Circum-Alpine marine circulation and paleoenvironmental conditions during the Miocene

Trace element and isotopic compositions of marine fossils and sediment were analyzed from several Miocene deposits in the circum-Alpine region in order to reconstruct the paleoceanographic and paleoclimatic changes related to sea level changes, basin evolution and Alpine orogeny. To the north and the east the Alps were border by an epicontinental sea, the Paratethys, while to the south the Mediterranean surrounded the uplifting mountains during the Miocene. The thesis mainly focused on sediments and fossils sampled from Miocene beds of these two oceanic provinces. The north Alpine Molasse, the Vienna and Pannonian Basins were located in the Western and Central Paratethys. O-isotope compositions of well-preserved phosphatic fossils in these sediments support deposition under sub-tropical to warm-temperate climate with water temperatures between 14 to 28 °C for the Miocene. δ18O values of fossil shark teeth from different horizons vary similarly to those of the global trend until the end of the Badenian, however the δ18O values show wider range, which indicates local effects iii the sub-basins. The trend of 87Sr/86Sr in the samples roughly agrees with an open ocean environment for the Miocene. Yet a number of samples deviate from typical open ocean compositions with higher ratios suggesting modification of seawater by local and old terrestrial sources. In contrast, two exceptional teeth from the locality of La Moliere have extremely low δ18O values and low 87Sr/86Sr. However, the REE patterns of their enameloid are similar to those of teeth having O and Sr isotopic compositions typical of a marine setting at this site. Collectively, this suggests that the two teeth formed while the sharks frequented a freshwater environment with very low 18O-content and 87Sr/86Sr controlled by Mesozoic calcareous rocks. This is consistent with a paleogeography of high-elevation (~2300m) Miocene Alps adjacent to a marginal sea. The local effects are also reflected in the εNd values of the Paratethyan fossils, which is compatible with input from ancient crystalline rocks and Mesozoic sediments, while other samples with elevated εNd values indicate an influence of Neogene volcanism on the water budget. Excluding samples whose isotopic compositions reflect a local influence on the water column, an average εNd value of -7.9 ± 0.5 may be inferred for the Paratethys seawater. This value is indistinguishable from the Miocene value of the Indian Ocean, supporting a dominant role of ludo-Pacific water masses in the Paratethys. Regarding the Mediterranean, stable C-and O-isotope compositions of benthic and planktonic foraminifera from the Umbria-Marche region (UMC) have an offset typical for their habitats and the changes in composition mimic global changes, suggesting that the regional conditions of climate and the carbon cycle were controlled by global changes. The radiogenic isotope compositions of the fossil assemblages allow for distinction of periods. From 25 to 19 Ma, high εNd values and low 87Sr/86Sr of sediments and fossils support intense tectonism and volcanism, related to the opening of the western Mediterranean. Between 19 and 13 Ma the Mediterranean has εNd values that are largely controlled by incursion of Indian Ocean water. Brief periods of local hinterland control on seawater compositions are indicated by spikes in the εNd record, coinciding with volcanic events and a short sea-level decrease at about 15.2 Ma. Lower 87Sr/86Sr compared to the open ocean is compatible with rapid uplift of the hinterland and intense influx of Sr from Mesozoic carbonates of the western Apennines, while higher 87Sr/86Sr for other sites indicates erosion of old crustal silicate rocks. Finally, from 13 to 7 Ma the fossils have 87Sr/86Sr similar to those of Miocene seawater and their εNd values indicates fluctuating influence of Atlantic, and Indian Ocean or Paratethys sources of seawater entering the Mediterranean, driven by global sealevel changes and local