Stable O and H isotopic composition of hydrous minerals as proxies for paleoclimate and -topography : application to the European Alps

The isotopie composition of clay minerals can be used to gain information on paleoaltitude, -topography and -climate during the time of their formation, as they form in isotopie equilibrium with ambient water, which has an isotopie composition that is determined by previous rain-out. In this thesis, the usability of this approach is evaluated for sample material from both the North Alpine Foreland Basin and internal parts of the European Alps. The isotopie composition of precipitation is determined by the air temperature and the extent of previous rain-out, which in turn is affected by the distance to the point of origin of the water vapor and the condensation conditions. An orographic barrier leads to uplift and adiabatic cooling of air masses and thereby enhances rainfall with a characteristic depletion in heavy 0 and H isotopes. Processes such as evaporation and mixing of water with different origin affect the isotopie composition further on the surface. Clay minerals are hydrous phyllosilicates that can form during weathering or pedogenesis in isotopie equilibrium with the present water and inherit its isotopie composition with a characteristic fractionation. If their isotopie composition was preserved after formation and the necessary parameters are known, it is possible to calculate the isotopie composition of the ambient water and thereby reconstruct climatic and topographic conditions during their formation. Due to the hygroscopic behavior of the sample material, analytical procedures needed to be modified to allow an analysis of the oxygen and hydrogen isotopie composition of the hydroxyl water built into their crystal structure and not the one of recently adsorbed water. In order to determine typical 5lsO and 8D values of meteoric water and minerals in the weathering environment in high Alpine regions, samples of surface water and soils from the valley of Visp in the Swiss Alps were studied that were collected along a transect with varying altitudes and host rock lithologies. The actual aim to attempt the reconstruction of Alpine paleoelevations was addressed by the analysis of sediments deposited under marine and terrestrial conditions during the Miocene and Oligocene, which were sampled from different locations in Switzerland, Germany and Austria. Further bentonite and fault gouge clay samples were used as reference material from low and high elevations. Results show that the isotopie composition of clay minerals can be influenced by several factors, such as the mode and site of their formation, possible isotope exchange (which is evident for 8D values), the samples' mineral composition (such as the presence of detrital material) and the deposition environment. With a consideration of these parameters and limitation to certain sample material, conclusions are drawn on the isotopie composition of the water from which the clay minerals formed. Most of the obtained values lie in the same range as has been reported in literature for foreland precipitation. The reconstruction of paleoelevation might be possible for selected sites with a geographical setting close to the Alpine chain or for intramontane basins. - La composition isotopique des argiles, qui se forment typiquement en contact avec des eaux superficielles, peut être utilisée pour obtenir des informations sur la paléoaltitude, la paléotopographie et le paléoclimat pendant leur création. La composition en isotopes stable (oxygène et hydrogène) des eaux de pluie est déterminée par l'altitude, la température, la distance depuis le lieu d'évaporation et par le taux de précipitation. Certains processus comme l'évaporation, l'interaction avec des minéraux et le mélange d'eaux d'origines variées peuvent aussi changer la composition des eaux de surface. Les argiles sont des pliyllosilicates hydratés qui sont crées par l'altération des roches au contact de ces eaux de surface et ils acquièrent une composition isotopique qui est soumise à un certain fractionnement. L'objectif de cette thèse est d'évaluer si l'effet de l'altitude des Alpes, est détectable dans la composition isotopique des sédiments du bassin d'avant-pavs pendant le Miocène. Après avoir établi la procédure analytique, des compositions isotopiques typiques de régions de hautes altitudes ont été determine sur les eaux de surfaces (rivières) et sur des échantillons de sols, le long d'une coupe dans la valée de Visp, dans les Alpes Suisses. Une reconstruction des paléoaltitudes Miocènes Alpines a ensuite été mené par l'analyse de sédiments marins et terrestres en utilisant des échantillons d'âges variés et provenant de Suisse, d'Allemagne et d'Autriche. Les résultats montrent que la composition isotopique des échantillons est impactée par de multiples facteurs, tels que le mode de et le lieu de formation. un possible échange isotopique tardif (surtout pour 5D). leur composition minéralogique et l'environnement de leur sédimentation. Après un examen prudent de ces paramètres, et en se limitant à un certain assortiment d'échatillons, on peut tirer des conclusions sur la composition isotopique des eaux originelles pour en déduire l'effet du climat et de la topographie.

