Oxidation of methane at the CH4/H2O-(CO2) transition zone in the external part of the Central Alps, Switzerland: Evidence from stable isotope investigations

With the aim of understanding the mechanisms that control the metamorphic transition from the CH4- to the H2O-(CO2)-dominated fluid zone in the Helvetic domain of the Central Alps of Switzerland, fluid inclusions in quartz, illite ``crystallinity'' index, vitrinite reflectance, and the stable isotope compositions of vein and whole rock minerals and fluids trapped in quartz were investigated along four cross-sections. Increasing temperature during prograde metamorphism led to the formation of dry gas by hydrocarbon cracking in the CH4-zone. Fluid immiscibility in the H2O-CH4-(CO2)-NaCl system resulted in cogenetic, CH4- and H2O-dominated fluid inclusions. In the CH4-zone, fluids were trapped at temperatures <= 270 +/- 5 degrees C. The end of the CH4-zone is markedby a sudden increase of CO2 content in the gas phase of fluid inclusions. At temperatures > 270 +/- 5 degrees C, in the H2O-zone, the total amount of volatiles within the fluid decreased below 1 mol% with no immiscibility. This resulted m total homogenization temperatures of H2O-(CO2-CH4)-NaCl inclusions below 180 degrees C. Hydrogen isotope compositions of methane in fluid inclusion have delta D values of less than -100 parts per thousand in the CH4-zone, typical for an origin through cracking of higher hydrocarbons, but where the methane has not equilibrated with the pore water. delta D values of fluid inclusion water are around -40 parts per thousand., in isotopic equilibrium with phyllosilicates of the whole rocks. Within the CH4 to H2O(CO2) transition zone, delta D(H2O) values in fluid inclusions decrease to -130 parts per thousand interpreted to reflect the contribution of deuterium depleted water from methane oxidation. In the H2O-zone, delta D(H2O) values increase again towards an average of -30 parts per thousand which is again consistent with isotopic equilibrium with host-rock phyllosilicates. delta C-13 values of methane in fluid inclusions from the CH4-zone are around -27 parts per thousand in isotopic equilibrium with calcite in veins and whole rocks. The delta C-13(CH4) values decrease to less than -35 parts per thousand at the transition to the H2O-zone and are no longer in equilibrium with the carbonates in the whole rocks. delta C-13 values of CO, are variable but too low to be in equilibrium with the wall rock fluids, compatible with a contribution of CO2 from closed system oxidation of methane. Differences in isotopic composition between host-rock and Alpine fissure carbonate are generally small, suggesting that the amount of CO2 produced by oxidation of methane was small compared to the C-budget in the rocks and local pore fluids were buffered by the wall rocks during precipitation of calcite within the fissures. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Oxygen-isotope thermometry of quartz-calcite veins - Unraveling the thermal-tectonic history of the subgreenschist facies Morcles nappe (Swiss Alps)

Combined structural analysis and oxygen isotope thermometry of syntectonic quartz-calcite fibrous veins can be used to correlate the thermal history of deformed rocks,vith specific structural and tectonic events. Results are presented for the Mercies nappe in the western Helvetic Alps, Switzerland, where mineral parageneses, illite `'crystallinity,'' and fluid inclusion chemistry record an apparent peak metamorphic temperature gradient that increased across the Morcles nappe from anchizonal conditions in the foreland to epizonal conditions in its hinterland root zone. Twenty-seven quartz-calcite veins were analyzed in this study in order to determine the temperatures of veining during formation and deformation of the nappe, Peak metamorphic temperatures ranged from approximate to 260 to 290 degrees C in the shallower, foreland localities and to approximate to 330 to 350 degrees C in the deeper, more hinterland localities at the end of S1-foliation formation, related to large-scale folding. Temperatures gradually decreased throughout the nappe during subsequent development of the S2 foliation and S3 crenulation cleavage, Uplift and erosion of the overlying nappe pile resulted in slow cooling of the Morcles nappe during the waning stages of the Alpine Orogeny. The dominant foliation-forming deformation of the Morcles nappe occurred at elevated temperatures over the course of 10 to 15 Ma. Combined structure-oxygen isotope analyses of quartz-calcite veins yield better temperature and temporal constraints on the thermal histories of subgreenschist vein-bearing tectonites than do other geothermometers.