tectonism. RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les compositions en éléments traces et isotopiques de fossiles marins et de sédiments on été analysées à partir de nombreux dépôts marins dans la région circum Alpine dans le but de reconstruire les changements paléocéanographiques et paléoclimatiques liés aux changements du niveau marin, à l'évolution en bassins et à l'orogénie alpine. Au nord et à l'est des Alpes, une mer épicontinentale appelée Paratéthys s'est ouverte, alors que plus au sud la mer Méditerranée bordait au Miocène les Alpes naissantes. Le but de cette recherche est de se concentrer sur les sédiments et les fossiles provenant des couches du Miocènes de ces deux provinces marines. Les bassins de la Molasse Alpine du nord, de Vienne et Pannonien étaient situés au niveau de la Paratéthys Occidentale et Centrale. Les compositions isotopiques de l'oxygène de fossiles phosphatés bien préservés dans ces sédiments étayent la théorie d'un dépôt sous un climat subtropical à tempéré chaud avec des températures entre 14 et 28°C pendant le Miocène. Les valeurs δ18O des fossiles sont similaires à la tendance globale jusqu'à la fin du Badénien. Cependant les larges fluctuations en δ18O indiquent des effets locaux au niveau des sous bassins. En outre, deux dents de requin exceptionnelles présentent des valeurs extrêmement basses de δ18O. Ces données suggèrent que ces deux dents se sont formées alors que les requins fréquentaient un environnement d'eau douce avec de faibles valeurs de 18O. Le calcul de la composition isotopique de l'oxygène de cette eau douce permet d'obtenir une estimation de la paléoélévatian moyenne des Alpes du Miocène (~2300m). La tendance 87Sr/86Sr pour ces échantillons concorde approximativement avec un environnement d'océan ouvert au cours du Miocène. Toutefois un nombre d'échantillons dévie des compositions d'océan ouvert typiques, avec des rapports élevés suggérant des modifications de l'eau de mer par des sources locales et terrestres. Les effets locaux sont aussi reflétés au niveau des valeurs en εNd des fossiles paratéthysiens. Ceci est cohérent avec un apport d'anciennes roches cristallines et de sédiments mésozoïques, tandis que d'autres échantillons avec des valeurs hautes de εNd indiquent une influence d'un volcanisme néogène dans le budget marin. En excluant les échantillons dont les compositions isotopiques confirment une influence locale, une valeur moyenne de εNd de 7.9 t 0.5 peut être déduite pour l'eau de la Parathétys. Cette valeur est semblable à la valeur correspondant à l'Océan Indien durant le Miocène, confirmant un rôle dominant de cet océan dans la Paratéthys. Au niveau de la Méditerranée, les compositions en isotopes stables du Carbone et de l'Oxygène de foraminifères planctoniques et benthique de la région Umbria-Marche présentent un offset typique à leurs habitats. De plus les changements dans leurs compositions suivent les changements globaux, suggérant ainsi que les conditions climatiques régionales et le cycle du carbone étaient contrôlés par des phénomènes globaux. La composition en isotopes radiogéniques d'assemblages fossiles permet une reconnaissance sur trois périodes distinctes. De 25 à 19 millions d'années (Ma), des valeurs élevées de εNd et un faible rapport 87Sr/86Sr dans les sédiments soutiennent l'idée d'une activité tectonique et volcanique intense, liée à l'ouverture de la Méditerranée occidentale. Entre 19 et 13 Ma, la Méditerranée montre des valeurs de εNd qui sont largement contrôlées par une incursion d'eau provenant de l'Océan Indien. En effet, aux alentours de 15,2 Ma, des pics dans l'enregistrement des valeurs de εNd, coïncidant avec des événements volcaniques et de brèves diminutions du niveau marin. Enfin, de 13 à 7 Ma, les fossiles ont des rapports ß7Sr/8fiSr similaires à ceux de l'eau de mer au Miocène. Leurs valeurs de εNd indiquent une influence changeante de l'océan Atlantique, et de l'océan Indien ou des sources d'eau de merde la Parathétys qui entrent dans les bassins méditerranéens. Ce changement est guidé par des modifications globales du niveau marin et par la tectonique locale. