habitats were derived for 15 ostracod species and are predominantly related to water temperature and sediment texture. O-isotope compositions of ostracod valves in Lake Geneva reflect that of water and temperature. However, offsets of up to 3 permil are observed in comparison with proposed inorganic calcite precipitation equilibrium composition. Deprotonation of HCO3- and/or salt effect at crystallisation sites may explain the disequilibrium observed for O-isotopic compositions. C-isotope compositions of ostracod valves are not as well constrained and appear to be controlled by a complex interaction between habitat preferences and seasonal as well as spatial variations of the DIC isotope composition. For infaunal forms, C-isotope compositions reflect mainly the variation of DIC isotope composition in interstitial pore waters. For epifaunal forms, C-isotope compositions reflect the seasonal variation of DIC isotope compositions. C-isotope compositions of ostracod valves is at equilibrium with DIC except for a small number of species (L. inopinata, L. sanctipatricii and possibly C. ophtalmica, and I. beauchampi). Trace element uptake differs considerably from species to species. For most epifaunal forms, trace element content follows the seasonal cycle, recording temperature increases and/or variations of Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water. In contrast, infaunal forms are predominantly related to sediment pore water chemistry. RÉSUMÉ EN FRANÇAIS : Les ostracodes sont de petits crustacés benthiques qui possèdent une coquille faite de calcite à faible teneur en magnésium. La composition isotopique et les rapports Mg/Ca et Sr/Ca d'ostracodes fossiles ont été utilisés maintes fois avec succès pour effectuer des reconstructions paléoenvironnementales. Néanmoins, certains désaccords persistent sur l'interprétation de ces données. De plus, l'influence de certains facteurs pouvant biaiser le signal reste encore inconnue. Ainsi, le but de cette étude est de rendre plus performant l'emploi de la composition géochimique des ostracodes comme indicateur paléoenvironnemental. Pour réaliser cela, cinq sites situés dans le Léman à 2, 5, 13, 33 et 70 m de profondeur ont été choisis pour effectuer les échantillonnages. Chaque site a été visité une fois par mois durant une année. Les différents paramètres environnementaux (pH, température) ainsi que la composition géochimique de l'eau (composition isotopique de l'oxygène et du carbone ainsi que teneur en calcium, magnésium et strontium) ont été déterminés pour chaque campagne. Des ostracodes vivants ont été récoltés au cinq sites en même temps que les échantillons d'eau. Ce travail de terrain a permis de caractériser la géochimie de l'eau se trouvant juste au-dessus des sédiments ainsi que celle de l'eau se trouvant dans les interstices du sédiment. Dans les zones littorales à sublittorales, la composition isotopique du carbone inorganique dissout (CID) ainsi que les rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau varient linéairement avec la température. Ceci peut être expliqué par la précipitation de calcite qui est contrôlée par l'activité photosynthétique, variant elle même linéairement avec la température. Dans les zones plus profondes, les paramètres environnementaux restent relativement constants tout au long de l'année. Les variations du pH, de la concentration et de la composition isotopique du CID dans les sédiments résultent de la libération de carbone engendrée par la dégradation de la matière organique avec présence d'oxygène ou via réduction de nitrates et de sulfates, par la dissolution de carbonates, ainsi que par la méthanogenèse. La distribution bathymétrique, le cycle de vie ainsi que l'habitat de 15 espèces ont été déterminés. Ceux-ci sont principalement reliés à la température de l'eau et à la texture des sédiments. La composition isotopique de l'oxygène des valves d'ostracodes reflète celle de l'eau et la température qui régnait lors de la calcification. Néanmoins, des écarts pouvant aller jusqu'à 3 0/00 par rapport à l'équilibre théorique ont été obtenus. La déprotonation de HCO3 ou un 'effet de sel' pourrait être à l'origine du déséquilibre observé. La composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes n'est pas aussi bien cernée. Celle-ci semble être principalement contrôlée par une interaction complexe entre l'habitat des ostracodes et les variations saisonnières et spatiales de la composition isotopique du CID. Pour les espèces endofaunes, la composition isotopique du carbone reflète principalement la variation de la composition isotopique du CID à l'intérieur des sédiments. Pour les formes épifaunes, c'est la variation saisonnière de la composition du CID qui contrôle celle de la coquille des ostracodes. En général, la composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes est en équilibre avec celle de CID, hormis pour quelques rares espèces (L. inopinata, L. sanctipatricii et peut-être C. ophtalmica et I. beauchampi). L'incorporation des éléments traces diffère passablement d'une espèce à l'autre. Pour la plupart des espèces épifaunes, la teneur en éléments traces des coquilles reflète les variations saisonnières. Ces espèces semblent enregistrer les variations soit de la température soit des rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau. La teneur en élément traces des formes infaunales, au contraire, est principalement reliée à la chimie de l'eau interstitielle. RÉSUMÉ GRAND-PUBLIC : La connaissance de l'évolution du climat dans le futur est primordiale pour notre société, car elle permet de développer différentes stratégies pour faire face aux problèmes engendrés pas le changement climatique : stratégies environnementale, humanitaire, ou encore économique. Cette problématique est actuellement, à juste titre, sujet d'une vive préoccupation. La géologie peut-elle contribuer à l'effort communautaire entrepris? Naturellement, ce sont les climatologues qui sont sur le devant de la scène. Il n'empêche que ces derniers, pour pouvoir prédire l'avenir, doivent s'appuyer sur le passé. La géologie est alors d'un grand intérêt car c'est effectivement la seule science qui permette d'estimer les variations climatiques à grande échelle sur de longues périodes. Ainsi, voulant moi-même contribuer aux recherches menées dans ce domaine, je me suis tourné à la fin de mes études vers la paléoclimatologie, science qui a pour but de reconstruire le climat des temps anciens. Nous nous sommes rendu compte que l'évolution climatique de la région où nous habitons n'avait pas encore fait le sujet d'études approfondies. Il est pourtant important de connaître la variation locale des changements climatiques pour obtenir des modèles climatiques fiables. En conséquence, un vaste projet a vu le jour : reconstruire, à l'aide des sédiments du lac Léman, les variations paléoclimatiques et paléo-environnementales depuis le retrait du Glacier de Rhône, il y a environ 15'000 ans, jusqu'à nos jours. Pour ce genre de travail, la géochimie, qui est une forme de chimie, utilisée en science de la terre regroupant la chimie classique et la chimie isotopique, est une alliée particulièrement efficace. Elle permet en effet, via différentes mesures faites sur des archives géologiques (par exemple des fossiles ou des sédiments) d'obtenir des informations, souvent quantitatives, sur les conditions (le climat, la flore ou encore la bio productivité, etc...) qui régnaient il y a fort longtemps. Les coquilles d'ostracodes, qui sont de petits animaux vivant au fond des lacs, sont une des archives les plus prometteuses. Ces animaux sont des petits crustacés s'entourant d'une coquille calcaire qu'ils sécrètent eux-mêmes. A la mort de l'animal, la coquille est intégrée dans les sédiments et reste intacte à travers les âges. Des études ont montré qu'en analysant la géochimie de ces coquilles fossiles, il est possible de reconstruire les conditions environnementales qui régnaient à l'époque de vie de ces fossiles. Cette démarche nécessite qu'une condition bien précise soit remplie: la composition géochimique de la coquille doit enregistrer de manière fidèle la chimie de l'eau et/ou la température de l'eau présentes au moment de la sécrétion de la coquille. Le but spécifique de notre recherche a précisément été d'étudier la façon dont la chimie de l'eau ainsi que sa température sont enregistrées dans la coquillé des ostracodes. Une fois les relations entre ces divers paramètres dans l'étant actuel du système établies, il sera alors possible de les utiliser pour interpréter des données issues de coquilles fossiles. Pour ce faire, nous avons mesuré la température de l'eau de manière continue et récolté mensuellement des échantillons d'eau et des ostracodes vivants pendant une année. Cinq sites situés à 2, 5, 13, 33 et 70 mètres de profondeur ont été choisis pour effectuer ces échantillonnages dans le Léman. Le travail de terrain nous a amené à étudier la biologie de 15 espèces. Nous avons pu établir la profondeur à laquelle vivent ces animaux, leur période de développement ainsi que leur habitat respectifs. Ces résultats ont permis de mieux cerner la relation qu'il existe entre la chimie de l'eau, sa température et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes. Nous avons ainsi pu confirmer que les coquilles d'ostracodes enregistrent de manière fidèle la composition chimique et isotopique de l'eau. De même, nous avons pu établir de manière plus précise l'effet de la température sur la géochimie des coquilles. Néanmoins, les relations trouvées entre ces trois éléments sont plus complexes pour certaines espèces, cette complexité étant souvent liée à un caractère spécifique de leur écologie. Nous avons mis en lumière certains effets qui biaisent les résultats et défini précisément les conditions dans lesquelles on peut s'attendre à avoir des difficultés dans leur interprétation. Maintenant que nous avons établi les relations entre le climat actuel et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes actuels, nous pouvons, sur la base de ce modèle, reconstruire le climat depuis le retrait du Glacier du Rhône jusqu'à nos jours à l'aide d'ostracodes fossiles. Mais cela est une autre histoire et fera, je l'espère, le sujet de nos futures recherches.

