Contribution to the geology of Thailand and implications for the geodynamic evolution of Southeast Asia

Abstract The purpose of this study is to unravel the geodynamic evolution of Thailand and, from that, to extend the interpretation to the rest of Southeast Asia. The methodology was based in a first time on fieldwork in Northern Thailand and Southernmost Myanmar, using a multidisciplinary approach, and then on the compilation and re-interpretation, in a plate tectonics point of view, of existing data about the whole Southeast Asia. The main results concern the Nan-Uttaradit suture, the Chiang Mai Volcanic Belt and the proposition of a new location for the Palaeotethys suture. This led to the establishment of a new plate tectonic model for the geodynamic evolution of Southeast Asia, implying the existence new terranes (Orang Laut and the redefinition of Shan-Thai) and the role of the Palaeopacific Ocean in the tectonic development of the area. The model proposed here considers the Palaeotethys suture as located along the Tertiary Mae Yuam Fault, which represents the divide between the Cimmerian Sibumasu terrane and the Indochina-derived Shan-Thai block. The term Shan-Thai, previously used to define the Cimmerian area (when the Palaeotethys suture was thought to represented by the Nan-Uttaradit suture), was redefined here by keeping its geographical location within the Shan States of Myanmar and Central-Northern Thailand, but attributing it an East Asian Origin. Its detachment from Indochina was the result of the Early Permian opening of the Nan basin. The Nan basin closed during the Middle Triassic, before the deposition of Carnian-Norian molasse. The modalities of the closure of the basin imply a first phase of Middle Permian obduction, followed by final eastwards subduction. The Chiang Mai Volcanic Belt consists of scattered basaltic rocks erupted at least during the Viséan in an extensional continental intraplate setting, on the Shan-Thai part of the Indochina block. The Viséan age was established by the dating of limestone stratigraphically overlying the basalts. In several localities of the East Asian Continent, coeval extensional features occur, possibly implying one or more Early Carboniferous extensional events at a regional scale. These events occurred either due to the presence of a mantle plume or to the roll-back of the Palaeopacific Ocean, subducting beneath Indochina and South China, or both. The Palaeopacific Ocean is responsible, during the Early Permian, for the opening of the Song Ma and Poko back-arcs (Vietnam) with the consequent detachment of the Orang Laut Terranes (Eastern Vietnam, West Sumatra, Kalimantan, Palawan, Taiwan). The Late Triassic/Early Jurassic closure of the Eastern Palaeotethys is considered as having taken place by subduction beneath its southern margin (Gondwana), due to the absence of Late Palaeozoic arc magmatism on its northern (Indochinese) margin and the presence of volcanism on the Cimmerian blocks (Mergui, Lhasa). Résumé Le but de cette étude est d'éclaircir l'évolution géodynamique de la Thaïlande et, à partir de cela, d'étendre l'interprétation au reste de l'Asie du Sud-Est. La méthodologie utilisée est basée dans un premier temps sur du travail de terrain en Thaïlande du nord et dans l'extrême sud du Myanmar, en se basant sur une approche pluridisciplinaire. Dans un deuxième temps, la compilation et la réinterprétation de données préexistantes sur l'Asie du Sud-est la été faite, dans une optique basée sur la tectonique des plaques. Les principaux résultats de ce travail concernent la suture de Nan-Uttaradit, la « Chiang Mai Volcanic Belt» et la proposition d'une nouvelle localité pour la suture de la Paléotethys. Ceci a conduit à l'établissement d'un nouveau modèle pour l'évolution géodynamique de l'Asie du Sud-est, impliquant l'existence de nouveaux terranes (Orang Laut et Shan-Thai redéfini) et le rôle joué par le Paléopacifique dans le développement tectonique de la région. Le modèle présenté ici considère que la suture de la Paléotethys est située le long de la faille Tertiaire de Mae Yuam, qui représente la séparation entre le terrain Cimmérien de Sibumasu et le bloc de Shan-Thai, d'origine Indochinoise. Le terme Shan-Thai, anciennement utilise pour définir le bloc Cimmérien (quand la suture de la Paléotethys était considérée être représentée par la suture de Nan-Uttaradit), a été redéfini ici en maintenant sa localisation géographique dans les états Shan du Myanmar et la Thaïlande nord-centrale, mais en lui attribuant une origine Est Asiatique. Son détachement de l'Indochine est le résultat de l'ouverture du basin de Nan au Permien Inférieur. Le basin de Nan s'est fermé pendant le Trias Moyen, avant le dépôt de molasse Carnienne-Norienne. Les modalités de fermeture du basin invoquent une première phase d'obduction au Permien Moyen, suivie par une subduction finale vers l'est. La "Chiang Mai Volcanic Belt" consiste en des basaltes éparpillés qui ont mis en place au moins pendant le Viséen dans un contexte extensif intraplaque continental sur la partie de l'Indochine correspondant au bloc de Shan-Thai. L'âge Viséen a été établi sur la base de la datation de calcaires qui surmontent stratigraphiquement les basaltes. Dans plusieurs