Full-waveform inversion of cross-hole ground-penetrating radar data to characterize a gravel aquifer close to the Thur River, Switzerland

Cross-hole radar tomography is a useful tool for mapping shallow subsurface electrical properties viz. dielectric permittivity and electrical conductivity. Common practice is to invert cross-hole radar data with ray-based tomographic algorithms using first arrival traveltimes and first cycle amplitudes. However, the resolution of conventional standard ray-based inversion schemes for cross-hole ground-penetrating radar (GPR) is limited because only a fraction of the information contained in the radar data is used. The resolution can be improved significantly by using a full-waveform inversion that considers the entire waveform, or significant parts thereof. A recently developed 2D time-domain vectorial full-waveform crosshole radar inversion code has been modified in the present study by allowing optimized acquisition setups that reduce the acquisition time and computational costs significantly. This is achieved by minimizing the number of transmitter points and maximizing the number of receiver positions. The improved algorithm was employed to invert cross-hole GPR data acquired within a gravel aquifer (4-10 m depth) in the Thur valley, Switzerland. The simulated traces of the final model obtained by the full-waveform inversion fit the observed traces very well in the lower part of the section and reasonably well in the upper part of the section. Compared to the ray-based inversion, the results from the full-waveform inversion show significantly higher resolution images. At either side, 2.5 m distance away from the cross-hole plane, borehole logs were acquired. There is a good correspondence between the conductivity tomograms and the natural gamma logs at the boundary of the gravel layer and the underlying lacustrine clay deposits. Using existing petrophysical models, the inversion results and neutron-neutron logs are converted to porosity. Without any additional calibration, the values obtained for the converted neutron-neutron logs and permittivity results are very close and similar vertical variations can be observed. The full-waveform inversion provides in both cases additional information about the subsurface. Due to the presence of the water table and associated refracted/reflected waves, the upper traces are not well fitted and the upper 2 m in the permittivity and conductivity tomograms are not reliably reconstructed because the unsaturated zone is not incorporated into the inversion domain.

Long-term and long range migration of radioisotopes in terrestrial systems : mechanisms of radioisotopes (Cs, Sr, Pu, Am) mobilization in soils

Summary Artificial radionuclides were released in the environment during the atmospheric nuclear weapon tests and after accidental events involving nuclear industries. As a primary receptor of the deposition, the soil is a very sensitive compartment and understanding the interaction and migration of radionuclides within soils allows the development of scenario for the contamination risk of the population and of the environment. Most available field studies on radionuclides in soils only concern one or two isotopes, mostly 137Cs, and few physico-chemical soil parameters. The purpose of this study was a broader understanding of the radioecology of an Alpine valley. In a first part, we aimed to describe the depth distribution of 137Cs, 90Sr, 239+240Pu, and 241Am within different alpine soils and to identify some stable elements as indicators for accumulating layers. In the central part of the study, the goal was to investigate the repartition of ^Sr and 239Pu between the truly dissolved fraction and the colloidal fraction of the soil solutions and to identify the nature of colloids involved in the adsorption of ^Sr and 239Pu. These results were integrated in an "advection- sorption" transport model seeking to explain the migration of 239Pu and 90Sr within the soils and to assess the importance of colloidal transport for these two isotopes. A further aspect studied was the role of the competition between the radioisotopes (137Cs and 90Sr) and their stable chemical analogues (K and Ca) with respect to plant uptake by different plant species. The results on the depth distribution within the soils showed that 137Cs was mostly retained in the topsoil, to the exception of an organic-rich soil (Histosol 2) receiving important surface runoff, where migration down to a depth of 30 cm was observed. 