Geometry, petrology and growth of a shallow crustal laccolith : the Torres del Paine Mafic Complex (Patagonia)

1. ABSTRACTS - RÉSUMÉSSCIENTIFIC ABSTRACT - ENGLISH VERSIONGeometry, petrology and growth of a shallow crustal laccolith: the Torres del Paine Mafi c Complex (Patagonia)The Torres del Paine intrusive complex (TPIC) is a composite mafic-granitic intrusion, ~70km2, belonging to a chain of isolated Miocene plutons in southern Patagonia. Their position is intermediate between the Mesozoic-Cenozoic calc-alkaline subduction related Patagonian batholith in the West and the late Cenozoic alkaline basaltic back-arc related plateau lavas in the East. The Torres del Paine complex formed during an important reconfiguration of the Patagonian geodynamic setting, with a migration of magmatism from the arc to the back-arc, possibly related to the Chile ridge subductionThe complex intruded the flysch of the Cretaceous Cerro Toro and Punta Barrosa Formations during the Miocene, creating a well-defined narrow contact aureole of 200-400 m width.In its eastern part, the Torres del Paine intrusive complex is a laccolith, composed of a succession of hornblende-gabbro to diorite sills at its base, with a total thickness of ~250m, showing brittle contacts with the overlying granitic sills, that form spectacular cliffs of more than 1000m. This laccolith is connected, in the western part, to its feeding system, with vertical alternating sheets of layered gabbronorite and Hbl-gabbro, surrounded and percolated by diorites. ID-TIMS U-Pb on zircons on feeder zone (FZ) gab- bros yield 12.593±0.009Ma and 12.587±0.009Ma, which is identifcal within error to the oldest granite dated so far by Michel et al. (2008). In contrast, the laccolith mafic complex is younger than than the youngest granite (12.50±0.02Ma), and has been emplaced from 12.472±0.009Ma to 12.431 ±0.006Ma, by under-accretion beneath the youngest granite at the interface with previously emplaced mafic sills.The gabbronorite crystallization sequence in the feeder zone is dominated by olivine, plagioclase, clinopyroxene and orthopyroxene, while amphibole forms late interstitial crystals. The crystallization sequence is identical in Hornblende-gabbro from the feeder zone, with higher modal hornblende. Gabbronorite and Hornblende-gabbro both display distinct Eu and Sr positive anomalies. In the laccolith, a lower Hornblende-gabbro crystallized in sills and evolved to a high alkali shoshonitic series. The Al203, Ti02, Na20, K20, Ba and Sr composition of these gabbros is highly variable and increases up to ~50wt% Si02. The lower hornblende-gabbro is characterized by kaersutite anhedral cores with inclusions of olivine, clino- and orthopyroxene and rare apatite and An70 plagioclase. Trace element modelling indicates that hornblende and clinopyroxene are in equilibrium with a liquid whose composition is similar to late basaltic trachyandesitic dikes that cut the complex. The matrix in the lower hornblende gabbro is composed of normally zoned oligoclase, Magnesio-hornblende, biotite, ilmenite and rare quartz and potassium feldspar. This assemblage crystallized in-situ from a Ba and Sr-depleted melts. In contrast, the upper Hbl-gabbro is high-K calc-alkaline. Poikilitic pargasite cores have inclusions of euhedral An70 plagioclase inclusions, and contain occasionally clinopyroxene, olivine and orthopyroxene. The matrix composition is identical to the lower hornblende-gabbro and similar to the diorite. Diorite bulk rock compositions show the same mineralogy but different modal proportions relative to hornblende-gabbrosThe Torres del Paine Intrusive Complex isotopic composition is 87Sr/86Sr=0.704, 143Nd/144Nd=0.5127, 206Pb/204Pb=18.70 and 207Pb/204Pb=15.65. Differentiated dioritic and granitic units may be linked to the gabbroic cumulates series, with 20-50% trapped interstitial melt, through fractionation of olivine-bearing gabbronorite or hornblende-gabbro fractionation The relative homogeneity of the isotopic compositions indicate that only small amounts of assimilation occurred. Two-pyroxenes thermometry, clinopyroxene barometry and amphibole-plagioclase thermometry was used to estimate pressure and temperature conditions. The early fractionation of ultramafic cumulates occurs at mid to lower crustal conditions, at temperatures exceeding 900°C. In contrast, the TPIC emplacement conditions have been estimated to ~0.7±0.5kbar and 790±60°C.Based on field and microtextural observations and geochemical modelling, fractionation of basaltic-trachyandesitic liquids at intermediate to lower crustal levels, has led to the formation of the Torres del Paine granites. Repetitive replenishment of basaltic trachy- andesitic liquid in crustal reservoirs led to mixed magmas that will ascend via the feeder zone, and crystallize into a laccolith, in the form of successive dioritic and gabbroic sills. Dynamic fractionation during emplacement concentrated hornblende rich cumulates in the center of individual sills. Variable degrees.of post-emplacement compaction led to the expulsion of felsic liquids that preferentially concentrated at the top of the sills. Incremental sills amalgamation of the entire Torres del Paine Intrusive Complex has lasted for ~160ka.RESUME SCIENTIFIQUE - VERSION FRANÇAISEGéométrie, pétrologie et croissance d'un laccolite peu profond : Le complexe ma- fique du Torres del Paine (Patagonie)Le Complexe Intrusif du Torres del Paine (CITP) est une intrusion bimodale, d'environ 70km2, appartenant à une chaîne de plutons Miocènes isolés, dans le sud de la Patago-nie. Leur position est intermédiaire entre le batholite patagonien calco-alcalin, à l'Ouest, mis en place au Mesozoïque-Cenozoïque dans un contexte de subduction, et les basal-tes andésitiques et trachybasaltes alcalins de plateau, plus jeune, à l'Est, lié à l'ouverture d'un arrière-arc.A son extrémité Est, le CITP est une succession de sills de gabbro à Hbl et de diorite, sur une épaisseur de ~250m, avec des évidences de mélange. Les contacts avec les sills de granite au-dessus, formant des parois de plus de 1000m, sont cassants. Ce laccolite est connecté, dans sa partie Ouest, à une zone d'alimentation, avec des intrusions sub-ver- ticales de gabbronorite litée et de gabbro à Hbl, en alternance. Celles-ci sont traversées et entourées par des diorites. Les zircons des gabbros de la zone d'alimentation, datés par ID-TIMS, ont cristallisés à 12.593±0.009Ma et 12.587±0.009Ma, ce qui correspond au plus vieux granite daté à ce jour par Michel et al. (2008). A l'inverse, les roches manques du laccolite se sont mises en place entre 12.472±0.009Ma et 12.431 ±0.006Ma, par sous-plaquage successifs à l'interface avec le granite le plus jeune daté à ce jour (12.50±0.02Ma).La séquence de cristallisation des gabbronorites est dominée par Ol, Plg, Cpx et Opx, alors que la Hbl est un cristal interstitiel. Elle est identique dans les gabbros à Hbl de la zone d'alimentation, avec ~30%vol de Hbl. Les gabbros de la zone d'alimentation montrent des anomalies positives en Eu et Sr distinctes. Dans le laccolite, le gabbro à Hbl inférieur évolue le long d'une série shoshonitique, riche en éléments incompatibles. Sa concentration en Al203, Ti02, Na20, K20, Ba et Sr est très variable et augmente rapide-ment jusqu'à ~50wt% Si02. Il est caractérisé par la présence de coeurs résorbés de kaer- sutite, entourés de Bt, et contenant des inclusions d'OI, Cpx et Opx, ou alors d'Ap et de rares Plg (An70). Hbl et Cpx ont cristallisés à partir d'un liquide de composition similaire aux dykes trachy-andesite basaltique du CITP. La matrice, cristallisée in-situ à partir d'un liquide pauvre en Ba et Sr, est composée d'oligoclase zoné de façon simple, de