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

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

THE ADULA NAPPE: STRATIGRAPHY, STRUCTURE AND KINEMATICS OF AN EXHUMED HIGH-PRESSURE NAPPE

This study analyses the stratigraphy, structure and kinematics of the northern part of the Adula nappe of the Central Alps. The Adula nappe is one of the highest basement nappes in the Lower Penninic nappe stack of the Lepontine Dome. This structural position makes possible the investigation of the transition between the Helvetic and North Penninic paleogeographic domains. The Adula nappe is principally composed of crystalline basement rocks. The investigation of the pre-Triassic basement shows that it contains several Palaeozoic detrital metasedimentary formations dated from the Cambrian to the Ordovician. These formations contain also some volcanic or intrusive magmatic rocks. Ordovician metagranites dated at ~450 Ma are also a common rock-type of the Adula basement. These formations underwent Alpine and Variscan deformation and metamorphism. Permian granites (Zervreila orthogneiss, dated at ~290 Ma) have intruded this pre-structured basement in a post-orogenic geodynamic context. Due to their age, the Zervreila orthogneiss are good markers for alpine deformation. The stratigraphy of the Mesozoic and Paleogene sedimentary cover of the Adula nappe is essential to unraveling its pre- orogenic history. The autochthonous cover is assigned to a North Penninic Triassic series that testifies for a transition between the Helvetic and Briançonnais Triassic domains. The Adula domain goes through an emersion during the Middle Jurassic, and is part of a topographic high during the first phase of the Alpine rift. The sediments of the late Middle Jurassic show a drowning phase associated with a tectonic activity and a breccia formation. In the neighbouring domains, coeval with the drowning phase in the Adula domain, a strong extensional crustal delamination and a scattered magmatic activity is associated with the main opening of the North Penninic domain. The Upper Jurassic of the Adula nappe is characterized by a carbonate formation comparable with those in the Helvetic or Subbriaçonnais domains. Flysch s.l. deposition starts probably at the end of the Cretaceous. These sediments are deposited on a large unconformity testifying for a Cretaceous sedimentary gap. The Adula nappe exhibits a very complex structure. This structure is formed by several deformation phases. Two ductile deformations are responsible for the nappe emplacement. The first deformation phase is associated with a folding compatible with a top-to-south movement at the top of the nappe. The second phase is dominant and pervasive throughout the whole nappe. It goes with a strong north vergent folding and the main nappe emplacement. These two phases cause the exhumation and emplacement of a coherent, although pre-structured, piece of continental crust. Two further deformation phases postdate the nappe emplacement. - Ce travail concerne l'étude géologique de la partie nord de la nappe de l'Adula dans les Alpes centrales. La nappe de l'Adula est l'une des nappes cristallines la plus élevée dans la pile des nappes du Pennique inférieur des Alpes lepontines. Cette position particulière permet d'étudier la transition entre les nappes des domaines helvétique et pennique inférieur. La nappe de l'Adula est principalement composée de socle cristallin : l'étude de l'histoire géologique du socle est donc l'un des thèmes de cette recherche. Ce socle contient plusieurs formations métasédimentaires paléozoïques du Cambrien à I'Ordovicien. Ces métasédiments sont issus de formations clastiques comprenant souvent des roches magmatiques volcaniques et intrusives. Ces métasédiments ont subi les cycles orogéniques varisque et alpin. La nappe de l'Adula contient plusieurs corps magmatiques granitiques métamorphisés. Les premiers métagranites sont Ordovicien et témoignent d'un environnement de marge active. Ces granites sont aussi polymétamorphiques. Les deuxièmes métagranites sont représentés par les orthogneiss de type Zervreila. Ce métagranite est d'âge permien (-290 Ma). Il est mis en place dans un contexte tectonique post-orogénique. Ce granite est un maqueur de la déformation alpine car il n'est pas affecté par les orogenèses précédentes, flippy Le contenu stratigraphique des roches mésozoïques et cénozoiques de la couverture sédimentaire de la nappe de l'Adula est'important pour en étudier son histoire pré-alpine. La couverture autochtone est composée d'une série d'âge triasique d'affinité nord-pennique, un faciès qui marque la transition entre les domaines helvétiques et briançonnais au Trias. Le domaine paléogéographique représenté dans la nappe de l'Adula connaît une émersion pendant le Jurassique moyen. Cette émersion marque le commencement du rift dans le domaine alpin. La sédimentation de la fin du Jurassique moyen est marquée par une transgression marine accompagnée par des mouvements tectoniques et la formation d'une brèche. Cette transgression est contemporaine des importants mouvements tectoniques et des manifestations magmatiques dans les unités voisines qui marquent la phase principale d'ouverture du bassin nord-pennique. Le Jurassique supérieur est caractérisé par l'instauration d'une sédimentation carbonatée comparable à celle du domaine helvétique ou subbriançonnais. Une sédimentation flyschoïde, probablement du Crétacé à Tertiaire, est déposée sur une importante discordance qui témoigne d'une lacune au Crétacé. La structure complexe de la nappe de l'Adula témoigne de nombreuses phases de déformation. Ces phases de déformation sont en partie issues de la mise en place de la nappe et de déformations plus tardives. La mise en place de la nappe produit deux phases de déformation ductile : la première produit un plissement compatible avec un cisaillement top-vers-le sud dans la partie supérieure de la nappe; la deuxième produit un intense plissement qui accompagne la mise en place de la nappe vers le nord. Ces deux phases de déformation témoignent d'un mécanisme d'exhumation par déformation ductile d'un bloc cohérent.