localités du continent Est Asiatique, des preuves d'extension plus ou moins contemporaines ont été retrouvées, ce qui implique l'existence d'une ou plusieurs phases d'extension au Carbonifère Inférieur a une échelle régionale. Ces événements sont attribués soit à la présence d'un plume mantellique, ou au rollback du Paléopacifique, qui subductait sous l'Indochine et la Chine Sud, soit les deux. Pendant le Permien inférieur, le Paléopacifique est responsable pour l'ouverture des basins d'arrière arc de Song Ma et Poko (Vietnam), induisant le détachement des Orang Laut Terranes (Est Vietnam, Ouest Sumatra, Kalimantan, Palawan, Taiwan). La fermeture de la Paléotethys Orientale au Trias Supérieur/Jurassique Inférieur est considérée avoir eu lieu par subduction sous sa marge méridionale (Gondwana), à cause de l'absence de magmatisme d'arc sur sa marge nord (Indochinoise) et de la présence de volcanisme sur les blocs Cimmériens de Lhassa et Sibumasu (Mergui). Résumé large public L'histoire géologique de l'Asie du Sud-est depuis environ 430 millions d'années a été déterminée par les collisions successives de plusieurs continents les uns avec les autres. Il y a environ 430 millions d'années, au Silurien, un grand continent appelé Gondwana, a commencé à se «déchirer» sous l'effet des contraintes tectoniques qui le tiraient. Cette extension a provoqué la rupture du continent et l'ouverture d'un grand océan, appelé Paléotethys, éloignant les deux parties désormais séparées. C'est ainsi que le continent Est Asiatique, composé d'une partie de la Chine actuelle, de la Thaïlande, du Myanmar, de Sumatra, du Vietnam et de Bornéo a été entraîné avec le bord (marge) nord de la Paléotethys, qui s'ouvrait petit à petit. Durant le Carbonifère Supérieur, il y a environ 300 millions d'années, le sud du Gondwana subissait une glaciation, comme en témoigne le dépôt de sédiments glaciaires dans les couches de cet âge. Au même moment le continent Est Asiatique se trouvait à des latitudes tropicales ou équatoriales, ce qui permettait le dépôt de calcaires contenant différents fossiles de foraminifères d'eau chaude et de coraux. Durant le Permien Inférieur, il y a environ 295 millions d'années, la Paléotethys Orientale, qui était un relativement vieil océan avec une croûte froide et lourde, se refermait. La croûte océanique a commencé à s'enfoncer, au sud, sous le Gondwana. C'est ce que l'on appelle la subduction. Ainsi, le Gondwana s'est retrouvé en position de plaque supérieure, par rapport à la Paléotethys qui, elle, était en plaque inférieure. La plaque inférieure en subductant a commencé à reculer. Comme elle ne pouvait pas se désolidariser de la plaque supérieure, en reculant elle l'a tirée. C'est le phénomène du «roll-back ». Cette traction a eu pour effet de déchirer une nouvelle fois le Gondwana, ce qui a résulté en la création d'un nouvel Océan, la Neotethys. Cet Océan en s'ouvrant a déplacé une longue bande continentale que l'on appelle les blocs Cimmériens. La Paléotethys était donc en train de se fermer, la Neotethys de s'ouvrir, et entre deux les blocs Cimmériens se rapprochaient du Continent Est Asiatique. Pendant ce temps, le continent Est Asiatique était aussi soumis à des tensions tectoniques. L'Océan Paléopacifique, à l'est de celui-ci, était aussi en train de subducter. Cette subduction, par roll-back, a déchiré le continent en détachant une ligne de microcontinents appelés ici « Orang Laut Terranes », séparés du continent par deux océans d'arrière arc : Song Ma et Poko. Ceux-ci sont composés de Taiwan, Palawan, Bornéo ouest, Vietnam oriental, et la partie occidentale de Sumatra. Un autre Océan s'est ouvert pratiquement au même moment dans le continent Est Asiatique : l'Océan de Nan qui, en s'ouvrant, a détaché un microcontinent appelé Shan-Thai. La fermeture de l'Océan de Nan, il y a environ 230 millions d'années a resolidarisé Shan-Thai et le continent Est Asiatique et la trace de cet événement est aujourd'hui enregistrée dans la suture (la cicatrice de l'Océan) de Nan-Uttaradit. La cause de l'ouverture de l'Océan de Nan peut soit être due à la subduction du Paléopacifique, soit aux fait que la subduction de la Paléotethys tirait le continent Est Asiatique par le phénomène du « slab-pull », soit aux deux. La subduction du Paléopacifique avait déjà crée de l'extension dans le continent Est Asiatique durant le Carbonifère Inférieur (il y a environ 340-350 millions d'années) en créant des bassins et du volcanisme, aujourd'hui enregistré en différents endroits du continent, dont la ceinture volcanique de Chiang Mai, étudiée ici. A la fin du Trias, la Paléotethys se refermait complètement, et le bloc Cimmérien de Sibumasu entrait en collision avec le continent Est Asiatique. Comme c'est souvent le cas avec les grands océans, il n'y a pas de suture proprement dite, avec des fragments de croûte océanique, pour témoigner de cet évènement. Celui-ci est visible grâce à la différence entre les sédiments du Carbonifère Supérieur et du Permieñ Inférieur de chaque domaine : dans le domaine Cimmérien ils sont de type glaciaire alors que dans le continent Est Asiatique ils témoignent d'un climat tropical. Les océans de Song Ma et Poko se sont aussi refermés au Trias, mais eux ont laissé des sutures visibles