Mg-Hbl, Bt, llm ainsi que de rares Qtz et KF. Le gabbro à Hbl supérieur, quant à lui, appartient à une suite chimique calco-alcaline riche en K. Des coeurs poecilitiques de pargasite con-tiennent de nombreuses inclusions de Plg (An70) automorphe, ainsi que des Ol, Cpx et Opx. La composition de la matrice est identique à celle des gabbros à Hbl inférieurs et toutes deux sont similaires à la minéralogie des diorites. Les analyses sur roches totales de diorites montrent la même variabilité que celles de gabbros à Hbl, mais avec une ten-eur en Si02 plus élevée.La composition isotopique des liquides primitifs du CITP a été mesurée à 87Sr/86Sr=0.704, 143Nd/144Nd=0.5127, 206Pb/204Pb=18.70 et 207Pb/204Pb=15.65. Les granites et diorites différenciés peuvent être reliés à des cumulais gabbronoritiques (F=0.74 pour les granites et F=1-0.5 pour les diorites) et gabbroïques à Hbl (fractionnement supplémentaire pour les granites, avec F=0.3). La cristallisation de 20 à 50%vol de liquide interstitiel piégé dans les gabbros du CITP explique leur signature géochimique. Seules de faibles quantités de croûte continentale ont été assimilées. La température et la pression de fractionnement ont été estimées, sur la base des thermobaromètres Opx-Cpx, Hbl-Plg et Cpx, à plus de 900°C et une profondeur correspondant à la croûte inférieure-moyenne. A l'inverse, les conditions de cristallisation de la matrice des gabbros et diorites du laccolite ont été estimées à 790±60°C et ~0.7±0.5kbar.Je propose que les liquides felsiques du CITP se soient formés par cristallisation frac-tionnée en profondeur des assemblages minéralogiques observés dans les gabbros du CITP, à partir d'un liquide trachy-andesite basaltique. La percolation de magma dans les cristaux accumulés permet la remontée du mélange à travers la zone d'alimentation, vers le laccolite, où des sills se mettent en place successivement. L'amalgamation de sills dans le CITP a duré ~160ka.Le CITP s'est formé durant une reconfiguration importante du contexte géodynamique en Patagonie, avec un changement du magmatisme d'arc vers un volcanisme d'arrière- arc. Ce changement est certainement lié à la subduction de la ride du Chili.RESUME GRAND PUBLIC - VERSION FRANÇAISEGéométrie, pétrologie et croissance d'une chambre magmatique peu profonde : Le complexe mafique du Torres del Paine (Patagonie)Le pourtour de l'Océan Pacifique est caractérisé par une zone de convergence de plaques tectoniques, appelée zone de subduction, avec le plongement de croûte océa-nique sous les Andes dans le cas de la Patagonie. De nombreux volcans y sont associés, formant la ceinture de feu. Mais seuls quelques pourcents de tout le magma traversant la croûte terrestre parviennent à la surface et la majeure partie cristallise en profondeur, dans des chambres magmatiques. Quelles est leur forme, croissance, cristallisation et durée de vie ? Le complexe magmatique du Torres del Paine représente l'un des meilleurs endroits au monde pour répondre à ces questions. Il se situe au sud de la Patagonie, formant un massif de 70km2. Des réponses peuvent être trouvées à différentes échelles, variant de la montagne à des minéraux de quelques 1000ème de millimètres.Il est possible de distinguer trois types de roches : des gabbros et des diorites sur une épaisseur de 250m, surmontées par des parois de granite de plus de 1000m. Les contacts entre ces roches sont tous horizontaux. Entre granites et gabbro-diorite, le contact est net, indiquant que le second magma s'est mis en place au contact avec un magma plus ancien, totalement solidifié. Entre gabbros et diorites, les contacts sont diffus, souvent non-linéaires, indiquant à l'inverse la mise en contact de magmas encore partiellement liquides. Dans la partie Ouest de cette chambre magmatique, les contacts entre roches sont verticaux. Il s'agit certainement du lieu de remplissage de la chambre magmatique.Lors du refroidissement d'un magma, différents cristaux vont se former. Leur stabilité et leur composition varient en fonction de la pression, de la température ou de la chimie du magma. La séquence de cristallisation peut être définie sur la base d'observations microscopiques et de la composition chimique des minéraux. Différents gabbros sont ainsi distingués : le gabbro à la base est riche en hornblende, d'une taille de ~5mm, sans inclusion de plagioclase mais avec des cristaux d'olivine, clinopyroxene et orthopyroxene inclus ; le gabbro supérieur est lui-aussi riche en hornblende (~5mm), avec les mêmes inclusions additionnées de plagioclase. Ces cristaux se sont formés à une température supérieure à 900°C et une profondeur correspondant à la croûte moyenne ou inférieure. Les minéraux plus fin, se trouvant hors des cristaux de hornblende des deux gabbros, sont similaires à ceux des diorites : plagioclase, biotite, hornblende, apatite, quartz et feldspath alcalin. Ces minéraux sont caractéristiques des granites. Ils ont cristallisé à ~790°C et ~2km de profondeur.La cristallisation des minéraux et leur extraction du magma par gravité provoque un changement progressif de la composition de ce dernier. Ainsi, après extraction d'olivine et d'orthopyroxene riches en Mg, de clinopyroxene riche en Ca, de plagioclase riche en Ca et Al et d'hornblende riche en Ca, Al et Mg, le liquide final sera appauvri en ces élé-ments. Un lien peut ainsi être proposé entre les diorites dont la composition est proche du liquide de départ, les granites dont la composition est similaire au liquide final, et les gabbros dont la minéralogie correspond aux minéraux extraits.L'utilisation de zircons, un minéral riche en U dont les atomes se transforment en Pb par décomposition radioactive au cours de millions d'années, permet de dater le refroidissement des roches qui les contiennent. Ainsi, il a été observé que les roches de la zone d'alimentation, à l'Ouest du complexe magmatique, ont cristallisés il y a 12.59±0.01 Ma, en même temps que les granites les plus vieux, se trouvant au sommet de la chambre magmatique, datés par Michel et al. (2008). Les deux roches pourraient donc avoir la même origine. A l'inverse, les gabbros et diorites de la chambre magmatique ont cristallisé entre 12.47±0.01Ma et 12.43±0.01Ma, les roches les plus vieilles étant à la base.En comparant la composition des roches du Torres del Paine avec celles d'autres en-tités géologiques de Patagonie, les causes du magmatisme peuvent être recherchées. A l'Ouest, on trouve en effet des intrusions granitiques, plus anciennes, caractéristiques de zones de convergence de plaque tectonique, alors qu'à l'Est, des laves basaltiques plus jeunes sont caractéristiques d'une dynamique d'extension. Sur la base des compositions chimiques des roches de ces différentes entités, l'évolution progressive de l'une à l'autre a pu être démontrée. Elle est certainement due à l'arrivée d'une dorsale océanique (zone d'extension crustale et de création de croûte océanique par la remontée de magma) dans la zone de subduction, le long des Andes.Je propose que, dans un premier temps, des magmas granitiques sont remontés dans la chambre magmatique, laissant d'importants volumes de cristaux dans la croûte pro-fonde. Dans un second épisode, les cristaux formés en profondeur ont été transportés à travers la croûte continentale, suite au mélange avec un nouveau magma injecté. Ces magmas chargés de cristaux ont traversé la zone d'alimentation avant de s'injecter dans la chambre magmatique. Différents puises ont été distingués, injectés dans la chambre magmatique du sommet à la base concernant les granites, puis à la base du granite le plus jeune pour les gabbros et diorites. Le complexe magmatique du Torres del Paine s'est construit sur une période totale de 160'000±20'000 ans.

