Application of low temperature thermochronology to understanding cooling and exhumation in the Central Swiss Alps

THESIS ABSTRACT : Low-temperature thermochronology relies on application of radioisotopic systems whose closure temperatures are below temperatures at which the dated phases are formed. In that sense, the results are interpreted as "cooling ages" in contrast to "formation ages". Owing to the low closure-temperatures, it is possible to reconstruct exhumation and cooling paths of rocks during their residence at shallow levels of the crust, i.e. within first ~10 km of depth. Processes occurring at these shallow depths such as final exhumation, faulting and relief formation are fundamental for evolution of the mountain belts. This thesis aims at reconstructing the tectono-thermal history of the Aar massif in the Central Swiss Alps by means of zircon (U-Th)/He, apatite (U-Th)/He and apatite fission track thermochronology. The strategy involved acquisition of a large number of samples from a wide range of elevations in the deeply incised Lötschen valley and a nearby NEAT tunnel. This unique location allowed to precisely constrain timing, amount and mechanisms of exhumation of the main orographic feature of the Central Alps, evaluate the role of topography on the thermochronological record and test the impact of hydrothermal activity. Samples were collected from altitudes ranging between 650 and 3930 m and were grouped into five vertical profiles on the surface and one horizontal in the tunnel. Where possible, all three radiometric systems were applied to each sample. Zircon (U-Th)/He ages range from 5.1 to 9.4 Ma and are generally positively correlated with altitude. Age-elevation plots reveal a distinct break in slope, which translates into exhumation rate increasing from ~0.4 to ~3 km/Ma at 6 Ma. This acceleration is independently confirmed by increased cooling rates on the order of 100°C/Ma constrained on the basis of age differences between the zircon (U-Th)/He and the remaining systems. Apatite fission track data also plot on a steep age-elevation curve indicating rapid exhumation until the end of the Miocene. The 6 Ma event is interpreted as reflecting tectonically driven uplift of the Aar massif. The late Miocene timing implies that the increase of precipitation in the Pliocene did not trigger rapid exhumation in the Aar massif. The Messinian salinity crisis in the Mediterranean could not directly intensify erosion of the Aar but associated erosional output from the entire Alps may have tapered the orogenic wedge and caused reactivation of thrusting in the Aar massif. The high exhumation rates in the Messinian were followed by a decrease to ~1.3 km/Ma as evidenced by ~8 km of exhumation during last 6 Ma. The slowing of exhumation is also apparent from apatite (U-Th)1He age-elevation data in the northern part of the Lötschen valley where they plot on a ~0.5km/Ma line and range from 2.4 to 6.4 Ma However, from the apatite (U-Th)/He and fission track data from the NEAT tunnel, there is an indication of a perturbation of the record. The apatite ages are youngest under the axis of the valley, in contrast to an expected pattern where they would be youngest in the deepest sections of the tunnel due to heat advection into ridges. The valley however, developed in relatively soft schists while the ridges are built of solid granitoids. In line with hydrological observations from the tunnel, we suggest that the relatively permeable rocks under the valley floor, served as conduits of geothermal fluids that caused reheating leading to partial Helium loss and fission track annealing in apatites. In consequence, apatite ages from the lowermost samples are too young and the calculated exhumation rates may underestimate true values. This study demonstrated that high-density sampling is indispensable to provide meaningful thermochronological data in the Alpine setting. The multi-system approach allows verifying plausibility of the data and highlighting sources of perturbation. RÉSUMÉ DE THÈSE : La thermochronologie de basse température dépend de l'utilisation de systèmes radiométriques dont la température de fermeture est nettement inférieure à la température de cristallisation du minéral. Les résultats obtenus sont par conséquent interprétés comme des âges de refroidissement qui diffèrent des âges de formation obtenus par le biais d'autres systèmes de datation. Grâce aux