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (POUR LE GRAND PUBLIC) Les analyses des compositions en éléments traces et isotopiques des fossiles marins sont un outil très utile pour reconstruire les conditions océaniques et climatiques anciennes. Ce travail de thèse se concentre sur les sédiments déposés dans un environnement marin proches des Alpes au cours du Miocène, entre 23 et 7 millions d'années (Ma). Cette période est caractérisée par une tectonique alpine active, ainsi que par des changements climatiques et océanographiques globaux importants. Dans le but de tracer ces changements, les compositions isotopiques du Strontium, du Néodyme, de l'Oxygène et du Carbone ont été analysées dans des fossiles bien préservés ainsi que les sédiments contemporains. Les échantillons proviennent de deux provinces océaniques distinctes, la première est la Mer Méditerranée, et l'autre est une mer épicontinentale appelée Parathétys, qui existait au nord et à l'est des Alpes durant le Miocène. Au niveau de la Parathétys Occidentale et Orientale, les compositions isotopiques d'oxygène de dents de requins confirment un dépôt sous un climat subtropical à tempéré chaud avec des températures d'eau entre 14 et 28°C au Miocène. En outre, deux dents de requins exceptionnelles ont enregistré des compositions isotopiques d'oxygène extrêmement basses. Cela suggère que ces deux dents se sont formées alors que les requins entraient dans un système d'eau douce. Le calcul de la composition isotopique de l'oxygène de cette eau douce permet d'obtenir une estimation de la paléoélévation des Alpes au Miocène qui est aussi élevée que celle d'aujourd'hui. La tendance isotopique du Strontium pour ces échantillons concorde approximativement avec un environnement d'océan ouvert. Cependant un certain nombre d'échantillons indique des modifications de l'eau de mer par des sources terrestres locales. Les effets locaux sont aussi visibles au niveau des compositions isotopiques du Néodyme, qui sont en accord avec un apport provenant de roches cristallines anciennes et de sédiments du Mésozoïque, alors que d'autres échantillons indiquent une influence volcanique néogène dans le budget marin. A l'exclusion des échantillons dont les compositions correspondent à une influence locale, les compositions isotopiques du Néodyme de la Parathétys sont très similaires aux valeurs de l'Océan Indien, montrant ainsi un rôle important des masses d'eau IndoPacifiques dans cette région. Au niveau de la Méditerranée, les compositions en isotopes stables du Carbone et de l'Oxygène de foraminifères planctoniques et benthique de la région Umbria-Marche présentent un offset typique à leurs habitats. De plus, les changements dans leurs compositions suivent les changements globaux, suggérant ainsi que les conditions climatiques régionales et le cycle du carbone étaient contrôlés par des phénomènes globaux. La composition en isotopes radiogéniques d'assemblages fossiles permet une reconnaissance sur trois périodes distinctes. De 25 à 19 Ma, des rapport isotopiques élevés pour le Néodyme et faibles pour le Strontium dans les sédiments et les fossiles soutiennent l'idée d'une activité tectonique et volcanique intense, liée à l'ouverture de la Méditerranée occidentale. Entre 19 et 13 Ma, la Méditerranée présente des rapports isotopiques du Néodyme qui sont largement contrôlés par une incursion d'eau provenant de l'Océan Indien. En effet, aux alentours de 15,2 Ma, des pics dans l'enregistrement des valeurs des isotopes du Néodyme coïncident avec des événements volcaniques et de brèves diminutions du niveau marin. Finalement, de 13 à 7 Ma, les fossiles ont des rapports isotope Strontium similaires à ceux de l'eau de mer au Miocène. Les rapports isotopiques du Néodyme indiquent une influence changeante de l'océan Atlantique, et de l'océan Indien ou des sources d'eau de mer de la Parathétys qui entrent dans les bassins méditerranéens. Ce changement est guidé par des modifications globales du niveau marin et par la tectonique locale.

