Interbreedings between Karyotypic Alpine Races of the Common Shrew Sorex-Araneus (Insectivora, Mammalia)

Controlled interbreedings were performed between distinct chromosomal races or forms of Sorex araneus coming from populations of Swiss and French Alps. Four mating pairs including homozygous individuals of the Vaud race, the Valais race, the Intermediate Vaud-Acrocentric form and the Acrocentric form have led to several heterozygous hybrid litters. The karyotypes of the parents were determined from cultures of cartilaginous cells. The karyotypes of the offsprings were determined with a classical method. The production of hybrids between different races suggests the absence of postmating barrier between the Vaud race and the Intermediate form, the Acrocentric form and the Intermediate form, the Acrocentric form and the Valais race.

Host sex and ectoparasites choice: preference for, and higher survival on female hosts.

1. Sex differences in levels of parasite infection are a common rule in a wide range of mammals, with males usually more susceptible than females. Sex-specific exposure to parasites, e.g. mediated through distinct modes of social aggregation between and within genders, as well as negative relationships between androgen levels and immune defences are thought to play a major role in this pattern. 2. Reproductive female bats live in close association within clusters at maternity roosts, whereas nonbreeding females and males generally occupy solitary roosts. Bats represent therefore an ideal model to study the consequences of sex-specific social and spatial aggregation on parasites' infection strategies. 3. We first compared prevalence and parasite intensities in a host-parasite system comprising closely related species of ectoparasitic mites (Spinturnix spp.) and their hosts, five European bat species. We then compared the level of parasitism between juvenile males and females in mixed colonies of greater and lesser mouse-eared bats Myotis myotis and M. blythii. Prevalence was higher in adult females than in adult males stemming from colonial aggregations in all five studied species. Parasite intensity was significantly higher in females in three of the five species studied. No difference in prevalence and mite numbers was found between male and female juveniles in colonial roosts. 4. To assess whether observed sex-biased parasitism results from differences in host exposure only, or, alternatively, from an active, selected choice made by the parasite, we performed lab experiments on short-term preferences and long-term survival of parasites on male and female Myotis daubentoni. When confronted with adult males and females, parasites preferentially selected female hosts, whereas no choice differences were observed between adult females and subadult males. Finally, we found significantly higher parasite survival on adult females compared with adult males. 5. Our study shows that social and spatial aggregation favours sex-biased parasitism that could be a mere consequence of an active and adaptive parasite choice for the more profitable host.

Climate oscillations and species interactions: large-scale congruence but regional differences in the phylogeographic structures of an alpine plant and its monophagous insect

Aim. To predict the fate of alpine interactions involving specialized species, using a monophagous beetle and its host-plant as a case study. Location. The Alps. Methods. We investigated genetic structuring of the herbivorous beetle Oreina gloriosa and its specific host-plant Peucedanum ostruthium. We used genome fingerprinting (in the insect and the plant) and sequence data (in the insect) to compare the distribution of the main gene pools in the two associated species and to estimate divergence time in the insect, a proxy for the temporal origin of the interaction. We quantified the similarity in spatial genetic structures by performing a Procrustes analysis, a tool from the shape theory. Finally, we simulated recolonization of an empty space analogous to the deglaciated Alps just after ice retreat by two lineages from two species showing unbalanced dependence, to examine how timing of the recolonization process, as well as dispersal capacities of associated species, could explain the observed pattern. Results. Contrasting with expectations based on their asymmetrical dependence, patterns in the beetle and plant were congruent at a large scale. Exceptions occurred at a regional scale in areas of admixture, matching known suture zones in Alpine plants. Simulations using a lattice-based model suggested these empirical patterns arose during or soon after recolonization, long after the estimated origin of the interaction c. 0.5 million years ago. Main conclusions. Species-specific interactions are scarce in alpine habitats because glacial cycles have limited opportunities for coevolution. Their fate, however, remains uncertain under climate change. Here we show that whereas most dispersal routes are paralleled at large scale, regional incongruence implies that the destinies of the species might differ under changing climate. This may be a consequence of the host-dependence of the beetle that locally limits the establishment of dispersing insects.

Temporal and spatial dynamics of benthic invertebrate communities in an alpine glacier-fed alluvial system