High-resolution seismic images of potentially seismogenic structures beneath the northwest Canterbury Plains, New Zealand

The transpressional boundary between the Australian and Pacific plates in the central South Island of New Zealand comprises the Alpine Fault and a broad region of distributed strain concentrated in the Southern Alps but encompassing regions further to the east, including the northwest Canterbury Plains. Low to moderate levels of seismicity (e. g., 2 > M 5 events since 1974 and 2 > M 4.0 in 2009) and Holocene sediments offset or disrupted along rare exposed active fault segments are evidence for ongoing tectonism in the northwest plains, the surface topography of which is remarkably flat and even. Because the geology underlying the late Quaternary alluvial fan deposits that carpet most of the plains is not established, the detailed tectonic evolution of this region and the potential for larger earthquakes is only poorly understood. To address these issues, we have processed and interpreted high-resolution (2.5 m subsurface sampling interval) seismic data acquired along lines strategically located relative to extensive rock exposures to the north, west, and southwest and rare exposures to the east. Geological information provided by these rock exposures offer important constraints on the interpretation of the seismic data. The processed seismic reflection sections image a variably thick layer of generally undisturbed younger (i.e., < 24 ka) Quaternary alluvial sediments unconformably overlying an older (> 59 ka) Quaternary sedimentary sequence that shows evidence of moderate faulting and folding during and subsequent to deposition. These Quaternary units are in unconformable contact with Late Cretaceous-Tertiary interbedded sedimentary and volcanic rocks that are highly faulted, folded, and tilted. The lowest imaged unit is largely reflection-free Permian Triassic basement rocks. Quaternary-age deformation has affected all the rocks underlying the younger alluvial sediments, and there is evidence for ongoing deformation. Eight primary and numerous secondary faults as well as a major anticlinal fold are revealed on the seismic sections. Folded sedimentary and volcanic units are observed in the hanging walls and footwalls of most faults. Five of the primary faults represent plausible extensions of mapped faults, three of which are active. The major anticlinal fold is the probable continuation of known active structure. A magnitude 7.1 earthquake occurred on 4 September 2010 near the southeastern edge of our study area. This predominantly right-lateral strike-slip event and numerous aftershocks (ten with magnitudes >= 5 within one week of the main event) highlight the primary message of our paper: that the generally flat and topographically featureless Canterbury Plains is underlain by a network of active faults that have the potential to generate significant earthquakes.

The role of biotic interactions in shaping distributions and realised assemblages of species: implications for species distribution modelling.