Paleobiology and skeletochronology of Jurassic dinosaurs: implications from the histology and oxygen isotope compositions of bones

Fossil biogenic phosphate of fast-growing primary bone tissue of dinosaurs can preserve a histologic and isotopic time-series of annual seasonality in temperature variations, similar to tooth enamel and other accretionary skeletal phases such as corals or wood. On two bone fragments from sympatric dinosaurs with different histologic patterns of bone growth, high-resolution oxygen isotope profiles were analyzed along the radial direction of bone growth. The investigated specimens are from the Jurassic Shishugou Formation in the Junggar Basin, NW China and have distinct patterns of compositional variation. A fibrolamellar dinosaur bone with multiple lines of arrested growth (LAGs) and periodic growth cycles of decreasing bone laminae thickness displays a cyclic intra-bone variation in delta(18)O values of about 2parts per thousand corresponding with the LAGs. These growth cycles in fast-growing fibrolamellar bone provide evidence for seasonal growth of dinosaurs in lower latitudes ( similar to 45degreesN), possibly influenced by a monsoon-type paleoclimate. Seasonal changes in temperature and water supply are consistent with the oxygen isotope composition measured in dinosaur bone phosphate as well as with growth rings in contemporaneous fossil conifer wood from the same locality. In contrast, a plexiform sympatric sauropod bone displays continuous growth, free of LAGs and has a lower intra-bone variation of less than or equal to 0.8parts per thousand. Differences in bone histology are also reflected in the oxygen isotopic composition and its intra-bone variability, indicating different physiological responses to external climatic stress between sympatric dinosaur species. Seasonal intra-bone oxygen isotope variations combined with bone histology may thus yield new insights into species-specific response to climatic stress and its influence on dinosaur growth, formation of growth marks, growth rates, as welt as dinosaur thermophysiology. (C) 2004 Elsevier B.V All rights reserved.