Summary The present thesis work focused on the ecology of benthic invertebrates in the proglacial floodplain of the Rhone in the Swiss Alps. The main glacial Rhone River and a smaller glacial tributary, the Mutt River, joined and entered a braiding multi-thread area. A first part concentrated on the disruption of the longitudinal patterns of environmental conditions and benthic invertebrate fauna in the Rhone by its tributary the Mutt. The Mutt had less harsh environmental conditions, higher taxonomic richness and more abundant zoobenthos compared to the Rhone upstream of the confluence. Although the habitat conditions in the main stream were little modified by the tributary, the fauna was richer and more diverse below the confluence. Colonisation from the Mutt induced the occurrence of faunal elements uncommon of glacial streams in the upper Rhone, where water temperature remains below 4°C. Although the glacial Rhone dominated the system with regard to hydrology and certain environmental conditions, the Mutt tributary has to be seen as the faunal driver of the system. The second part of the study concerned the spatio-temporal differentiation of the habitats and the benthic communities along and across the flood plain. No longitudinal differentiation was found. The spatial transversal differentiation of three habitat types with different environmental characteristics was successfully reflected in the spatial variability of benthic assemblages. This typology separated marginal sites of the flood plain, left bank sites under the influence of the Mutt, and the right bank sites under the influence of the Rh6ne. Faunistic spatial differences were emphasized by the quantitative structure of the fauna, richness, abundances and Simpson index of diversity. Seasonal environmental variability was positively related with Simpson index of diversity and the total richness per site. Low flow conditions were the most favourable season for the fauna and November was characterized by low spatial environmental heterogeneity, high spatial heterogeneity of faunal assemblage, maximum taxonomic richness, a particular taxonomic composition, highest abundances, as well as the highest primary food resources. The third part studied the egg development of three species of Ephemeroptera in the laboratory at 1.5 to 7°C and the ecological implications in the field. Species revealed very contrasting development strategies. Baetis alpinus has a synchronous and efficient egg development, which is faster in warmer habitats, enabling it to exploit short periods of favourable conditions in the floodplain. Ecdyonurus picteti has a very long development time slightly decreasing in warmer conditions. The high degree of individual variation suggests a genetic determination of the degree-days demand. Combined with the glacial local conditions, this strategy leads to an extreme delay of hatching and allows it to develop in very unpredictable habitats. Rhithrogena nivata is the second cold adapted species in Ephemeroptera. The incubation duration is long and success largely depends on the timing of hatching and the discharge conditions. This species is able to exploit extremely unstable and cold habitats where other species are limited by low water temperatures. The fourth part dealt with larval development in different habitats of the floodplain. Addition of data on egg development allowed the description of the life histories of the species from oviposition until emergence. Rhithrogena nivata and loyolaea generally have a two-year development, with the first winter passed as eggs and the second one as larvae. Development of Ecdyonurus picteti is difficult to document but appears to be efficient in a harsh and unpredictable environment. Baetis alpinus was studied separately in four habitats of the floodplain system with contrasting thermal regimes. Differences in success and duration of larval development and in growth rates are emphasised. Subvention mechanisms between habitats by migration of young or grown larvae were demonstrated. Development success and persistence of the populations in the system were thus increased. Emergence was synchronised to the detriment of the optimisation of the adult's size and fecundity. These very different development strategies induce a spatial and temporal distribution in the use of food resources and ecological niches. The last part of this work aimed at the synthesis of the characteristics and the ecological features of three distinct compartments of the system that are the upper Rhone, the Mutt and the floodplain. Their particular role as well as their inter-dependence concerning the structure and the dynamics of the benthic communities was emphasised. Résumé Ce travail de thèse est consacré à l'écologie des invertébrés benthiques dans la zone alluviale proglaciaire du Rhône dans les Alpes suisses. Le Rhône, torrent glaciaire principal, reçoit les eaux de la Mutt, affluent glaciaire secondaire, puis pénètre dans une zone de tressage formée de plusieurs bras. La première partie de l'étude se concentre sur la disruption par la Mutt des processus longitudinaux, tant environnementaux que faunistiques, existants dans le Rhône. Les conditions environnementales régnant dans la Mutt sont moins rudes, la richesse taxonomique plus élevée et le zoobenthos plus abondant que dans le Rhône en amont de la confluence. Bien que les conditions environnementales dans le torrent principal soient peu modifiées par l'affluent, la faune s'avère être plus riche et plus diversifiée en aval de la confluence. La colonisation depuis la Mutt permet l'occurrence de taxons inhabituels dans le Rhône en amont de la confluence, où la température de l'eau se maintient en dessous de 4°C. Bien que le Rhône, torrent glaciaire principal, domine le système du point de vu de l'hydrologie et de certains paramètres environnementaux, l'affluent Mutt doit être considéré comme l'élément structurant la faune dans le système. La deuxième partie concerne la différentiation spatiale et temporelle des habitats et des communautés benthiques à travers la plaine alluviale. Aucune différentiation longitudinale n'a été mise en évidence. La différentiation transversale de trois types d'habitats sur la base des caractéristiques environnementales a été confirmée par la variabilité spatiale de la faune. Cette typologie sépare les sites marginaux de la plaine alluviale, ceux sous l'influence de la Mutt (en rive gauche) et ceux sous l'influence du Rhône amont (en rive droite). Les différences spatiales de la faune sont mises en évidence par la structure quantitative de la faune, la richesse, les abondances et l'indice de diversité de Simpson. La variabilité saisonnière du milieu est positivement liée avec l'indice de diversité de Simpson et la richesse totale par site. L'étiage correspond à la période la plus favorable pour la faune et novembre réunit des conditions de faible hétérogénéité spatiale du milieu, de forte hétérogénéité spatiale de la faune, une richesse taxonomique maximale, une composition faunistique particulière, les abondances ainsi que les ressources primaires les plus élevées. La troisième partie est consacrée à l'étude du développement des oeufs de trois espèces d'Ephémères au laboratoire à des températures de 1.5 à 7°C, ainsi qu'aux implications écologiques sur le terrain. Ces espèces présentent des stratégies de développement très contrastées. Baetis alpinus a un développement synchrone et efficace, plus rapide en milieu plus chaud et lui permettant d'exploiter les courtes périodes de conditions favorables. Ecdyonurus picteti présente une durée de développement très longue, diminuant légèrement dans des conditions plus chaudes. L'importante variation interindividuelle suggère un déterminisme génétique de la durée de développement. Cette stratégie, associée aux conditions locales, conduit à un décalage extrême des éclosions et permet à l'espèce de se développer dans des habitats imprévisibles. Rhithrogena nivata est la seconde espèce d'Ephémères présentant une adaptation au froid. L'incubation des oeufs est longue et son succès dépend de la période des éclosions et des conditions hydrologiques. Cette espèce est capable d'exploiter des habitats extrêmement instables et froids, où la température est facteur limitant pour d'autres espèces. La quatrième partie traite du développement larvaire dans différents habitats de la plaine alluviale. Le développement complet est décrit pour les espèces étudiées de la ponte jusqu'à l'émergence. Rhithrogena nivata et loyolaea atteignent généralement le stade adulte en deux ans, le premier hiver étant passé sous forme d'oeuf et le second sous forme de larve. Le développement de Ecdyonurus picteti est difficile à documenter, mais s'avère cependant efficace dans un environnement rude et imprévisible. Baetis alpinus a été étudié séparément dans quatre habitats de la plaine ayant des régimes thermiques contrastés. La réussite et la durée du développement embryonnaire ainsi que les taux de croissance y sont variables. Des mécanismes de subvention entre habitats sont possibles par la migration de larves juvéniles ou plus développées, augmentant ainsi la réussite du développement et le maintien des populations dans le système. L'émergence devient synchrone, au détriment de l'optimisation de la taille et de la fécondité des adultes. Ces stratégies très différentes induisent une distribution spatiale et temporelle dans l'usage des ressources et des niches écologiques. La dernière partie synthétise les caractéristiques écologiques des trois compartiments du système que sont le Rhône amont, la Mutt et la zone alluviale. Leurs rôles particuliers et leurs interdépendances du point de vue de la structure et de la dynamique des communautés benthiques sont mis en avant.