Predicting which species will occur together in the future, and where, remains one of the greatest challenges in ecology, and requires a sound understanding of how the abiotic and biotic environments interact with dispersal processes and history across scales. Biotic interactions and their dynamics influence species' relationships to climate, and this also has important implications for predicting future distributions of species. It is already well accepted that biotic interactions shape species' spatial distributions at local spatial extents, but the role of these interactions beyond local extents (e.g. 10 km(2) to global extents) are usually dismissed as unimportant. In this review we consolidate evidence for how biotic interactions shape species distributions beyond local extents and review methods for integrating biotic interactions into species distribution modelling tools. Drawing upon evidence from contemporary and palaeoecological studies of individual species ranges, functional groups, and species richness patterns, we show that biotic interactions have clearly left their mark on species distributions and realised assemblages of species across all spatial extents. We demonstrate this with examples from within and across trophic groups. A range of species distribution modelling tools is available to quantify species environmental relationships and predict species occurrence, such as: (i) integrating pairwise dependencies, (ii) using integrative predictors, and (iii) hybridising species distribution models (SDMs) with dynamic models. These methods have typically only been applied to interacting pairs of species at a single time, require a priori ecological knowledge about which species interact, and due to data paucity must assume that biotic interactions are constant in space and time. To better inform the future development of these models across spatial scales, we call for accelerated collection of spatially and temporally explicit species data. Ideally, these data should be sampled to reflect variation in the underlying environment across large spatial extents, and at fine spatial resolution. Simplified ecosystems where there are relatively few interacting species and sometimes a wealth of existing ecosystem monitoring data (e.g. arctic, alpine or island habitats) offer settings where the development of modelling tools that account for biotic interactions may be less difficult than elsewhere.

Experimental evidence that adult antipredator behaviour is heritable and not influenced by behavioural copying in a wild bird.

Knowledge of the relative importance of genetics and behavioural copying is crucial to appraise the evolvability of behavioural consistencies. Yet, genetic and non-genetic factors are often deeply intertwined, and experiments are required to address this issue. We investigated the sources of variation of adult antipredator behaviour in the Alpine swift (Apus melba) by making use of long-term behavioural observations on parents and cross-fostered offspring. By applying an 'animal model' approach to observational data, we show that antipredator behaviour of adult Alpine swifts was significantly repeatable over lifetime (r = 0.273) and heritable (h(2) = 0.146). Regression models also show that antipredator behaviours differed between colonies and sexes (females were more tame), and varied with the hour and year of capture. By applying a parent-offspring regression approach to 59 offspring that were exchanged as eggs or hatchlings between pairs of nests, we demonstrate that offspring behaved like their biological parents rather than like their foster parents when they were adults themselves. Those findings provide strong evidence that antipredator behaviour of adult Alpine swifts is shaped by genetics and/or pre-hatching maternal effects taking place at conception but not by behavioural copying.

Organization of pre-Variscan basement areas at the north-Gondwanan margin

Pre-Variscan basement elements of Central Europe appear in polymetamorphic domains juxtaposed through Variscan and/or Alpine tectonic events. Consequently, nomenclatures and zonations applied to Variscan and Alpine structures, respectively, cannot be valid for pre-Variscan structures. Comparing pre-Variscan relics hidden in the Variscan basement areas of Central Europe, the Alps included, large parallels between the evolution of basement areas of future Avalonia and its former peri-Gondwanan eastern prolongations (e.g. Cadomia, Intra-Alpine Terrane) become evident. Their plate-tectonic evolution from the Late Proterozoic to the Late Ordovician is interpreted as a continuous Gondwana-directed evolution. Cadomian basement, late Cadomian granitoids, late Proterozoic detrital sediments and active margin settings characterize the pre-Cambrian evolution of most of the Gondwana-derived microcontinental pieces. Also the Rheic ocean, separating Avalonia from Gondwana, should have had, at its early stages, a lateral continuation in the former eastern prolongation of peri-Gondwanan microcontinents (e.g. Cadomia, Intra-Alpine Terrane). Subduction of oceanic ridge (Proto-Tethys) triggered the break-off of Avalonia, whereas in the eastern prolongation, the presence of the ridge may have triggered the amalgamation of volcanic arcs and continental ribbons with Gondwana (Ordovician orogenic event). Renewed Gondwana-directed subduction led to the opening of Palaeo-Tethys.

