Fluid-rock interaction during late stages of the Alpine exhumation

Résumé de la thèseLa fracturation des roches au cours de phases compressives ou extensives est un souvent évoquée pour expliquer la circulation de fluide au sein des roches cristallines. Dans le cadre de cette thèse, la circulation des fluides lors de l'exhumation tardive des Alpes a été étudiée en utilisant deux approches différentes: analyses structurales de la déformation fragile d'une part et analyses géochimiques des roches et des minéraux (isotopes stables, datations U/Pb, thermochronologie (U-Th)/He) d'autre part. Cette approche combinée a permis de mieux comprendre l'interaction existante entre les fluides métamorphiques et les fluides météoriques, ainsi que leur interaction avec les roches encaissantes. Le travail a été effectué dans la zone Pennique du Valais suisse.La première partie était focalisée sur la déformation fragile, le but étant de définir les différents types de déformations existantes et de déterminer l'âge relatif des différentes familles de failles. Dans la région d'étude, quatre domaines ont été distingués. Chacun d'eux comportent deux types de structures fragiles, certaines sont minéralisées alors que d'autre non. Au sein de chaque domaine, la direction principale des structures minéralisées correspond à l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région (Aosta- Ranzola Line au Sud, Rhône Line au Nord et Simplon Fault Zone à l'Est), alors que les structures non- minéralisées montrent des orientations plus variables. Ainsi, le premier type de structure est interprété comme résultant d'une dislocation tectonique alors que le deuxième type de structure résulterait d'une dislocation gravitaire locale. Il n'est néanmoins pas possible de classer chronologiquement la formation de ces deux types de structure ni d'attribuer un âge relatif aux changements d'orientation des contraintes majeures.La deuxième étude a été effectuée dans la région de la zone de faille du Simplon. Dans cette zone, la composition isotopique des minéraux ayant cristallisé à l'intérieur des fractures tardives permet de distinguer différents types de circulation de fluide. Les valeurs δ180 du quartz de la roche encaissante ainsi que ceux des veines tardives du bloque inférieur de la faille sont comparables. Ces valeurs indiquent un rééquilibrage et un tamponnage isotopique des fluides tardifs au contact de la roche encaissante lors de la fracturation de cette dernière et de la cristallisation des veines tardives. La même situation est observée dans la partie nord du bloque supérieur ainsi que dans sa partie sud. Ceci n'est néanmoins pas le cas pour la partie centrale du bloque supérieur où les valeurs isotopiques des minéraux dans les veines tardives sont approximativement 3 %o plus basses (avec des valeurs extrêmes négatifs), indiquant une contribution d'eau météorique aux fluides circulant dans les veines. Ces données suggèrent qu'une infiltration d'eau météorique a pu avoir lieu dans le bloque supérieur, où la fracturation des roches est plus intensive car le déplacement relatif le long de la faille y fut plus important, et la température maximale du métamorphisme plus basse. La troisième contribution traite de la géo-thermochronologie de la zone de contact entre la klippe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. De petits zircons euhédraux ont été trouvés dans un plan de faille minéralisé (parallèle à la Faille du Rhône, voir première partie de l'étude), riche en hématite et quartz, de la zone d'étude. Les analyses U/Pb donnent des âges radiométriques autour de 270 - 280 Ma aux zircons extraits de la minéralisation ainsi que ceux extraits de la roche encaissante, ce qui correspond à l'âge de la nappe de la Dent Blanche et non celui de la nappe du Tsaté qui est elle-même classiquement interprétée comme une ophiolite Jurassique de l'Océan Liguro-Piémontais. Ces données suggèrent que les zircons contenus dans la veine ont été hérités de la roche encaissante. Les résultats (U-Th)/He indiquent un âge de refroidissement différent pour la roche encaissante (25.5 ± 2.0 Ma) que celui de la minéralisation (17.7 ±1.4 Ma). Le thermomètre isotopique quartz-hématite indique une température d'équilibre, et donc de mise en place de la minéralisation, d'environ 170 °C, température très proche de la température de -180 °C de fermeture du zircon pour le système (U-Th)/He. Ceci suggère que l'âge de refroidissement des zircons de la minéralisation correspond aussi à l'âge de formation de la faille.Thesis abstractFluid circulation in fractured rocks is a common process in geology, and it is generally the consequence of faulting and fracturing during both tectonic compression and extension. This thesis is focused on fluid circulation during late stages of the Alpine exhumation. After a structural analysis of the late brittle deformation of the studied samples, several analytical methods (stable isotope investigations, U/Pb radiometric dating, (U-Th)/He thermochronology) have been applied to understand the interaction of metamorphic and meteoric fluids with one another as well as with the host rock. This thesis is articulated around three study directions. All studies were conducted in the Penninic Zone of the Valais, Switzerland. The first study deals with late, brittle deformation and focuses on the different deformation styles and on the relative age of the different families of fractures. In order to do this, late brittle structures observed in four different domains have been subdivided as a function of the existence (or not) and type of mineralization. Comparisons between mineralized and non-mineralized strike directions for all four domains show that mineralized structures follow the strike orientation of major tectonic movements indicated in the Penninic Zone of the Valais (Aosta-Ranzola Line to the S, Rhône Line to the Ν and Simplon Fault Zone to the E), whereas non-mineralized fractures have a more variable strike orientation. This difference could be interpreted as indicative of tectonic-related faulting (mineralized structures) vs. local, collapse-related faulting (non-mineralized fractures), but it is not strong enough to indicate a relative age of the late brittle structures, and/or a change in the orientation of the strain field in post-Miocene times. The second studied area is focused on the Simplon Fault Zone (SFZ). Stable isotope analyses of minerals filling these late fractures indicate that there are two different fluid circulation systems in the footwall and hanging wall of the SFZ. In the footwall, δ180 values of quartz from both the host rock and the late veins range from +10 %o to +12 %o. This is consistent with buffering of circulating fluids by the host rock during fracturing and vein precipitation. In the hanging