137Cs depth distribution within the soils was similar to unsupported 210Pb depth distribution. The plant uptake of 137Cs clearly depended on the concentration of exchangeable potassium in the soils. Moreover, we showed that the 137Cs uptake by certain species of the taxonomic orders Poales and Rosales was more sensitive to the increase in exchangeable Κ compared to other orders. Strontium-90 was much more mobile in the soils than 137Cs and depth migration and accumulation in specific AI- and Fe-rich layers were found down to 30 cm. Copper and Ni showed accumulations in these same layers, indicating their potential to be used as indicators for the migration of ^Sr within the soils. In addition, we observed a 90Sr activity peak in the topsoil that can be attributable to recycling of 90Sr by plant uptake. We demonstrated for the first time that a part of 90Sr (at least 40%) was associated with the colloids in organic-rich soil solutions. Therefore, we predict a significant effect of the colloidal migration of ^Sr in organic-rich soil solutions. The plant uptake results for 90Sr indicated a phylogenetic effect between Non-Eudicot and Eudicots: the order Poales concentrating much less 90Sr than Eudicots do. Moreover, we were able to demonstrate that the sensitivity of the 90Sr uptake by 5 different Alpine plant species to the amount of exchangeable Ca was species-independent. Plutonium and 241Am accumulated in the second layer of all soils and only a slight migration deeper than 20 cm was observed. Plutonium and 241Am showed a similar depth distribution in the soils. The model results suggested that the present day migration of 239Pu was very slow and that the uptake by plants was negligible. 239Pu activities between 0.01 to 0.08 mBq/L were measured in the bulk soil solutions. Migration of 239Pu with the soil solution is dominated by colloidal transport. We reported strong evidences that humic substances were responsible of the sorption of 239Pu to the colloidal fraction of the soil solutions. This was reflected by the strong correlation between 239Pu concentrations and the content of (colloidal) organic matter in the soil solution. Résumé Certains radioéléments artificiels ont été disséminés dans l'environnement suite aux essais atmosphériques de bombes nucléaires et suite à des accidents impliquant les industries nucléaires. En tant que récepteur primaire de la déposition, le sol est un compartiment sensible et des connaissances sur les interactions et la migration des radioéléments dans le sol permettent de développer des modèles pour estimer la contamination de la population et de l'environnement. Actuellement, la plupart des études de terrain sur ce sujet concernent uniquement un ou deux radioéléments, surtout le 137Cs et peu d'études intègrent les paramètres du sol pour expliquer la migration des radioéléments. Le but général de cette étude était une compréhension étendue de la radio-écologie d'une vallée alpine. Notre premier objectif était de décrire la distribution en profondeur de 137Cs, ^Sr, 239+240pu et 241Am dans différents sols alpins en relation avec des éléments stables du sol, dans le but d'identifier des éléments stables qui pourraient servir d'indicateurs pour des horizons accumulateurs. L'objectif de la deuxième partie, qui était la partie centrale de l'étude, était d'estimer le pourcentage d'activité sous forme colloïdale du 239Pu et du 90Sr dans les solutions des sols. De plus nous avons déterminé la nature des colloïdes impliqués dans la fixation du ^Sr et 239Pu. Nous avons ensuite intégré ces résultats dans un modèle de transport développé dans le but de décrire la migration du 239Pu et 90Sr dans le sol. Finalement, nous avons étudié l'absorption de 137Cs et 90Sr par les plantes en fonction de l'espèce et de la compétition avec leur élément analogue stable (K et Ca). Les résultats sur la migration en profondeur du 137Cs ont montré que ce radioélément était généralement retenu en surface, à l'exception d'un sol riche en matière organique dans lequel nous avons observé une nette migration en profondeur. Dans tous les sols, la distribution en profondeur du 137Cs était corrélée avec la distribution du 210Pb. L'absorption du 137Cs par les plantes, était dépendante de la concentration en Κ échangeable dans le sol, le potassium étant un compétiteur. De plus, nous avons observé que les espèces ne réagissaient pas de la même