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

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

U-Pb zircon dating of granitoids from the Dora-Maira massif (western Italian Alps)

Among the large number of granitic intrusions within the Dora-Maira massif, several main types can be distinguished. In this study we report field, petrographic and geochemical investigations as well as zircon typology and conventional U-Pb zircon dating of plutons representing these types. The main results are as follows: the Punta Muret augengneiss is a polymetamorphosed peraluminous granite of anatectic origin. It is 457 +/- 2 Ma old and represents one of the numerous Caledonian orthogneisses of the Alpine basement. All other dated granites are of Late Variscan age. The Cavour leucogranite is an evolved granite of probably calc-alkaline affiliation, dated at 304 +/- 2 Ma. The dioritic and granodioritic facies of the Malanaggio diorite (auct.) are typical calc-alkaline rocks, whose respective age of 290 +/- 2 and 288 +/- 2 Ma overlap within errors. The Sangone and Freidour granite types have very similar alkali-calcic characteristics; their ages are poorly constrained between 267-279 and 268-283 Ma, respectively. The new data for the Dora-Maira granites are in keeping with models of the overall evolution of the Late- to Post-Variscan magmatism in the Alpine area in terms of age distribution and progressive geochemical evolution towards alkaline melts. In a first approximation, granitic rocks across the Variscan belt seem to be increasingly younger towards the internal (southern) parts of the orogen. A Carboniferous, distensive Basin and Range situation is thought to be responsible for the magmatic activity. This tectonic context is comparable to the back-are opening of an active continental margin. The observed southward migration of the magmatism could be linked to the roll-back of the subducting Paleotethyan oceanic plate along the Variscan cordillera.

Stable isotope ecology of Miocene large mammals from Sandelzhausen, southern Germany

The carbon, oxygen, and strontium isotope composition of enamel from teeth of large Miocene herbivorous mammals from Sandelzhausen (MN5, late Early/early Middle Miocene) in the North Alpine foreland basin, were analyzed to infer diet and habitat. The mean enamel delta(13)C value of -11.4 +/- 1.0% (n = 53) for the nine taxa analyzed (including proboscideans, cervids, suids, chalicotheres, equids, rhinocerotids) indicates a pure C(3) plant diet for all mammals. (87)Sr/(86)Sr ratios of similar to 0.710 higher than those from teeth of the western Molasse Basin (0.708-0.709) seem to indicate preferential feeding of the mammals in the northeastern Molasse Basin. The sympatric herbivores have different mean delta(13)C and delta(18)O values which support diet partitioning and/or use of different habitats within a C(3) plant ecosystem. Especially the three sympatric rhinoceroses Plesiaceratherium fahlbuschi, Lartetotherium sansaniense, and Prosantorhinus germanicus show clear partitioning of plants and/or habitats. The palaeomerycid Germanomeryx fahlbuschi was a canopy folivore in moderately closed environments whereas Metaschizotherium bavaricum (Chalicotheriidae) and P. germanicus (Rhinocerotidae) were browsers in more closed forest environments. The horse Anchitherium aurelianense was probably a more generalized feeder than assumed from its dental morphology. The forest hog Hyotherium soemmeringi has the highest delta(13)C and lowest delta(18)O value of all analyzed taxa, possibly related to a frugivorous diet. Most taxa were water-dependent browsers that record meteoric water delta(18)O values of about -5.6 +/- 0.7% Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW). Using a modern-day mean annual air temperature (MAT)-delta(18)OH(2)O relation a MAT of 19.3 +/- 1.5 degrees C can be reconstructed for Sandelzhausen. A Gomphotherium subtapiroideum tusk serially sampled for delta(18)O values does not record a clear pattern of seasonality. Thus most taxa were C(3) browsers in a forested and humid floodplain environment in the Molasse Basin, which experienced a warm-temperate to subtropical climate and possibly low seasonality.