wall, δΙ80 values for quartz crystals from the host rock and the late veins are similar in both the northern and southern parts of the detachment that are both affected by the same degree of metamorphism (greenschist to the Ν and amphibolite to the S). This is not the case in the central part of the SFZ, where there is a jump from amphibolite facies in the footwall to greenschist facies in the hanging wall. δ,80 values for quartz from the hanging wall late veins are approximately 3.0 %o lower (down to negative values in some cases) than the values observed in the footwall These data suggest that infiltration of meteoric water may have occurred in the most fractured parts of the hanging wall, where relative displacement on the SFZ was the greatest and the peak temperature lower. In the less fractured footwall the δ180 values reflect a host rock-buffered system.The third study is focused on geo-thermochronology at the contact between the Dent Blanche nappe and the Tsaté nappe where small, euhedral zircons were found in a hematite- and quartz-rich mineralization on a late normal fault plane parallel to the Rhône Line (see first part of the study). U/Pb analysis indicates that the zircons - both in the late mineralization and in the host rock - have absolute radiometric ages clustering around 270 - 280 Ma, which is the accepted age for intrusive rocks from the Austroalpine Dent Blanche units but not for the Tsaté nappe. The latter is classically interpreted as an ophiolitic remnant of the Jurassic Liguro-Piemontais Ocean. U/Pb analyses suggest that zircons in late mineralization are all inherited from the host rock; however, results of (U-Th)/He analyses indicate that cooling ages for the host rocks are different to the cooling ages for the zircons in late mineralization. Indeed, the calculated cooling age for the Arolla gneiss is 25.5 ± 2.0 Ma, whilst the cooling age for the associated mineralized fault plane is 17.7 ±1.4 Ma. Oxygen stable isotope fractionation between quartz and hematite in the same late mineralization corresponds to temperatures of about 170 °C. The proximity of the calculated emplacement temperature for the mineralization and the lower accepted closure temperature for zircon in the (U-Th)/He system (-180 °C) imply that the age of 17.7 ± 1.4 Ma can also be interpreted as the formation age of this late brittle fault.Résumé grand publicLa circulation des fluides dans les roches fracturées est typique de nombreux processus géologiques, et très souvent est la conséquence de la fracturation des roches. Cette thèse aborde la question de la circulation des fluides pendant les dernières phases du soulèvement des Alpes. Après une analyse structurale de la fracturation directement sur le terrain, plusieurs méthodes géochimiques ont été appliquées pour comprendre l'interaction entre les différents fluides circulants, et avec leur propre roche mère. L'étude, concentrée sur trois directions principales, a été conduite dans la zone Pennique du Valais suisse. La première partie traite de la déformation cassante dans le secteur cité. L'analyse détaillée des fractures a permis de les subdiviser en structures minéralisées et non-minéralisées, sur quatre domaines différents. La comparaison entre les directions des structures minéralisées et non-minéralisées a permis de montrer que les premières suivent l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région, alors que les structures non- minéralisées ont une orientation plus variable. Cette différence pourrait être interprétée comme indication d'une dislocation tectonique (structures minéralisées) contre une dislocation gravitaire locale (structures non-minéralisées), mais elle n'est pas assez forte pour indiquer un âge relatif des structures tardives et/ou un changement de l'orientation des contraintes après -20 Ma vers le présent.A partir de ces observations, la deuxième étude est concentrée dans la région de la faille du Simplon. Les analyses géochimiques sur les minéraux remplissant les structures tardives indiquent qu'il y a deux différents systèmes de circulation des fluides dans les deux parties (toit et mur) de la faille. Dans le mur, les valeurs isotopiques des minéraux cristallisés à partir d'un fluide tardif sont les mêmes de ceux de la roche mère, donc il y a eu rééquilibration chimique entre fluide et roche pendant la fracturation de cette dernière et la précipitation des minéraux. Dans le toit, les valeurs isotopiques dans la roche mère et dans les minéraux des veines tardives sont comparables dans les parties Ν et S de la faille, où les roches du toit et du mur ont atteint une température maximale - pendant phase prograde de la formation des Alpes - comparable. Au contraire, dans la partie centrale, où le mur a atteint des températures maximales plus élevées par rapport au toit, les valeurs géochimiques des minéralisations tardives du toit sont parfois plus basses que les valeurs observées dans le mur. Ces données suggèrent que l'infiltration de l'eau de surface aurait pu se produire dans la partie plus fracturée du toit, où le déplacement relatif le long de la faille était majeur et les températures maximales mineures. Au contraire, les données géochimiques du mur de la partie centrale indiquent un système isotopique équilibré par la roche mère.La troisième partie de ce travail se base sur l'étude géochimique intégrée des isotopes stables d'Oxygène et radioactifs du Plomb, Uranium, Thorium et Hélium, auprès d'une faille normale minéralisée et des roches de la région à cheval entre deux nappes, la nappe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. Ici, des petits zircons ont été trouvés dans la minéralisation citée, riche en hématite et quartz. L'analyse radiométrique Uranium/Plomb a montré que les zircons dans la minéralisation et dans les roches autour ont des âges comparables (autour 280 Ma). Cela signifie que les zircons dans la minéralisation tardive ont été hérités de la roche mère pendant la fracturation et la circulation des fluides tardives. De l'autre coté, les résultats des analyses Uranium-Thorium/Hélium indiquent que les âges de refroidissement pour les roches mères sont différents comparés aux âges de refroidissement pour les zircons dans la minéralisation tardive: ces derniers sont plus jeunes d'environ 8 Ma (autour 25 Ma et autour 17 Ma respectivement). Les analyses des isotopes de l'oxygène sur quartz et hématite dans la même minéralisation donnent une température de mise en place de cette dernière d'environ 170° C. La température de fermeture du système chimique des zircons dans le système (Uranium-Thorium)/Hélium est d'environ 180 °C: la proximité de ces deux températures implique que l'âge de refroidissement de la minéralisation tardive peut également être interprété comme âge de formation de la faille.