The stable hydrogen and oxygen isotope variation of water stored in polyethylene terephthalate (PET) bottles

A set of bottled waters from a single natural spring distributed worldwide in polyethylene terephthalate (PET) bottles has been used to examine the effects of storage in plastic polymer material on the isotopic composition (delta(18)O and delta(2)H values) of the water. All samples analyzed were subjected to the same packaging procedure but experienced different conditions of temperature and humidity during storage. Water sorption and the diffusive transfer of water and water vapor through the wall of the PET bottle may cause isotopic exchange between water within the bottle and water vapor in air near the PET-water interface. Changes of about +4 parts per thousand for delta(2)H and +0.7 parts per thousand for delta(18)O have been measured for water after 253 days of storage within the PET bottle. The results of this study clearly indicate the need to use glass bottles for storing water samples for isotopic studies. It is imperative to transfer PET-bottled natural waters to glass bottles for their use as calibration material or potential international working standards. Copyright (C) 2008 John Wiley & Sons, Ltd.

Metallogenic model of the Trepca Pb-Zn-Ag skarn deposit, Kosovo: Evidence from fluid inclusions, Rare Earth Elements, and stable isotope data

The Trepca Pb-Zn-Ag skarn deposit (29 Mt of ore at 3.45% Pb, 2.30% Zn, and 80 g/t Ag) is located in the Kopaonik block of the western Vardar zone, Kosovo. The mineralization, hosted by recrystallized limestone of Upper Triassic age, was structurally and lithologically controlled. Ore deposition is spatially and temporally related with the postcollisional magmatism of Oligocene age (23-26 Ma). The deposit was formed during two distinct mineralization stages: an early prograde closed-system and a later retrograde open-system stage. The prograde mineralization consisting mainly of pyroxenes (Hd(54-100)Jo(0-45)Di(0-45)) resulted from the interaction of magmatic fluids associated with Oligocene (23-26 Ma) postcollisional magmatism. Whereas there is no direct contact between magmatic rocks and the mineralization, the deposit is classified as a distal Pb-Zn-Ag skarn. Abundant pyroxene reflects low oxygen fugacity (<10(-31) bar) and anhydrous environment. Fluid inclusion data and mineral assemblage limit the prograde stage within a temperature range between 390 degrees and 475 degrees C. Formation pressure is estimated below 900 bars. Isotopic composition of aqueous fluid, inclusions hosted by hedenbergite (delta D = -108 to -130 parts per thousand; delta O-18 = 7.5-8.0 parts per thousand), Mn-enriched mineralogy and high REE content of the host carbonates at the contact with the skarn mineralization suggest that a magmatic fluid was modified during its infiltration through the country rocks. The retrograde mineral assemblage comprises ilvaite, magnetite, arsenopyrite, pyrrhotite, marcasite, pyrite, quartz, and various carbonates. Increases in oxygen and sulfur fugacities, as well as a hydrous character of mineralization, require an open-system model. The opening of the system is related to phreatomagmatic explosion and formation of the breccia. Arsenopyrite geothermometer limits the retrograde stage within the temperature range between 350 degrees and 380 degrees C and sulfur fugacity between 10(-8.8) and 10(-7.2) bars. The principal ore minerals, galena, sphalerite, pyrite, and minor chalcopyrite, were deposited from a moderately saline Ca-Na chloride fluid at around 350 degrees C. According to the isotopic composition of fluid inclusions hosted by sphalerite (delta D = -55 to -74 parts per thousand; delta O-18 = -9.6 to -13.6 parts per thousand), the fluid responsible for ore deposition was dominantly meteoric in origin. The delta S-31 values of the sulfides spanning between -5.5 and +10 parts per thousand point to a magmatic origin of sulfur. Ore deposition appears to have been largely contemporaneous with the retrograde stage of the skarn development. Postore stage accompanied the precipitation of significant amount of carbonates including the travertine deposits at the deposit surface. Mineralogical composition of travertine varies from calcite to siderite and all carbonates contain significant amounts of Mn. Decreased formation temperature and depletion in the REE content point to an influence of pH-neutralized cold ground water and dying magmatic system.

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.

Shallow-platform palaeoenvironmental conditions recorded in deep-shelf sediments: C and stable isotopes in Upper Jurassic sections of southern Germany (Oxfordian-Kimmeridgian)

A high-resolution carbon and oxygen isotope analysis of Late Oxfordian-Early Kimmeridgian deep-shelf sediments of southern Germany is combined with investigation of nannofossil assemblage composition and sedimentological interpretations in order to evaluate the impact of regional palaeoenvironmental conditions on isotopic composition of carbonates. This study suggests that carbonate mud was essentially derived from the Jura shallow platform environments and also that the isotopic signature of carbonates deposited in the Swabian Alb deep shelf indirectly expresses the palaeoenvironmental evolution of the platform. Short-term fluctuations in delta(13) C and delta(18)O are probably controlled by changes in salinity (fresh-water input versus evaporation) in platform environments. Long-term fluctuations in carbon and oxygen isotope record throughout the Late Oxfordian-Early Kimmeridgian result from the interplay of increasing temperature and decreasing humidity, which both control the trophic level. Changes from mesotrophic to oligotrophic conditions in platform environments and in the deep-shelf surface waters are inferred. During the Late Oxfordian (Bimammatum Subzone to Planula Zone), the delta(13)C curve displays a positive shift of about 1 parts per thousand, which is comparable in intensity to global perturbations of the carbon cycle. This evident isotopic shift has not been documented yet in other basinal settings. It can be reasonably explained by local palaeoenvironmental changes on the Jura platform (salinity, temperature, and nutrient availability) that controlled platform carbonate production, and the geochemistry of overlying waters. However, increasing carbonate production on the Jura platform and related positive delta(13)C shifts recorded in the Swabian Alb deep shelf are the regional signatures of climatic changes affecting other palaeogeographical domains of Europe in which the carbonate production increased throughout the Late Oxfordian. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