Permian-Triassic of the Tethys: Carbon isotope sudies

Profiles of carbon isotopes were studied in marine limestones of Late Permian and Early Triassic age of the Tethyan region from 20 sections in Yugoslavia, Greece, Turkey, Armenian SSR, Iran, Pakistan, India, Nepal, and China. The Upper Permian sections continue the high positive values of 13C previously found in Upper Permian basins in NW Europe and western USA. In the more complete sections of Tethys it can now be demonstrated that the values of 13C drop from the Murgabian to the Dzhulfian Stages of the Upper Permian, then sharply to values near zero during the last two biozones of the Dorashamian. These levels of 13C sample the Tethys Sea and the world ocean, and equal values from deep-water sediments at Salamis Greece indicate that they apply to the whole water column. We hypothesize that the high values of 13C are a consequence of Late Paleozoic storage of organic carbon, and that the declines represent an episodic cessation of this organic deposition, and partial oxidation of the organic reservoir, extending over a period of several million years. The carbon isotope profile may reflect parallel complexity in the pattern of mass extinction in Late Permian time. Des profils isotopiques du carbone ont été établis dans des calcaires marins d'âge tardi-permien à  éo-triasique répartis dans 20 endroits du domaine téthysien: Yougoslavie, Grèce, Turquie, République d'Arménie, Iran, Pakistan, Inde, Népal et Chine. Les profils établis dans le Permien supérieur montrent les mêmes valeurs positives de 13C observées antérieurement dans des bassins de même âge en Europe occidentale et dans l'ouest des USA. Dans les profils les plus complets de la Téthys, il est maintenant établi que les valeurs de 13C décroissent depuis le Murgabien jusqu'au Dzhulfien (Permien supérieur) pour devenir proches de zéro dans les deux dernières biozones du Dorasharmen. Ces valeurs de 13C sont caractéristiques de la Téthys et de l'Océan mondial; elles s'appliquent à toutes les profondeurs d'eau, comme en témoignent les valeurs fournies par des sédiments de mer profonde à Salamis (Grèce). Nous formulons l'hypothèse que les hautes valeurs de 13C sont la conséquence du stockage du carbone organique au Paléozoïque supérieur et que leur décroissance traduit un arrêt épisodique de cette sédimentation organique, accompagné d'une oxydation partielle de la matière organique s'étendant sur une période de plusieurs Ma. L'influence parallèle des phénomènes d'extinction massive à le fin du Permien se refléterait également dans les profils isotopiques du carbone.

Controls on ostracod valve geochemistry: Part 2. Carbon and oxygen isotope compositions

The stable carbon and oxygen isotope compositions of fossil ostracods are powerful tools to estimate past environmental and climatic conditions. The basis for such interpretations is that the calcite of the valves reflects the isotopic composition of water and its temperature of formation. However, calcite of ostracods is known not to form in isotopic equilibrium with water and different species may have different offsets from inorganic precipitates of calcite formed under the same conditions. To estimate the fractionation during ostracod valve calcification, the oxygen and carbon isotope compositions of 15 species living in Lake Geneva were related to their autoecology and the environmental parameters measured during their growth. The results indicate that: (1) Oxygen isotope fractionation is similar for all species of Candoninae with an enrichment in 18O of more than 30/00 relative to equilibrium values for inorganic calcite. Oxygen isotope fractionation for Cytheroidea is less discriminative relative to the heavy oxygen, with enrichments in 18O for these species of 1.7 to 2.30/00. Oxygen isotope fractionations for Cyprididae are in-between those of Candoninae and Cytheroidea. The difference in oxygen isotope fractionation between ostracods and inorganic calcite has been interpreted as resulting from a vital effect. (2) Comparison with previous work suggests that oxygen isotope fractionation may depend on the total and relative ion content of water. (3) Carbon isotope compositions of ostracod valves are generally in equilibrium with DIC. The specimens' δ13C values are mainly controlled by seasonal variations in δ13CDIC of bottom water or variation thereof in sediment pore water. (4) Incomplete valve calcification has an effect on carbon and oxygen isotope compositions of ostracod valves. Preferential incorporation of at the beginning of valve calcification may explain this effect. (5) Results presented here as well as results from synthetic carbonate growth indicate that different growth rates or low pH within the calcification site cannot be the cause of oxygen isotope 'vital effects' in ostracods. Two mechanisms that might enrich the 18O of ostracod valves are deprotonation of that may also contribute to valve calcification, and effects comparable to salt effects with high concentrations of Ca and/or Mg within the calcification site that may also cause a higher temperature dependency of oxygen isotope fractionation.