The Alps Vegetation Database - a geo-referenced community-level archive of all terrestrial plants occurring in the Alps.

Mountain ranges are biodiversity hotspots worldwide and provide refuge to many organisms under contemporary climate change. Gathering field information on mountain biodiversity over time is of primary importance to understand the response of biotic communities to climate changes. For plants, several long-term observation sites and networks of mountain biodiversity are emerging worldwide to gather field data and monitor altitudinal range shifts and community composition changes under contemporary climate change. Most of these monitoring sites, however, focus on alpine ecosystems and mountain summits, such as the global observation research initiative in alpine environments (GLORIA). Here we describe the Alps Vegetation Database, a comprehensive community level archive (GIVD ID EU-00-014) which aims at compiling all available geo-referenced vegetation plots from lowland forests to alpine grasslands across the greatest mountain range in Europe: the Alps. This research initiative was funded between 2008 and 2011 by the Danish Council for Independent Research and was part of a larger project to compare cross-scale plant community structure between the Alps and the Scandes. The Alps Vegetation Database currently harbours 35,731 geo-referenced vegetation plots and 5,023 valid taxa across Mediterranean, temperate and alpine environments. The data are mainly used by the main contributors of the Alps Vegetation Database in an ecoinformatics approach to test hypotheses related to plant macroecology and biogeography, but external proposals for joint collaborations are welcome.

Heterogeneous 40Ar* distributions in naturally deformed muscovite: in situ UV-laser ablation evidence for micro structurally controlled intragrain diffusion

Micas are commonly used in Ar-40/Ar-39 thermochronological studies of variably deformed rocks yet the physical basis by which deformation may affect radiogenic argon retention in mica is poorly constrained. This study examines the relationship between deformation and deformation-induced microstructures on radiogenic argon retention in muscovite, A combination of furnace step-heating and high-spatial resolution in situ UV-laser ablation Ar-40/Ar-39 analyses are reported for deformed muscovites sampled from a granitic pegmatite vein within the Siviez-Mischabel Nappe, western Swiss Alps (Penninic domain, Brianconnais unit). The pegmatite forms part of the Variscan (similar to 350 Ma) Alpine basement and exhibits a prominent Alpine S-C fabric including numerous mica `fish' that developed under greenschist facies metamorphic conditions, during the dominant Tertiary Alpine tectonic phase of nappe emplacement. Furnace step-heating of milligram quantities of separated muscovite grains yields an Ar-40/Ar-39 age spectrum with two distinct staircase segments but without any statistical plateau, consistent with a previous study from the same area. A single (3 X 5 mm) muscovite porphyroclast (fish) was investigated by in situ UV-laser ablation. A histogram plot of 170 individual Ar-40/Ar-39 UV-laser ablation ages exhibit a range from 115 to 387 Ma with modes at approximately 340 and 260 Ma. A variogram statistical treatment of the (40)Ad/Ar-39 results reveals ages correlated with two directions; a highly correlated direction at 310 degrees and a lesser correlation at 0 degrees relative to the sense of shearing. Using the highly correlated direction a statistically generated (Kriging method) age contour map of the Ar-40/Ar-39 data reveals a series of elongated contours subparallel to the C-surfaces which where formed during Tertiary nappe emplacement. Similar data distributions and slightly younger apparent ages are recognized in a smaller mica fish. The observed intragrain age variations are interpreted to reflect the partial loss of radiogenic argon during Alpine (similar to 35 Ma) greenschist facies metamorphism. One-dirnensional diffusion modelling results are consistent with the idea that the zones of youngest apparent age represent incipient shear band development within the mica porphyroclasts, thus providing a network of fast diffusion pathways. During Alpine greenschist facies metamorphism the incipient shear bands enhanced the intragrain loss of radiogenic argon. The structurally controlled intragrain age variations observed in this investigation imply that deformation has a direct control on the effective length scale for argon diffusion, which is consistent with the heterogeneous nature of deformation. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.