The Gronnedal-Ika carbonatite-syenite complex, South Greenland: Carbonatite formation by liquid immiscibility

The Gronnedal-Ika complex is dominated by layered nepheline syenites which were intruded by a xenolithic syenite and a central plug of calcite to calcite-siderite carbonatite. Aegirine-augite, alkali feldspar and nepheline are the major mineral phases in the syenites, along with rare calcite. Temperatures of 680-910degreesC and silica activities of 0.28-0.43 were determined for the crystallization of the syenites on the basis of mineral equilibria. Oxygen fugacities, estimated using titanomagnetite compositions, were between 2 and 5 log units above the fayalite-magnetite-quartz buffer during the magmatic stage. Chondrite-normalized REE patterns of magmatic calcite in both carbonatites and syenites are characterized by REE enrichment (La-CN-Yb-CN = 10-70). Calcite from the carbonatites has higher Ba (similar to5490 ppm) and lower HREE concentrations than calcite from the syenites (54-106 ppm Ba). This is consistent with the behavior of these elements during separation of immiscible silicate-carbonate liquid pairs. epsilon(Nd)(T = 1.30 Ga) values of clinopyroxenes from the syenites vary between +1.8 and +2.8, and epsilon(Nd)(T) values of whole-rock carbonatites range from +2.4 to +2.8. Calcite from the carbonatites has delta(18)O values of 7.8 to 8.6parts per thousand and delta(13)C values of -3.9 to -4.6parts per thousand. delta(18)O values of clinopyroxene separates from the nepheline syenites range between 4.2 and 4.9parts per thousand. The average oxygen isotopic composition of the nepheline syenitic melt was calculated based on known rock-water and mineral-water isotope fractionation to be 5.7 +/- 0.4parts per thousand. Nd and C-O isotope compositions are typical for mantle-derived rocks and do not indicate significant crustal assimilation for either syenite or carbonatite magmas. The difference in delta(18)O between calculated syenitic melts and carbonatites, and the overlap in epsilon(Nd) values between carbonatites and syenites, are consistent with derivation of the carbonatites from the syenites via liquid immiscibility.

Geochemical study of vertebrate fossils from the Upper Cretaceous (Santonian) Csehbanya Formation (Hungary): Evidence for a freshwater habitat of mosasaurs and pycnodont fish

The diverse vertebrate remains from the Upper Cretaceous freshwater settings at Iharkut, Hungary, contain two fossil groups, Pycnodontiformes fish and Mosasauridae that are almost exclusively known from marine palaeo-environments. Hence, their appearance in alluvial sediments is very unusual. Trace element and isotope compositions of the remains have been analyzed to investigate the taphonomy and the ecological differences among the different fossil groups present at Iharkut. All examined fossils have undergone post-depositional diagenetic alteration, which resulted in high concentrations of REE, U, and Fe, together with almost complete homogenization of delta(18)O(CO3) values. Similar REE patterns in different fossils suggest a common origin for all remains, hence the discovered species most likely lived in the same local ecosystem. Despite partial diagenetic overprinting, the delta(18)O(PO4) values of the fossils indicate sufficient taxon-specific isotopic diversity to permit some broad conclusions on the palaeo-environment of the fossils. In particular, it is apparent that the isotopic composition of the Pycnodontiformes fish and Mosasauridae remains is most compatible with a freshwater palaeo-habitat and incompatible with a marine palaeo-environment. In addition, the Sr concentration and isotope data indicate that the Pycnodontiformes and Mosasauridae likely lived predominantly in a freshwater environment and were not simply occasional visitors to the Iharkut river ecosystem. Regarding other fossil groups, high delta(18)O(PO4) values of Alligatoroidea and Iharkutosuchus teeth suggest that these small crocodile species might have inhabited swamps and ponds where the water was relatively rich in (18)O due to evaporation. (c) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Stable isotopes in lake Geneva carbonate sediments and molluscs: Review and new data

New isotopic results on bulk carbonate and mollusc (gastropods and bivalves) samples from Lake Geneva (Switzerland), spanning the period from the Oldest Dryas to the present day, are compared with pre-existing stable isotope data. According to preliminary calibration of modern samples, Lake Geneva endogenic calcite precipitates at or near oxygen isotopic equilibrium with ambient water, confirming the potential of this large lake to record paleoenvironmental and paleoclimatic changes. The onset of endogenic calcite precipitation at the beginning of the Allerod biozone is clearly indicated by the oxygen isotopic signature of bulk carbonate. A large change in delta(13)C values occurs during the Preboreal. This carbon shift is likely to be due to a change in bioproductivity and/or to a `'catchment effect'', the contribution of biogenic CO2 from the catchment area to the dissolved inorganic carbon reservoir of the lake water becoming significant only during the Preboreal. Gastropods are confirmed as valuable for studies of changes in paleotemperature and in paleowater isotopic composition, despite the presence of a vital effect. Mineralogical evidence indicates an increased detrital influence upon sedimentation since the Subboreal time period. On the other hand, stable isotope measurements of Subatlantic carbonate sediments show values comparable to those of pure endogenic calcite and of gastropods (taking into account the vital effect). This apparent disagreement still remains difficult to explain.