Rift-related inheritance in orogens: a case study from the Austroalpine nappes in Central Alps (SE-Switzerland and N-Italy)

The Austroalpine nappe systems in SE-Switzerland and N-Italy preserve remnants of the Adriatic rifted margin. Based on new maps and cross-sections, we suggest that the complex structure of the Campo, Grosina/Languard, and Bernina nappes is inherited largely from Jurassic rifting. We propose a classification of the Austroalpine domain into Upper, Middle and Lower Austroalpine nappes that is new because it is based primarily on the rift-related Jurassic structure and paleogeography of these nappes. Based on the Alpine structures and pre-Alpine, rift-related geometry of the Lower (Bernina) and Middle (Campo, Grosina/Languard) Austroalpine nappes, we restore these nappes to their original positions along the former margin, as a means of understanding the formation and emplacement of the nappes during initial reactivation of the Alpine Tethyan margin. The Campo and Grosina/Languard nappes can be interpreted as remnants of a former necking zone that comprised pre-rift upper and middle crust. These nappes were juxtaposed with the Mesozoic cover of the Bernina nappe during Jurassic rifting. We find evidence for low-angle detachment faults and extensional allochthons in the Bernina nappe similar to those previously described in the Err nappe and explain their role during subsequent reactivation. Our observations reveal a strong control of rift-related structures during the subsequent Alpine reactivation on all scales of the former distal margin. Two zones of intense deformation, referred to as the Albula-Zebru and Lunghin-Mortirolo movement zones, have been reactivated during Alpine deformation and cannot be described as simple monophase faults or shear zones. We propose a tectonic model for the Austroalpine nappe systems that link inherited, rift-related structures with present-day Alpine structures. In conclusion, we believe that apart from the direct regional implications, the results of this paper are of general interest in understanding the control of rift structures during reactivation of distal-rifted margins.

Structure and kinematics of the Siviez-Mischabel nappe in the Mattertal (western Alps of Switzerland) = Structure et cinématique de la nappe de Siviez-Mischabel le long de la vallée de Zermatt (Alpes de Suisse occidentale)

Résumé Cette étude porte sur le flanc inverse de la nappe de Siviez-Mischabel et sur les unités tectoniques sous jacentes (zone de Stalden supérieur et zone Houillère) dans la vallée menant à Zermatt. L'étude structurale du granite permien de Randa (orthogneiss oeillé) permet de mieux comprendre les effets de la déformation alpine sur les roches de socle. La cartographie détaillée de l'orthogneiss et de son encaissant, ainsi que l'étude lithostratigraphique des terrains sédimentaires associés permettent de proposer un schéma structural et cinématique du flanc inverse de la nappe de Siviez-Mischabel et de mieux comprendre ses relations avec les unités tectoniques sous-jacentes. L'analyse structurale de l'orthogneiss de Randa et de son encaissant révèle la superposition de plusieurs phases de déformation ductile. Cet orthogneiss formé sous des conditions métamorphiques du faciès schiste vert possède une forte schistosité alpine avec au moins deux linéations d'extension. La première, L1, orientée NW-SE est associée à la mise en place de la nappe. La seconde, L2, orientée SW-NE, se corrèle au cisaillement ductile du Simplon. La quantification de la déformation au moyen de la méthode de Fry sur les faciès porphyriques donne des ellipses à rapports axiaux compris entre 1.9 et 5.3, en accord avec les valeurs obtenues par d'autres marqueurs {tourmalines étirées, fibres). Les valeurs mesurées parallèlement à L1 ou L2 sont très semblables. La méthode de Fry a nécessité une étude théorique préalable afin de vérifier son applicabilité aux orthogneiss oeillés. La méthode requiert une distribution spatiale homogène et isotrope des marqueurs utilisés. Les tests statistiques effectués ont révélé que les phénocristaux de feldspath alcalin satisfont à cette condition et qu'ils peuvent être utilisés comme marqueur de la déformation au moyen de la méthode de Fry. Les valeurs obtenues révèlent l'importance du cisaillement ductile du Simplon sur la géométrie de la nappe dans la région d'étude. Le levé cartographique a permis d'améliorer la lithostratigraphie de la base de la nappe de Siviez-Mischabel. Trois formations en position renversée peuvent être observées sous les gneiss formant le coeur de la nappe. Ces trois formations forment le coeur du synclinal de St-Niklaus qui connecte la nappe de Siviez-Mischabel à la zone de Stalden supérieur. La datation par U-Pb de zircons détritiques et magmatiques par LA-ICP-MS permet de contraindre l'âge des formations observées (probablement Carbonifère à Trias précoce). Ces données ont des répercussions importantes sur la structure de la nappe dans la région, prouvant l'existence de plusieurs plis avec des séries normales et renversées bien préservées. La définition et la datation de ces formations, ainsi que leur identification dans la-Zone- Houillère avoisinante permettent de mieux comprendre la géométrie initiale et les relations tectoniques des nappes du Pennique moyen dans la vallée de Zermatt. Summary This study investigates the overturned limb of the Siviez-Mischabel nappe and underlying tectonic units (Upper Stalden zone and Houillère zone) in the Mattertal area. Detailed structural analysis in the Permian Randa granite (augen orthogneiss) allows a better understanding of the Alpine deformation effects on basement rocks. Detailed mapping of this orthogneiss and surrounding rocks, and the study of the lithostratigraphy in the related sedimentary horizons allow the proposition of a structural and kinematic model for the overturned limb of the Siviez-Mischabel and to better understand the relations with the underlying tectonic units. The structural analysis of the Randa orthogneiss and surrounding rocks revealed the superposition of several phases of ductile deformation. This orthogneiss formed under greenschist facies metamorphic conditions displays a strong Alpine foliation with at least two stretching lineations. The first lineation, L1, is oriented NW-SE and is related to the nappe emplacement northward. The second one, L2, is related to the Simplon ductile shear zone. Strain estimation using the Fry method has been performed on porphyritic facies of the Randa orthogneiss. The obtained ellipses have axial ratios varying between 1.9 and 5.3, in agreement with strain estimation obtained from other markers (stretched turmalines, fringes). The strain values are very similar if measured parallel to L1 or to L2. A theoretical approach was necessary to verify the relevant application of the Fry method to augen orthogneiss. This method requires that the distribution of the used markers has to be homogeneous and isotropic. Statistical tests have been done and revealed that K-feldspar phenocrysts satisfy these conditions and can be used as strain markers with the Fry method. The obtained strain measurements revealed the importance of the Simplon ductile shear zone on the geometry of the nappe in the studied area. Mapping has improved the lithostratigraphy at the base of the Siviez-Mischabel nappe. Three overturned formations can be observed below the gneisses forming the core of the nappe. These three formations form the St-Niklaus syncline, which connects the Siviez-Mischabel nappe to the underlying Upper Stalden zone. U-Pb dating of detrital and magmatic zircons by LA-ICPMS allowed the age of the observed formations to be constrained (presumably Carboniferous to Early Triassic). This data has critical implications for nappe structure in the region, composed of few recumbent folds with well preserved normal and overturned limbs. The definition and dating of these formations, as well as their identification in the adjacent "Houillère Zone" improve the understanding of the geometry and tectonic relations of the Middle Penninic nappes in the Mattertal.