Combination of carbon isotope ratio with hydrogen isotope ratio determinations in sports drug testing.

Carbon isotope ratio (CIR) analysis has been routinely and successfully applied to doping control analysis for many years to uncover the misuse of endogenous steroids such as testosterone. Over the years, several challenges and limitations of this approach became apparent, e.g., the influence of inadequate chromatographic separation on CIR values or the emergence of steroid preparations comprising identical CIRs as endogenous steroids. While the latter has been addressed recently by the implementation of hydrogen isotope ratios (HIR), an improved sample preparation for CIR avoiding co-eluting compounds is presented herein together with newly established reference values of those endogenous steroids being relevant for doping controls. From the fraction of glucuronidated steroids 5β-pregnane-3α,20α-diol, 5α-androst-16-en-3α-ol, 3α-Hydroxy-5β-androstane-11,17-dione, 3α-hydroxy-5α-androstan-17-one (ANDRO), 3α-hydroxy-5β-androstan-17-one (ETIO), 3β-hydroxy-androst-5-en-17-one (DHEA), 5α- and 5β-androstane-3α,17β-diol (5aDIOL and 5bDIOL), 17β-hydroxy-androst-4-en-3-one and 17α-hydroxy-androst-4-en-3-one were included. In addition, sulfate conjugates of ANDRO, ETIO, DHEA, 3β-hydroxy-5α-androstan-17-one plus 17α- and androst-5-ene-3β,17β-diol were considered and analyzed after acidic solvolysis. The results obtained for the reference population encompassing n = 67 males and females confirmed earlier findings regarding factors influencing endogenous CIR. Variations in sample preparation influenced CIR measurements especially for 5aDIOL and 5bDIOL, the most valuable steroidal analytes for the detection of testosterone misuse. Earlier investigations on the HIR of the same reference population enabled the evaluation of combined measurements of CIR and HIR and its usefulness regarding both steroid metabolism studies and doping control analysis. The combination of both stable isotopes would allow for lower reference limits providing the same statistical power and certainty to distinguish between the endo- or exogenous origin of a urinary steroid.

Detection of millimetric deformation using a terrestrial laser scanner: experiment and application to a rockfall event

Terrestrial laser scanning (TLS) is one of the most promising surveying techniques for rockslope characterization and monitoring. Landslide and rockfall movements can be detected by means of comparison of sequential scans. One of the most pressing challenges of natural hazards is combined temporal and spatial prediction of rockfall. An outdoor experiment was performed to ascertain whether the TLS instrumental error is small enough to enable detection of precursory displacements of millimetric magnitude. This consists of a known displacement of three objects relative to a stable surface. Results show that millimetric changes cannot be detected by the analysis of the unprocessed datasets. Displacement measurement are improved considerably by applying Nearest Neighbour (NN) averaging, which reduces the error (1¿) up to a factor of 6. This technique was applied to displacements prior to the April 2007 rockfall event at Castellfollit de la Roca, Spain. The maximum precursory displacement measured was 45 mm, approximately 2.5 times the standard deviation of the model comparison, hampering the distinction between actual displacement and instrumental error using conventional methodologies. Encouragingly, the precursory displacement was clearly detected by applying the NN averaging method. These results show that millimetric displacements prior to failure can be detected using TLS.

