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.

Iowa Water Pollution Control Works and Drinking Water Facilities Financing Programs (Joint Programs of the Iowa Finance Authority and the Iowa Department of Natural Resources), June 30, 2002

State Agency Audit Report State Revolving Fund - Clean Water & Drinking Programs

Soil and Water Conservation; Conservation Program Summary, 2003

Report of Conservation Program Summary produced by Iowa Departmment of Agriculture and Land Stewardship

Is it worth treating fever in intensive care unit patients? Preliminary results from a randomized trial of the effect of external cooling.

BACKGROUND: Antipyresis is a common clinical practice in intensive care, although it is unknown if fever is harmful, beneficial, or a negligible adverse effect of infection and inflammation. METHODS: In a randomized study, rectal temperature and discomfort were assessed in 38 surgical intensive care unit patients without neurotrauma or severe hypoxemia and with fever (temperature >/=38.5 degrees C) and systemic inflammatory response syndrome. Eighteen patients received external cooling while 20 received no antipyretic treatment. RESULTS: Temperature and discomfort decreased similarly in both groups after 24 hours. No significant differences in recurrence of fever, incidence of infection, antibiotic therapy, intensive care unit and hospital length of stay, or mortality were noted between the groups. CONCLUSIONS: These results suggest that the systematic suppression of fever may not be useful in patients without severe cranial trauma or significant hypoxemia. Letting fever take its natural course does not seem to harm patients with systemic inflammatory response syndrome or influence the discomfort level and may save costs.

Investigation of the Department of Natural Resources Response to Water Pollution complaints involving Lynndana Acres Subdivision, 1998

Investigative report produced by Iowa Citizens' Aide/Ombudsman

Iowa Water Pollution Control Works and Drinking Water Facilities Financing Programs (Joint Programs of the Iowa Finance Authority and the Iowa Department of Natural Resources), Independent Auditor's Reports Financial Statements and Supplemental Information Schedule of Findings, June 30, 2003

State Agency Audit Report

Designation of Co-benefits and Its Implication for Policy: Water Quality versus Carbon Sequestration in Agricultural Soils, March 2005

Designation of Co-benefits and Its Implication for Policy: Water Quality versus Carbon Sequestration in Agricultural Soils, The

Vasopressin-dependent coupling between sodium transport and water flow in a mouse cortical collecting duct cell line.

Water balance is achieved through the ability of the kidney to control water reabsorption in the connecting tubule and the collecting duct. In a mouse cortical collecting duct cell line (mCCD(c11)), physiological concentrations of arginine vasopressin increased both electrogenic, amiloride-sensitive, epithelial sodium channel (ENaC)-mediated sodium transport measured by the short-circuit current (Isc) method and water flow (Jv apical to basal) measured by gravimetry with similar activation coefficient K(1/2) (6 and 12 pM, respectively). Jv increased linearly according to the osmotic gradient across the monolayer. A small but highly significant Jv was also measured under isoosmotic conditions. To test the coupling between sodium reabsorption and water flow, mCCD(c11) cells were treated for 24 h under isoosmotic condition with either diluent, amiloride, vasopressin or vasopressin and amiloride. Isc, Jv, and net chemical sodium fluxes were measured across the same monolayers. Around 30% of baseline and 50% of vasopressin-induced water flow is coupled to an amiloride-sensitive, ENaC-mediated, electrogenic sodium transport, whereas the remaining flow is coupled to an amiloride-insensitive, nonelectrogenic sodium transport mediated by an unknown electroneutral transporter. The mCCD(c11) cell line is a first example of a mammalian tight epithelium allowing quantitative study of the coupling between sodium and water transport. Our data are consistent with the 'near isoosmotic' fluid transport model.

Renal sodium handling in acute and chronic salt loading/depletion protocols: the confounding influence of acute water loading.