Oligo-Miocene extensional tectonics and fluid flow across the Northern Snake Range detachment system, Nevada

The Northern Snake Range (Nevada) represents a spectacular example of a metamorphic core complex and exposes a complete section from the mylonitic footwall into the hanging wall of a fossil detachment system. Paired geochronological and stable isotopic data of mylonitic quartzite within the detachment footwall reveal that ductile deformation and infiltration of meteoric fluids occurred between 27 and 23 Ma. Ar-40/Ar-39 ages display complex recrystallization-cooling relationships but decrease systematically from 26.9 +/- 0.2 Ma at the top to 21.3 +/- 0.2 Ma at the bottom of footwall mylonite. Hydrogen isotope (delta D) values in white mica are very low (-150 to -145 %) within the top 80-90 m of detachment footwall, in contrast to values obtained from the deeper part of the section where values range from -77 to -64 %, suggesting that time-integrated interaction between rock and meteoric fluid was restricted to the uppermost part of the mylonitic footwall. Pervasive mica-water hydrogen isotope exchange is difficult to reconcile with models of Ar-40 loss during mylonitization solely by volume diffusion. Rather, we interpret the Ar-40/Ar-39 ages of white mica with low-delta D values to date syn-mylonitic hydrogen and argon isotope exchange, and we conclude that the hydrothermal system of the Northern Snake Range was active during late Oligocene (27-23 Ma) and has been exhumed by the combined effects of ductile strain, extensional detachment faulting, and erosion.