températures de refroidissement basses, il est aisé de reconstruire les chemins de refroidissement et d'exhumation des roches lors de leur résidence dans la croute superficielle (jusqu'à 10 km). Les processus qui entrent en jeu à ces faibles profondeurs tels que l'exhumation finale, la fracturation et le faillage ainsi que la formation du relief sont fondamentaux dans l'évolution des chaînes de montagne. Ces dernières années, il est devenu clair que l'enregistrement thermochronologique dans les orogènes peut être influencé par le relief et réinitialisé par l'advection de la chaleur liée à la circulation de fluides géothermaux après le refroidissement initial. L'objectif de cette thèse est de reconstruire l'histoire tectono-thermique du massif de l'Aar dans les Alpes suisses Centrales à l'aide de trois thermochronomètres; (U-Th)/He sur zircon, (U-Th)/He sur apatite et les traces de fission sur apatite. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons récolté un grand nombre d'échantillons provenant de différentes altitudes dans la vallée fortement incisée de Lötschental ainsi que du tunnel de NEAT. Cette stratégie d'échantillonnage nous a permis de contraindre de manière précise la chronologie, les quantités et les mécanismes d'exhumation de cette zone des Alpes Centrales, d'évaluer le rôle de la topographie sur l'enregistrement thermochronologique et de tester l'impact de l'hydrothermalisme sur les géochronomètres. Les échantillons ont été prélevés à des altitudes comprises entre 650 et 3930m selon 5 profils verticaux en surface et un dans le tunnel. Quand cela à été possible, les trois systèmes radiométriques ont été appliqués aux échantillons. Les âges (U-Th)\He obtenus sur zircons sont compris entre 5.l et 9.4 Ma et sont corrélés de manière positive avec l'altitude. Les graphiques représentant l'âge et l'élévation montrent une nette rupture de la pente qui traduisent un accroissement de la vitesse d'exhumation de 0.4 à 3 km\Ma il y a 6 Ma. Cette accélération de l'exhumation est confirmée par les vitesses de refroidissement de l'ordre de 100°C\Ma obtenus à partir des différents âges sur zircons et à partir des autres systèmes géochronologiques. Les données obtenues par traces de fission sur apatite nous indiquent également une exhumation rapide jusqu'à la fin du Miocène. Nous interprétons cet évènement à 6 Ma comme étant lié à l'uplift tectonique du massif de l'Aar. Le fait que cet évènement soit tardi-miocène implique qu'une augmentation des précipitations au Pliocène n'a pas engendré cette exhumation rapide du massif de l'Aar. La crise Messinienne de la mer méditerranée n'a pas pu avoir une incidence directe sur l'érosion du massif de l'Aar mais l'érosion associée à ce phénomène à pu réduire le coin orogénique alpin et causer la réactivation des chevauchements du massif de l'Aar. L'exhumation rapide Miocène a été suivie pas une diminution des taux d'exhumation lors des derniers 6 Ma (jusqu'à 1.3 km\Ma). Cependant, les âges (U-Th)\He sur apatite ainsi que les traces de fission sur apatite des échantillons du tunnel enregistrent une perturbation de l'enregistrement décrit ci-dessus. Les âges obtenus sur les apatites sont sensiblement plus jeunes sous l'axe de la vallée en comparaison du profil d'âges attendus. En effet, on attendrait des âges plus jeunes sous les parties les plus profondes du tunnel à cause de l'advection de la chaleur dans les flancs de la vallée. La vallée est creusée dans des schistes alors que les flancs de celle-ci sont constitués de granitoïdes plus durs. En accord avec les observations hydrologiques du tunnel, nous suggérons que la perméabilité élevée des roches sous l'axe de la vallée à permi l'infiltration de fluides géothermaux qui a généré un réchauffement des roches. Ce réchauffement aurait donc induit une perte d'Hélium et un recuit des traces de fission dans les apatites. Ceci résulterait en un rajeunissement des âges apatite et en une sous-estimation des vitesses d'exhumation sous l'axe de la vallée. Cette étude à servi à démontrer la nécessité d'un échantillonnage fin et précis afin d'apporter des données thermochronologiques de qualité dans le contexte alpin. Cette approche multi-système nous a permi de contrôler la pertinence des données acquises ainsi que d'identifier les sources possibles d'erreurs lors d'études thermochronologiques. RÉSUMÉ LARGE PUBLIC Lors d'une orogenèse, les roches subissent un cycle comprenant une subduction, de