Molecular markers allow sibling species identification in red wood ants (Formica rufa group)

Red wood ants (Formica rufa group) constitute a group of species that are considered to be among the most promising bioindicators in forest ecosystems. However, because of their morphological similarity and intraspecific variability, morphological species identification can be difficult. Considerable expertise is necessary to discriminate between the sibling species F. lugubris and F. paralugubris, two species that often live in sympatry in the same Alpine forests. New taxonomic tools providing rapid and reliable species identification are needed. We present a simple and reliable molecular technique based on mtDNA (COI gene) and a restriction enzyme for discriminating between F. lugubris and F. paralugubris. We confirm the validity of this method with a Bayesian analysis based on microsatellites. This new molecular tool represents a clear breakthrough for discriminating between F. lugubris and F. paralugubris and is likely to be helpful in large-scale biomonitoring.

Diaspore traits discriminate good from weak colonisers on high elevation summits

The richness of plant species in Swiss alpine-nival summits increased during the climate warming of the 20th century. Thirty-seven summits (2797-3418 m a.s.l.) with both old (~1900-1920) and recent (~2000) plant inventories were used to test whether biological species traits can explain the observed rates of summit colonisation. Species were classified into two groups: good colonisers (colonising five or more summits) and weak colonisers (fewer than five new summits). We compared species traits related to growth, reproduction and dispersal between these two groups and between the good colonisers and a group of high alpine grassland species. The observed colonisation pattern was subsequently compared to a simulated random colonisation pattern. The distribution of new species on the summits was not random, and 16 species exhibited a colonisation rate higher than expected by chance. Taraxacum alpinum aggr. and Cardamine resedifolia were the best colonisers. Results showed that diaspore traits enhancing long-distance dispersal were more frequent among good colonisers than among weak colonisers. Good colonisers were mostly characterised by pappi or narrow wings on their diaspores. Both groups were able to grow on soils more bare and rocky than species from the alpine grasslands. All other biological traits that we considered were similar among the three alpine species groups. These results are important for improving predictive models of species distribution under climate change

From deep seated slope deformation to rock avalanche: Destabilization and transportation models of the Sierre landslide (Switzerland)

Sackung is a widespread post-glacial morphological feature affecting Alpine mountains and creating characteristic geomorphological expression that can be detected from topography. Over long time evolution, internal deformation can lead to the formation of rapidly moving phenomena such as a rock-slide or rock avalanche. In this study, a detailed description of the Sierre rock-avalanche (SW Switzerland) is presented. This convex-shaped postglacial instability is one of the larger rock-avalanche in the Alps, involving more than 1.5 billion m3 with a run-out distance of about 14 km and extremely low Fahrböschung angle. This study presents comprehensive analyses of the structural and geological characteristics leading to the development of the Sierre rock-avalanche. In particular, by combining field observations, digital elevation model analyses and numerical modelling, the strong influence of both ductile and brittle tectonic structures on the failure mechanism and on the failure surface geometry is highlighted. The detection of pre-failure deformation indicates that the development of the rock avalanche corresponds to the last evolutionary stage of a pre-existing deep seated gravitational slope instability. These analyses accompanied by the dating and the characterization of rock avalanche deposits, allow the proposal of a destabilization model that clarifies the different phases leading to the development of the Sierre rock avalanche.

Spatial relationship between the atmospheric circulation and the precipitation measured in the western Swiss Alps by means of the analogue method