High-precision dating and origin of synsedimentary volcanism in the Late Carboniferous Salvan-Dorenaz basin (Aiguilles-Rouges Massif, Western Alps)

Late Variscan volcanic activity is documented in the Late Carboniferous Salvan-Dorenaz sedimentary basin and in the neighboring basement units of the Aiguilles-Rouges and Mont-Blanc crystalline massifs (Western Alps). Precise U/Pb isotopic dating, zircon morphology and geochemical analyses indicate that volcanism occurred during short-lived pulses and that coexisting crustal and mantle sources were involved in the production of melts. Volcanic and subvolcanic products were emplaced along major N-S to NNE-SSW transtensional fracture zones, similar to the ones that governed intense basement exhumation and that favored the formation and filling of the Late Carboniferous Salvan-Dorenaz continental basin. In the Aiguilles-Rouges massif, dacitic flows outcropping at the base of the Salvan-Dorenaz basin erupted at 308 +/- 3 Ma; they represent the surface equivalent of the nearby Vallorcine peraluminous granite and associated rhyolitic dykes (311 +/- 17 Ma). In the Mont Blanc massif, calc-alkaline rhyolitic dykes were emplaced simultaneously (307 +/- 2 Ma) at shallow crustal levels, but they derive from deeper magma sources denoting enhanced mantellic activity. Recently identified tuffs and volcaniclastic layers embedded at different levels of the Salvan-Dorenaz stratigraphic record testify a 295 +3/-4 Ma old episode of highly explosive volcanism from distant volcanic centers, possibly located in the Aar-Gotthard massifs (Central Alps). Their zircon typology is highly heterogeneous. documenting wall-rock contamination of the melts and/or admixture of crustal sediments, whereas consistent subpopulations point to high-temperature magmas of deep-seated origin and alkaline affinity. The dated volcanic layers from the Salvan-Dorenaz basin set the beginning of the detrital sedimentation at 308 +/- 3 Ma and constrain the deposition of 1.5-1.7 km thick of elastic sediments within a time span of 10-15 Ma. These results infer minimum, long-term subsidence rates during basin evolution in the order of >0.1 mm/a, while in the surrounding basement units estimated exhumation rates are in the range of 1 mm/a. All dated rocks contain inherited zircon populations about 350, 450 or 600 Ma old.

Trace element chemistry and U-Pb dating of zircons from oceanic gabbros and their relationship with whole rock composition (Lanzo, Italian Alps)

The U-Pb ages and the trace element content of zircon U-Pb along with major and trace element whole rock data on gabbroic dikes from the Lanzo lherzolitic massif, N-Italy, have been determined to constrain crustal accretion in ocean-continent transition zones. Three Fe-Ti gabbros were dated from the central and the southern part of the massif providing middle Jurassic ages of 161 +/- 2, 158 +/- 2 and 163 +/- 1 Ma, which argue for magmatic activity over few millions of years. Zircon crystals are characterized by high but variable Th/U ratios, rare earth element patterns enriched in heavy rare earths, pronounced positive Ce and negative Eu-anomalies consistent with crystallization after substantial plagioclase fractionation. The zircon trace element composition coupled with whole rock chemistry was used to reconstruct the crystallization history of the gabbros. A number of gabbros crystallized in situ, and zircon precipitated from trapped, intercumulus liquid, while other gabbros represent residual liquids that were extracted from a cumulus pile and crystallized along syn-magmatic shear zones. We propose a model in which the emplacement mechanism of gabbroic rocks in ocean-continent transition zones evolves from in situ crystallization to stratified crystallization with efficient extraction of residual liquid along syn-magmatic shear zones. Such an evolution of the crystallization history is probably related to the thermal evolution of the underlying mantle lithosphere.