Analyzing complex rock slope deformation at Stampa, western Norway, by integrating geomorphology, kinematics and numerical modeling

The unstable rock slope, Stampa, above the village of Flåm, Norway, shows signs of both active and postglacial gravitational deformation over an area of 11 km2. Detailed structural field mapping, annual differential Global Navigation Satellite System (GNSS) surveys, as well as geomorphic analysis of high-resolution digital elevation models based on airborne and terrestrial laser scanning indicate that slope deformation is complex and spatially variable. Numerical modeling was used to investigate the influence of former rockslide activity and to better understand the failure mechanism. Field observations, kinematic analysis and numerical modeling indicate a strong structural control of the unstable area. Based on the integration of the above analyses, we propose that the failure mechanism is dominated by (1) a toppling component, (2) subsiding bilinear wedge failure and (3) planar sliding along the foliation at the toe of the unstable slope. Using differential GNSS, 18 points were measured annually over a period of up to 6 years. Two of these points have an average yearly movement of around 10 mm/year. They are located at the frontal cliff on almost completely detached blocks with volumes smaller than 300,000 m3. Large fractures indicate deep-seated gravitational deformation of volumes reaching several 100 million m3, but the movement rates in these areas are below 2 mm/year. Two different lobes of prehistoric rock slope failures were dated with terrestrial cosmogenic nuclides. While the northern lobe gave an average age of 4,300 years BP, the southern one resulted in two different ages (2,400 and 12,000 years BP), which represent most likely multiple rockfall events. This reflects the currently observable deformation style with unstable blocks in the northern part in between Joasete and Furekamben and no distinct blocks but a high rockfall activity around Ramnanosi in the south. With a relative susceptibility analysis it is concluded that small collapses of blocks along the frontal cliff will be more frequent. Larger collapses of free-standing blocks along the cliff with volumes > 100,000 m3, thus large enough to reach the fjord, cannot be ruled out. A larger collapse involving several million m3 is presently considered of very low likelihood.

Arrested kinetic Li isotope fractionation at the margin of the llimaussaq complex, South Greenland: Evidence for open-system processes during final cooling of peralkaline igneous rocks

Li contents [Li] and isotopic composition (delta Li-7) of mafic minerals (mainly amphibole and clinopyroxene) from the alkaline to peralkaline Ilimaussaq plutonic complex, South Greenland, track the behavior of Li and its isotopes during magmatic differentiation and final cooling of an alkaline igneous system. [Li] in amphibole increase from < 10 ppm in Caamphiboles of the least differentiated unit to >3000 ppm in Na-amphiboles of the highly evolved units. In contrast, [Li] in clinopyroxene are comparatively low (<85 ppm) and do not vary systematically with differentiation. The distribution of Li between amphibole and pyroxene is controlled by the major element composition of the minerals (Ca-rich and Na-rich, respectively) and changes in oxygen fugacity (due to Li incorporation via coupled substitution with ferric iron) during magmatic differentiation. delta(7) Li values of all minerals span a wide range from + 17 to - 8 parts per thousand, with the different intrusive units of the complex having distinct Li isotopic systematics. Amphiboles, which dominate the Li budget of whole-rocks from the inner part of the complex, have constant delta Li-7 of + 1.8 +/- 2.2 parts per thousand (2 sigma, n = 15). This value reflects a homogeneous melt reservoir and is consistent with their mantle derivation, in agreement with published O and Nd isotopic data. Clinopyroxenes of these samples are consistently lighter, with Delta Li-7(amph-cpx). as large as 8 parts per thousand and are thus not in Li isotope equilibrium. These low values probably reflect late-stage diffusion of Li into clinopyroxene during final cooling of the rocks, thus enriching the clinopyroxene in 6 Li. At the margin of the complex delta(7) Li in the syenites increases systematically, from +2 to high values of + 14 parts per thousand. This, coupled with the observed Li isotope systematics of the granitic country rocks, reflects post-magmatic open-system processes occurring during final cooling of the intrusion. Although the shape and magnitude of the Li isotope and elemental profiles through syenite and country rock are suggestive of diffusion-driven isotope fractionation, they cannot be modeled by one-dimensional diffusive transport and point to circulation of a fluid having a high 67 Li value (possibly seawater) along the chilled contact. In all, this study demonstrates that Li isotopes can be used to identify complex fluid- and diffusion-governed processes taking place during the final cooling of such rocks. (c) 2007 Elsevier B.V All rights reserved.

Remediation of a marine shore tailings deposit and the importance of water-rock interaction on element cycling in the coastal aquifer