la déformation, du métamorphisme et, finalement, un retour à la surface (ou exhumation). L'exhumation résulte de la déformation au sein de la zone de collision, menant à un raccourcissement et un apaissessement de l'édifice rocheux, qui se traduit par une remontée des roches, création d'une topographie et érosion. Puisque l'érosion agit comme un racloir sur la partie supérieure de l'édifice, des tentatives de corrélation entre les épisodes d'exhumation rapide et les périodes d'érosion intensive, dues aux changements climatiques, ont été effectuées. La connaissance de la chronologie et du lieu précis est d'une importance capitale pour une quelconque reconstruction de l'évolution d'une chaîne de montagne. Ces critères sont donnés par un retraçage des changements de la température de la roche en fonction du temps, nous donnant le taux de refroidissement. L'instant auquel les roches ont refroidit, passant une certaine température, est contraint par l'application de techniques de datation par radiométrie. Ces méthodes reposent sur la désintégration des isotopes radiogéniques, tels que l'uranium et le potassium, tous deux abondants dans les roches de la croûte terrestre. Les produits de cette désintégration ne sont pas retenus dans les minéraux hôtes jusqu'au moment du refroidissement de la roche sous une température appelée 'de fermeture' , spécifique à chaque système de datation. Par exemple, la désintégration radioactive des atomes d'uranium et de thorium produit des atomes d'hélium qui s'échappent d'un cristal de zircon à des températures supérieures à 200°C. En mesurant la teneur en uranium-parent, l'hélium accumulé et en connaissant le taux de désintégration, il est possible de calculer à quel moment la roche échantillonnée est passée sous la température de 200°C. Si le gradient géothermal est connu, les températures de fermeture peuvent être converties en profondeurs actuelles (p. ex. 200°C ≈ 7km), et le taux de refroidissement en taux d'exhumation. De plus, en datant par système radiométrique des échantillons espacés verticalement, il est possible de contraindre directement le taux d'exhumation de la section échantillonnée en observant les différences d'âges entre des échantillons voisins. Dans les Alpes suisses, le massif de l'Aar forme une structure orographique majeure. Avec des altitudes supérieures à 4000m et un relief spectaculaire de plus de 2000m, le massif domine la partie centrale de la chaîne de montagne. Les roches aujourd'hui exposées à la surface ont été enfouies à plus de 10 km de profond il y a 20 Ma, mais la topographie actuelle du massif de l'Aar semble surtout s'être développée par un soulèvement actif depuis quelques millions d'années, c'est-à-dire depuis le Néogène supérieur. Cette période comprend un changement climatique soudain ayant touché l'Europe il y a environ 5 Ma et qui a occasionné de fortes précipitations, entraînant certainement une augmentation de l'érosion et accélérant l'exhumation des Alpes. Dans cette étude, nous avons employé le système de datation (U-TH)/He sur zircon, dont la température de fermeture de 200°C est suffisamment basse pour caractériser l'exhumation du Néogène sup. /Pliocène. Les échantillons proviennent du Lötschental et du tunnel ferroviaire le plus profond du monde (NEAT) situé dans la partie ouest du massif de l'Aar. Considérés dans l'ensemble, ces échantillons se répartissent sur un dénivelé de 3000m et des âges de 5.1 à 9.4 Ma. Les échantillons d'altitude supérieure (et donc plus vieux) documentent un taux d'exhumation de 0.4 km/Ma jusqu'à il y a 6 Ma, alors que les échantillons situés les plus bas ont des âges similaires allant de 6 à 5.4 Ma, donnant un taux jusqu'à 3km /Ma. Ces données montrent une accélération dramatique de l'exhumation du massif de l'Aar il y a 6 Ma. L'exhumation miocène sup. du massif prédate donc le changement climatique Pliocène. Cependant, lors de la crise de salinité d'il y a 6-5.3 Ma (Messinien), le niveau de la mer Méditerranée est descendu de 3km. Un tel abaissement de la surface d'érosion peut avoir accéléré l'exhumation des Alpes, mais le bassin sud alpin était trop loin du massif de l'Aar pour influencer son érosion. Nous arrivons à la conclusion que la datation (U-Th)/He permet de contraindre précisément la chronologie et l'exhumation du massif de l'Aar. Concernant la dualité tectonique-érosion, nous suggérons que, dans le cas du massif de l'Aar, la tectonique prédomine.