Disparity in the timing of vertebrate diversification events between the northern and southern hemispheres.

ABSTRACT: BACKGROUND: Climatic oscillations throughout the Quaternary had profound effects on temperate biodiversity, but the extent of Quaternary climate change was more severe in temperate regions of the northern hemisphere than in the southern hemisphere. We sought to determine whether this geographic disparity differentially influenced the timing of intraspecific diversification events within ectothermic and endothermic vertebrate species. Using published phylogenetic hypotheses, we gathered data on the oldest intraspecific diversification event within mammal, bird, freshwater fish, amphibian, and reptile species from temperate-zone areas. We then tested whether the timing of diversification events differed between hemispheres. RESULTS: Our analyses provide strong evidence that vertebrates from temperate regions of the northern hemisphere are younger than those from the southern hemisphere. However, we find little evidence to suggest that this relationship differs between endotherms versus ectotherms, or that it varies widely across the five classes of vertebrates that we considered. In addition, we find that on average, endothermic species are much younger than ectothermic species. CONCLUSION: Our findings suggest that geographic variation in the magnitude of climatic oscillations during the Quaternary led to substantial disparity in the timing of intraspecific diversification events between northern and southern hemisphere vertebrates, and that the magnitude of this divergence is largely congruent across vertebrate taxa.

Correlating the end-Triassic mass extinction and flood basalt volcanism at the 100 ka level

New high-precision U/Pb geochronology from volcanic ashes shows that the Triassic-Jurassic boundary and end-Triassic biological crisis from two independent marine stratigraphic sections correlate with the onset of terrestrial flood volcanism in the Central Atlantic Magmatic Province to <150 ka. This narrows the correlation between volcanism and mass extinction by an order of magnitude for any such catastrophe in Earth history. We also show that a concomitant drop and rise in sea level and negative delta C-13 spike in the very latest Triassic occurred locally in <290 ka. Such rapid sea-level fluctuations on a global scale require that global cooling and glaciation were closely associated with the end-Triassic extinction and potentially driven by Central Atlantic Magmatic Province volcanism.

A new scenario for the Domerian-Toarcian transition

In contrast to the majority of recently published hypotheses, we believe that the main trigger for early Toarcian anoxia is neither increased primary productivity during the Tenuicostatum and Falciferum Zones nor sudden methane hydrate degassing close to the transition between these two zones. In our opinion, this peculiar paleoceanographic episode is linked to a major, though short-lived, regression at the end of Upper Domerian. Sea-level fall resulted from sudden cooling due to increased volcanic activity. This generated global thermal insulation and subsequent glaciation. The regression is responsible for a major hiatus over NW-European epicontinental seas and is later followed by the well-known Lower Toarcian transgression. The interval corresponding to this hiatus allowed vegetation to colonise vast newly emerged surfaces. The leaching and drowning of the accumulated organo-humic matter then triggered the anoxic cycle at the transgressive maximum, concomitant with a global warming.

Early Cretaceous radiolarians of the Northeast Indian Ocean (leg 123 - site 765, site 766 and dsdp site 261) - The Antarctic-Tethys connection

During ODP Leg 123, abundant and well-preserved Neocomian radiolarians were recovered at Site 765 (Argo Abyssal Plain) and Site 766 (lower Exmouth Plateau). Assemblages are characterized by the numerical dominance of a small number of non-tethyan forms and by the scarcity of tethyan taxa. Remarkable contrasts exist between radiolarian assemblages extracted from claystones of Site 765 and reexamined DSDP Site 26 1, and faunas recovered from radiolarian sand layers, only found at Site 765. Clay faunas are unusual in their low diversity of apparently ecologically tolerant (or solution resistant?), ubiquist species, whereas sand faunas are dominated by non-tethyan taxa. Comparisons with Sites 766 and 26 1, as well as sedimentological observations, lead to the conclusion that this faunal contrast resulted from a difference in provenance, rather than from hydraulic sorting or selective dissolution. The ranges of 27 tethyan taxa from Site 765 were compared to the tethyan radiolarian zonation by Jud (1992) by means of the Unitary Associations Method. This calculation allows to directly date the Site 765 assemblages and to estimate the amount of truncation of ranges for tethyan taxa. Over 70% of the already few tethyan species of Site 765, have truncated ranges during the Valanginian-Hauterivian. Radiolarian assemblages recovered from claystones at Sites 765 and 261 in the Argo Basin apparently reflect restricted oceanic conditions during the latest Jurassic-Barremian. Neither sedimentary facies nor faunal associations bear any resemblance to what we know from typical tethyan sequences. We conclude that the Argo Basin was paleoceanographically separated from the Tethys during the Late Jurassic and part of the Early Cretaceous by its position at higher paleolatitudes and/or by enclosing land masses. Assemblages recovered from radiolarian sand layers are dominated by non-tethyan species that are interpreted as circumantarctic. Their first appearance in the late Berriasian-early Valanginian predates the oceanization of the Indo-Australian breakup (M11, late Valanginian), but coincides with a sharp increase in margin-derived pelagic turbidites. The Indo-Australian rift zone and the adjacent margins must have been submerged deeply enough to allow an intermittent influx of circumantarctic cold water into the Argo Basin, creating increased bottom current activity. Cold-water radiolarians carried into the Argo Basin upwelled along the margin, died, and accumulated in radiolarite layers due to winnowing by bottom currents. High rates of faunal change and the sharp increase of bottom current activity are thought to be synchronous with possible pronounced late Berriasian-early Valanginian lowstands in sea level. Hypothetically, both phenomena might have been.caused by a tendency to glaciation on the Antarctic-Australian continent, which was for the first time isolated from the rest of Gondwana by oceanic seaways as a result of Jurassic-Early Cretaceous sea-floor spreading. The absence of most typical tethyan radiolarian species during the Valanginian-Hauterivian is interpreted as reflecting a time of strong influx of circumantarctic cold water following oceanization (M11) and rapid spreading between Southeast India and West Australia. The reappearance and gradual abundance/diversity increase of tethyan taxa, along with the still dominant circumantarctic species are thought to result from overall more equitable climatic conditions during the Barremian-early Aptian and from the establishment of an oceanic connection with the Tethys Ocean during the early Aptian.