We present the study of the geochemical processes associated with the first successful remediation of a marine shore tailings deposit in a coastal desert environment (Bahia de Ite, in the Atacama Desert of Peru). The remediation approach implemented a wetland on top of the oxidized tailings. The site is characterized by a high hydrauliz gradient produced by agricultural irrigation on upstream gravel terraces that pushed river water (similar to 500 mg/L SO(4)) toward the sea and through the tailings deposit. The geochemical and isotopic (delta(2)H(water) and delta(18)O(water), delta(34)S(sulfate) , delta(18)O(sulfate)) approach applied here revealed that evaporite horizons (anhydrite and halite) in the gravel terraces are the source of increased concentrations of SO(4), Cl, and Na up to similar to 1500 mg/L in the springs at the base of the gravel terraces. Deeper groundwater interacting with underlying marine sequences increased the concentrations of SO(4), Cl, and Na up to 6000 mg/L and increased the alkalinity up to 923 mg/L CaCO(3) eq. in the coastal aquifer. These waters infiltrated into the tailings deposit at the shelf-tailings interface. Nonremediated tailings had a low-pH oxidation zone (pH 1-4) with significant accumulations of efflorescent salts (10-20 cm thick) at the surface because of upward capillary transport of metal cations in the arid climate. Remediated tailings were characterized by neutral pH and reducing conditions (pH similar to 7, Eh similar to 100 mV). As a result, most bivalent metals such as Cu, Zn, and Ni had very low concentrations (around 0.01 mg/L or below detection limit) because of reduction and sorption processes. In contrast, these reducing conditions increased the mobility of iron from two sources in this system: (1) The originally Fe(III)-rich oxidation zone, where Fe(II) was reduced during the remediation process and formed an Fe(II) plume, and (2) reductive dissolution of Fe(III) oxides present in the original shelf lithology formed an Fe-Mn plume at 10-m depth. These two Fe-rich plumes were pushed toward the shoreline where more oxidizing and higher pH conditions triggered the precipitation of Fe(HI)hydroxide coatings on silicates. These coatings acted as a filter for the arsenic, which naturally infiltrated with the river water (similar to 500 mu g/L As natural background) into the tailings deposit.

TECTONICS OF THE HELVETIC NAPPE SYSTEM (W SWITZERLAND): CONTROL OF STRAIN LOCALIZATION AND BASEMENT-COVER DEFORMATION. Insights from models based on continuum mechanics

The Helvetic nappe system in Western Switzerland is a stack of fold nappes and thrust sheets em-placed at low grade metamorphism. Fold nappes and thrust sheets are also some of the most common features in orogens. Fold nappes are kilometer scaled recumbent folds which feature a weakly deformed normal limb and an intensely deformed overturned limb. Thrust sheets on the other hand are characterized by the absence of overturned limb and can be defined as almost rigid blocks of crust that are displaced sub-horizontally over up to several tens of kilometers. The Morcles and Doldenhom nappe are classic examples of fold nappes and constitute the so-called infra-Helvetic complex in Western and Central Switzerland, respectively. This complex is overridden by thrust sheets such as the Diablerets and Wildhörn nappes in Western Switzerland. One of the most famous example of thrust sheets worldwide is the Glariis thrust sheet in Central Switzerland which features over 35 kilometers of thrusting which are accommodated by a ~1 m thick shear zone. Since the works of the early Alpine geologist such as Heim and Lugeon, the knowledge of these nappes has been steadily refined and today the geometry and kinematics of the Helvetic nappe system is generally agreed upon. However, despite the extensive knowledge we have today of the kinematics of fold nappes and thrust sheets, the mechanical process leading to the emplacement of these nappe is still poorly understood. For a long time geologist were facing the so-called 'mechanical paradox' which arises from the fact that a block of rock several kilometers high and tens of kilometers long (i.e. nappe) would break internally rather than start moving on a low angle plane. Several solutions were proposed to solve this apparent paradox. Certainly the most successful is the theory of critical wedges (e.g. Chappie 1978; Dahlen, 1984). In this theory the orogen is considered as a whole and this change of scale allows thrust sheet like structures to form while being consistent with mechanics. However this theoiy is intricately linked to brittle rheology and fold nappes, which are inherently ductile structures, cannot be created in these models. When considering the problem of nappe emplacement from the perspective of ductile rheology the problem of strain localization arises. The aim of this thesis was to develop and apply models based on continuum mechanics and integrating heat transfer to understand the emplacement of nappes. Models were solved either analytically or numerically. In the first two papers of this thesis we derived a simple model which describes channel flow in a homogeneous material with temperature dependent viscosity. We applied this model to the Morcles fold nappe and to several kilometer-scale shear zones worldwide. In the last paper we zoomed out and studied the tectonics of (i) ductile and (ii) visco-elasto-plastic and temperature dependent wedges. In this last paper we focused on the relationship between basement and cover deformation. We demonstrated that during the compression of a ductile passive margin both fold nappes and thrust sheets can develop and that these apparently different structures constitute two end-members of a single structure (i.e. nappe). The transition from fold nappe to thrust sheet is to first order controlled by the deformation of the basement. -- Le système des nappes helvétiques en Suisse occidentale est un empilement de nappes de plis et de nappes de charriage qui se sont mis en place à faible grade métamorphique. Les nappes de plis et les nappes de charriage sont parmi les objets géologiques les plus communs dans les orogènes. Les nappes de plis sont des plis couchés d'échelle kilométrique caractérisés par un flanc normal faiblement défor-mé, au contraire de leur flanc inverse, intensément déformé. Les nappes de charriage, à l'inverse se caractérisent par l'absence d'un flanc inverse bien défini. Elles peuvent être définies comme des blocs de croûte terrestre qui se déplacent de manière presque rigide qui sont déplacés sub-horizontalement jusqu'à plusieurs dizaines de kilomètres. La nappe de Mordes et la nappe du Doldenhorn sont des exemples classiques de nappes de plis et constitue le complexe infra-helvétique en Suisse occidentale et centrale, respectivement. Ce complexe repose sous des nappes de charriages telles les nappes des Diablerets et du Widlhörn en Suisse occidentale. La nappe du Glariis en Suisse centrale se distingue par un déplacement de plus de 35 kilomètres qui s'est effectué à la faveur d'une zone de cisaillement basale épaisse de seulement 1 mètre. Aujourd'hui la géométrie et la cinématique des nappes alpines fait l'objet d'un consensus général. Malgré cela, les processus mécaniques par lesquels ces nappes se sont mises en place restent mal compris. Pendant toute la première moitié du vingtième siècle les géologues les géologues ont été confrontés au «paradoxe mécanique». Celui-ci survient du fait qu'un bloc de roche haut de plusieurs kilomètres et long de plusieurs dizaines de kilomètres (i.e., une nappe) se fracturera de l'intérieur plutôt que de se déplacer sur une surface frictionnelle. Plusieurs solutions ont été proposées pour contourner cet apparent paradoxe. La solution la plus populaire est la théorie des prismes d'accrétion critiques (par exemple Chappie, 1978 ; Dahlen, 1984). Dans le cadre de cette théorie l'orogène est considéré dans son ensemble et ce simple changement d'échelle solutionne le paradoxe mécanique (la fracturation interne de l'orogène correspond aux nappes). Cette théorie est étroitement lié à la rhéologie cassante et par conséquent des nappes de plis ne peuvent pas créer au sein d'un prisme critique. Le but de cette thèse était de développer et d'appliquer des modèles basés sur la théorie de la méca-nique des milieux continus et sur les transferts de chaleur pour comprendre l'emplacement des nappes. Ces modèles ont été solutionnés de manière analytique ou numérique. Dans les deux premiers articles présentés dans ce mémoire nous avons dérivé un modèle d'écoulement dans un chenal d'un matériel homogène dont la viscosité dépend de la température. Nous avons appliqué ce modèle à la nappe de Mordes et à plusieurs zone de cisaillement d'échelle kilométrique provenant de différents orogènes a travers le monde. Dans le dernier article nous avons considéré le problème à l'échelle de l'orogène et avons étudié la tectonique de prismes (i) ductiles, et (ii) visco-élasto-plastiques en considérant les transferts de chaleur. Nous avons démontré que durant la compression d'une marge passive ductile, a la fois des nappes de plis et des nappes de charriages peuvent se développer. Nous avons aussi démontré que nappes de plis et de charriages sont deux cas extrêmes d'une même structure (i.e. nappe) La transition entre le développement d'une nappe de pli ou d'une nappe de charriage est contrôlé au premier ordre par la déformation du socle. -- Le système des nappes helvétiques en Suisse occidentale est un emblement de nappes de plis et de nappes de chaînage qui se sont mis en place à faible grade métamoiphique. Les nappes de plis et les nappes de charriage sont parmi les objets géologiques les plus communs dans les orogènes. Les nappes de plis sont des plis couchés d'échelle kilométrique caractérisés par un flanc normal faiblement déformé, au contraire de leur flanc inverse, intensément déformé. Les nappes de charriage, à l'inverse se caractérisent par l'absence d'un flanc inverse bien défini. Elles peuvent être définies comme des blocs de croûte terrestre qui se déplacent de manière presque rigide qui sont déplacés sub-horizontalement jusqu'à plusieurs dizaines de kilomètres. La nappe de Morcles and la nappe du Doldenhorn sont des exemples classiques de nappes de plis et constitue le complexe infra-helvétique en Suisse occidentale et centrale, respectivement. Ce complexe repose sous des nappes de charriages telles les nappes des Diablerets et du Widlhörn en Suisse occidentale. La nappe du Glarüs en Suisse centrale est certainement l'exemple de nappe de charriage le plus célèbre au monde. Elle se distingue par un déplacement de plus de 35 kilomètres qui s'est effectué à la faveur d'une zone de cisaillement basale épaisse de seulement 1 mètre. La géométrie et la cinématique des nappes alpines fait l'objet d'un consensus général parmi les géologues. Au contraire les processus physiques par lesquels ces nappes sont mises en place reste mal compris. Les sédiments qui forment les nappes alpines se sont déposés à l'ère secondaire et à l'ère tertiaire sur le socle de la marge européenne qui a été étiré durant l'ouverture de l'océan Téthys. Lors de la fermeture de la Téthys, qui donnera naissance aux Alpes, le socle et les sédiments de la marge européenne ont été déformés pour former les nappes alpines. Le but de cette thèse était de développer et d'appliquer des modèles basés sur la théorie de la mécanique des milieux continus et sur les transferts de chaleur pour comprendre l'emplacement des nappes. Ces modèles ont été solutionnés de manière analytique ou numérique. Dans les deux premiers articles présentés dans ce mémoire nous nous sommes intéressés à la localisation de la déformation à l'échelle d'une nappe. Nous avons appliqué le modèle développé à la nappe de Morcles et à plusieurs zones de cisaillement provenant de différents orogènes à travers le monde. Dans le dernier article nous avons étudié la relation entre la déformation du socle et la défonnation des sédiments. Nous avons démontré que nappe de plis et nappes de charriages constituent les cas extrêmes d'un continuum. La transition entre nappe de pli et nappe de charriage est intrinsèquement lié à la déformation du socle sur lequel les sédiments reposent.