Mechanisms of garnet growth in eclogites of the Zermatt-Saas Fee unit, Western Alps

THESIS ABSTRACT Garnets are one of the key metamorphic minerals used to study peak metamorphic conditions or crystallization ages. Equilibrium is typically assumed between the garnet and the matrix. This thesis attempts to understand garnet growth in the Zermatt-Saas Fee (ZSF) eclogites, and discusses consequences for Sm/Nd and Lu/Hf dating and the equilibrium assumption. All studied garnets from the ZSF eclogites are strongly zoned in Mn, Fe, Mg, and Ca. Methods based on chemical zoning patterns and on 3D spatial statistics indicate different growth mechanisms depending on the sample studied. Garnets from the Pfulwe area are grown in a system where surface kinetics likely dominated over intergranular diffusion kinetics. Garnets fram two other localities, Nuarsax and Lago di Cignana, seem to have grown in a system where intergranular diffusion kinetics were dominating over surface kinetics, at least during initial growth. Garnets reveal strong prograde REE+Y zoning. They contain narrow central peaks for Lu + Yb + Tm ± Er and at least one additional small peak towards the rim. The REE Sm + Eu + Gd + Tb ± Dy are depleted in the cores but show one prominent peak close to the rim. It is shown that these patterns cam be explained using a transient matrix diffusion model where REE uptake is limited by diffusion in the matrix surrounding the porphyroblast. The secondary peaks in the garnet profiles are interpreted to reflect thermally activated diffusion due to a temperature increase during prograde metamorphism. The model predicts anomalously low 176Lu/177Hf and 147Sm/144Nd ratios in garnets where growth rates are fast compared to diffusion of the REE, which decreases garnet isochron precisions. The sharp Lu zoning was further used to constrain maximum Lu volume diffusion rates in garnet. The modeled minimum pre-exponential diffusion coefficient which fits the measured central peak is in the order of Do = 5.7* 106 m2/s, taking an activation energy of 270 kJ/mol. The latter was chosen in agreement with experimentally determined values. This can be used to estimate a minimum closure temperature of around 630°C for the ZSF zone. Zoning of REE was combined with published Lu/Hf and Sm/Nd age information to redefine the prograde crystallization interval for Lago di Cignana UHP eclogites. Modeling revealed that a prograde growth interval in the order of 25 m.y. is needed to produce the measured spread in ages. RÉSUMÉ Le grenat est un minéral métamorphique clé pour déterminer les conditions du pic de métamorphisme ainsi que l'âge de cristallisation. L'équilibre entre le grenat et la matrice est requis. Cette étude a pour but de comprendre la croissance du grenat dans les éclogites de la zone de Zermatt-Saas Fee (ZSF) et d'examiner quelques conséquences sur les datations Sm/Nd et Lu/Hf. Tous les grenats des éclogites de ZSF étudiés sont fortement zonés en Mn, Fe, Mg et partiellement en Ca. Les différentes méthodes basées sur le modèle de zonation chimique ainsi que sur les statistiques de répartition spatiale en 3D indiquent un mécanisme de croissance différent en fonction de la localité d'échantillonnage. Les grenats provenant de la zone de Pfulwe ont probablement crû dans un système principalement dominé par la cinétique de surface au détriment de 1a cinétique de diffusion intergranulaire. Les grenats provenant de deux autres localités, Nuarsax et Lago di Cignana, semblent avoir cristallisé dans un système dominé par la diffusion intergranulaire, au moins durant les premiers stades de croissance. Les grenats montrent une forte zonation prograde en Terres Rares (REE) ainsi qu'en Y. Les profils présentent au coeur un pic étroit en Lu + Yb+ Tm ± Er et au moins un petit pic supplémentaire vers le bord. Les coeurs des grenats sont appauvris en Sm + Eu + Gd + Tb ± Dy, mais les bords sont marqués par un pic important de ces REE. Ces profils s'expliquent par un modèle de diffusion matricielle dans lequel l'apport en REE est limité par la diffusion dans la matrice environnant les porphyroblastes. Les pics secondaires en bordure de grain reflètent la diffusion activée par l'augmentation de la température lors du métamorphisme prograde. Ce modèle prédit des rapports 176Lu/177Hf et 147Sm/144Nd anormalement bas lorsque les taux de croissance sont plus rapides que la diffusion des REE, ce qui diminue la précision des isochrones impliquant le grenat. La zonation nette en Lu a permis de contraindre le maximum de diffusion volumique par une approche numérique. Le coefficient de diffusion minimum modélisé en adéquation avec les pics mesurés est de l'ordre de Do = 5.7*10-6 m2/s, en prenant une énergie d'activation ~270 kJ/mol déterminée expérimentalement. Ainsi, la température de clôture minimale est estimée aux alentours de 630°C pour la zone ZSF. Des nouvelles données de zonation de REE sont combinées aux âges obtenus avec les rapports Lu/Hf et Sm/Nd qui redéfissent l'intervalle de cristallisation prograde pour les éclogites UHP de Lago di Cignana. La modélisation permet d'attribuer au minimum un intervalle de croissance prograde de 25 Ma afin d'obtenir les âges préalablement mesurés. RESUME GRAND PUBLIC L'un des principaux buts du pétrologue .métamorphique est d'extraire des roches les informations sur l'évolution temporelle, thermique et barométrique qu'elles ont subi au cours de la formation d'une chaîne de montagne. Le grenat est l'un des minéraux clés dans une grande variété de roches métamorphiques. Il a fait l'objet de nombreuses études dans des terrains d'origines variées ou lors d'études expérimentales afin de comprendre ses domaines de stabilité, ses réactions et sa coexistence avec d'autres minéraux. Cela fait du grenat l'un des minéraux les plus attractifs pour la datation des roches. Cependant, lorsqu'on l'utilise pour la datation et/ou pour la géothermobarométrie, on suppose toujours que le grenat croît en équilibre avec les phases coexistantes de la matrice. Pourtant, la croissance d'un minéral est en général liée au processus de déséquilibre. Cette étude a pour but de comprendre comment croît le grenat dans les éclogites de Zermatt - Saas Fee et donc d'évaluer le degré de déséquilibre. Il s'agit aussi d'expliquer les différences d'âges obtenues grâce aux grenats dans les différentes localités de l'unité de Zermatt-Saas Fee. La principale question posée lors de l'étude des mécanismes de croissance du grenat est: Parmi les processus en jeu lors de la croissance du grenat (dissolution des anciens minéraux, transport des éléments vers le nouveau grenat, précipitation d'une nouvelle couche en surface du minéral), lequel est le plus lent et ainsi détermine le degré de déséquilibre? En effet, les grenats d'une des localités (Pfulwe) indiquent que le phénomène d'adhérence en surface est le plus lent, contrairement aux grenats des autres localités (Lago di Cignana, Nuarsax) dans lesquels ce sont les processus de transport qui sont les plus lents. Cela montre que les processus dominants sont variables, même dans des roches similaires de la même unité tectonique. Ceci implique que les processus doivent être déterminés individuellement pour chaque roche afin d'évaluer le degré de déséquilibre du grenat dans la roche. Tous les grenats analysés présentent au coeur une forte concentration de Terres Rares: Lu + Yb + Tm ± Er qui décroît vers le bord du grain. Inversement, les Terres Rares Sm + Eu + Gd + Tb ± Dy sont appauvries au coeur et se concentrent en bordure du grain. La modélisation révèle que ces profils sont-dus à des cinétiques lentes de transport des Terres Rares. De plus, les modèles prédisent des concentrations basses en éléments radiogéniques pères dans certaines roches, ce qui influence fortement sur la précision des âges obtenus par la méthode d'isochrone. Ceci signifie que les roches les plus adaptées pour les datations ne doivent contenir ni beaucoup de grenat ni de très gros cristaux, car dans ce cas, la compétition des éléments entre les cristaux limite à de faibles concentrations la quantité d'éléments pères dans chaque cristal.