Elemental and isotopic zoning in natural alpine quartz

THESIS ABSTRACT : Stable isotope geochemistry is used to help resolve a large number of geological questions. In order to do this, it is essential to understand the different mechanisms that govern isotopic fractionation processes between different phases and to identify the conditions required to reach equilibrium fractionation. However, at low temperatures, these processes are poorly constrained and many factors can induce differential partitioning of the isotopes between sectors of a mineral species and the fluid during mineral growth. This can result in so-called 'sector zoning' of a mineral species. The aim of this thesis is to evaluate the occurrence of sector zoning of the oxygen isotopes and trace elements in natural α-quartz crystals and to identify the reasons for such zoning. The implications for the fluid-mineral interactions are studied in the context of the Alpine metamorphism. The approach chosen has focused on examining the crystal structure, cathodoluminescence appearance (CL), and on relating elemental (e.g. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) to stable oxygen isotope compositions between and along different growth sectors. Low temperature quartz samples were selected from Alpine veins in different localities, where growth conditions have already been well constrained. The mineralogy as well as the isotopic compositions of the host rocks were also investigated, in order to interpret the variations obtained between the different growth stages in the framework of fluid-rock interaction during Alpine metamorphism. Depending on the growth conditions, most of the studied quartz is strongly zoned in CL, and it reveals corresponding zonations in the trace element content (e.g. growth zoning). Aluminium, substituting for Si in the lattice, was found in concentrations up to 1000's ppma, and its distribution is strongly related to Li and H and to a lesser extent, to Ge. Elemental sector zoning is evident from the distribution of these three elements since they exhibit differences in their respective concentrations between faces for distinct growth zones, with prismatic faces having the lowest Al contents. Quartz from veins in magmatic rocks, for example, tend to have lower Al concentrations and similar concentrations of Li and Ti suggesting also a contribution of these elements from the host rock. The relationship between Al and Li is still correlated. Only Alpine crystals grown at higher temperatures (~400°C) without any CL zoning feature are free of these impurities and do not show such zoning characteristics. Differences in the δ18O values were measured between different faces principally in the AIenriched growth zones or stages. These results were confirmed by the means of two different methods (in situ/non in situ). However, it was determined that the Al concentrations do not affect significantly oxygen isotope fractionations at 300°C. The results altogether suggest that the presence of sector zoning in quartz crystals is real, but not universal, and henceforth should be taken into consideration for any use of these systems. The occurrence of disequilibrium partitioning has been enhanced and is possibly related to kinetic processes as well as structural effects that do not affect similarly trace element incorporation and isotopic fractionation. In situ measurements also revealed fine scale δ18O zonations along growth paths that are useful to constrain fluid-rock interactions during Alpine metamorphism. Variations in the δ18O values present along growth vectors indicate changes in the fluid composition and origin. Association with oxygen isotope composition of the host rock allows for the deduction of interactions between rocks, veins and consequently fluids, as well as fluid regimes. RESUME DE LA THESE : A basses températures, (i.e. <400°C) les différents mécanismes qui régissent le fractionnement isotopique ainsi que les conditions nécessaires pour établir un état d'équilibre sont peu connus et nombre de paramètres peuvent entraîner un partitionnement chimique différentiel entre différents secteurs d'un minéral et le fluide en contact. Ainsi, ce travail de thèse a pour but d'évaluer la possible présence de zonages sectoriels en isotopes de l'oxygène mais aussi en éléments traces dans des cristaux naturels de quartz-α de basses températures, ainsi que les raisons d'un tel phénomène et enfin ses implications sur les interactions fluide-roche, principalement dans le cadre du métamorphisme Alpin. La structure et l'apparence en cathodoluminescence (CL) des échantillons ont été caractérisées avant de retracer en détail les compositions en élément traces (Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) et en isotopes de l'oxygène, le long et entre différents secteurs. Les échantillons de quartz sélectionnés proviennent majoritairement de veines Alpine de différentes localités, où les conditions de croissance ont été déjà bien caractérisées. Les compositions minéralogiques et isotopiques de la roche encaissante ont aussi été examinées, pour contraindre les variations obtenues dans un contexte Alpin. Selon leurs conditions de croissance, la plupart des cristaux étudiés sont fortement zonés, ce qui est souligné par un zonage des concentrations en éléments traces (e.g. zonage de croissance). L'Aluminium, qui peut se substituer à la Silice dans le réseau cristallin, a été retrouvé jusqu'en très grandes concentrations dans certaines zones (plusieurs milliers de ppma). De plus, la distribution en Al est fortement liée à celles de Li et H, ainsi que dans une moindre mesure à Ge. La présence de zonage sectoriel est évidente au niveau de ces éléments qui montrent de larges différences de concentrations entre différentes faces pour une même zone de croissance, avec les concentrations les plus basses retrouvées dans les faces prismatiques. Les quartz de veines situées dans des roches magmatiques par exemple possèdent des concentrations en Li et Ti de même ordre de grandeur, confirmant le rôle de la composition de la roche encaissante. La relation Li/Al est toujours fortement présente, mais ce rapport est fonction de la face mesurée. Seuls les cristaux Alpins de plus hautes températures (400°C) ne possédant pas de zones en CL ne présentent aucune