Structure et évolution thermique de la croûte supérieure des chaînes de subduction : approches thermologique et modélisation numérique, dans les North Cascades (U.S.A) et de la zone de faille Motagua (Guatemala)

Cette thèse cible l'étude de la structure thermique de la croûte supérieure (<10km) dans les arcs magmatiques continentaux, et son influence sur l'enregistrement thermochronologique de leur exhumation et de leur évolution topographique. Nous portons notre regard sur deux chaînes de montagne appartenant aux Cordillères Américaines : Les Cascades Nord (USA) et la zone de faille Motagua (Guatemala). L'approche utilisée est axée sur la thermochronologie (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, couplée avec la modélisation numérique de la structure thermique de la croûte. Nous mettons en évidence la variabilité à la fois spatiale et temporelle du gradient géothermique, et attirons l'attention du lecteur sur l'importance de prendre en compte la multitude des processus géologiques perturbant la structure thermique dans les chaînes de type cordillère, c'est à dire formées lors de la subduction océanique sous un continent.Une nouvelle approche est ainsi développée pour étudier et contraindre la perturbation thermique autour des chambres magmatiques. Deux profiles âge-elevation (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, ont été collectées 7 km au sud du batholithe de Chilliwack, Cascades Nord. Les résultats montrent une variabilité spatiale et temporelle du gradient géothermique lors de l'emplacement magmatique qui peut être contrainte et séparé de l'exhumation. Durant l'emplacement de l'intrusion, la perturbation thermique y atteint un état d'équilibre (-80-100 °C/km) qui est fonction du flux de magma et de ia distance à la source du magma, puis rejoint 40 °C/km à la fin du processus d'emplacement magmatique.Quelques nouvelles données (U-Th)/He, replacées dans une compilation des données existantes dans les Cascades Nord, indiquent une vitesse d'exhumation constante (-100 m/Ma) dans le temps et l'espace entre 35 Ma et 2 Ma, associée à un soulèvement uniforme de la chaîne contrôlé par l'emplacement de magma dans la croûte durant toute l'activité de l'arc. Par contre, après ~2 Ma, le versant humide de la chaîne est affecté par une accélération des taux d'exhumation, jusqu'à 3 km de croûte y sont érodés. Les glaciations ont un triple effet sur l'érosion de cette chaîne: (1) augmentation des vitesses d'érosion, d'exhumation et de soulèvement la où les précipitations sont suffisantes, (2) limitation de l'altitude contrôlé par la position de Γ Ε LA, (3) élargissement du versant humide et contraction du versant aride de la chaîne.Les modifications des réseaux de drainage sont des processus de surface souvent sous-estimés au profil d'événements climatiques ou tectoniques. Nous proposons une nouvelle approche couplant une analyse géomorphologique, des données thermochronologiques de basse température ((U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon), et l'utilisation de modélisation numérique thermo-cinématique pour les mettre en évidence et les dater; nous testons cette approche sur la gorge de la Skagit river dans les North Cascades.De nouvelles données (U-Th)/He sur zircons, complétant les données existantes, montrent que le déplacement horizontal le long de la faille transformante continentale Motagua, la limite des plaques Caraïbe/Amérique du Nord, a juxtaposé un bloc froid, le bloc Maya (s.s.), contre un bloque chaud, le bloc Chortis (s.s.) originellement en position d'arc. En plus de donner des gammes d'âges thermochronologiques très différents des deux côtés de la faille, le déplacement horizontal rapide (~2 cm/a) a produit un fort échange thermique latéral, résultant en un réchauffement du côté froid et un refroidissement du côté chaud de la zone de faille de Motagua.Enfin des données (U-Th-Sm)/He sur apatite témoignent d'un refroidissement Oligocène enregistré uniquement dans la croûte supérieure de la bordure nord de la zone de faille Motagua. Nous tenterons ultérieurement de reproduire ce découplage vertical de la structure thermique par la modélisation de la formation d'un bassin transtensif et de circulation de fluides le long de la faille de Motagua. - This thesis focuses on the influence of the dynamic thermal structure of the upper crust (<10km) on the thermochronologic record of the exhumational and topographic history of magmatic continental arcs. Two mountain belts from the American Cordillera are studied: the North Cascades (USA) and the Motagua fault zone (Guatemala). I use a combined approach coupling apatite and zircon (U-Th-Sm}/He thermochronology and thermo- kinematic numerical modelling. This study highlights the temporal and spatial variability of the geothermal gradient and the importance to take into account the different geological processes that perturb the thermal structure of Cordilleran-type mountain belts (i.e. mountain belts related to oceanic subduction underneath a continent}.We integrate apatite and zircon (U-Th)/He data with numerical thermo-kinematic models to study the relative effects of magmatic and surface processes on the thermal evolution of the crust and cooling patterns in the Cenozoic North Cascades arc (Washington State, USA). Two age-elevation profiles that are located 7 km south of the well-studied Chiliiwack intrusions shows that spatial and temporal variability in geothermal gradients linked to magma emplacement can be contrained and separated from exhumation processes. During Chiliiwack batholith emplacement at -35-20 Ma, the geothermal gradient of the country rocks increased to a very high steady-state value (80-100°C/km), which is likely a function of magma flux and the distance from the magma source area. Including temporally varying geothermal gradients in the analysis allows quantifying the thermal perturbation around magmatic intrusions and retrieving a relatively simple denudation history from the data.The synthesis of new and previously published (U-Th)/He data reveals that denudation of the Northern Cascades is spatially and temporally constant at -100 m/Ma between ~32 and ~2 Ma, which likely reflects uplift due to magmatic crustal thickening since the initiation of the Cenozoic stage of the continental magmatic arc. In contrast, the humid flank of the North Cascades is affected by a ten-fold acceleration in exhumation rate at ~2 Ma, which we interpret as forced by the initiation of glaciations; around 3 km of crust have been eroded since that time. Glaciations have three distinct effects on the dynamics of this mountain range: (1) they increase erosion, exhumation and uplift rates where precipitation rates are sufficient to drive efficient glacial erosion; (2) they efficiently limit the elevation of the range; (3) they lead to widening of the humid flank and contraction of the arid flank of the belt.Drainage reorganizations constitute an important agent of landscape evolution that is often underestimated to the benefit of tectonic or climatic events. We propose a new method that integrates geomorphology, low-temperature thermochronometry (apatite and zircon {U-Th-Sm)/He), and 3D numerical thermal-kinematic modelling to detect and date drainage instability producing recent gorge incision, and apply this approach to the Skagit River Gorge, North Cascades.Two zircon (U-Th)/He age-elevation profiles sampled on both sides of the Motagua Fault Zone (MFZ), the boundary between the North American and the Caribbean plates, combined with published thermochronological data show that strike-slip displacement has juxtaposed the cold Maya block (s.s.) against the hot, arc derived, Chortis block (s.s ), producing different age patterns on both sides of the fault and short-wavelength lateral thermal exchange, resulting in recent heating of the cool side and cooling of the hot side of the MFZ.Finally, an apatite (U-Th-Sm)/He age-elevation profile records rapid cooling at -35 Ma localized only in the upper crust along the northern side of the Motagua fault zone. We will try to reproduce these data by modeling the thermal perturbation resulting from the formation of a transtensional basin and of fluid flow activity along a crustal- scale strike-slip fault.