P-wave velocities of samples from the Penninic of the western Alps along NFP20-west seismic-reflection profiles

Using the transit pulse method, we have determined compressional wave velocities of rocks from various geological units belonging to the Penninic zone along the NFP20-West profiles of the Swiss western Alps. The velocities have been measured at confining pressures up to 400 MPa, along three orthogonal axes defined by the macrostructure of the rocks. The samples analysed show a degree of metamorphism ranging from greenschist to eclogite facies. This collection includes schists, dolomites, gneisses and ophiolitic rocks. The mean velocities range from 5.9 km/s for a quartzitic calcschist to 7.9 km/s for an eclogitic metagabbro. The velocity anisotropy is as high as 20 %. The range of acoustic impedance is wide, from 15 to 27 10(6) kg/m2s. From these measurements, normal incident reflection coefficients for likely rock assemblages within and between geological units were estimated in order to interpret zone of the strong reflections recorded along the seismic profiles. Reflection coefficients as high as 0.17 could be determined.

The diet of the Alpine mouse Apodemus alpicola in the Swiss Alps

In this study, we used faecal analysis to determine the diet of the alpine mouse Apodemus alpicola in the field for the first time. This species consumes mainly insects in spring and fruits and seeds of small herbaceous dicotyledons in summer and autumn. Compared to the two congeneric species A. flavicollis and A. sylvaticus, which also occur in the Alps, the diet of A. alpicola is rich in contrasts, with a very pronounced difference between spring and summer. The absence of tree seeds also suggests a mostly terrestrial behaviour. We explain these facts by the specificity of the habitat of A. alpicola: the extreme weather conditions produce great seasonal changes in the vegetation, and the rocky ground favours the adaptation to rock climbing rather than to arboreal Living. (c) 2005 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Nappe geometry in the Western Swiss Alps

Detailed geological mapping during the last 20 years in the Western Swiss Alps has shown clearly that most of the lower basement nappes are fold nappes possessing normal and inverted limbs. Moreover their cores are made of strongly deformed gneisses indicating that important ductile strain took place during the formation of the fold nappes. It is therefore probably wrong to imagine deep basement nappes as rigid slices as often actually claimed, especially when interpreting seismic profiles. True `brittle type' thrust nappes involving basement rocks only occur in the internal and upper parts of the belt. Cover nappes, on the contrary, are in most parts of the Alpine belt thrust sheets following more or less the rules of thin-skinned tectonics. Many basement fold nappes lost part of their sedimentary cover during or just before their formation, by decollement along ductile horizons. The result is that many cover thrust nappes in the external part of the Alps are directly related to their original basement fold nappes.

The Paleozoic magmatic history of the Maggia and Sambuco nappes, Lower Penninic, Central Lepontine Alps