An adaptation technique based on the synoptic atmospheric circulation to forecast local precipitation, namely the analogue method, has been implemented for the western Swiss Alps. During the calibration procedure, relevance maps were established for the geopotential height data. These maps highlight the locations were the synoptic circulation was found of interest for the precipitation forecasting at two rain gauge stations (Binn and Les Marécottes) that are located both in the alpine Rhône catchment, at a distance of about 100 km from each other. These two stations are sensitive to different atmospheric circulations. We have observed that the most relevant data for the analogue method can be found where specific atmospheric circulation patterns appear concomitantly with heavy precipitation events. Those skilled regions are coherent with the atmospheric flows illustrated, for example, by means of the back trajectories of air masses. Indeed, the circulation recurrently diverges from the climatology during days with strong precipitation on the southern part of the alpine Rhône catchment. We have found that for over 152 days with precipitation amount above 50 mm at the Binn station, only 3 did not show a trajectory of a southerly flow, meaning that such a circulation was present for 98% of the events. Time evolution of the relevance maps confirms that the atmospheric circulation variables have significantly better forecasting skills close to the precipitation period, and that it seems pointless for the analogue method to consider circulation information days before a precipitation event as a primary predictor. Even though the occurrence of some critical circulation patterns leading to heavy precipitation events can be detected by precursors at remote locations and 1 week ahead (Grazzini, 2007; Martius et al., 2008), time extrapolation by the analogue method seems to be rather poor. This would suggest, in accordance with previous studies (Obled et al., 2002; Bontron and Obled, 2005), that time extrapolation should be done by the Global Circulation Model, which can process atmospheric variables that can be used by the adaptation method.

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

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

A methodology for the adaptation of a PMP at the determination of a PMF

This paper presents a new type of very fine grid hydrological model based on the spatiotemporal repartition of a PMP (Probable Maximum Precipitation) and on the topography. The goal is to estimate the influence of this rain on a PMF (Probable Maximum Flood) on a catchment area in Switzerland. The spatiotemporal distribution of the PMP was realized using six clouds modeled by the advection-diffusion equation. The equation shows the movement of the clouds over the terrain and also gives the evolution of the rain intensity in time. This hydrological modeling is followed by a hydraulic modeling of the surface and subterranean flow, done considering the factors that contribute to the hydrological cycle, such as the infiltration, the resurgence and the snowmelt. These added factors make the developed model closer to reality and also offer flexibility in the initial condition that is added to the factors concerning the PMP, such as the duration of the rain, the speed and direction of the wind. All these initial conditions taken together offer a complete image of the PMF.

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

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

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

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

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

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

Evaluating thermal treeline indicators based on air and soil temperature using an air-to-soil temperature transfer model

In recent research, both soil (root-zone) and air temperature have been used as predictors for the treeline position worldwide. In this study, we intended to (a) test the proposed temperature limitation at the treeline, and (b) investigate effects of season length for both heat sum and mean temperature variables in the Swiss Alps. As soil temperature data are available for a limited number of sites only, we developed an air-to-soil transfer model (ASTRAMO). The air-to-soil transfer model predicts daily mean root-zone temperatures (10cm below the surface) at the treeline exclusively from daily mean air temperatures. The model using calibrated air and root-zone temperature measurements at nine treeline sites in the Swiss Alps incorporates time lags to account for the damping effect between air and soil temperatures as well as the temporal autocorrelations typical for such chronological data sets. Based on the measured and modeled root-zone temperatures we analyzed. the suitability of the thermal treeline indicators seasonal mean and degree-days to describe the Alpine treeline position. The root-zone indicators were then compared to the respective indicators based on measured air temperatures, with all indicators calculated for two different indicator period lengths. For both temperature types (root-zone and air) and both indicator periods, seasonal mean temperature was the indicator with the lowest variation across all treeline sites. The resulting indicator values were 7.0 degrees C +/- 0.4 SD (short indicator period), respectively 7.1 degrees C +/- 0.5 SD (long indicator period) for root-zone temperature, and 8.0 degrees C +/- 0.6 SD (short indicator period), respectively 8.8 degrees C +/- 0.8 SD (long indicator period) for air temperature. Generally, a higher variation was found for all air based treeline indicators when compared to the root-zone temperature indicators. Despite this, we showed that treeline indicators calculated from both air and root-zone temperatures can be used to describe the Alpine treeline position.

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.