OBJECTIVES: Renal tubular sodium handling was measured in healthy subjects submitted to acute and chronic salt-repletion/salt-depletion protocols. The goal was to compare the changes in proximal and distal sodium handling induced by the two procedures using the lithium clearance technique. METHODS: In nine subjects, acute salt loading was obtained with a 2 h infusion of isotonic saline, and salt depletion was induced with a low-salt diet and furosemide. In the chronic protocol, 15 subjects randomly received a low-, a regular- and a high-sodium diet for 1 week. In both protocols, renal and systemic haemodynamics and urinary electrolyte excretion were measured after an acute water load. In the chronic study, sodium handling was also determined, based on 12 h day- and night-time urine collections. RESULTS: The acute and chronic protocols induced comparable changes in sodium excretion, renal haemodynamics and hormonal responses. Yet, the relative contribution of the proximal and distal nephrons to sodium excretion in response to salt loading and depletion differed in the two protocols. Acutely, subjects appeared to regulate sodium balance mainly by the distal nephron, with little contribution of the proximal tubule. In contrast, in the chronic protocol, changes in sodium reabsorption could be measured both in the proximal and distal nephrons. Acute water loading was an important confounding factor which increased sodium excretion by reducing proximal sodium reabsorption. This interference of water was particularly marked in salt-depleted subjects. CONCLUSION: Acute and chronic salt loading/salt depletion protocols investigate different renal mechanisms of control of sodium balance. The endogenous lithium clearance technique is a reliable method to assess proximal sodium reabsorption in humans. However, to investigate sodium handling in diseases such as hypertension, lithium should be measured preferably on 24 h or overnight urine collections to avoid the confounding influence of water.

City of Walford, Capitalization Grants for Clean Water State Revolving Funds, Independent Auditor's Reports, Schedule of Expenditures of Federal Awards, Schedule of Findings and Questioned Costs, Year Ended June 30, 2004

City Audit Report

Evaluation of bedbath in critically ill patients: impact of water temperature on the pulse oximetry variation

This is a participant study, quasi-experimental, of a before and after type. A quantitative approach of biophysiological measures was used, represented by the saturation of oxygen measured by pulse oximeter (SpO2), and recorded on three occasions: before, during and after the bedbath in critically ill patients hospitalized at the ICU of a University Hospital in Brazil. Objective: to compare the SpO2 in various stages of the bath, with and without control of water temperature. Data collection was performed between December 2007 and April 2008 on a convenience sample consisting of 30 patients aged over 18 who had classification in TISS-28 from level II. Results show that water temperature control means a lower variation of SpO2 (p<0.05). No marked differences in variation of saturation between men and women or between age groups were established. In conclusion, heated and constant water temperature during the bedbath is able to minimize the fall of SpO2 that occurs while handling patients during procedures.

City of Goose Lake, Capitalization Grants for Drinking Water, State Revolving Funds, Independent Auditor's Reports, Schedule of Expenditures of Federal Awards, Schedule of Findings and Questioned Costs, Year Ended June 30, 2005

City Audit Report

Tillage Manure Managemen and Water Quality, April 2005

Tillage and manure application practices significantly impact surface and ground water quality in Iowa and other Midwestern states. Tillage and manure application that incorporates residue and disturbs soil result in higher levels of soil erosion and surface runoff. Phosphorus and sediment loading are closely linked to the increase in soil erosion and surface water runoff. Manure application (i.e., injection or incorporation) reduces surface residue cover, which can worsen soil erosion regardless of the tillage management system being used. An integrated system approach to manure and tillage management is critical to ensure effi cient nutrient use and improvement of soil and water quality. This approach, however, requires changes in manure application technology and tillage system management to ensure the success of an integrated

Technology transfer of an oil-in-water vaccine-adjuvant for strengthening pandemic influenza preparedness in Indonesia.

With the current enzootic circulation of highly pathogenic avian influenza viruses, the ability to increase global pandemic influenza vaccine production capacity is of paramount importance. This has been highlighted by, and is one of the main pillars of, the WHO Global Action Plan for Influenza Vaccines (GAP). Such capacity expansion is especially relevant in developing countries. The Vaccine Formulation Laboratory at University of Lausanne is engaged in the technology transfer of an antigen-sparing oil-in-water adjuvant in order to empower developing countries vaccine manufacturers to increase pandemic influenza vaccine capacity. In a one-year project funded by United States Department of Health and Human Services, the Vaccine Formulation Laboratory transferred the process know-how and associated equipment for the pilot-scale manufacturing of an oil-in-water adjuvant to Bio Farma, Indonesia's state-owned vaccine manufacturer, for subsequent formulation with H5N1 pandemic influenza vaccines. This paper describes the experience acquired and lessons learnt from this technology transfer project.