Changes in organic matter production and accumulation as a mechanism for isotopic evolution in the Mesoproterozoic ocean

Mesoproterozoic marine successions worldwide record a shift in average delta(13)C values from 0 to +3.5parts per thousand, with the latter value evident in successions younger than 1250 Ma. New carbon isotope data from the similar to 1300 to 1270 Ma Dismal Lakes Group, Arctic Canada, provide further insight into this fundamental transition. Data reveal that the shift to higher VC values was gradual and marked by occasional excursions to values less than 0 parts per thousand. When compared to records from older and younger marine successions, it is evident that the difference between isotopic minima and maxima increased with time, indicating that the marine system evolved to become isotopically more variable. We interpret these patterns to record an increase in the crustal inventory of organic carbon, reflecting eukaryotic diversification and a change in the locus of organic carbon burial to include anoxic deep marine sites where preservation potential was high. We speculate that the release of O-2 to Earth's surface environments associated with increased organic carbon storage induced irreversible changes in the Mesoproterozoic biosphere, presaging the more extreme environmental and evolutionary developments of the Neoproterozoic.

A refined solution to Earth's hidden niobium: implications for evolution of continental crust and mode of core formation

New high-precision niobium (Nb) and tantalum (Ta) concentration data are presented for early Archaean metabasalts, metabasaltic komatiites and their erosion products (mafic metapelites) from SW Greenland and the Acasta gneiss complex, Canada. Individual datasets consistently show sub-chondritic Nb/Ta ratios averaging 15.1+/-11.6. This finding is discussed with regard to two competing models for the solution of the Nb-deficit that characterises the accessible Earth. Firstly, we test whether Nb could have sequestered into the core due to its slightly siderophile (or chalcophile) character under very reducing conditions, as recently proposed from experimental evidence. We demonstrate that troilite inclusions of the Canyon Diablo iron meteorite have Nb and V concentrations in excess of typical chondrites but that the metal phase of the Grant, Toluca and Canyon Diablo iron meteorites do not have significant concentrations of these lithophile elements. We find that if the entire accessible Earth Nb-deficit were explained by Nb in the core, only ca. 17% of the mantle could be depleted and that by 3.7 Ga, continental crust would have already achieved ca. 50% of its present mass. Nb/Ta systematics of late Archaean metabasalts compiled from the literature would further require that by 2.5 Ga, 90% of the present mass of continental crust was already in existence. As an alternative to this explanation, we propose that the average Nb/Ta ratio (15.1+/-11.6) of Earth's oldest mafic rocks is a valid approximation for bulk silicate Earth. This would require that ca. 13% of the terrestrial Nb resided in the Ta-free core. Since the partitioning of Nb between silicate and metal melts depends largely on oxygen fugacity and pressure, this finding could mean that metal/silicate segregation did not occur at the base of a deep magma ocean or that the early mantle was slightly less reducing than generally assumed. A bulk silicate Earth Nb/Ta ratio of 15.1 allows for depletion of up to 40% of the total mantle. This could indicate that in addition to the upper mantle, a portion of the lower mantle is depleted also, or if only the upper mantle were depleted, an additional hidden high Nb/Ta reservoir must exist. Comparison of Nb/Ta systematics between early and late Archaean metabasalts supports the latter idea and indicates deeply subducted high Nb/Ta eclogite slabs could reside in the mantle transition zone or the lower mantle. Accumulation of such slabs appears to have commenced between 2.5 and 2.0 Ga. Regardless of these complexities of terrestrial Nb/Ta systematics, it is shown that the depleted mantle Nb/Th ratio is a very robust proxy for the amount of extracted continental crust, because the temporal evolution of this ratio is dominated by Th-loss to the continents and not Nb-retention in the mantle. We present a new parameterisation of the continental crust volume versus age curve that specifically explores the possibility of lithophile element loss to the core and storage of eclogite slabs in the transition zone. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Assessing the legacy of the pine point mine: post-industrial land cover and land use

While mining is a major component of the northern Canadian economy, including the contemporary mixed economy of Aboriginal communities, it often leaves legacies of environmental and economic transformation that persist after closure. The legacies of historical mines in northern Canada challenge industry claims of sustainability. This thesis addresses how industrial mineral development and closure continue to affect local environments and economies after abandonment. The abandoned Pine Point mine in the Northwest Territories provides a case study for explaining the ongoing relationships among land cover, land use, and the post-industrial landscape. Drawing from landscape ecology and micropolitical ecology, I adopt an interdisciplinary approach to examine environmental and socioeconomic changes in the wake of industrial development and closure at Pine Point. The results show that passive reclamation is not sufficient for restoring ecological function in a subarctic environment. Land use, however, persists as land users adapt to the post-industrial landscape despite grave concern about its environmental condition. If mining is to be considered sustainable, decommissioning and reclamation must explicitly account for long-term environmental transformation as well as ongoing post-industrial land use, particularly in Aboriginal contexts.