Fluid-rock-strain feedbacks in extensional shear zones

La présence de fluide météorique synchrone à l'activité du détachement (Farmin, 2003 ; Mulch et al., 2007 ; Gébelin et al., 2011), implique que les zones de cisaillement sont des systèmes ouverts avec des cellules de convections à l'échelle crustale et un intense gradient géothermique au sein du détachement (Morrison et Anderson, 1998, Gottardi et al., 2011). De plus, les réactions métamorphiques liées à des infiltrations fluides dans les zones de cisaillement extensionnel peuvent influencer les paramètres rhéologiques du système (White and Knipe, 1978), et impliquer la localisation de la déformation dans la croûte. Dans ce manuscrit, deux zones de cisaillement infiltrées par des fluides météoriques sont étudiées, l'une étant largement quartzitique, et l'autre de nature granitique ; les relations entre déformation, fluides, et roches s'appuient sur des approches structurales, microstructurales, chimiques et isotopiques. L'étude du détachement du Columbia river (WA, USA) met en évidence que la déformation mylonitique se développe en un million d'années. La phase de cisaillement principal s'effectue à 365± 30°C d'après les compositions isotopiques en oxygène du quartz et de la muscovite. Ces minéraux atteignent l'équilibre isotopique lors de leur recristallisation dynamique contemporaine à la déformation. La zone de cisaillement enregistre une baisse de température, remplaçant le mécanisme de glissement par dislocation par celui de dissolution- précipitation dans les derniers stades de l'activité du détachement. La dynamique de circulation fluide bascule d'une circulation pervasive à chenalisée, ce qui engendre localement la rupture des équilibres d'échange isotopiques. La zone de cisaillement de Bitterroot (MT, USA) présente une zone mylonitique de 600m d'épaisseur, progressant des protomylonites aux ultramylonites. L'intensité de la localisation de la déformation se reflète directement sur l'hydratation des feldspaths, réaction métamorphique majeure dite de « rock softening ». Une étude sur roche totale indique des transferts de masse latéraux au sein des mylonites, et d'importantes pertes de volume dans les ultramylonites. La composition isotopique en hydrogène des phyllosilicates met en évidence la présence (1) d'une source magmatique/métamorphique originelle, caractérisée par les granodiorites ayant conservé leur foliation magmatique, jusqu'aux protomylonites, et (2) une source météorique qui tamponne les valeurs des phyllosilicates des fabriques mylonitiques jusqu'aux veines de quartz non-déformées. Les compositions isotopiques en oxygène des minéraux illustrent le tamponnement de la composition du fluide météorique par l'encaissant. Ce phénomène cesse lors du processus de chloritisation de la biotite, puisque les valeurs des chlorites sont extrêmement négatives (-10 per mil). La thermométrie isotopique indique une température d'équilibre isotopique de la granodiorite entre 600-500°C, entre 500-300°C dans les mylonites, et entre 300 et 200°C dans les fabriques cassantes (cataclasites et veines de quartz). Basé sur les résultats issus de ce travail, nous proposons un modèle général d'interactions fluide-roches-déformation dans les zones de détachements infiltrées par des fluides météoriques. Les zones de détachements évoluent rapidement (en quelques millions d'années) au travers de la transition fragile-ductile ; celle-ci étant partiellement contrôlée par l'effet thermique des circulations de fluide météoriques. Les systèmes de détachements sont des lieux où la déformation et les circulations fluides sont couplées ; évoluant rapidement vers une localisation de la déformation, et de ce fait, une exhumation efficace. - The presence of meteoric fluids synchronous with the activity of extensional detachment zones (Famin, 2004; Mulch et al., 2007; Gébelin et al., 2011) implies that extensional systems involve fluid convection at a crustal scale, which results in high geothermal gradients within active detachment zones (Morrison and Anderson, 1998, Gottardi et al., 2011). In addition, the metamorphic reactions related to fluid infiltration in extensional shear zones can influence the rheology of the system (White and Knipe, 1978) and ultimately how strain localizes in the crust. In this thesis, two shear zones that were permeated by meteoric fluids are studied, one quartzite-dominated, and the other of granitic composition; the relations between strain, fluid, and evolving rock composition are addressed using structural, microstructural, and chemical/isotopic measurements. The study of the Columbia River detachment that bounds the Kettle core complex (Washington, USA) demonstrates that the mylonitic fabrics in the 100 m thick quartzite- dominated detachment footwall developed within one million years. The main shearing stage occurred at 365 ± 30°C when oxygen isotopes of quartz and muscovite equilibrated owing to coeval deformation and dynamic recrystallization of these minerals. The detachment shear zone records a decrease in temperature, and dislocation creep during detachment shearing gave way to dissolution-precipitation and fracturing in the later stages of detachment activity. Fluid flow switched from pervasive to channelized, leading to isotopic disequilibrium between different minerals. The Bitterroot shear zone detachment (Montana, USA) developed a 600 m thick mylonite zone, with well-developed transitions from protomylonite to ultramylonite. The localization of deformation relates directly to the intensity of feldspar hydration, a major rock- softening metamorphic reaction. Bulk-rock analyses of the mylonitic series indicate lateral mass transfer in the mylonite (no volume change), and significant volume loss in ultramylonite. The hydrogen isotope composition of phyllosilicates shows (1) the presence of an initial magmatic/metamorphic source characterized by the granodiorite in which a magmatic, and gneissic (protomylonite) foliation developed, and (2) a meteoric source that buffers the values of phyllosilicates in mylonite, ultramylonite, cataclasite, and deformed and undeformed quartz veins. The mineral oxygen isotope compositions were buffered by the host-rock compositions until chloritization of biotite started; the chlorite oxygen isotope values are negative (-10 per mil). Isotope thermometry indicates a temperature of isotopic equilibrium of the granodiorite between 600-500°C, between 500-300°C in the mylonite, and between 300 and 200°C for brittle fabrics (cataclasite and quartz veins). Results from this work suggest a general model for fluid-rock-strain feedbacks in detachment systems that are permeated by meteoric fluids. Phyllosilicates have preserved in their hydrogen isotope values evidence for the interaction between rock and meteoric fluids during mylonite development. Fluid flow generates mass transfer along the tectonic anisotropy, and mylonites do not undergo significant volume change, except locally in ultramylonite zones. Hydration of detachment shear zones attends mechanical grain size reduction and enhances strain softening and localization. Self-exhuming detachment shear zones evolve rapidly (a few million years) through the transition from ductile to brittle, which is partly controlled by the thermal effect of circulating surface fluids. Detachment systems are zones in the crust where strain and fluid flow are coupled; these systems. evolve rapidly toward strain localization and therefore efficient exhumation.

Regional deterministic characterization of fracture networks and its application to GIS-based rock fall risk assessment

The study investigates the possibility to incorporate fracture intensity and block geometry as spatially continuous parameters in GIS-based systems. For this purpose, a deterministic method has been implemented to estimate block size (Bloc3D) and joint frequency (COLTOP). In addition to measuring the block size, the Bloc3D Method provides a 3D representation of the shape of individual blocks. These two methods were applied using field measurements (joint set orientation and spacing) performed over a large field area, in the Swiss Alps. This area is characterized by a complex geology, a number of different rock masses and varying degrees of metamorphism. The spatial variability of the parameters was evaluated with regard to lithology and major faults. A model incorporating these measurements and observations into a GIS system to assess the risk associated with rock falls is proposed. The analysis concludes with a discussion on the feasibility of such an application in regularly and irregularly jointed rock masses, with persistent and impersistent discontinuities.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

Organic matter processing and soil evolution in a braided river system

Traditionally, braided river research has considered flow, sediment transport processes and, recently, vegetation dynamics in relation to river morphodynamics. However, if considering the development of woody vegetated patches over a time scale of decades, we must consider the extent to which soil forming processes, particularly related to soil organic matter, impact the alluvial geomorphic-vegetation system. Here we quantify the soil organic matter processing (humification) that occurs on young alluvial landforms. We sampled different geomorphic units, ranging from the active river channel to established river terraces in a braided river system. For each geomorphic unit, soil pits were used to sample sediment/soil layers that were analysed in terms of grain size (<2mm) and organic matter quantity and quality (RockEval method). A principal components analysis was used to identify patterns in the dataset. Results suggest that during the succession from bare river gravels to a terrace soil, there is a transition from small amounts of external organic matter supply provided by sedimentation processes (e.g. organic matter transported in suspension and deposited on bars), to large amounts of autogenic in situ organic matter production due to plant colonisation. This appears to change the time scale and pathways of alluvial succession (bio-geomorphic succession). However, this process is complicated by: the ongoing possibility of local sedimentation, which can serve to isolate surface layers via aggradation from the exogenic supply; and erosion which tends to create fresh deposits upon which organic matter processing must re-start. The result is a complex pattern of organic matter states as well as a general lack of any clear chronosequence within the active river corridor. This state reflects the continual battle between deposition events that can isolate organic matter from the surface, erosion events that can destroy accumulating organic matter and the early ecosystem processes necessary to assist the co-evolution of soil and vegetation. A key question emerges over the extent to which the fresh organic matter deposited in the active zone is capable of significantly transforming the local geochemical environment sufficiently to accelerate soil development.