A better understanding of ecological conditions for Leontopodium alpinum Cassini in the Swiss Alps

Although Leontopodium alpinum is considered to be threatened in many countries, only limited scientific information about its autecology is available. In this study, we aim to define the most important ecological factors which influence the distribution of L. alpinum in the Swiss Alps. These were assessed at the national scale using species distribution models based on topoclimatic predictors and at the community scale using exhaustive plant inventories. The latter were analysed using hierarchical clustering and principal component analysis, and the results were interpreted using ecological indicator values. L. alpinum was found almost exclusively on base-rich bedrocks (limestone and ultramaphic rocks). The species distribution models showed that the available moisture (dry regions, mostly in the Inner Alps), elevation (mostly above 2000 m.a.s.l.) and slope (mostly >30°) were the most important predictors. The relevés showed that L. alpinum is present in a wide range of plant communities, all subalpine-alpine open grasslands, with a low grass cover. As a light-demanding and short species, L. alpinum requires light at ground level; hence, it can only grow in open, nutrient-poor grasslands. These conditions are met in dry conditions (dry, summer-warm climate, rocky and draining soil, south-facing aspect and/or steep slope), at high elevations, on oligotrophic soils and/or on windy ridges. Base-rich soils appear to also be essential, although it is still unclear if this corresponds to physiological or ecological (lower competition) requirements.

Early Variscan I-type pluton in the pre-Alpine basement of the Western Alps: The ca. 360 Ma Cogne diorite (NW-Italy)

Located at the internal border of the Grand-Saint-Bernard Zone, the diorite and its aureole lie on top of intensively studied Alpine eclogitic units but this pluton, poorly studied yet, has kept locally almost undeformed. The pluton intruded, at similar to 360 Ma, country-rocks mostly composed of dark shales with Na2O > K2O and minor mafic intercalations of tholeiitic basalt affinity. This association is characteristic of the Vanoise (France) basement series, where available age determinations suggest an Early Paleozoic age. Parts of the pluton, and of its hornfels aureole that is evidenced here for the first time, in the Punta Bioula section of Valsavaranche valley (NW-Italy), have been well-preserved from the Alpine deformation. Syn-emplacement hardening, dehydration-induced, probably prevented strain-enhanced Alpine recrystallization. Magmatic rock-types range continuously from subordinate mafic types at SiO2 similar to 48%, of hornblendite with cumulative or appinite affinities, to the main body of quartz diorite to quartz monzonite (SiO2 up to 62%). P-T estimates for the pluton emplacement, based on the abundance of garnet in the hornfelses, using also zircon and apatite saturation thermometry and Al-in-hornblende barometry, suggest T similar to 800-950 degrees C and minimum P in the 0.2-0.5 GPa range, with records of higher pressure conditions (up to 1-2 GPa?) in hornblendite phlogopite-cored amphibole. The high-K, Na > K, calcalkaline geochemistry is in line with a destructive plate-margin setting. Based on major element data and radiogenic isotope signature (epsilon Nd-360 Ma from -1.2 to + 0.9, Sr-87/Sr-86(360 MA) from 0.7054 to 0.7063), the parental magmas are interpreted in terms of deep-seated metabasaltic partial melts with limited contamination from shallower sources, the low radiogenic Nd-content excluding a major contribution from Vanoise tholeiites. There is no other preserved evidence for Variscan magmatism of similar age and composition in the Western Alps, but probable analogs are known in the western and northern parts of French Massif Central. Regarding the Alpine tectonics, not only the age of the pluton and its host-rocks (instead of the Permo-Carboniferous age previously believed), but also its upper mylonitic contact, suggest revisions of the Alpine nappe model. The Cogne diorite allegedly constituted the axial part of the E-verging ``pli en retour [backfold] du Valsavaranche'', a cornerstone of popular Alpine structural models: in fact, the alleged fold limbs, as attested here by field and geochemical data, do not belong to the same unit, and the backfold hypothesis is unfounded. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Plant traits co-vary with altitude in grasslands and forests in the European Alps