de ces caractéristiques. Des différences dans les valeurs de δ18O de zones identiques enrichies en Al ont clairement été mesurées entre les différentes faces r, z, et m, mais aussi au sein d'une même seule zone, indiquant que le fractionnement a probablement eu lieu en déséquilibre. Il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs n'avait qu'un faible effet sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. L'utilisation de deux méthodes différentes a permis d'obtenir des résultats in situ et non in situ concordants. La comparaison des résultats obtenus permet de démontrer que le zonage sectoriel est bien présent dans certains cristaux de quartz, et dépend des conditions de formation. La présence d'un partitionnement différentiel des éléments traces peut être due à des effets cinétiques aussi bien que structuraux, alors que le zonage sectoriel des isotopes de l'oxygène aurait d'autres origines. Il est alors évident que la possibilité de zonage sectoriel doit être désormais pris en considération avant toute interprétations de données isotopiques de cristaux zonés. Les mesures in situ ont de plus permis de distinguer de fines variations des valeurs δ18O au cours de la croissance, qui peuvent aider à retracer la circulations des fluides dans les Alpes durant cette période. En association avec les compositions des roches encaissantes, ii est possible de déduire les interactions entre roches, veines, et par conséquent fluides, au cours de différentes étapes. RESUME GRAND PUBLIC : La géochimie des isotopes stables a pris beaucoup d'importance depuis ces dernières années pour aider à résoudre nombre de questions géologiques, en se basant sur les caractéristiques du fractionnement isotopiques pour différents systèmes. Il est donc nécessaire d'avoir une connaissance approfondie des mécanismes qui s'appliquent au fractionnement isotopique entre les minéraux et les fluides à partir desquels ils se forment. Ces mécanismes ont été bien approchés par différents types de calibrations pour des systèmes à hautes températures, cependant cela n'est pas aussi évident pour les systèmes à des températures inférieures à 400-500°C. Ce travail de thèse a pour but d'aider à la description et la compréhension des phénomènes qui peuvent affecter le fractionnement isotopique à basses températures, ainsi que leurs implications, à partir de l'étude de cristaux de quartz. Le choix des échantillons s'est porté sur des cristaux naturels formés à des températures inférieures ou égales à 400°C, provenant majoritairement de fissures hydrothermales Alpines dont les conditions de formation ont déjà été déterminées. L'étude des cristaux Alpin permet de plus de replacer les résultats obtenus dans le contexte du métamorphisme Alpin au cours du Miocène (21-13 Ma). Après examen de la structure et de la morphologie des cristaux, et leur caractérisation par cathodoluminescence (CL), des analyses chimiques détaillées sur les éléments en traces pouvant entrer dans le réseau cristallin du quartz comme impuretés (i.e. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti), et des isotopes stables de l'oxygène, ont été menées. En fonction des conditions de croissance, la plupart des cristaux présentent des zonations, qui peuvent être facilement reliées à la distribution des éléments traces analysés par microsonde électronique, sonde ionique (SIMS) et LA-ICPMS. De fortes concentrations d'Aluminium (plusieurs milliers de parties par million atomique) ont pu être observées dans les zones les plus externes des cristaux. De plus, les concentrations en Al et en Li sont toujours corrélées; la présence d'Hydrogène déduite à partir d'analyses par FTIR suit cette même tendance. Les différentes faces des cristaux présentent des concentrations distinctes d'Al, Li et H pour des mêmes zones de croissance, avec par exemple les concentrations les plus faibles dans les zones des faces prismatiques. Cela implique la présence d'un zonage sectoriel, qui a déjà été observé principalement dans des carbonates mais jamais décrit auparavant pour des quartz. Seuls les cristaux alpins homogènes en CL dont la croissance s'est faite à plus haute température (400°C) ne présentent aucune de ces caractéristiques. Par analogie avec le zonage sectoriel en Al, élément qui se substitue au Si dans le réseau cristallin du quartz, il est possible de penser qu'un zonage sectoriel pourrait aussi s'appliquer aux isotopes de l'oxygène. Des précédentes études avaient en effet émis cette hypothèse. Nos résultats ont été obtenus à partir d'analyses à la fois in- situ par SIMS, et par extraction assistée par laser-CO2 sur des parties de quartz soigneusement séparées, et sont en accord entre les deux méthodes. Un zonage sectoriel est en effet bien présent pour les cristaux alpins, mais principalement au niveau des zones très riches en Aluminium. Cependant, il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs avait un effet plus que minimal sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. Des différences importantes ont été observées entre les faces r & z mais aussi au sein d'une même et seule zone, indiquant que le fractionnement a pu avoir lieu en déséquilibre, ce qui est aussi visible au niveau des valeurs totalement opposées entre faces pour la dernière phase de croissance de certains cristaux. Ainsi l'association de ces résultats laisse suggérer que la présence d'un zonage sectoriel peut être liée à différents paramètres tels que le taux de croissance ou la structure de surface du cristal, mais qui n'affectent pas de la même façon l'incorporation des éléments traces et le fractionnement isotopique. La possibilité d'un zonage sectoriel est importante à prendre en compte lors de toute interprétation de données isotopiques. Les analyses des isotopes de l'oxygène effectuées par SIMS ont aussi permis de distinguer des variations importantes à petite échelle au cours de la croissance. Des mesures faites par laser CO2 sur certaines roches encaissantes, ont permis distinguer plusieurs étapes dans la croissance des minéraux et de déduire le rôle de l'encaissant et le type de fluide. En association avec de précédentes études, il a été ainsi possible de mieux contraindre la formation de ces cristaux dans le contexte alpin et la circulation de fluide au cours du métamorphisme alpin durant le Miocène.