Monitoring detrital input and resuspension effects on sediment trap material using mineralogy and stable isotopes (δ18O and δ13C): the case of Lake Neuchatel (Switzerland)

Isotopic analyses on bulk carbonates are considered a useful tool for palaeoclimatic reconstruction assuming calcite precipitation occurring at oxygen isotope equilibrium with local water and detrital carbonate input being absent or insignificant. We present results from Lake Neuchatel (western Switzerland) that demonstrate equilibrium precipitation of calcite, except during high productivity periods, and the presence of detrital and resuspended calcite. Mineralogy, geochemistry and stable isotope values of Lake Neuchatel trap sediments and adjacent rivers suspension were studied. Mineralogy of suspended matter in the major inflowing rivers documents an important contribution of detrital carbonates, predominantly calcite with minor amounts of dolomite and ankerite. Using mineralogical data, the quantity of allochthonous calcite can be estimated by comparing the ratio ankerite + dolomite/calcite + ankerite + dolomite in the inflowing rivers and in the traps. Material taken from sediment traps shows an evolution from practically pure endogenic calcite in summer (10-20% detrital material) to higher percentages of detrital material in winter (up to 20-40%). Reflecting these mineralogical variations, delta(13)C and delta(18)O values of calcite from sediment traps are more negative in summer than in winter times. Since no significant variations in isotopic composition of lake water were detected over one year, factors controlling oxygen isotopic composition of calcite in sediment traps are the precipitation temperature, and the percentage of resuspended and detrital calcite. Samples taken close to the river inflow generally have higher delta values than the others, confirming detrital influence. SEM and isotopic studies on different size fractions (<2, 2-6, 6-20, 20-60, >60 mu m) of winter and summer samples allowed the recognition of resuspension and to separate new endogenic calcite from detrital calcite. Fractions >60 and (2 mu m have the highest percentage of detritus, Fractions 2-6 and 6-20 mu m are typical for the new endogenic calcite in summer, as given by calculations assuming isotopic equilibrium with local water. In winter such fractions show similar values than in summer, indicating resuspension. Using the isotopic composition of sediment traps material and of different size fractions, as well as the isotopic composition of lake water, the water temperature measurements and mineralogy, we re-evaluated the bulk carbonate potential for palaeoclimatic reconstruction in the presence of detrital and re-suspended calcite. This re-evaluation leads to the following conclusion: (1) the endogenic signal can be amplified by applying a particle-size separation, once the size of endogenic calcite is known from SEM study; (2) resuspended calcite does not alter the endogenic signal, but it lowers the time resolution; (3) detrital input decreases at increasing distances from the source, and it modifies the isotopic signal only when very abundant; (4) influence of detrital calcite on bulk sediment isotopic composition can be calculated. (C) 1998 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

The influence of bacterial activity on phosphorite formation in the Miocene Monterey Formation, California

Authigenic phosphorites from the Miocene Monterey Formation (California) including an autochthonous phosphatic laminite were analyzed for molecular biomarkers, element content, and sulfur isotopic composition of associated pyrite and sulfate to evaluate the role of bacterial activity in the precipitation of phosphate minerals. The phosphorites formed in a depositional environment typified by upwelling with dynamic bottom currents and hardground formation. Pyrite enclosed in the phosphorites shows delta S-34 values as low as -36.5 parts per thousand VCDT, which is consistent with bacterial sulfate reduction. In a three-step extraction phosphorite dissolution extraction procedure, molecular fossils of sulfate-reducing bacteria (di-O-alkyl glycerol ethers and short-chain branched fatty acids i- and ai-C-15:0, i- and ai-C-17:0, and 10MeC(16:0)) were preferentially released from the mineral lattice. This suggests that the molecular fossils were tightly bound to carbonate fluorapatite, indicating that sulfate-reducing bacteria were involved in mineral formation. A close association of sulfate-reducing bacteria with large sulfide-oxidizing bacteria, which was previously suggested to favor carbonate fluorapatite precipitation, could neither be confirmed nor excluded for the Miocene Monterey Formation phosphorites. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Early diagenesis of bone and tooth apatite in fluvial and marine settings: Constraints from combined oxygen isotope, nitrogen and REE analysis

Fossil bones and teeth of Late Pleistocene terrestrial mammals from Rhine River gravels (RS) and the North Sea (NS), that have been exposed to chemically and isotopically distinct diagenetic fluids (fresh water versus seawater), were investigated to study the effects of early diagenesis on biogenic apatite. Changes in phosphate oxygen isotopic composition (delta O-18(PO4)), nitrogen content (wt.% N) and rare earth element (REE) concentrations were measured along profiles within bones that have not been completely fossilized, and in skeletal tissues (bone, dentine, enamel) with different susceptibilities to diagenetic alteration. Early diagenetic changes of elemental and isotopic compositions of apatite in fossil bone are related to the loss of the stabilizing collagen matrix. The REE concentration is negatively correlated with the nitrogen content, and therefore the amount of collagen provides a sensitive proxy for early diagenetic alteration. REE patterns of RS and NS bones indicate initial fossilization in a fresh water fluid with similar REE compositions. Bones from both settings have nearly collagen-free, REE-, U-, F- and Sr-enriched altered outer rims, while the collagen-bearing bone compacta in the central part often display early diagenetic pyrite void-fillings. However, NS bones exposed to Holocene seawater have outer rim delta O-18(PO4) values that are 1.1 to 2.6 parts per thousand higher compared to the central part of the same bones (delta O-18(PO4) = 18.2 +/- 0.9 parts per thousand, n = 19). Surprisingly, even the collagen-rich bone compacta with low REE contents and apatite crystallinity seems altered, as NS tooth enamel (delta O-18(PO4) =15.0 +/- 0.3 parts per thousand, n=4) has about 3%. lower delta O-18(PO4) values, values that are also similar to those of enamel from RS teeth. Therefore, REE concentration, N content and apatite crystallinity are in this case only poor proxies for the alteration of delta O-18(PO4) values. Seawater exposure of a few years up to 8 kyr can change the delta O-18(PO4) values of the bone apatite by > 3 parts per thousand. Therefore, bones fossilized in marine settings must be treated with caution for palaeoclimatic reconstructions. However, enamel seems to preserve pristine delta O-18(PO4) values on this time scale. Using species-specific calibrations for modern mammals, a mean delta O-18(H2O) value can be reconstructed for Late Pleistocene mammalian drinking water of around -9.2 +/- 0.5 parts per thousand, which is similar to that of Late Pleistocene groundwater from central Europe. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