(Table 1) Rodent (lemming and vole) densities in 5 study areas in the Canadian Arctic

Lemmings construct nests of grass and moss under the snow during winter, and counting these nests in spring is 1 method of obtaining an index of winter density and habitat use. We counted winter nests after snow melt on fixed grids on 5 areas scattered across the Canadian Arctic and compared these nest counts to population density estimated by mark-recapture on the same areas in spring and during the previous autumn. Collared lemmings were a common species in most areas, some sites had an abundance of brown lemmings, and only 2 sites had tundra voles. Winter nest counts were correlated with lemming densities estimated in the following spring (r(s) = 0.80, P < 0.001), but less well correlated with densities the previous autumn (r(s) = 0.55, P < 0.001). Winter nest counts can be used to predict spring lemming densities with a log-log regression that explains 64% of the observed variation. Winter nest counts are best treated as an approximate index and should not be used when precise, quantitative lemming density estimates are required. Nest counts also can be used to provide general information about habitat-use in winter, predation rates by weasels, and the extent of winter breeding.

Understanding arsenic mobility and speciation in lake sediments impacted by ore roasting near Giant mine, NWT

The roasting of gold-bearing arsenopyrite at Giant mine (Northwest Territories) between 1949 and 1999 released approximately 20,000 tonnes of toxic arsenic-bearing aerosols in the local aerial environment. Detailed examination of lake sediments, sediment porewaters, surface waters and lake hydrology sampled from three lakes of differing limnological characteristics was conducted in summer and winter conditions. Samples were analyzed for solid and dissolved elemental concentrations, speciation and mineralogy. The three lakes are located less than 5km from the mine roaster, and downwind, based on predominant wind direction. The objective of the study was to assess the controls on the mobility and fate of arsenic in these roaster-impacted subarctic lacustrine environments. Results show that the occurrence of arsenic trioxide in lake sediments coincides with the regional onset of industrial activities. The bulk of arsenic in sediments is contained in the form of secondary sulphide precipitates, with iron oxides hosting a minimal amount of arsenic near the surface-water interface. The presence of geogenic arsenic is likely contained as dilute impurities in common rock-forming minerals, and is not believed to be a significant source of arsenic to sediments, porewaters or lake waters. Furthermore, the well correlated depth-profiles of arsenic, antimony and gold in sediments may help reveal roaster impact. The soluble arsenic trioxide particles contained in sediments act as the primary source of arsenic into porewaters. Dissolved arsenic in reducing porewaters both precipitate as secondary sulphides in situ, and diffuse upwards into the overlying lake waters. Arsenic diffusion out of porewaters, combined with watercourse-driven residence time, are estimated to be the predominant mechanisms controlling arsenic concentrations in overlying lake waters. The sequestration of arsenic from porewaters as sulphide precipitates, in the study lakes, is not an effective process in keeping lake-water arsenic concentrations below guidelines for the protection of the freshwater environment and drinking water. Seasonal impacts on lake geochemistry derive from ice covering lake waters, cutting them off from of atmospheric oxygen, along with the exclusion of solutes from the ice. Such effects are limited in deep lakes but are can be an important factor controlling arsenic precipitation and mobility in ponds.

Climate change and the long-term viability of the World’s busiest heavy haul ice road

Climate models project that the northern high latitudes will warm at a rate in excess of the global mean. This will pose severe problems for Arctic and sub-Arctic infrastructure dependent on maintaining low temperatures for structural integrity. This is the case for the economically important Tibbitt to Contwoyto Winter Road (TCWR)—the world’s busiest heavy haul ice road, spanning 400 km across mostly frozen lakes within the Northwest Territories of Canada. In this study, future climate scenarios are developed for the region using statistical downscaling methods. In addition, changes in lake ice thickness are projected based on historical relationships between measured ice thickness and air temperatures. These projections are used to infer the theoretical operational dates of the TCWR based on weight limits for trucks on the ice. Results across three climate models driven by four RCPs reveal a considerable warming trend over the coming decades. Projected changes in ice thickness reveal a trend towards thinner lake ice and a reduced time window when lake ice is at sufficient thickness to support trucks on the ice road, driven by increasing future temperatures. Given the uncertainties inherent in climate modelling and the resultant projections, caution should be exercised in interpreting the magnitude of these scenarios. More certain is the direction of change, with a clear trend towards winter warming that will reduce the operation time window of the TCWR. This illustrates the need for planners and policymakers to consider future changes in climate when planning annual haulage along the TCWR.