Natural selection in a postglacial range expansion: the case of the colour cline in the European barn owl.

Gradients of variation-or clines-have always intrigued biologists. Classically, they have been interpreted as the outcomes of antagonistic interactions between selection and gene flow. Alternatively, clines may also establish neutrally with isolation by distance (IBD) or secondary contact between previously isolated populations. The relative importance of natural selection and these two neutral processes in the establishment of clinal variation can be tested by comparing genetic differentiation at neutral genetic markers and at the studied trait. A third neutral process, surfing of a newly arisen mutation during the colonization of a new habitat, is more difficult to test. Here, we designed a spatially explicit approximate Bayesian computation (ABC) simulation framework to evaluate whether the strong cline in the genetically based reddish coloration observed in the European barn owl (Tyto alba) arose as a by-product of a range expansion or whether selection has to be invoked to explain this colour cline, for which we have previously ruled out the actions of IBD or secondary contact. Using ABC simulations and genetic data on 390 individuals from 20 locations genotyped at 22 microsatellites loci, we first determined how barn owls colonized Europe after the last glaciation. Using these results in new simulations on the evolution of the colour phenotype, and assuming various genetic architectures for the colour trait, we demonstrate that the observed colour cline cannot be due to the surfing of a neutral mutation. Taking advantage of spatially explicit ABC, which proved to be a powerful method to disentangle the respective roles of selection and drift in range expansions, we conclude that the formation of the colour cline observed in the barn owl must be due to natural selection.

Phylogenetics of Olea (Oleaceae) based on plastid and nuclear ribosomal DNA sequences: tertiary climatic shifts and lineage differentiation times.

BACKGROUND AND AIMS: The genus Olea (Oleaceae) includes approx. 40 taxa of evergreen shrubs and trees classified in three subgenera, Olea, Paniculatae and Tetrapilus, the first of which has two sections (Olea and Ligustroides). Olive trees (the O. europaea complex) have been the subject of intensive research, whereas little is known about the phylogenetic relationships among the other species. To clarify the biogeographical history of this group, a molecular analysis of Olea and related genera of Oleaceae is thus necessary. METHODS: A phylogeny was built of Olea and related genera based on sequences of the nuclear ribosomal internal transcribed spacer-1 and four plastid regions. Lineage divergence and the evolution of abaxial peltate scales, the latter character linked to drought adaptation, were dated using a Bayesian method. KEY RESULTS: Olea is polyphyletic, with O. ambrensis and subgenus Tetrapilus not sharing a most recent common ancestor with the main Olea clade. Partial incongruence between nuclear and plastid phylogenetic reconstructions suggests a reticulation process in the evolution of subgenus Olea. Estimates of divergence times for major groups of Olea during the Tertiary were obtained. CONCLUSIONS: This study indicates the necessity of revising current taxonomic boundaries in Olea. The results also suggest that main lines of evolution were promoted by major Tertiary climatic shifts: (1) the split between subgenera Olea and Paniculatae appears to have taken place at the Miocene-Oligocene boundary; (2) the separation of sections Ligustroides and Olea may have occurred during the Early Miocene following the Mi-1 glaciation; and (3) the diversification within these sections (and the origin of dense abaxial indumentum in section Olea) was concomitant with the aridification of Africa in the Late Miocene.