Biological traits that are advantageous under specific ecological conditions should be present in a large proportion of the species within an ecosystem, where those specific conditions prevail. As climatic conditions change, the frequency of certain traits in plant communities is expected to change with increasing altitude. We examined patterns of change for 13 traits in 120 exhaustive inventories of plants along five altitudinal transects (520-3100 m a.s.l.) in grasslands and in forests in western Switzerland. The traits selected for study represented the occupation of space, photosynthesis, reproduction and dispersal. For each plot, the mean trait values or the proportions of the trait states were weighted by species cover and examined in relation to the first axis of a PCA based on local climatic conditions. With increasing altitude in grasslands, we observed a decrease in anemophily and an increase in entomophily complemented by possible selfing; a decrease in diaspores with appendages adapted to ectozoochory, linked to a decrease in achenes and an increase in capsules. In lowlands, pollination and dispersal are ensured by wind and animals. However, with increasing altitude, insects are mostly responsible for pollination, and wind becomes the main natural dispersal vector. Some traits showed a particularly marked change in the alpine belt (e.g., the increase of capsules and the decrease of achenes), confirming that this belt concentrates particularly stressful conditions to plant growth and reproduction (e.g. cold, short growing season) that constrain plants to a limited number of strategies. One adaptation to this stress is to limit investment in dispersal by producing capsules with numerous, tiny seeds that have appendages limited to narrow wings. Forests displayed many of the trends observed in grasslands but with a reduced variability that is likely due to a shorter altitudinal gradient.

U-Pb zircon dating in the middle Penninic basement of the Western Alps (Valais, Switzerland)

New ages (U-Pb isotopic data) on zircon and monazite in the pre-Alpine basement of the Penninic realm (Valais, Switzerland) are presented. They are related to a Variscan metamorphic high-grade event (ca. 330 Ma) and to post-Variscan magmatic activities (ca. 270 Ma).

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

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

Molecular taxonomy of the Formica rufa group (red wood ants) (Hymenoptera: Formicidae): a new cryptic species in the Swiss Alps?

Because of their beneficial impact on forest ecosystems, European red wood ants (Formica rufa group) are protected by law in many European countries and are considered to be among the most reliable bioindicators of forest stability. However, their taxonomy has been much debated and, unfortunately, it is too often neglected. This happens mainly because the morphology-based method for species delimitation requires lots of time and experience. We therefore employed 9 microsatellite loci and mitochondrial DNA (COI gene) to verify the power of genetic markers for red wood ant species delimitation and to investigate the cryptic diversity of these ants within the Eastern Swiss Alps. We analyzed 83 nests belonging to all red wood ant species that occur in the Swiss National Park area. Genetic data indicated that these species represent different genetic pools. Moreover, results showed that Formica aquilonia YARROW, 1955 and F. paralugubris SEIFERT, 1996 often hybridize within the Park, confirming that these two species are genetically very close and could have diverged only recently. Nevertheless, microsatellites also revealed that one entire population, located in the Minger Valley and morphologically identified as F. lugubris ZETTERSTEDT, 1838, is genetically different to all other analyzed F. lugubris populations found within the same area and to other red wood ant species. These findings, confirmed by mitochondrial DNA analyses, suggest the existence of a new cryptic species within the Eastern Swiss Alps. This putative cryptic species has been provisionally named F. lugubris-A2. These results have a great importance for future conservation plans, monitoring and evolutionary studies on these protected ants.