Résumé : Les corps magmatiques sont des indicateurs essentiels dans toute reconstitution paléogéographique et/ou géodynamique d'un cycle orogénique, en particulier en contexte polycyclique, où la plupart des autres indices ont été oblitérés. Ils sont aisément datables et leurs caractéristiques géochimiques permettent de contraindre leur contexte tectonique de mise en place. Cette approche a été appliquée aux socles pré-mésozoïques des nappes penniques inférieures de Sambuco et de la Maggia, dans les Alpes centrales lepontines. Plusieurs événements magmatiques ont été identifiés dans le socle de Sambuco et datés par la méthode U-Pb sur zircon couplée à la technique LA-ICPMS. La suite calco-alcaline mafique rubanée de Scheggia est datée du Cambrien inférieur à 540-530 Ma ; le métagranite alumineux oeillé de Sasso Nero a un âge de 480-470 Ma, tout comme bien d'autres «older orthogneisses» des socles alpins. Il contient des zircons hérités d'âge panafricain à 630-610 Ma, indicateur d'une affiliation gondwanienne de ces terrains. Le pluton calco-alcalin du Matorello est daté à environ 300-310 Ma, et les filons lamprophyriques qu'il abrite à 300 Ma. La granodiorite de Cocco et le leucogranite de Ruscada, tous deux intrudés dans le socle de la nappe adjacente de la Maggia, ont des âges similaires à celui du Matorello. Ceci ajouté aux similitudes magmatiques observées entre Cocco et Matorello suggère une proximité paléogéographique des deux nappes au Permien-Carbonifère. Or ces dernières sont actuellement considérées appartenir à deux domaines paléogéographiques mésozoïques distincts : helvétique pour Sambuco et briançonnais pour Maggia, séparés par un bassin océanique. Si tel fut le cas, aucun mouvement décrochant ne doit avoir décalé les marges continentales de l'océan, retrouvées en parfaite coïncidence lors de sa fermeture. Le Matorello est un pluton recristallisé en faciès amphibolite et plissé par cinq phases successives de déformation non-coaxiales, qui ont conduit à son renversement complet, attesté par des indicateurs de paléogravité. Il préserve de spectaculaires phénomènes de coexistence liquide de magmas (essaims d'enclaves et Bills composites). Ce pluton était originellement tabulaire, construit par l'accumulation de multiples injections de magma en feuillets d'épaisseur métrique à décamétrique. Suivant le rythme de mise en place, les injections successives ont rapidement cristallisé avec des contours nets et bien définis (Bills composites) ou se sont mélangées avec les précédentes pour former une couche non consolidée de plusieurs dizaines de mètres d'épaisseur (granodiorite principale). Les injections individuelles sont délimitées par de subtils contrastes en granulométrie, proportions modales ou ségrégation de minéraux (schlieren), ou par des phénomènes d'érosion le long des surfaces de contact. Deux couches métriques à contour sinueux consistent en une accumulation compacte d'enclaves mafiques arrondies dans une matrice granodioritique fine. Le granoclassement des enclaves, la présence de figures de charge et de phénomènes érosifs en base de couche, ainsi que des schlieren de biotite entrecroisés évoquent l'injection de coulées de magma chargé d'enclaves et de faible viscosité en régime hydrodynamique turbulent dans un encaissant granodioritique encore largement liquide. La nature hybride des roches implique une chambre magmatique sous-jacente, en cours de différenciation et périodiquement réalimentée. Les magmas sont des liquides mafiques dérivés du manteau et des liquides anatectiques d'origine crustale, comme l'indique la gamme mesurée des rapports isotopiques initiaux du Sr (0.704 à 0.709) et des valeurs epsilon Nd (-2.1 à -4.7). Ces données montrent également que la contribution crustale est dominante, en accord avec les isotopes du plomb. Les phénomènes d'hybridation ont vraisemblablement eu lieu en base de croûte et dans la chambre magmatique sous-jacente au laccolite du Matorello. Les indicateurs de paléogravité du Matorello contribuent accessoirement à la compréhension de l'architecture actuelle de la nappe de Sambuco. Des plis isoclinaux à surface axiale verticale peuvent être mis en évidence par le contact entre les faciès dioritique et granodioritique. L'antiforme dont le Matorello forme le coeur est un synclinal, ce qui le positionne dans le Flanc inverse du grand pli couché que forme la nappe de Sambuco. Par ailleurs, des blocs de gneiss retrouvés dans le wildflysch sommital de la couverture de la nappe d'Antigorio ont été affiliés dans cette étude au pluton du Matorello. Ceci implique que le front de la nappe de Sambuco chevauchait