Three-dimensional hydrodynamic numerical modelling of fold nappe formation, basement-cover deformation and slab detachment with applications to the helvetic nappe system (W Switzerland)

Many three-dimensional (3-D) structures in rock, which formed during the deformation of the Earth's crust and lithosphere, are controlled by a difference in mechanical strength between rock units and are often the result of a geometrical instability. Such structures are, for example, folds, pinch-and-swell structures (due to necking) or cuspate-lobate structures (mullions). These struc-tures occur from the centimeter to the kilometer scale and the related deformation processes con-trol the formation of, for example, fold-and-thrust belts and extensional sedimentary basins or the deformation of the basement-cover interface. The 2-D deformation processes causing these structures are relatively well studied, however, several processes during large-strain 3-D defor-mation are still incompletely understood. One of these 3-D processes is the lateral propagation of these structures, such as fold and cusp propagation in a direction orthogonal to the shortening direction or neck propagation in direction orthogonal to the extension direction. Especially, we are interested in fold nappes which are recumbent folds with amplitudes usually exceeding 10 km and they have been presumably formed by ductile shearing. They often exhibit a constant sense of shearing and a non-linear increase of shear strain towards their overturned limb. The fold axes of the Morcles fold nappe in western Switzerland plunges to the ENE whereas the fold axes in the more eastern Doldenhorn nappe plunges to the WSW. These opposite plunge direc-tions characterize the Rawil depression (Wildstrubel depression). The Morcles nappe is mainly the result of layer parallel contraction and shearing. During the compression the massive lime-stones were more competent than the surrounding marls and shales, which led to the buckling characteristics of the Morcles nappe, especially in the north-dipping normal limb. The Dolden-horn nappe exhibits only a minor overturned fold limb. There are still no 3-D numerical studies which investigate the fundamental dynamics of the formation of the large-scale 3-D structure including the Morcles and Doldenhorn nappes and the related Rawil depression. We study the 3-D evolution of geometrical instabilities and fold nappe formation with numerical simulations based on the finite element method (FEM). Simulating geometrical instabilities caused by sharp variations of mechanical strength between rock units requires a numerical algorithm that can accurately resolve material interfaces for large differences in material properties (e.g. between limestone and shale) and for large deformations. Therefore, our FE algorithm combines a nu-merical contour-line technique and a deformable Lagrangian mesh with re-meshing. With this combined method it is possible to accurately follow the initial material contours with the FE mesh and to accurately resolve the geometrical instabilities. The algorithm can simulate 3-D de-formation for a visco-elastic rheology. The viscous rheology is described by a power-law flow law. The code is used to study the 3-D fold nappe formation, the lateral propagation of folding and also the lateral propagation of cusps due to initial half graben geometry. Thereby, the small initial geometrical perturbations for folding and necking are exactly followed by the FE mesh, whereas the initial large perturbation describing a half graben is defined by a contour line inter-secting the finite elements. Further, the 3-D algorithm is applied to 3-D viscous nacking during slab detachment. The results from various simulations are compared with 2-D resulats and a 1-D analytical solution. -- On retrouve beaucoup de structures en 3 dimensions (3-D) dans les roches qui ont pour origines une déformation de la lithosphère terrestre. Ces structures sont par exemple des plis, des boudins (pinch-and-swell) ou des mullions (cuspate-lobate) et sont présentés de l'échelle centimétrique à kilométrique. Mécaniquement, ces structures peuvent être expliquées par une différence de résistance entre les différentes unités de roches et sont généralement le fruit d'une instabilité géométrique. Ces différences mécaniques entre les unités contrôlent non seulement les types de structures rencontrées, mais également le type de déformation (thick skin, thin skin) et le style tectonique (bassin d'avant pays, chaîne d'avant pays). Les processus de la déformation en deux dimensions (2-D) formant ces structures sont relativement bien compris. Cependant, lorsque l'on ajoute la troisiéme dimension, plusieurs processus ne sont pas complètement compris lors de la déformation à large échelle. L'un de ces processus est la propagation latérale des structures, par exemple la propagation de plis ou de mullions dans la direction perpendiculaire à l'axe de com-pression, ou la propagation des zones d'amincissement des boudins perpendiculairement à la direction d'extension. Nous sommes particulièrement intéressés les nappes de plis qui sont des nappes de charriage en forme de plis couché d'une amplitude plurikilométrique et étant formées par cisaillement ductile. La plupart du temps, elles exposent un sens de cisaillement constant et une augmentation non linéaire de la déformation vers la base du flanc inverse. Un exemple connu de nappes de plis est le domaine Helvétique dans les Alpes de l'ouest. Une de ces nap-pes est la Nappe de Morcles dont l'axe de pli plonge E-NE tandis que de l'autre côté de la dépression du Rawil (ou dépression du Wildstrubel), la nappe du Doldenhorn (équivalent de la nappe de Morcles) possède un axe de pli plongeant O-SO. La forme particulière de ces nappes est due à l'alternance de couches calcaires mécaniquement résistantes et de couches mécanique-ment faibles constituées de schistes et de marnes. Ces différences mécaniques dans les couches permettent d'expliquer les plissements internes à la