Phylogéographie des principales vipères européennes (Vipera ammodytes, V. aspis et V. berus), structuration génétique et multipaternité chez Vipera berus

Résumé: Les vipères du genre Vipera sont des serpents venimeux distribués dans la totalité du Paléarctique. Malgré cette répartition considérable, elles sont extrêmement menacées, leur déclin étant principalement dû à la destruction et à la fragmentation de leur habitat ainsi qu'à la persécution humaine. Afin d'apporter de nouveaux éléments dans le contexte de la protection de ce groupe de reptiles, nous avons utilisé durant ce travail de thèse différents marqueurs moléculaires pour étudier la structuration génétique à petite et à large échelle chez trois espèces appartenant au genre Vipera. La première étude, une phylogéographie moléculaire de la vipère ammodytes (Vipera ammodytes), a montré dans l'ensemble de l'aire de répartition une forte structuration génétique provenant d'isolements antérieures au Pléistocène. La présence d'un nombre important de clades dans le centre des Balkans suggère que cette région a fourni de nombreux refuges isolés durant les glaciations. Ces dernières ont également eu un impact considérable sur la diversité génétique au sein de la majorité des clades, suite à d'importants goulots d'étranglement durant le Pléistocène. L'étude de la phylogéographie de la vipère aspic (Vipera aspis) a montré une différenciation génétique entre les populations présentes de chaque côté des Alpes, mais également une forte structuration interne avec la mise en évidence d'un refuge en France. Cette étude est la première à établir clairement l'utilisation d'un refuge français pour un vertébré terrestre. La troisième partie de cette thèse a étudié la phylogéographie de la vipère péliade (Vipera berus), espèce cible de ce travail. En plus de la mise en évidence d'un groupe génétique inattendu (localisé dans le nord de l'Italie, le sud de l'Autriche, le nord de la Slovénie et l'extrême sud-est de la Suisse), la variabilité génétique au sein du groupe nordique (comprenant les animaux de l'entier de l'aire de répartition de l'espèce à l'exception des individus du groupe italien et les animaux provenant des Balkans) est suffisamment importante pour conclure à l'utilisation de refuges glaciaires nordiques durant les dernières glaciations, en complément des refuges habituellement décrits pour la majorité des espèces animales (soit les péninsules ibérique, italienne et balakanique). Ces résultats nous ont conduit à effectuer une étude morphologique (quatrième partie) comparant les vipères péliades du "clade italien" et du "clade nordique" décrits ci-dessus. Seules de petites différences morphologiques ont pu être mises en évidence, malgré une séparation de ces groupes estimée à plus d'un million d'années. Une étude à plus petite échelle, centrée sur le Massif jurassien et certaines populations alpines et françaises, a été entreprise afin d'estimer leur diversité génétique et d'évaluer la structuration génétique entre les populations à l'aide de marqueurs microsatellites (cinquième partie). Une importante structuration a été observée entre les populations distantes de plus de 3 kilomètres, la structuration entre les populations plus proches étant plus limitée. De plus, une diversité génétique plus faible dans les populations jurassiennes et alpines comparativement aux populations du massif central et de la côte atlantique a été constatée, probablement due à une perte de diversité génétique lors de la recolonisation post-glaciaire. La sixième étude s'est intéressée au succès reproducteur des mâles de vipères péliades en conditions naturelles. Une corrélation entre la taille des mâles et leur succès reproducteur a été relevée, les individus de plus grande taille ayant un succès reproducteur plus élevé. Le taux de multipaternité a aussi été investigué, démontrant que la proportion de pontes issues de plusieurs pères est élevée (69%) malgré la faible densité de vipères observée sur le site étudié. Finalement, aucun lien entre le nombre de pères au sein d'une ponte et la mortalité des jeunes à la naissance n'a pu être mis en évidence, contrastant avec des travaux précédents. En conclusion, l'observation de la structuration très marquée chez les vipères péliades devrait permettre d'affiner les méthodes de protection de l'espèce dans le massif jurassien. A plus large échelle, l'importante structuration génétique observée chez les vipères ammodytes, aspic et péliade résultant de l'utilisation de nombreux refuges glaciaires, complémentaires aux refuges habituellement utilisés par les espèces animales, démontre l'intérêt de l'analyse phylogéographique des reptiles pour la compréhension des phénomènes de colonisation et d' extinction des populations durant la fin du Tertiaire et le Quaternaire. La mise en évidence chez les différentes espèces de vipères étudiées de nombreux groupes génétiques distincts (ESUs) devrait conduire à des modifications de la taxonomie ainsi qu'au statut de protection de ces espèces. Abstract: The vipers of the genus Vipera are venomous snakes widespread throughout the Palaearctic regions. Despite a large distribution area, several species are extremely threatened, especially due to the destruction and fragmentation of their habitats, as well as by human persecution. In order to increase the knowledge on these species and to improve their protection, several molecular markers have been used to investigate the genetic structure on small and large scales, within three species of the genus Vipera. The first study, a molecular phylogeography of the nose-horned viper (Vipera ammodytes), showed a considerable structuring throughout the distribution area, due to isolation into refugia before the Pleistocene. A high number of clades in the centre of the Balkans suggests that this region harboured numerous isolated glacial refugia during the last glaciation. Moreover, low genetic diversity within several clades implies that most populations of nose-horned vipers have suffered bottlenecks during the Pleistocene. The study of the phylogeography of the asp viper (Vipera aspis) showed genetic differentiation between populations on each side of the Alps, as well as considerable internal genetic structure, suggesting the use of a glacial refugium in France. This study is the first to establish firmly the occurrence of a French refugia for a terrestrial vertebrate. The third part of this work involved a phylogeographic study of the adder (Vipera berus), the target species of this thesis. Three clades were revealed: a Balkan clade (corresponding to the subspecies V. b. sachalinensis), an unexpected Italian clade (limited to northern Italy, southern Austria, northern Slovenia and southeasternmost corner of Switzerland) and a Northern clade clade (including adders of the whole distribution area excepted animals from the Balkan and the Italian clades). The genetic variability within the Northern clade is sufficiently high to conclude that a northern glacial refugia during the last glaciation, in addition to those refugia already described for the main species (Iberian, Italian and Balkan peninsula). These results motivated a morphological study (part four) comparing the adders from the Italian and the Northern clades describe above. Only small morphological differences have been found, despite the split between these two clades have taken place more than 1 million years ago. A study on a local scale, focused on the Jura Mountains, on a few populations in the Alps and France was, performed to estimate the genetic diversity and the genetic structure between populations using microsatellite markers (part five). Considerable structure was observed between populations separated by more than 3 kilometres, whereas the structure between closer populations is less marked. Moreover, lower genetic diversity in the populations from Jura Mountains and Alps was noticed compared to populations from Massif Central of Atlantic coast. Such loss of genetic variation probably followed post-glacial recolonisation. The sixth study focused on the reproductive success of male adders in the wild. A positive correlation between body length and reproductive success was observed. Multiple paternity was also observed in most of clutches (69%) despite the low density of adders in the study area. Finally, no relationship was found between the number of fathers in a clutch and the survival of offspring at birth, contradicting previous studies. To conclude, the observation of a significant genetic structure in Vipera berus will enable recommendations to be made to improve protection of this species in the Jura Mountain. On a larger scale, the considerable genetic structure found within Vipera ammdoytes, V. aspis and V. berus, resulting from isolation in additional glacial refugia to those already described for other species, demonstrates the relevance of phylogeographic studies of reptiles to better understand the colonisation and disappearance during the last Tertiary and the Quaternary. The observation of several groups of evolutionary significant units (ESUs) within the three studied species might lead to a revision of the taxonomy, as well as their conservation status.