Rockfall monitoring by Terrestrial Laser Scanning ¿ case study of the basaltic rock face at Castellfollit de la Roca (Catalonia, Spain)

This case study deals with a rock face monitoring in urban areas using a Terrestrial Laser Scanner. The pilot study area is an almost vertical, fifty meter high cliff, on top of which the village of Castellfollit de la Roca is located. Rockfall activity is currently causing a retreat of the rock face, which may endanger the houses located at its edge. TLS datasets consist of high density 3-D point clouds acquired from five stations, nine times in a time span of 22 months (from March 2006 to January 2008). The change detection, i.e. rockfalls, was performed through a sequential comparison of datasets. Two types of mass movement were detected in the monitoring period: (a) detachment of single basaltic columns, with magnitudes below 1.5 m3 and (b) detachment of groups of columns, with magnitudes of 1.5 to 150 m3. Furthermore, the historical record revealed (c) the occurrence of slab failures with magnitudes higher than 150 m3. Displacements of a likely slab failure were measured, suggesting an apparent stationary stage. Even failures are clearly episodic, our results, together with the study of the historical record, enabled us to estimate a mean detachment of material from 46 to 91.5 m3 year¿1. The application of TLS considerably improved our understanding of rockfall phenomena in the study area.

Response to comment on "Climatic niche shifts are rare among terrestrial plant invaders"

Webber et al. take a critical view of our findings that niche expansions are rare in plant invaders, arguing mainly that we did not include nonanalog climates in our analyses. Yet, their concerns include misunderstandings and go beyond the scope of our study, which was purposely restricted to analog climates. We further explain why our results remain robust to other factors of niche dynamics in the native range. We conclude that the implications of our findings remain valid for projections of niche models in analog climates and that projections in nonanalog climates should be undertaken with care.

The carbon isotope composition of natural SiC (moissanite) from the Earth's mantle: New discoveries from ophiolites

Moissanite (natural SiC) has been recovered from podiform chromitites of several ophiolite complexes, including the Luobusa and Donqiao ophiolites in Tibet, the Semail ophiolite in Oman and the United Arab Emirates, and the Ray-Iz ophiolite of the Polar Urals, Russia. Taking these new occurrences with the numerous earlier reports of moissanite in diamondiferous kimberlites leads to the conclusion that natural SiC is a widespread mineral in the Earth's mantle, which implies at least locally extremely low redox conditions. The ophiolite moissanite grains are mostly fragments (20 to 150 mu m) with one or more crystal faces, but some euhedral hexagonal grains have also been recovered. Twinned crystals are common in chromitites from the Luobusa ophiolite. The moissanite is rarely colorless, more commonly light bluish-gray to blue or green. Many grains contain inclusions of native Si and Fe-Si alloys (FeSi(2), Fe(3)Si(7)). Secondary ion mass spectrometric (SIMS) analysis shows that the ophiolite-hosted moissanite has a distinctive (13)C-depleted isotopic composition (delta(13)C from -18 to -35 parts per thousand, n=36), much lighter than the main carbon reservoir in the upper mantle (delta(13)C near -5 parts per thousand). The compiled data from moissanite from kimberlites and other mantle settings share the characteristic of strongly (13)C-depleted isotopic composition. This suggests that moissanite originates from a separate carbon reservoir in the mantle or that its formation involved strong isotopic fractionation. The degree of fractionation needed to produce the observed moissanite compositions from the main C-reservoir would be unrealistically large at the high temperatures required for moissanite formation. Subduction of biogenic carbonaceous material could potentially satisfy both the unusual isotopic and redox constraints on moissanite formation, but this material would need to stay chemically isolated from the upper mantle until it reached the high-T stability field of moissanite. The origin of moissanite in the mantle is still unsolved, but all evidence from the upper mantle indicates that it cannot have formed there, barring special and local redox conditions. We suggest, alternatively, that moissanite may have formed in the lower mantle, where the existence of (13)C-depleted carbon is strongly supported by studies of extraterrestrial carbon (Mars, Moon, meteorites). (C) 2009 Elsevier B. V. All rights reserved.