Speciation of naturally-accumulated uranium in an organic-rich soil of an alpine region (Switzerland)

Very high concentrations of uranium (up to 4000 ppm) were found in a natural soil in the Dischma valley, an alpine region in the Grisons canton in Switzerland. The goal of this study was to examine the redox state and the nature of uranium binding in the soil matrix in order to understand the accumulation mechanism. Pore water profiles collected from Dischma soil revealed the establishment of anoxic conditions with increasing soil depth. A combination of chemical extraction methods and spectroscopy was applied to characterize the redox state and binding environment of uranium in the soil. Bicarbonate extraction under anoxic conditions released most of the uranium indicating that uranium occurs predominantly in the hexavalent form. Surprisingly, the uranium redox state did not vary greatly as a function of depth. X-ray absorption near edge spectroscopy (XANES), confirmed that uranium was present as a mixture of U(VI) and U(IV) with U(VI) dominating. Sequential extractions of soil samples showed that the dissolution of solid organic matter resulted in the simultaneous release of the majority of the soil uranium content (>95%). Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy also revealed that soil-associated uranium in the soil matrix was mainly octahedrally coordinated, with an average of 1.7 axial (at about 1.76 Å) and 4.6 to 5.3 equatorial oxygen atoms (at about 2.36 Å) indicating the dominance of a uranyl-like (UO22+) structure presumably mixed with some U(IV). An additional EXAFS signal (at about 3.2 Å) identified in some spectra suggested that uranium was also bound (via an oxygen atom) to a light element such as carbon, phosphorus or silicon. Gamma spectrometric measurements of soil profiles failed to identify uranium long-life daughter products in the soil which is an indication that uranium originates elsewhere and was transported to its current location by water. Finally, it was found that the release of uranium from the soil was significantly promoted at very low pH values (pH 2) and increased with increasing pH values (between pH 5 and 9).

Des systèmes d'irrigation alpins entre gouvernance communautaire et étatique = Alpine Bewässerungssysteme zwischen Genossenschaft und Staat

La gouvernance communautaire liée à l'exploitation des bisses valaisans représente-t-elle (vraiment) un modèle de gestion durable des ressources en eau ? C'est à cette question - qui fait écho au vaste ensemble de littérature regroupée sous le label des CPR (common-pool resources) Theories - que le présent ouvrage entend répondre. A travers une approche diachronique centrée sur le long terme, cinq études de cas éclairent de manière originale et critique non seulement l'évolution de cette gouvernance communautaire (vers un degré d'hybridation accru) et, surtout, son caractère durable. La perspective ressourcielle et la conception forte de la durabilité adoptées mettent, sur ce point, en évidence les limites de ces modèles de gouvernance. Sous un angle social en particulier, ils se caractérisent historiquement par un degré d'exclusivité marqué qui tend à en faire des biens de club auxquels seuls les usagers admis ont accès. Les interventions d'acteurs étatiques ont à cet égard joué un grand rôle pour ouvrir les bisses à de nouveaux usagers et assurer le maintien de la ressource dans un environnement socio-économique en mutation.

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.

Long-term and long range migration of radioisotopes in terrestrial systems : mechanisms of radioisotopes (Cs, Sr, Pu, Am) mobilization in soils