Effect of biogeographic history on population vulnerability in European amphibians.

The genetic diversity of populations, which contributes greatly to their adaptive potential, is negatively affected by anthropogenic habitat fragmentation and destruction. However, continental-scale losses of genetic diversity also resulted from the population expansions that followed the end of the last glaciation, an element that is rarely considered in a conservation context. We addressed this issue in a meta-analysis in which we compared the spatial patterns of vulnerability of 18 widespread European amphibians in light of phylogeographic histories (glacial refugia and postglacial routes) and anthropogenic disturbances. Conservation statuses significantly worsened with distances from refugia, particularly in the context of industrial agriculture; human population density also had a negative effect. These findings suggest that features associated with the loss of genetic diversity in post-glacial amphibian populations (such as enhanced fixation load or depressed adaptive potential) may increase their susceptibility to current threats (e.g., habitat fragmentation and pesticide use). We propose that the phylogeographic status of populations (i.e., refugial vs. post-glacial) should be considered in conservation assessments for regional and national red lists.

The Genomic Signature of Population Reconnection Following Isolation: From Theory to HIV.

Ease of worldwide travel provides increased opportunities for organisms not only to colonize new environments but also to encounter related but diverged populations. Such events of reconnection and secondary contact of previously isolated populations are widely observed at different time scales. For example, during the quaternary glaciation, sea water level fluctuations caused temporal isolation of populations, often to be followed by secondary contact. At shorter time scales, population isolation and reconnection of viruses are commonly observed, and such events are often associated with epidemics and pandemics. Here, using coalescent theory and simulations, we describe the temporal impact of population reconnection after isolation on nucleotide differences and the site frequency spectrum, as well as common summary statistics of DNA variation. We identify robust genomic signatures of population reconnection after isolation. We utilize our development to infer the recent evolutionary history of human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) in Asia and South America, successfully retrieving the successive HIV subtype colonization events in these regions. Our analysis reveals that divergent HIV-1 subtype populations are currently admixing in these regions, suggesting that HIV-1 may be undergoing a process of homogenization, contrary to popular belief.