Lacustrine Arcellinina (Testate Amoebae) as Bioindicators of Arsenic Contamination

Arcellininids (testate amoebae) were examined from 61 surface sediment samples collected from 59 lakes in the vicinity of former gold mines, notably Giant Mine, near Yellowknife, Northwest Territories, Canada to determine their utility as bioindicators of arsenic (As), which occurs both as a byproduct of gold extraction at mines in the area and ore-bearing outcrops. Cluster analysis (Q-R-mode) and detrended correspondence analysis (DCA) reveal five arcellininid assemblages, three of which are related to varying As concentrations in the sediment samples. Redundancy analysis (RDA) showed that 14 statistically significant environmental parameters explained 57 % of the variation in faunal distribution, while partial RDA indicated that As had the greatest influence on assemblage variance (10.7 %; p < 0.10). Stress-indicating species (primarily centropyxids) characterized the faunas of samples with high As concentrations (median = 121.7 ppm, max > 10000 ppm, min = 16.1 ppm, n = 32), while difflugiid dominated assemblages were prevalent in substrates with relatively low As concentrations (median = 30.2 ppm, max = 905.2 ppm, min = 6.3 ppm, n = 20). Most of the lakes with very high As levels are located downwind (N and W) of the former Giant Mine roaster stack where refractory ore was roasted and substantial quantities of As were released (as As2O3) to the atmosphere in the first decade of mining. This spatial pattern suggests that a significant proportion of the observed As, in at least these lakes, are industrially derived. The results of this study highlight the sensitivity of Arcellinina to As and confirm that the group has considerable potential for assessing the impact of As contamination on lakes.

Amélioration des données altimétriques dans la région du Grand Lac des Esclaves à partir d’images Radarsat-2

Résumé : En raison de sa grande étendue, le Nord canadien présente plusieurs défis logistiques pour une exploitation rentable de ses ressources minérales. La TéléCartographie Prédictive (TCP) vise à faciliter la localisation de gisements en produisant des cartes du potentiel géologique. Des données altimétriques sont nécessaires pour générer ces cartes. Or, celles actuellement disponibles au nord du 60e parallèle ne sont pas optimales principalement parce qu’elles sont dérivés de courbes à équidistance variable et avec une valeur au mètre. Parallèlement, il est essentiel de connaître l'exactitude verticale des données altimétriques pour être en mesure de les utiliser adéquatement, en considérant les contraintes liées à son exactitude. Le projet présenté vise à aborder ces deux problématiques afin d'améliorer la qualité des données altimétriques et contribuer à raffiner la cartographie prédictive réalisée par TCP dans le Nord canadien, pour une zone d’étude située au Territoire du Nord-Ouest. Le premier objectif était de produire des points de contrôles permettant une évaluation précise de l'exactitude verticale des données altimétriques. Le second objectif était de produire un modèle altimétrique amélioré pour la zone d'étude. Le mémoire présente d'abord une méthode de filtrage pour des données Global Land and Surface Altimetry Data (GLA14) de la mission ICESat (Ice, Cloud and land Elevation SATellite). Le filtrage est basé sur l'application d'une série d'indicateurs calculés à partir d’informations disponibles dans les données GLA14 et des conditions du terrain. Ces indicateurs permettent d'éliminer les points d'élévation potentiellement contaminés. Les points sont donc filtrés en fonction de la qualité de l’attitude calculée, de la saturation du signal, du bruit d'équipement, des conditions atmosphériques, de la pente et du nombre d'échos. Ensuite, le document décrit une méthode de production de Modèles Numériques de Surfaces (MNS) améliorés, par stéréoradargrammétrie (SRG) avec Radarsat-2 (RS-2). La première partie de la méthodologie adoptée consiste à faire la stéréorestitution des MNS à partir de paires d'images RS-2, sans point de contrôle. L'exactitude des MNS préliminaires ainsi produits est calculée à partir des points de contrôles issus du filtrage des données GLA14 et analysée en fonction des combinaisons d’angles d'incidences utilisées pour la stéréorestitution. Ensuite, des sélections de MNS préliminaires sont assemblées afin de produire 5 MNS couvrant chacun la zone d'étude en totalité. Ces MNS sont analysés afin d'identifier la sélection optimale pour la zone d'intérêt. Les indicateurs sélectionnés pour la méthode de filtrage ont pu être validés comme performant et complémentaires, à l’exception de l’indicateur basé sur le ratio signal/bruit puisqu’il était redondant avec l’indicateur basé sur le gain. Autrement, chaque indicateur a permis de filtrer des points de manière exclusive. La méthode de filtrage a permis de réduire de 19% l'erreur quadratique moyenne sur l'élévation, lorsque que comparée aux Données d'Élévation Numérique du Canada (DNEC). Malgré un taux de rejet de 69% suite au filtrage, la densité initiale des données GLA14 a permis de conserver une distribution spatiale homogène. À partir des 136 MNS préliminaires analysés, aucune combinaison d’angles d’incidences des images RS-2 acquises n’a pu être identifiée comme étant idéale pour la SRG, en raison de la grande variabilité des exactitudes verticales. Par contre, l'analyse a indiqué que les images devraient idéalement être acquises à des températures en dessous de 0°C, pour minimiser les disparités radiométriques entre les scènes. Les résultats ont aussi confirmé que la pente est le principal facteur d’influence sur l’exactitude de MNS produits par SRG. La meilleure exactitude verticale, soit 4 m, a été atteinte par l’assemblage de configurations de même direction de visées. Par contre, les configurations de visées opposées, en plus de produire une exactitude du même ordre (5 m), ont permis de réduire le nombre d’images utilisées de 30%, par rapport au nombre d'images acquises initialement. Par conséquent, l'utilisation d'images de visées opposées pourrait permettre d’augmenter l’efficacité de réalisation de projets de SRG en diminuant la période d’acquisition. Les données altimétriques produites pourraient à leur tour contribuer à améliorer les résultats de la TCP, et augmenter la performance de l’industrie minière canadienne et finalement, améliorer la qualité de vie des citoyens du Nord du Canada.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