The data treatment dependent variability of U-Pb zircon ages obtained using mono-collector, sector field, laser ablation ICP-MS

U-Pb dating of zircons by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICPMS) is a widely used analytical technique in Earth Sciences. For U-Pb ages below 1 billion years (1 Ga), Pb-206/U-238 dates are usually used, showing the least bias by external parameters such as the presence of initial lead and its isotopic composition in the analysed mineral. Precision and accuracy of the Pb/U ratio are thus of highest importance in LA-ICPMS geochronology. We consider the evaluation of the statistical distribution of the sweep intensities based on goodness-of-fit tests in order to find a model probability distribution fitting the data to apply an appropriate formulation for the standard deviation. We then discuss three main methods to calculate the Pb/U intensity ratio and its uncertainty in the LA-ICPMS: (1) ratio-of-the-mean intensities method, (2) mean-of-the-intensity-ratios method and (3) intercept method. These methods apply different functions to the same raw intensity vs. time data to calculate the mean Pb/U intensity ratio. Thus, the calculated intensity ratio and its uncertainty depend on the method applied. We demonstrate that the accuracy and, conditionally, the precision of the ratio-of-the-mean intensities method are invariant to the intensity fluctuations and averaging related to the dwell time selection and off-line data transformation (averaging of several sweeps); we present a statistical approach how to calculate the uncertainty of this method for transient signals. We also show that the accuracy of methods (2) and (3) is influenced by the intensity fluctuations and averaging, and the extent of this influence can amount to tens of percentage points; we show that the uncertainty of these methods also depends on how the signal is averaged. Each of the above methods imposes requirements to the instrumentation. The ratio-of-the-mean intensities method is sufficiently accurate provided the laser induced fractionation between the beginning and the end of the signal is kept low and linear. We show, based on a comprehensive series of analyses with different ablation pit sizes, energy densities and repetition rates for a 193 nm ns-ablation system that such a fractionation behaviour requires using a low ablation speed (low energy density and low repetition rate). Overall, we conclude that the ratio-of-the-mean intensities method combined with low sampling rates is the most mathematically accurate among the existing data treatment methods for U-Pb zircon dating by sensitive sector field ICPMS.

Environmental changes in the aftermath of Neoproterozoic glaciations: a biogeochemical study of sediments from SW-Gondwana

