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.

Wayne-Ringgold-Decatur County Solid Waste Management Commission, June 30, 2001 & June 30, 2002

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Pocahontas County Solid Waste Commission, June 30, 2001 & June 30, 2002

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Jones County Solid Waste Management Commission, June 30, 2001 & June 30, 2002

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Hardin County Sanitary Solid Waste Disposal Commission, June 30, 2002

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Delaware County Solid Waste Disposal Commission, June 30, 2001 & June 30, 2002

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Crawford County Area Solid Waste Agency Commission, June 30, 2001 & June 30, 2002

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Butler County Solid Waste Commission, June 30, 2001 & June 30, 2002

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Bitumens in the late Variscan hydrothermal vein-type uranium deposit of Pribram, Czech Republic: Sources, radiation-induced alteration, and relation to mineralization

The late Variscan (275-278 Ma) Pribram uranium deposit is one of the largest known accumulations of uraniferous bitumens in hydrothermal veins. The deposit extends along the northwestern boundary of the Central Bohemian pluton (345-335 Ma) with low-grade metamorphosed Late Proterozoic and unmetamorphosed Cambrian rocks. From a net uranium production of 41,742 metric tons (t), more than 6,000 t were extracted from bitumen-uraninite ores during 43 years of exploration and mining. Three morphological varieties of solid bitumen are recognized: globular, asphaltlike, and cokelike. While the globular bitumen is uranium free, the other two types are uraniferous. The amount of bitumen in ore veins gradually decreases toward the contact with the plutonic body and increases with depth. Two types of bitumen microtextures are recognized using high-resolution transmission electron microscopy: amorphous and microporous, the former being less common in uraniferous samples. A lower Raman peak area ratio (1,360/1,575 cm(-1)) in mineralized bitumens (0.9) compared with uranium-free samples (2.0) indicates a lower degree of microtextural organization in the latter The H/C and O/C atomic ratios in uranium-free bitumens (0.9-1.1 and 0.09, respectively) are higher than those in mineralized samples (H/C = 0.3-0.8, O/C = 0.03-0.09). The chloroform extractable matter yield is Very low in uranium-free bitumens (0.30-0.35% of the total organic carbon,TOC) and decreases with uranium content increase. The extracted solid uraniferous bitumen infrared spectra show depletion in aliphatic CH2 and CH3 groups compared to uranium-free samples. The concentration of oxygen-bearing functional groups relative to aromatic bonds in the IR spectra of uranium-free and mineralized bitumen, however, do not differ significantly. C-13 NMR confirmed than the aromaticity of a uraniferous sample is higher (F-ar = 0.61) than in the uranium-free bitumen (F-ar = 0.51). Pyrolysates from uraniferous and nonuraniferous bitumens do not differ significantly, being predominantly cresol, alkylphenols, alkylbenzenes, and alkylnaphthalenes. The liquid pyrolysate yield decreases significantly with increasing uranium content. The delta(13)C Values of bulk uranium-free bitumens and low-grade uraniferous, asphaltlike bitumens range from -43.6 to 52.3 per mil. High-grade, cokelike, uraniferous bitumens are more C-13 depleted (54.5 to -58.4 parts per thousand). In contrast to the very light isotopic ratios of the high-grade uraniferous cokelike bitumen bulk carbon, the individual n-alkanes and isoprenoids (pristane and phytane) extracted from the same sample are significantly C-13 enriched. The isotopic composition of the C13-24 n-alkanes extracted from the high-grade uraniferous sample (delta(13)C = -28.0 to 32.6 parts per thousand) are heavier compared with the same compounds in a uranium-free sample (delta(13)C = 31.9 to 33.8 parts per thousand). It is proposed that the bitumen source was the isotopically light (delta(13)C = 35.8 to 30.2 parts per thousand) organic matter of the Upper Proterozoic host rocks that were pyrolyzed during intrusion of the Central Bohemian pluton. The C-13- depleted pyrolysates were mobilized from the innermost part of the contact-metamorphic aureole, accumulated in structural traps in less thermally influenced parts of the sedimentary complex and were later extracted by hydrothermal fluids. Bitumens at the Pribram deposit are younger than the main part of the uranium mineralization and were formed through water-washing and radiation-induced polymerization of both the gaseous and liquid pyrolysates. Direct evidence for pyrolysate reduction of uranium in the hydrothermal system is difficult to obtain as the chemical composition of the original organic fluid phase was modified during water-washing and radiolytic alteration. However, indirect evidence-e.g., higher O/C atomic ratios in uranium-free bitumens (0.1) relative to the Upper Proterozoic source rocks (0.02-0.05), isotopically very light carbon in associated whewellite (delta(13)C = 31.7 to -28.4 parts per thousand), and the striking absence of bitumens in the pre-uranium, hematite stage of the mineralization-indicates that oxidation of organic fluids may have contributed to lowering of aO(2) and uraninite precipitation.

Direct identification of recombinant vaccinia virus plaques by PCR.

A fast method for the identification of recombinant vaccinia viruses directly from individual plaques is described. Plaques are picked, resuspended in PBS-A and processed for PCR using two 'universal' primers. The amplified sequences are analyzed by agarose gel electrophoresis. This procedure allows discrimination between spontaneously arising TK-negative mutants, which do not carry the inserted gene, and the desired TK-negative recombinants resulting from insertional inactivation of the TK gene.

Jones County Solid Waste Management Commission, June 30, 2002 & June 30, 2003

Other Audit Reports

Hardin County Sanitary Solid Waste Disposal Commission, June 30, 2003

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Shelby County Area Solid Waste Agency, June 30, 2002 & June 30, 2003

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Butler County Solid Waste Commission, June 30, 2002 & June 30, 2003

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Right coronary MR angiography at 7 T: a direct quantitative and qualitative comparison with 3 T in young healthy volunteers.

PURPOSE: To objectively compare quantitative parameters related to image quality attained at coronary magnetic resonance (MR) angiography of the right coronary artery (RCA) performed at 7 T and 3 T. MATERIALS AND METHODS: Institutional review board approval was obtained, and volunteers provided signed informed consent. Ten healthy adult volunteers (mean age ± standard deviation, 25 years ± 4; seven men, three women) underwent navigator-gated three-dimensional MR angiography of the RCA at 7 T and 3 T. For 7 T, a custom-built quadrature radiofrequency transmit-receive surface coil was used. At 3 T, a commercial body radiofrequency transmit coil and a cardiac coil array for signal reception were used. Segmented k-space gradient-echo imaging with spectrally selective adiabatic fat suppression was performed, and imaging parameters were similar at both field strengths. Contrast-to-noise ratio between blood and epicardial fat; signal-to-noise ratio of the blood pool; RCA vessel sharpness, diameter, and length; and navigator efficiency were quantified at both field strengths and compared by using a Mann-Whitney U test. RESULTS: The contrast-to-noise ratio between blood and epicardial fat was significantly improved at 7 T when compared with that at 3 T (87 ± 34 versus 52 ± 13; P = .01). Signal-to-noise ratio of the blood pool was increased at 7 T (109 ± 47 versus 67 ± 19; P = .02). Vessel sharpness obtained at 7 T was also higher (58% ± 9 versus 50% ± 5; P = .04). At the same time, RCA vessel diameter and length and navigator efficiency showed no significant field strength-dependent difference. CONCLUSION: In our quantitative and qualitative study comparing in vivo human imaging of the RCA at 7 T and 3 T in young healthy volunteers, parameters related to image quality attained at 7 T equal or surpass those from 3 T.