Summary Artificial radionuclides were released in the environment during the atmospheric nuclear weapon tests and after accidental events involving nuclear industries. As a primary receptor of the deposition, the soil is a very sensitive compartment and understanding the interaction and migration of radionuclides within soils allows the development of scenario for the contamination risk of the population and of the environment. Most available field studies on radionuclides in soils only concern one or two isotopes, mostly 137Cs, and few physico-chemical soil parameters. The purpose of this study was a broader understanding of the radioecology of an Alpine valley. In a first part, we aimed to describe the depth distribution of 137Cs, 90Sr, 239+240Pu, and 241Am within different alpine soils and to identify some stable elements as indicators for accumulating layers. In the central part of the study, the goal was to investigate the repartition of ^Sr and 239Pu between the truly dissolved fraction and the colloidal fraction of the soil solutions and to identify the nature of colloids involved in the adsorption of ^Sr and 239Pu. These results were integrated in an "advection- sorption" transport model seeking to explain the migration of 239Pu and 90Sr within the soils and to assess the importance of colloidal transport for these two isotopes. A further aspect studied was the role of the competition between the radioisotopes (137Cs and 90Sr) and their stable chemical analogues (K and Ca) with respect to plant uptake by different plant species. The results on the depth distribution within the soils showed that 137Cs was mostly retained in the topsoil, to the exception of an organic-rich soil (Histosol 2) receiving important surface runoff, where migration down to a depth of 30 cm was observed. 137Cs depth distribution within the soils was similar to unsupported 210Pb depth distribution. The plant uptake of 137Cs clearly depended on the concentration of exchangeable potassium in the soils. Moreover, we showed that the 137Cs uptake by certain species of the taxonomic orders Poales and Rosales was more sensitive to the increase in exchangeable Κ compared to other orders. Strontium-90 was much more mobile in the soils than 137Cs and depth migration and accumulation in specific AI- and Fe-rich layers were found down to 30 cm. Copper and Ni showed accumulations in these same layers, indicating their potential to be used as indicators for the migration of ^Sr within the soils. In addition, we observed a 90Sr activity peak in the topsoil that can be attributable to recycling of 90Sr by plant uptake. We demonstrated for the first time that a part of 90Sr (at least 40%) was associated with the colloids in organic-rich soil solutions. Therefore, we predict a significant effect of the colloidal migration of ^Sr in organic-rich soil solutions. The plant uptake results for 90Sr indicated a phylogenetic effect between Non-Eudicot and Eudicots: the order Poales concentrating much less 90Sr than Eudicots do. Moreover, we were able to demonstrate that the sensitivity of the 90Sr uptake by 5 different Alpine plant species to the amount of exchangeable Ca was species-independent. Plutonium and 241Am accumulated in the second layer of all soils and only a slight migration deeper than 20 cm was observed. Plutonium and 241Am showed a similar depth distribution in the soils. The model results suggested that the present day migration of 239Pu was very slow and that the uptake by plants was negligible. 239Pu activities between 0.01 to 0.08 mBq/L were measured in the bulk soil solutions. Migration of 239Pu with the soil solution is dominated by colloidal transport. We reported strong evidences that humic substances were responsible of the sorption of 239Pu to the colloidal fraction of the soil solutions. This was reflected by the strong correlation between 239Pu concentrations and the content of (colloidal) organic matter in the soil solution. Résumé Certains radioéléments artificiels ont été disséminés dans l'environnement suite aux essais atmosphériques de bombes nucléaires et suite à des accidents impliquant les industries nucléaires. En tant que récepteur primaire de la déposition, le sol est un compartiment sensible et des connaissances sur les interactions et la migration des radioéléments dans le sol permettent de développer des modèles pour estimer la contamination de la population et de l'environnement. Actuellement, la plupart des études de terrain sur ce sujet concernent uniquement un ou deux radioéléments, surtout le 137Cs et peu d'études intègrent les paramètres du sol pour expliquer la migration des radioéléments. Le but général de cette étude était une compréhension étendue de la radio-écologie d'une vallée alpine. Notre premier objectif était de décrire la distribution en profondeur de 137Cs, ^Sr, 239+240pu et 241Am dans différents sols alpins en relation avec des éléments stables du sol, dans le but d'identifier des éléments stables qui pourraient servir d'indicateurs pour des horizons accumulateurs. L'objectif de la deuxième partie, qui était la partie centrale de l'étude, était d'estimer le pourcentage d'activité sous forme colloïdale du 239Pu et du 90Sr dans les solutions des sols. De plus nous avons déterminé la nature des colloïdes impliqués dans la fixation du ^Sr et 239Pu. Nous avons ensuite intégré ces résultats dans un modèle de transport développé dans le but de décrire la migration du 239Pu et 90Sr dans le sol. Finalement, nous avons étudié l'absorption de 137Cs et 90Sr par les plantes en fonction de l'espèce et de la compétition avec leur élément analogue stable (K et Ca). Les résultats sur la migration en profondeur du 137Cs ont montré que ce radioélément était généralement retenu en surface, à l'exception d'un sol riche en matière organique dans lequel nous avons observé une nette migration en profondeur. Dans tous les sols, la distribution en profondeur du 137Cs était corrélée avec la distribution du 210Pb. L'absorption du 137Cs par les plantes, était dépendante de la concentration en Κ échangeable dans le sol, le potassium étant un compétiteur. De plus, nous avons observé que les espèces ne réagissaient pas de la même manière aux variations de la concentration de Κ échangeable. En effet, les espèces appartenant aux ordres des Poales et des Rosales étaient plus sensibles aux variations de potassium échangeable dans le sol. Dans tous les sols Le 90Sr était beaucoup plus mobile que le 137Cs. En effet, nous avons observé des accumulations de 90Sr dans des horizons riches en Fe et Al jusqu'à 30 cm de profondeur. De plus, le Cu et le Ni montraient des accumulations dans les mêmes horizons que le 90Sr, indiquant qu'il pourrait être possible d'utiliser ces deux éléments comme analogues pour la migration du 90Sr. D'après le modèle développé, le pic de 90Sr dans les premiers centimètres du sol peut être attribué à du recyclage par les plantes. Le 90Sr en solution était principalement sous forme dissoute dans des solutions de sols peu organique (entre 60 et 100% de 90Sr dissous). Par contre, dans des solutions organiques, un important pourcentage de 90Sr (plus de 40%) était associé aux colloïdes. La migration colloïdale du 90Sr peut donc être significative dans des solutions organiques. Comme pour le 137Cs, l'absorption du 90Sr par les plantes dépendait de la concentration de son analogue chimique dans la fraction échangeable du sol. Par contre, les espèces de plantes étudiées avaient la même sensibilité aux variations de la concentration du calcium échangeable. Le plutonium et l'américium étaient accumulés dans le deuxième horizon du sol et nous avons observé seulement une faible migration plus profondément que 20 cm. Selon le modèle, la migration actuelle du plutonium est très lente et l'absorption par les plantes semble négligeable. Nous avons mesuré entre 0.01 et 0.08 mBq/L de 239Pu dans les solutions de sol brutes. La migration du plutonium par la solution du sol est due principalement aux colloïdes, probablement de nature humique. Résumé grand public Dans les années 1950 à 1960, l'environnement a été contaminé par des éléments radioactifs (radioéléments) artificiels provenant des essais des armes atomiques et de l'industrie nucléaire. En effet, durant ces années, les premiers essais de bombes atomiques se faisaient dans l'atmosphère, libérant de grandes quantités d'éléments radioactifs. De plus certains accidents impliquant l'industrie nucléaire civile ont contribué à la dissémination d'éléments radioactifs dans l'environnement. Ce fut par exemple le cas de l'accident de la centrale atomique de Tchernobyl en 1986 qui a causé une importante contamination d'une grande partie de l'Europe par le 137Cs. Lorsqu'ils sont libérés dans l'atmosphère, les radioéléments sont dispersés et transportés par les courants atmosphériques, puis peuvent être déposés dans l'environnement, principalement par les précipitations. Une fois déposés sur le sol, les radioéléments vont interagir avec les composants du sol et migrer plus ou moins vite. La connaissance des interactions des éléments radioactifs avec le sol est donc importante pour prédire les risques de contamination de l'environnement et de l'homme. Le but général de ce travail était d'évaluer la migration de différents éléments radioactifs (césium-137, strontium-90, plutonium et américium-241) à travers le sol. Nous avons choisi un site d'étude en milieu alpin (Val Piora, Tessin, Suisse), contaminé en radioéléments principalement par les retombées de l'accident de Tchernobyl et des essais atmosphériques de bombes atomiques. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la distribution en profondeur des éléments radioactifs dans le sol et l'avons comparée à divers éléments stables. Cette comparaison nous a permit de remarquer que le cuivre et le nickel s'accumulaient dans les mêmes horizons du sol que le strontium-90 et pourraient donc être utilisés comme analogue pour la migration du strontium-90 dans les sols. Dans la plupart des sols étudiés, la migration du césium-137, du plutonium et de l'américium-241 était lente et ces radioéléments étaient donc accumulés dans les premiers centimètres du sol. Par contre, le strontium-90 a migré beaucoup plus rapidement que les autres radioéléments si bien qu'on observe des accumulations de strontium-90 à plus de 30 cm de profondeur. Les radioéléments migrent dans la solution du sol soit sous forme dissoute, soit sous forme colloïdale, c'est-à-dire associés à des particules de diamètre < Ιμηι. Cette association avec des colloïdes permet à des radioéléments peu solubles, comme le plutonium, de migrer plus rapidement qu'attendu. Nous avons voulu savoir quelle était la part de strontium-90 et plutonium associés à des colloïdes dans la solution du sol. Les résultats ont montré que le plutonium en solution était principalement associé à des colloïdes de type organique. Quant au strontium-90, ce dernier était en partie associé à des colloïdes dans des solutions de sol riches en matière organique, par contre, il était principalement sous forme dissoute dans les solutions de sol peu organiques. L'absorption de radioéléments par les plantes représente une voie importante pour le transfert vers la chaîne alimentaire, par conséquent pour la contamination de l'homme. Nous avons donc étudié le transfert du césium-137 et du strontium-90 de plusieurs sols vers différentes espèces de plantes. Les résultats ont montré que l'absorption des radioéléments par les plantes était liée à la concentration de leur analogue chimique (calcium pour le strontium-90 et potassium pour le césium- 137) dans la fraction échangeable du sol. De plus certaines espèces de plantes accumulent significativement moins de strontium-90.