nappe, particulièrement dans le flanc inver-se de la nappe de Morcles. Il faut également noter que le développement du flanc inverse des nappes n'est pas le même des deux côtés de la dépression de Rawil. Ainsi la nappe de Morcles possède un important flanc inverse alors que la nappe du Doldenhorn en est presque dépour-vue. A l'heure actuelle, aucune étude numérique en 3-D n'a été menée afin de comprendre la dynamique fondamentale de la formation des nappes de Morcles et du Doldenhorn ainsi que la formation de la dépression de Rawil. Ce travail propose la première analyse de l'évolution 3-D des instabilités géométriques et de la formation des nappes de plis en utilisant des simulations numériques. Notre modèle est basé sur la méthode des éléments finis (FEM) qui permet de ré-soudre avec précision les interfaces entre deux matériaux ayant des propriétés mécaniques très différentes (par exemple entre les couches calcaires et les couches marneuses). De plus nous utilisons un maillage lagrangien déformable avec une fonction de re-meshing (production d'un nouveau maillage). Grâce à cette méthode combinée il nous est possible de suivre avec précisi-on les interfaces matérielles et de résoudre avec précision les instabilités géométriques lors de la déformation de matériaux visco-élastiques décrit par une rhéologie non linéaire (n>1). Nous uti-lisons cet algorithme afin de comprendre la formation des nappes de plis, la propagation latérale du plissement ainsi que la propagation latérale des structures de type mullions causé par une va-riation latérale de la géométrie (p.ex graben). De plus l'algorithme est utilisé pour comprendre la dynamique 3-D de l'amincissement visqueux et de la rupture de la plaque descendante en zone de subduction. Les résultats obtenus sont comparés à des modèles 2-D et à la solution analytique 1-D. -- Viele drei dimensionale (3-D) Strukturen, die in Gesteinen vorkommen und durch die Verfor-mung der Erdkruste und Litosphäre entstanden sind werden von den unterschiedlichen mechani-schen Eigenschaften der Gesteinseinheiten kontrolliert und sind häufig das Resulat von geome-trischen Istabilitäten. Zu diesen strukturen zählen zum Beispiel Falten, Pich-and-swell Struktu-ren oder sogenannte Cusbate-Lobate Strukturen (auch Mullions). Diese Strukturen kommen in verschiedenen Grössenordungen vor und können Masse von einigen Zentimeter bis zu einigen Kilometer aufweisen. Die mit der Entstehung dieser Strukturen verbundenen Prozesse kontrol-lieren die Entstehung von Gerbirgen und Sediment-Becken sowie die Verformung des Kontaktes zwischen Grundgebirge und Stedimenten. Die zwei dimensionalen (2-D) Verformungs-Prozesse die zu den genannten Strukturen führen sind bereits sehr gut untersucht. Einige Prozesse wäh-rend starker 3-D Verformung sind hingegen noch unvollständig verstanden. Einer dieser 3-D Prozesse ist die seitliche Fortpflanzung der beschriebenen Strukturen, so wie die seitliche Fort-pflanzung von Falten und Cusbate-Lobate Strukturen senkrecht zur Verkürzungsrichtung und die seitliche Fortpflanzung von Pinch-and-Swell Strukturen othogonal zur Streckungsrichtung. Insbesondere interessieren wir uns für Faltendecken, liegende Falten mit Amplituden von mehr als 10 km. Faltendecken entstehen vermutlich durch duktile Verscherung. Sie zeigen oft einen konstanten Scherungssinn und eine nicht-lineare zunahme der Scherverformung am überkipp-ten Schenkel. Die Faltenachsen der Morcles Decke in der Westschweiz fallen Richtung ONO während die Faltenachsen der östicher gelegenen Doldenhorn Decke gegen WSW einfallen. Diese entgegengesetzten Einfallrichtungen charakterisieren die Rawil Depression (Wildstrubel Depression). Die Morcles Decke ist überwiegend das Resultat von Verkürzung und Scherung parallel zu den Sedimentlagen. Während der Verkürzung verhielt sich der massive Kalkstein kompetenter als der Umliegende Mergel und Schiefer, was zur Verfaltetung Morcles Decke führ-te, vorallem in gegen Norden eifallenden überkippten Schenkel. Die Doldenhorn Decke weist dagegen einen viel kleineren überkippten Schenkel und eine stärkere Lokalisierung der Verfor-mung auf. Bis heute gibt es keine 3-D numerischen Studien, die die fundamentale Dynamik der Entstehung von grossen stark verformten 3-D Strukturen wie den Morcles und Doldenhorn Decken sowie der damit verbudenen Rawil Depression untersuchen. Wir betrachten die 3-D Ent-wicklung von geometrischen Instabilitäten sowie die Entstehung fon Faltendecken mit Hilfe von numerischen Simulationen basiert auf der Finite Elemente Methode (FEM). Die Simulation von geometrischen Instabilitäten, die aufgrund von Änderungen der Materialeigenschaften zwischen verschiedenen Gesteinseinheiten entstehen, erfortert einen numerischen Algorithmus, der in der Lage ist die Materialgrenzen mit starkem Kontrast der Materialeigenschaften (zum Beispiel zwi-schen Kalksteineinheiten und Mergel) für starke Verfomung genau aufzulösen. Um dem gerecht zu werden kombiniert unser FE Algorithmus eine numerische Contour-Linien-Technik und ein deformierbares Lagranges Netz mit Re-meshing. Mit dieser kombinierten Methode ist es mög-lich den anfänglichen Materialgrenzen mit dem FE Netz genau zu folgen und die geometrischen Instabilitäten genügend aufzulösen. Der Algorithmus ist in der Lage visko-elastische 3-D Ver-formung zu rechnen, wobei die viskose Rheologie mit Hilfe eines power-law Fliessgesetzes beschrieben wird. Mit dem numerischen Algorithmus untersuchen wir die Entstehung von 3-D Faltendecken, die seitliche Fortpflanzung der Faltung sowie der Cusbate-Lobate Strukturen die sich durch die Verkürzung eines mit Sediment gefüllten Halbgraben bilden. Dabei werden die anfänglichen geometrischen Instabilitäten der Faltung exakt mit dem FE Netz aufgelöst wäh-rend die Materialgranzen des Halbgrabens die Finiten Elemente durchschneidet. Desweiteren wird der 3-D Algorithmus auf die Einschnürung während der 3-D viskosen Plattenablösung und Subduktion angewandt. Die 3-D Resultate werden mit 2-D Ergebnissen und einer 1-D analyti-schen Lösung verglichen.