GENETIC ARCHITECTURE, EVOLUTION AND MAINTENANCE OF A COLOR CLINE AT A CONTINENTAL SCALE

On a geological time scale the conditions on earth are very variable and biological patterns (for example the distributions of species) are very dynamic. Understanding large scale patterns of variation observed today thus requires a deep understanding of the historical factors that drove their evolution. In this thesis, we reevaluated the evolution and maintenance of a continental color cline observed in the European barn owl (Tyto alba) using population genetic tools. The colour cline spans from south-est Europe where most individual have pure white underparts to north and east Europe where most individuals have rufous-brown underparts. Our results globally showed that the old scenario, stipulating that the color cline evolved by secondary contact of two color morphs (white and rufous) that evolved in allopatry during the last ice age has to be revised. We collected samples of about 700 barn owls from the Western Palearctic to establish the first population genetic data set for this species. Individuals were genotyped at 22 microsatellites markers, at one mitochondrial gene, and at a candidate color gene. The color of each individuals was assessed and their sex determined by molecular methods. We first showed that the genetic variation in Western Europe is very limited compared to the heritable color variation. We found no evidences of different glacial lineages, and showed that selection must be involved in the maintenance of the color cline (chapter 1). Using computer simulations, we demonstrated that the post-glacial colonization of Europe occurred from the Iberian Peninsula and that the color cline could not have evolved by neutral demographic processes during this colonization (chapter 2). Finally we reevaluated the whole history of the establishment of the Western Palearctic variation of the barn owl (chapter 3): This study showed that all Western European barn owls descend from white barn owls phenotypes from the Middle East that colonized the Iberian Peninsula via North-Africa. Following the end of the last ice age (20'000 years ago), these white barn owls colonized Western Europe and under selection a novel rufous phenotype evolved (during or after the colonization). An important part of the color variation could be explained by a single mutation in the melanocortin-1-receptor (MC1R) gene that appeared during or after the colonization. The colonization of Europe reached until Greece, where the rufous birds encountered white ones (which reached Greece from the Middle East over the Bosporus) in a secondary contact zone. Our analyses show that white and rufous barn owls in Greece interbreed only to a limited extent. This suggests that barn owls are at the verge of becoming two species in Greece and demonstrates that European barn owls represent an incipient ring species around the Mediterranean. The revisited history of the establishment of the European barn owl color cline makes this model system remarkable for several aspects. It is a very clear example of strong local adaptation that can be achieved despite high gene flow (strong color and MC1R differentiation despite almost no neutral genetic differentiation). It also offers a wonderful model system to study the interactions between colonization processes and selection processes which have, for now, been remarkably understudied despite their potentially ubiquitous importance. Finally it represents a very interesting case in the speciation continuum and appeals for further studying the amount of gene flow that occurs between the color morphs in Greece. -- Sur l'échelle des temps géologiques, les conditions sur terre sont très variables et les patrons biologiques (telle que la distribution des espèces) sont très dynamiques. Si l'on veut comprendre des patrons que l'on peut observer à large échelle aujourd'hui, il est nécessaire de d'abord comprendre les facteurs historiques qui ont gouverné leur établissement. Dans cette thèse, nous allons réévaluer, grâce à des outils modernes de génétique des populations, l'évolution et la maintenance d'un cline de couleur continental observé chez l'effraie des clochers européenne (Tyto alba). Globalement, nos résultats montrent que le scenario accepté jusqu'à maintenant, qui stipule que le cline de couleur a évolué à partir du contact secondaire de deux morphes de couleur (blanches et rousses) ayant évolué en allopatrie durant les dernières glaciations, est à revoir. Afin de constituer le premier jeu de données de génétique des populations pour cette espèce, nous avons récolté des échantillons d'environ 700 effraies de l'ouest Paléarctique. Nous avons génotypé tous les individus à 22 loci microsatellites, sur un gène mitochondrial et sur un autre gène participant au déterminisme de la couleur. Nous avons aussi mesuré la couleur de tous les individus et déterminé leur sexe génétiquement. Nous avons tout d'abord pu montrer que la variation génétique neutre est négligeable en comparaison avec la variation héritable de couleur, qu'il n'existe qu'une seule lignée européenne et que de la sélection doit être impliquée dans le maintien du cline de couleur (chapitre 1). Grâce à des simulations informatiques, nous avons démontré que l'ensemble de l'Europe de l'ouest a été recolonisé depuis la Péninsule Ibérique après les dernières glaciations et que le cline de couleur ne peut pas avoir évolué par des processus neutre durant cette colonisation (chapitre 2). Finalement, nous avons réévalué l'ensemble de l'histoire postglaciaire de l'espèce dans l'ouest Paléarctique (chapitre 3): l'ensemble des effraies du Paléarctique descendent d'effraie claire du Moyen-Orient qui ont colonisé la péninsule ibérique en passant par l'Afrique du nord. Après la fin de la dernière glaciation (il y a 20'000 ans), ces effraies claires ont colonisé l'Europe de l'ouest et ont évolués par sélection le phénotype roux (durant ou après la colonisation). Une part importante de la variation de couleur peut être expliquée par une mutation sur le gène MC1R qui est apparue durant ou juste après la colonisation. Cette vague de colonisation s'est poursuivie jusqu'en Grèce où ces effraies rousses ont rencontré dans une zone de contact secondaire des effraies claires (qui sont remontées en Grèce depuis le Moyen-Orient via le Bosphore). Nos analyses montrent que le flux de gènes entre effraies blanches et rousses est limité en Grèce, ce qui suggère qu'elles sont en passe de former deux espèces et ce qui montre que les effraies constituent un exemple naissant de spéciation en anneaux autour de la Méditerranée. L'histoire revisitée des effraies des clochers de l'ouest Paléarctique en fait un système modèle remarquable pour plusieurs aspects. C'est un exemple très claire de forte adaptation locale maintenue malgré un fort flux de gènes (différenciation forte de couleur et sur le gène MC1R malgré presque aucune structure neutre). Il offre également un très bon système pour étudier l'interaction entre colonisation et sélection, un thème ayant été remarquablement peu étudié malgré son importance. Et il offre finalement un cas très intéressant dans le « continuum de spéciation » et il serait très intéressant d'étudier plus en détail l'importance du flux de gènes entre les morphes de couleur en Grèce.