Functional homogenization of bumblebee communities in alpine landscapes under projected climate change

Background: Bumblebees represent an active pollinator group in mountain regions and assure the pollination of many different plant species from low to high elevations. Plant-pollinator interactions are mediated by functional traits. Shift in bumblebee functional structure under climate change may impact plant-pollinator interactions in mountains. Here, we estimated bumblebee upward shift in elevation, community turnover, and change in functional structure under climate change. Method: We sampled bumblebee species at 149 sites along the elevation gradient. We used stacked species distribution models (S-SDMs) forecasted under three climate change scenarios (A2, A1B, RCP3PD) to model the potential distribution of the Bombus species. Furthermore, we used species proboscis length measurements to assess the functional change in bumblebee assemblages along the elevation gradient. Results: We found species-specific response of bumblebee species to climate change. Species differed in their predicted rate of range contraction and expansion. Losers were mainly species currently restricted to high elevation. Under the most severe climate change scenarios (A2), we found a homogenization of proboscis length structure in bumblebee communities along the elevation gradient through the upward colonization of high elevation by species with longer proboscides. Conclusions: Here, we show that in addition to causing the shift in the distribution of bumblebee species, climate change may impact the functional structure of communities. The colonization of high elevation areas by bumblebee species with long proboscides may modify the structure of plant-pollination interaction networks by increasing the diversity of pollination services at high elevation.

Elemental (C/N ratios) and isotopic (δ15N(org), δ13C(org)) compositions of sedimentary organic matter from a high-altitude mountain lake (Meidsee, 2661 m a.s.l., Switzerland): Implications for Lateglacial and Holocene Alpine landscape evolution