déjà la partie est du bassin d'Antigorio au moment de sa fermeture. Par conséquent, ce n'est qu'en position externe que la nappe du Lebendun chevauche directement la nappe d'Antigorio. Abstract Magmatic bodies are important markers in paleo-geographic or geodynamic reconstructions of orogenic cycles, even more so in the case of polycyclic events where many of the other markers have been overwritten or destroyed. Plutons are relatively easy to date and their geochemical properties help constrain the tectonic context in which they were emplaced. This study focuses on the pre-mesozoic basement in the Sambuco and Maggia lower Penninic nappes located in the central Lepontine domain of the Alps. A number of magmatic events have been identified in the Sambuco basement. These events were dated using LA-ICPMS U/Pb on zircon grains. The mafic calc-alkaline banded Scheggia suite is dated as lower Cambrian, 540-530 Ma. The Al-rich Sasso-Nero lenticular gneiss is 480-470 Ma old (similarly to many older orfhogneisses of the Alpine basement) and contains 630-610 Ma old pan-African inherited zircons that illustrate the Gondwanian origin of these terranes.The calc-alkaline Matorello pluton is dated as 310-300 Ma whereas the lamprophyric bodies it contains are of 300 Ma. The Cocco granodiorite and the Ruscada leucogranite both intrude the basement of the adjacent Maggia nappe and are of similar ages to the Matorello. The ages as well as the geochemical similarities between the Cocco, Rucada and Matorello plutons suggest their paleo-geographic proximity at the Permian-Carboniferous boundary. However, these nappes are currently considered as belonging to two different Mesozoic paleo-geographic domains. Indeed, the Sambuco is considered as Helvetic whereas the Maggia is said to be Briançonnais, both separated by an oceanic basin. If this is the case, then it is essential that nostrike-slip movement has misaligned both continental margins since these coincide perfectly now that the oceanic domain closed. The Matorello pluton was originally a tabular intrusion, built up by the accumulation of multiple, several meter-thick, subhorizontal sheet-like injections of magma. Depending on their emplacement rate, the successive magma injections either solidified rapidly with sharp and rather well-defined boundaries (like the composite sills) or mingled with previous injections generating a thick molten layer up to several tens to hundred meters thick, like in the main granodioritic facies. These coalesced injections are hardly distinguishable, however subtle contrasts in granulometry, mineral modal proportions or mineral sorting (cross-bedded biotite-rich schlieren), as well as erosional features and/or crystal entrapment along contact surfaces allow to distinguish between the different injections. Two exceptional meter-thick layers display sinuous boundaries with the host granodiorite and consist of a densely packed accumulation of mafic enclaves in a granodioritic matrix. Gravitational sorting of the enclaves with load cast features at the base of the layers and sinuous biotite schlieren point to injection of low viscosity turbulent composite magma flows in the still largely molten granodiorite host. The hybrid nature of these rocks implies the existence of á periodically replenished and differentiated underlying magma chamber. Magmas are mafic liquids derived from the mantle and anatectic liquids of crustal origin, as shown by the (87Sr/86Sr), and epsilon Nd values (0.704-0.709 and -2.1 to -4.7 respectively. These data show that the crustal contribution is important, as confirmed by the Pb isotopes. The hybridisation processes seem to have occurred in the lower crust in magma chambers underlying the Matorello laccolith. The paleo-gravity markers in the Matorello help understand the architecture of the Sambuco nappe. Isoclinal folds with a vertical axial plane can be seen at the contact between dioritic and granodioritic facies. The antiform structure of which the Matorello is the heart is in fact a syncline. This places it in the inverse flanc of the large recumbent fold that constitutes the Sambuco nappe. The gneiss blocs found in the summital wildflysh cover of the Antigorio nappe have been linked to the Matorello pluton. This means that the front of the Sambuco nappe already overlapped the Antigorio basin when it closed. This implies that the Lebendun nappe can only overlap the Antigorio nappe in it's external position. Résumé grand public La chaîne alpine est la conséquence de la collision tertiaire entre deux masses continentales, l'Europe au nord et la péninsule apulienne