Constraints on the late thermotectonic evolution of the Western Alps - Evidence for episodic rapid uplift

Forty-two new apatite and zircon fission track ages are presented for samples from the Western Alps in southern Switzerland, northern Italy, and southeastern France. Measured ages plotted against assumed closure temperatures yield cooling patterns for the final cooling, uplift, and exhumation of the Western Alps. Similar fission track zircon ages in the Penninic Gran Paradiso massif, Dent Blanche nappe, Sesia-Lanzo Zone, and Ivrea Zone indicate cooling of all four units to approximately 225-degrees-C by 33 Ma. Differences in apatite ages reveal differential cooling of the four blocks between 33 Ma and the present. In the Sesia-Lanzo Zone, similarity of apatite ages regardless of elevation, together with near-volcanic confined fission track length patterns suggest rapid cooling and uplift at approximately 25 Ma compared with slow cooling of other Western Alps units around 12 Ma. Uplift is thus not continuous but episodic, often over a short time interval beyond the resolution of other methods. Such episodes of uplift, as revealed here in the Sesia-Lanzo Zone, may be the rule rather than the exception.

Bathonian radiolarians from an ophiolitic melange of the Alpine Tethys (Gets Nappe, Swiss-French Alps)

The determination of radiolarite ages of supraophiolitic rocks date the expansion age of oceanic crust. Radiolarites from the Gets nappe, a decollement cover nappe, provide the means of dating selected localities of outcropping oceanic crust based on their radiolarian faunas. Some studied samples from the ophiolitic melange (Perri re series) have a very well preserved and highly diverse radiolarian fauna of biochronological significance. The age of the radiolarites is established by correlation with the biozonation of Baumgartner et al. (1995b), which indicates a Bathonian age for the oldest radiolarian assemblages. Accordingly, these radiolarites represent remains of the oldest sediments recorded after the opening of the Piemont-Ligurian Ocean. This age is in agreement with those recently established by isotopic methods (166 +/- 1 Ma U-Pb and 165.9 +/- 2.2 Ma Ar-40/Ar-39) in the associated gabbros from the ophiolitic melange. The isotopic age and paleontological results are important because they represent the oldest dating of the oceanic crust of the Piemont-Ligurian Ocean, proving a Late Bajocian-Early Bathonian age for the oceanization in the western Tethys. The systematic part presents a complete Bathonian radiolarian assemblage from two of the best preserved samples; the illustrated assemblage contains 180 species attributed to 66 genera (44 nassellarians, 22 spumellarians and 1 entactinarian). Twenty new species and three new genera (Helvetocapsa, Plicaforacapsa and Theocapsomella) are formally described.

Chemistry, isotope values (δD, δ18O, δ34S(SO4)) and temperatures of the water inflows in two Gotthard tunnels, Swiss Alps

Water inflows in the Gotthard Highway Tunnel and in the Gotthard Exploration Tunnel are meteoric waters infiltrating at different elevations, on both sides of an important orographic divide. Limited interaction of meteoric waters with gneissic rocks produces Ca-HCO3 and Na-Ca-HCO3 waters, whereas prolonged interaction of meteoric waters with the same rocks generates Na-HCO3 to Na-SO4 waters. Waters circulating in Triassic carbonate-evaporite rocks have a Ca-SO4 composition. Calcium-Na-SO4 waters are also present. They can be produced through interaction of either Na-HCO3 waters with anhydrite or Ca-SO4 waters with a local gneissic rock, as suggested by reaction path modeling. An analogous simulation indicates that Na-HCO3 waters are generated through interaction of Ca-HCO3 waters with a local gneissic rock. The two main SO4-sources present in the Alps are leaching of upper Triassic sulfate minerals and oxidative dissolution of sulfide minerals of crystalline rocks. Values of delta S-34(SO4) < <similar to>+ 9 parts per thousand, are due to oxidative dissolution of sulfide minerals, whereas delta S-34(SO4) > similar to+ 9 parts per thousand are controlled either by bacterial SO4 reduction or leaching of upper Triassic sulfate minerals. Most waters have temperatures similar to the expected values for a geothermal gradient of 22 degreesC/km and are close to thermal equilibrium with rocks. However relatively large, descending flows of cold waters and ascending flows of warm waters are present in both tunnels and determine substantial cooling and heating, respectively, of the interacting rocks. The most import upflow zone of warm, Na-rich waters is below Guspisbach, in the Gotthard Highway Tunnel, at 6.2-9.0 km from the southern portal. These warm waters have equilibrium temperatures of 65-75 degreesC and therefore constitute an important low-enthalpy geothermal resource. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.