The deposition of Late Pleistocene and Holocene sediments in the high-altitude lake Meidsee (located at an altitude of 2661 m a.s.l. in the Southwestern Alps) strikingly coincided with global ice-sheet and mountain-glacier decay in the Alpine forelands and the formation of perialpine lakes. Radiocarbon ages of bottom-core sediments point out (pre-) Holocene ice retreat below 2700 m a.s.l., at about 16, 13, 10, and 9 cal. kyr BP. The Meidsee sedimentary record therefore provides information about the high-altitude Alpine landscape evolution since the Late Pleistocene/Holocene deglaciation in the Swiss Southwestern Alps. Prior to 5 cal. kyr BP, the C/N ratio and the isotopic composition of sedimentary organic matter (delta N-15(org), delta C-13(org)) indicate the deposition of algal-derived organic matter with limited input of terrestrial organic matter. The early Holocene and the Holocene climatic optimum (between 7.0 and 5.5 cal. kyr BP) were characterized by low erosion (decreasing magnetic susceptibility, chi) and high content of organic matter (C-org > 13 wt.%), enriched in C-13(org) (>-18 parts per thousand) with a low C/N (similar to 10) ratio, typical of modern algal matter derived from in situ production. During the late Holocene, there was a long-term increasing contribution of terrestrial organic matter into the lake (C/N > 11), with maxima between 2.4 and 0.9 cal. kyr BP. A major environmental change took place 800 years ago, with an abrupt decrease in the relative contribution of terrestrial organic material into the lake compared with aquatic organic material which subsequently largely dominated (C/N drop from 16 to 10). Nonetheless, this event was marked by a rise in soil erosion (chi), in nutrients input (N and P contents) and in anthropogenic lead deposition, suggesting a human disturbance of Alpine ecosystems 800 years ago. Indeed, this time period coincided with the migration of the Walser Alemannic people in the region, who settled at relatively high altitude in the Southwestern Alps for farming and maintaining Alpine passes.

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.

The phylogeography of an alpine leaf beetle: divergence within Oreina elongata spans several ice ages.

The genetic landscape of the European flora and fauna was shaped by the ebb and flow of populations with the shifting ice during Quaternary climate cycles. While this has been well demonstrated for lowland species, less is known about high altitude taxa. Here we analyze the phylogeography of the leaf beetle Oreina elongata from 20 populations across the Alps and Apennines. Three mitochondrial and one nuclear region were sequenced in 64 individuals. Within an mtDNA phylogeny, three of seven subspecies are monophyletic. The species is chemically defended and aposematic, with green and blue forms showing geographic variation and unexpected within-population polymorphism. These warning colors show pronounced east-west geographical structure in distribution, but the phylogeography suggests repeated origin and loss. Basal clades come from the central Alps. Ancestors of other clades probably survived across northern Italy and the northern Adriatic, before separation of eastern, southern and western populations and rapid spread through the western Alps. After reviewing calibrated gene-specific substitution rates in the literature, we use partitioned Bayesian coalescent analysis to date our phylogeography. The major clades diverged long before the last glacial maximum, suggesting that O. elongata persisted many glacial cycles within or at the edges of the Alps and Apennines. When analyzing additional barcoding pairwise distances, we find strong evidence to consider O. elongata as a species complex rather than a single species.

Origin of cadmium enrichments in carbonate rocks deposited in the Alpine Tethys area during the Middle-Late Jurassic

ABSTRACTThe pollution of air, soil and water by heavy metals through anthropogenic activities is an object of numerous environmental studies since long times. A number of natural processes, such as volcanic activity, hydrothermal fluid circulation and weathering of metal-rich deposits may lead to an additional and potentially important input and accumulation of heavy metals in the environment. In the Swiss and French Jura Mountains, anomalous high cadmium (Cd) concentrations (up to 16 ppm) in certain soils are related to the presence of underlying Cd-enriched (up to 21 ppm) carbonate rocks of Middle to Late Jurassic age. The aim of this study is to understand the processes controlling Cd incorporation into carbonate rocks of Middle and Late Jurassic age and to reconstruct the sedimentary and environmental conditions, which have led to Cd enrichments in these sedimentary rocks.Cd concentrations in studied hemipelagic sections in France vary between 0.1 and 0.5 ppm (mean 0.15 ppm). Trace-element behavior and high Mn concentrations suggest that sediment accumulation occurred in a well-oxygenated environment. Increases in Cd contents in the bulk-rock carbonate sediments may be related to increases in surface-water productivity under oxic conditions and important remineralization of organic matter within the water column. In platform settings preserved in the Swiss Jura Mountains, no correlation is observed between Cd contents and evolution of environmental conditions. Cd concentrations in these platform sections are often below the detection limit, with isolated peaks of up to 21 ppm. These important Cd enrichments are associated with peaks in Zn concentrations and are present in carbonate rocks independently of facies and age. The high Cd contents in these shallow-water carbonate rocks are partly related to the presence of disseminated, Cd-rich (up to 1.8%), sphalerite (ZnS) mineralization. The basement rocks are considered to be the source of metals for sulfide mineralization in the overlying Jurassic strata, as the sphalerite Pb isotope pattern is comparable to that of granite rocks from the nearby southern Black Forest crystalline massif. The Rb-Sr ages of sphalerite samples indicate that a main phase of sphalerite formation occurred near the boundary between the late Middle and early Late Jurassic, at around 162 Ma, as a result of enhanced tectonic and hydrothermal activity in Europe, related to the opening of the Central Atlantic and to the tectonic/thermal subsidence during spreading of the Alpine Tethys. I therefore propose to use unusually high Cd concentrations in carbonates as a tracer of tectonic activity in the Jura Mountains area, especially in the case when important enrichments in Zn co-occur. Paleoproductivity reconstructions based on records of authigenic Cd may be compromised not only by post-depositional redistribution, but also by incorporation of additional Cd from hydrothermal solutions circulating in the rock.The circulation of metal-rich hydrothermal fluids through the sediment sequence, in addition to specific environmental conditions during sedimentation, contributes to the incorporation of Cd into the carbonate rocks. However, only hydrothermal activity has led to the unusually high concentrations of Cd in carbonate rocks of Bajocian-Oxfordian age, through the formation of sphalerite mineralization.