africaine au sud, originellement séparées par l'océan mésozoïque téthysien. Cette collision a fermé un espace large de plusieurs centaines de km avec pour résultat l'écaillage de la croûte terrestre en unités tectoniques de dimensions variables, qui se sont empilées, imbriquées, éventuellement replissées en nappes de géométrie complexe. Cet amoncellement de 40 km d'épaisseur a vu sa température et sa pression lithostatique internes augmenter jusqu'à des valeurs de l'ordre de 680 °C et 6000 bars, induisant une recristallisation métamorphique des roches. L'un des objectifs de la géologie alpine est de reconstituer la géographie de la région aux temps mésozoïques de l'océan téthysien, en d'autres termes, de replacer chacune des unités tectoniques identifiées au sein de l'empilement alpin dans sa position originelle. Le défi est de taille et peut être comparé à celui de la reconstitution d'un vaste puzzle, dont certaines pièces seraient endommagées au niveau de leur contour ou leurs couleurs (métamorphisme), dissimulées par d'autres (enfouissement), voire tombées de la table de jeu (subduction, échappement latéral). Plusieurs approches ont été mises en oeuvre au cours du siècle écoulé. On citera en particulier la stratigraphie, la tectonique et le paléomagnétisme. Dans ce travail, nous avons essentiellement utilisé des techniques de datation isotopique absolue des roches (U/Pb sur zircon) qui, sur la base des connaissances acquises par l'ensemble des autres disciplines géologiques, nous ont permis de mieux contraindre ta paléogéographie mésozoïque du domaine «pennique inférieur » des Alpes centrales lépontines. Et au-delà? Nous savons tous que la disposition des continents à la surface de la Terre évolue constamment. Il est donc tentant d'essayer de remonter plus loin encore dans le temps et de reconstituer la physionomie de la marge sud européenne, tout au moins certains éléments de son histoire, au cours de l'ère paléozoïque. Les traces de ces événements très anciens sont naturellement ténues et dans ce contexte, les techniques de datation mentionnées ci-dessus deviennent les outils les plus performants. Ainsi, des datations u/Pb sur zircon nous ont permis de recenser plusieurs intrusions magmatiques, attribuées à quatre événements orogéniques anté-alpins. Des âges néoprotérozoïques (630-610 millions d'années ou Ma), cambrien inférieur (540-530 Ma), ordovicien inférieur (480-470 Ma) et carbonifère supérieur-permien inférieur (310-285 Ma) ont été obtenus dans le socle de la nappe de Sambuco. Des âges similaires à 300 Ma ont été obtenus dans la nappe voisine de la Maggia, qui permettent de relier ces deux unités. Aujourd'hui côte à côte, ces deux nappes devaient également se trouver proches l'une de l'autre il y a 300 Ma, lors de l'extension post-varisque. Les structures magmatiques spectaculaires préservées dans le pluton du Matorello (300 Ma) contraignent la géométrie actuelle de la nappe de Sambuco dans laquelle l'intrusion s'est mise en place. La forme originelle du pluton, aujourd'hui retourné et replissé plusieurs fois, s'avère être tabulaire, faite d'intrusions de faible épaisseur (1-300 m) s'étalant en forme de disque (30m à 2 km de diamètre). Les injections successives de magma se sont accumulées sous un toit dioritique précoce; elles sont issues, par le refais de fractures, d'une chambre magmatique plus profonde, périodiquement réalimentée par des magmas calco-alcalins d'origine mantellique contaminés parla croûte continentale profonde (εNd = -2.1 à -4.7). Des accumulations d'enclaves magmatiques arrondies et granoclassées dans des paléo-chenaux à fond érosif témoignent de conditions de mise en place hydrodynamiques à haute énergie. Ces enclaves sont emmenées de la chambre magmatique sous-jacente à la faveur d'épisodes de fracturation hydraulique liés à l'injection de magmas matelliques chauds dans des liquides différenciés riches en eau. Cette hypothèse est étayée par l'existence de filons composites. Une paléohorizontale a pu être déduite au sein du pluton, indiquant que cette partie de la nappe de Sambuco est verticalisée et isoclinalement replissée par la déformation alpine. Finalement, des blocs érodés du socle Sambuco ont été retrouvés dans le wildflysch sommital de la couverture sédimentaire mésozoïque de la nappe d'Antigorio sous-jacente. Ceci suggère que les blocs ont été fournis parle front de la nappe de Sambuco en train de chevaucher sur la nappe d'Antigorio au moment de la fermeture du bassin sédimentaire de cette dernière.

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

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