Paléoécologie d’une tourbière à pergélisol en dégradation du sud des Territoires du Nord-Ouest : implications pour le cycle du carbone

Les tourbières ont contribué à refroidir le climat terrestre pendant l’Holocène en accumulant un réservoir de carbone important. Dans la forêt boréale canadienne, les sols gelés en permanence (pergélisols) sont répandus et ceux-ci sont principalement localisés dans les tourbières où ils forment des plateaux surélevés. Le dégel du pergélisol, causé entre autres par le réchauffement atmosphérique ou d’autres perturbations, provoque l’effondrement des plateaux et la saturation en eau du sol ce qui modifie entre autres le couvert végétal et le cycle du carbone. Les modélisations suggèrent que les latitudes nordiques seront les plus affectées par le réchauffement climatique alors qu’on y observe déjà un recul du couvert du pergélisol. Il est primordial de comprendre comment le dégel du pergélisol affecte la fonction de puits de carbone des tourbières puisque des rétroactions sur le climat sont possibles si une grande quantité de gaz à effet de serre est émise ou séquestrée. J’utilise une chronoséquence représentant le temps depuis le dégel d’un plateau de pergélisol des Territoires du Nord-Ouest pour comprendre les facteurs influençant l’aggradation et la dégradation du pergélisol dans les tourbières et évaluer l’effet du dégel sur l’accumulation de carbone et la préservation du carbone déjà accumulé. Les taux d’accumulation de carbone associés à la présence de pergélisol dans le passé et au présent sont lents, et la tourbe est moins décomposée dans les secteurs ayant été affectés plus longtemps par le pergélisol. En somme, le pergélisol réduit l’accumulation de carbone en surface mais permet une meilleure préservation du carbone déjà accumulé.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

Paléoécologie d’une tourbière à pergélisol en dégradation du sud des Territoires du Nord-Ouest : implications pour le cycle du carbone

Les tourbières ont contribué à refroidir le climat terrestre pendant l’Holocène en accumulant un réservoir de carbone important. Dans la forêt boréale canadienne, les sols gelés en permanence (pergélisols) sont répandus et ceux-ci sont principalement localisés dans les tourbières où ils forment des plateaux surélevés. Le dégel du pergélisol, causé entre autres par le réchauffement atmosphérique ou d’autres perturbations, provoque l’effondrement des plateaux et la saturation en eau du sol ce qui modifie entre autres le couvert végétal et le cycle du carbone. Les modélisations suggèrent que les latitudes nordiques seront les plus affectées par le réchauffement climatique alors qu’on y observe déjà un recul du couvert du pergélisol. Il est primordial de comprendre comment le dégel du pergélisol affecte la fonction de puits de carbone des tourbières puisque des rétroactions sur le climat sont possibles si une grande quantité de gaz à effet de serre est émise ou séquestrée. J’utilise une chronoséquence représentant le temps depuis le dégel d’un plateau de pergélisol des Territoires du Nord-Ouest pour comprendre les facteurs influençant l’aggradation et la dégradation du pergélisol dans les tourbières et évaluer l’effet du dégel sur l’accumulation de carbone et la préservation du carbone déjà accumulé. Les taux d’accumulation de carbone associés à la présence de pergélisol dans le passé et au présent sont lents, et la tourbe est moins décomposée dans les secteurs ayant été affectés plus longtemps par le pergélisol. En somme, le pergélisol réduit l’accumulation de carbone en surface mais permet une meilleure préservation du carbone déjà accumulé.

Memoir, historical and political, on the northwest coast of North America, and the adjacent territories : illustrated by a map and a geographical view of those countries.

References: Howes, U.S.IANA, no. G.389.