25 years of movement monitoring on the south peak of Turtle mountain: Understanding the hazard

En 1981, le gouvernement de l'Alberta a amélioré la surveillance de la pointe sud « South Peak » de la montagne Turtle, sur la frontière sud du glissement Frank de 1903. Le programme de surveillance vise à comprendre les taux de déformation des fissures larges et profondes sur « South Peak », et à prédire une seconde avalanche rocheuse sur la montagne. Le programme de surveillance consiste à installer un complément de points statiques et de stations suivies à distance, qui sont mesurés périodiquement. Des données climatiques, microsismiques et de déformation sont recueillies automatiquement à intervalles journaliers, et sont archivées. À la fin des années 1980, le financement pour le développement du programme de surveillance a cessé et quelques installations se sont détériorées. Entre mai 2004 et septembre 2006, des lectures sur les points de surveillance encore fonctionnels ont été compilées et interprétées. De plus, les lectures prélevées auparavant ont été réinterprétées à partir des connaissances récentes sur les modèles de mouvement à court terme et les influences climatiques. Ces observations ont été comparées à des récentes observations aériennes d'un modèle digital d'élévation, provenant de « light detection and ranging (LiDAR) », et des photos de terrain, afin d'estimer plus précisément les taux, l'étendue et la distribution des mouvements pour les derniers 25 ans.