Abstract The late Neoproterozoic or Ediacaran period, (635 to -543 Ma) is a primordial time in the Earth history corresponding to the beginning of animal life and the most extreme ice ages on Earth. In this dissertation, palaeoenvironmental conditions were reconstructed for Ediacaran, post-Gaskiers shelf deposits in SW- Gondwana and their changes were evaluated according to the diversity of organisms. The present study addresses the question of interactions between biodiversity and environmental change by using the elemental and isotopic geochemistry of sedimentary rocks and associated organic matter, as well as the distribution of hydrocarbon biomarkers. The studied sedimentary sequences are from a large basin extended from the Paraguay belt to the Rio de la Plata craton, including the Corumbâ Group in SW-Brazil (Paraguay belt), the Arroyo del Soldado Group in Uruguay and the Sierras Bayas Group in Argentina (both in the Rio de la Plata craton). Several geochemical signatures of the sediments from Corumbâ and Sierras Bayas groups provides evidence for an euxinic setting in the Ediacaran Ocean: 1) The occurrence of syngenetic pyrite in the Corumbâ Group together with hydrocarbon biomarkers of an anoxic microbial consortium including traces of gammacerane, a distribution of hopanes with maxima at C29 as well as a low pristane/phytane (Pr/Ph) ratio; 2) the occurrence of 34S enrichments within sulfides of the Sierras Bayas Group exceeding the sulfur isotopic composition of coeval carbonate-associated sulfate. In the Arroyo del Soldado Group, an event of reducing conditions was revealed by higher concentrations of redox-sensitive trace elements and negative 513Ccar shifts in all sections. This event is extended to the whole unit in the deepest section and is restricted to tempestites in the two other shallow sections. The persistent negative. ôl3Ccar values recorded at the basinal setting implies strong isotopic gradient between shallow and deep water environments and therefore, a locus of deposition below the redox chemocline. In all studied sections, the excursions, the strong enrichment of authigenic trace-elements, the occurrence of longer chain «-alkanes, gammacerane and low Pr/Ph and Ph/>;-C]a ratios, combined with the previous sedimentological and paleontological observations indicate that the chemistry of the ocean was strongly controlled by the oxygen availability; waters being moderately oxic at the surface and anoxic at depth for much of the Neoproterozoic. This water column stratification was favourable to the storage of large amounts of nutrients in the deep ocean. During upwelling periods, the export of these nutrient-rich waters may have triggered an important bioproductivity in surface waters. Drops in Al3Cc,,.](Cr and positive ôl3Ccllr excursions highlight the increase in primary productivity. Preservation of organic carbon was ensured by reducing conditions at the bottom. The Al3ccar.kcr excursions could also reflect changes in the composition of the primary biomass. New geochemical evidence from SW-Gondwana sections supports a stratified Ediacaran ocean, outside restricted or hypersaline environments, in the aftermath of glaciations. The association of ocean stratification and the appearance of metazoans support the model that the evolution of eukaryotic life was related to the increase of oxygen levels in surface environments due to an efficient recycling of nutrients in the anoxic deep ocean. Résumé Le Néoprotérozoïque terminal, ou Édiacarien (635 à -543 Ma), est un période de première importance dans l'histoire de la Terre, car elle correspond a l'apparition des métazoaires pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Le présent mémoire se propose de reconstituer les conditions paléoenvironnementales des dépôts de plateforme mis en place durant l'Édiacarien, au sud-ouest du Gondwana. Les interactions entre changements environnementaux et biodiversité sont évaluées en s'appuyant d'une part sur la composition élémentaire et isotopique des roches sédimentaires et de leur matière organique, et d'autre part sur la distribution moléculaire de biomarqueurs hydrocarbonés. Les séquences sédimentaires étudiées proviennent d'un grand bassin qui s'étend de la chaîne du Paraguay jusqu'au craton du Rio de la Plata. La séquence du Groupe Corumbâ au Sud Ouest du Brésil se situe dans la chaîne du Paraguay, tandis que le Groupe Arroyo del Soldado en Uruguay et le Groupe Sierras Bayas en Argentine sont situés sur le craton du Rio de la Plata. L'étude géochimique des sédiments des groupes Corumbâ et Sierras Bayas révèle de façon claire des conditions euxiniques dans l'océan édiacarien. On trouve ainsi, dans le Groupe Corumbâ, les biomarqueurs d'un cortège microbien anoxique et sulfurique comprenant des bactéries sulfato-réductrices, et dans les sulfures du Groupe Sierras Bayas, des enrichissements en Î4S excédant les rapports isotopiques du soufre dans le sulfate cogénétique associé aux carbonates. Dans la séquence de l'Arroyo del Soldado, un événement réducteur est mis en évidence par des teneurs plus élevées en éléments traces sensibles aux conditions redox et par des excursions négatives du 613Ccardans toutes les coupes. Cet événement affecte la totalité de la section la plus profonde et n'apparaît que dans les tempestites dans les sections les moins profondes. La persistance de valeurs négatives du ô13Ccarau large implique un gradient isotopique prononcé entre les environnements superficiels et profonds, et donc, ta présence d'une chémocline redox. Les excursions du. ôBCcar, l'enrichissement authigène en éléments traces, la présence de gammacérane et de rt-alcanes à longue chaîne, ainsi que de faibles rapports Pr/Ph et Ph/«-Cl8, viennent s'ajouter aux observations préliminaires sur la sédimentologie et la paléontologie pour indiquer que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, les eaux étant modérément oxiques à la surface et anoxiques en profondeur pendant la plus grande partie du Néoprotérozoïque. La stratification de la colonne d'eau était favorable au stockage de grandes quantités de nutriments dans l'océan profond. Dans les zones d'upwelling, la migration d'eaux profondes riches en nutriment vers la surface a pu provoquer une bioproductivité prononcée dans les eaux de surface. La conservation du carbone organique était assurée par les conditions anoxiques prévalant au fond. Les excursions du A13Ccar.kt.r pourraient aussi refléter des changements dans la biomasse primaire. Le présent travail apporte donc de nouvelles preuves qu'un océan stratifié s'est maintenu à la suite des glaciations néoprotérozoïques dans le Sud Ouest du Gondwana. L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Résumé pour le grand public La période Ediacarienne (635 à -543 Ma) à la fin du Précambrien est l'une de plus énigmatiques dans l'histoire de la Terre, car elle est caractérisée par la diversification de la vie multicellulaire (eucaryote) pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Dans ce travail de thèse, nous cherchons à déceler l'existence éventuelle d'un lien entre ces changements environnementaux et l'évolution de la vie eucaryote à travers une étude biogéochimique. La biogéochimie est l'étude des activités biologiques dans la géosphère, telles que celles intervenant dans les cycles des éléments chimiques (y compris les isotopes stables) et celles de production de composés carbonés caractérisant certains groups d'organismes ou taxons. La recherche des signatures paléoenvironnementales dans les roches précambriennes a été fortement facilitée par l'utilisation des biomarqueurs ou fossiles moléculaires. Ces composés, provenant des lipides biologiques (molécules avec des fonctions spécifiques dans les organismes), peuvent être reliés à des taxons spécifiques ou à des voies métaboliques. La transformation d'un biolipide en fossile moléculaire intervient lorsque des restes organiques déposés dans un substrat subissent un enfouissement et une augmentation de la pression (diagenèse). Ce processus mène à la formation de kérogène, un grand agrégat chimique de matière organique insoluble dans des solvants organiques, et de bitume ou fraction soluble (extractible) de la matière organique. L'analyse intégrée du kérogène et du bitume fournit des indications précieuses pour les reconstitutions paléoenvironnementales. Des conditions paléoenvironnementales ont ainsi été déterminées pour une plateforme marine Ediacarienne située dans la partie sud-américaine du bloc occidental du paléocontinent Gondwana. Les séquences sédimentaires étudiées appartiennent au même bassin qui s'étend de la ceinture du Paraguay (Groupe Corumbâ, Brésil) au craton du Rio de la Plata (Groupes Arroyo del Soldado, Uruguay et Sierras Bayas, Argentina). Nous nous sommes intéressés aux isotopes stables de carbonates et de la matière organique associée (kérogène et bitume), aux éléments majeurs et traces, ainsi qu'aux biomarqueurs caractérisant ces roches. Les résultats de cette dissertation suggèrent qu'au cours de l'Édiacarien, suite aux glaciations néoprotérozoïques dans le bloc occidental du Gondwana, l'océan était stratifié en zones spécifiques d'eaux riches en sulfures et dépourvues d'oxygène (euxiniques). L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Les excursions isotopiques (tendance à des valeurs positives ou négatives) en constante fluctuation pour le carbone et très positives pour le soufre des sulfures, l'enrichissement en éléments trace et la présence de certains composés (e.g. gammacerane; Pr/Ph et Ph/«-Ci8 en basse proportion) conjugués aux observations sédimentologiques et paléontologiques des différents profils étudiés indiquent que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, avec des eaux modérément oxygénées en surface et euxiniques en profondeur pour la plupart du Néoprotérozoïque.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.