Climatic and anthropogenic influence on the stable isotope record from bulk carbonates and ostracodes in Lake Neuchatel, Switzerland, during the last two millennia

Lake Neuchatel is a medium sized, hard-water lake, lacking varved sediments, situated in the western Swiss Lowlands at the foot of the Jura Mountains. Stable isotope data (delta(18)O and delta(13)C) from both bulk carbonate and ostracode calcite in an 81 cm long, radiocarbon-dated sediment core represent the last 1500 years of Lake Neuchatel's environmental history. Comparison between this isotopic and other palaeolimnologic data (mineralogical, geochemical, palynological, etc.) helps to differentiate between anthropogenic and natural factors most recently affecting the lake. An increase in lacustrine productivity (450-650AD ca), inferred from the positive trend in delta(13)C values of bulk carbonate, is related to medieval forest clearances and the associated nutrient budget changes. A negative trend in both the bulk carbonate and ostracode calcite delta(18)O values between approximately 1300 and 1500AD, is tentatively interpreted as due to a cooling in mean air temperature at the transition from the Medieval Warm Period to the Little Ice Age. Negative trends in bulk carbonate delta(18)O and delta(13)C values through the uppermost sediments, which have no equivalent in ostracode calcite isotopic values, are concomitant with the recent onset of eutrophication in the lake. Isotopic disequilibrium during calcite precipitation, probably due to kinetic factors in periods of high productivity is postulated as the mechanism to explain the associated negative isotopic trends, although the effect of a shift of the calcite precipitation towards the warmer months cannot be excluded.

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

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

Influence of bedrock structures on the spatial pattern of erosional landforms in small alpine catchments

Structural settings and lithological characteristics are traditionally assumed to influence the development of erosional landforms, such as gully networks and rock couloirs, in steep mountain rock basins. The structural control of erosion of two small alpine catchments of distinctive rock types is evaluated by comparing the correspondences between the orientations of their gullies and rock couloirs with (1) the sliding orientations of potential slope failures mechanisms, and (2) the orientation of the maximum joint frequency, this latter being considered as the direction exploited primarily by erosion and mass wasting processes. These characteristic orientations can be interpreted as structural weaknesses contributing to the initiation and propagation of erosion. The morphostructural analysis was performed using digital elevation models and field observations. The catchment comprised of magmatic intrusive rocks shows a clear structural control, mostly expressed through potential wedges failure. Such joint configurations have a particular geometry that encourages the development of gullies in hard rock, e.g. through enhanced gravitational and hydrological erosional processes. In the catchment underlain by sedimentary rocks, penetrative joints that act as structural weaknesses seem to be exploited by gullies and rock couloirs. However, the lithological setting and bedding configuration prominently control the development of erosional landforms, and influence not only the local pattern of geomorphic features, but the general morphology of the catchment. The orientations of the maximum joint frequency are clearly associated with the gully network, suggesting that its development is governed by anisotropy in rock strength. These two catchments are typical of bedrock-dominated basins prone to intense processes of debris supply. This study suggests a quantitative approach for describing the relationship between bedrock jointing and geomorphic features geometry. Incorporation of bedrock structure can be relevant when studying processes governing the transfer of clastic material, for the assessment of sediment yields and in landforms evolution models.

Scale-specific sex-biased dispersal in the Valais shrew unveiled by genetic variation on the Y chromosome, autosomes, and mitochondrial DNA.

We investigated sex specificities in the evolutionary processes shaping Y chromosome, autosomes, and mitochondrial DNA patterns of genetic structure in the Valais shrew (Sorex antinorii), a mountain dwelling species with a hierarchical distribution. Both hierarchical analyses of variance and isolation-by-distance analyses revealed patterns of population structure that were not consistent across maternal, paternal, and biparentally inherited markers. Differentiation on a Y microsatellite was lower than expected from the comparison with autosomal microsatellites and mtDNA, and it was mostly due to genetic variance among populations within valleys, whereas the opposite was observed on other markers. In addition, there was no pattern of isolation by distance for the Y, whereas there was strong isolation by distance on mtDNA and autosomes. We use a hierarchical island model of coancestry dynamics to discuss the relative roles of the microevolutionary forces that may induce such patterns. We conclude that sex-biased dispersal is the most important driver of the observed genetic structure, but with an intriguing twist: it seems that dispersal is strongly male biased at large spatial scale, whereas it is mildly biased in favor of females at local scale. These results add to recent reports of scale-specific sex-biased dispersal patterns, and emphasize the usefulness of the Y chromosome in conjunction with mtDNA and autosomes to infer sex specificities.