manière aux variations de la concentration de Κ échangeable. En effet, les espèces appartenant aux ordres des Poales et des Rosales étaient plus sensibles aux variations de potassium échangeable dans le sol. Dans tous les sols Le 90Sr était beaucoup plus mobile que le 137Cs. En effet, nous avons observé des accumulations de 90Sr dans des horizons riches en Fe et Al jusqu'à 30 cm de profondeur. De plus, le Cu et le Ni montraient des accumulations dans les mêmes horizons que le 90Sr, indiquant qu'il pourrait être possible d'utiliser ces deux éléments comme analogues pour la migration du 90Sr. D'après le modèle développé, le pic de 90Sr dans les premiers centimètres du sol peut être attribué à du recyclage par les plantes. Le 90Sr en solution était principalement sous forme dissoute dans des solutions de sols peu organique (entre 60 et 100% de 90Sr dissous). Par contre, dans des solutions organiques, un important pourcentage de 90Sr (plus de 40%) était associé aux colloïdes. La migration colloïdale du 90Sr peut donc être significative dans des solutions organiques. Comme pour le 137Cs, l'absorption du 90Sr par les plantes dépendait de la concentration de son analogue chimique dans la fraction échangeable du sol. Par contre, les espèces de plantes étudiées avaient la même sensibilité aux variations de la concentration du calcium échangeable. Le plutonium et l'américium étaient accumulés dans le deuxième horizon du sol et nous avons observé seulement une faible migration plus profondément que 20 cm. Selon le modèle, la migration actuelle du plutonium est très lente et l'absorption par les plantes semble négligeable. Nous avons mesuré entre 0.01 et 0.08 mBq/L de 239Pu dans les solutions de sol brutes. La migration du plutonium par la solution du sol est due principalement aux colloïdes, probablement de nature humique. Résumé grand public Dans les années 1950 à 1960, l'environnement a été contaminé par des éléments radioactifs (radioéléments) artificiels provenant des essais des armes atomiques et de l'industrie nucléaire. En effet, durant ces années, les premiers essais de bombes atomiques se faisaient dans l'atmosphère, libérant de grandes quantités d'éléments radioactifs. De plus certains accidents impliquant l'industrie nucléaire civile ont contribué à la dissémination d'éléments radioactifs dans l'environnement. Ce fut par exemple le cas de l'accident de la centrale atomique de Tchernobyl en 1986 qui a causé une importante contamination d'une grande partie de l'Europe par le 137Cs. Lorsqu'ils sont libérés dans l'atmosphère, les radioéléments sont dispersés et transportés par les courants atmosphériques, puis peuvent être déposés dans l'environnement, principalement par les précipitations. Une fois déposés sur le sol, les radioéléments vont interagir avec les composants du sol et migrer plus ou moins vite. La connaissance des interactions des éléments radioactifs avec le sol est donc importante pour prédire les risques de contamination de l'environnement et de l'homme. Le but général de ce travail était d'évaluer la migration de différents éléments radioactifs (césium-137, strontium-90, plutonium et américium-241) à travers le sol. Nous avons choisi un site d'étude en milieu alpin (Val Piora, Tessin, Suisse), contaminé en radioéléments principalement par les retombées de l'accident de Tchernobyl et des essais atmosphériques de bombes atomiques. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la distribution en profondeur des éléments radioactifs dans le sol et l'avons comparée à divers éléments stables. Cette comparaison nous a permit de remarquer que le cuivre et le nickel s'accumulaient dans les mêmes horizons du sol que le strontium-90 et pourraient donc être utilisés comme analogue pour la migration du strontium-90 dans les sols. Dans la plupart des sols étudiés, la migration du césium-137, du plutonium et de l'américium-241 était lente et ces radioéléments étaient donc accumulés dans les premiers centimètres du sol. Par contre, le strontium-90 a migré beaucoup plus rapidement que les autres radioéléments si bien qu'on observe des accumulations de strontium-90 à plus de 30 cm de profondeur. Les radioéléments migrent dans la solution du sol soit sous forme dissoute, soit sous forme colloïdale, c'est-à-dire associés à des particules de diamètre < Ιμηι. Cette association avec des colloïdes permet à des radioéléments peu solubles, comme le plutonium, de migrer plus rapidement qu'attendu. Nous avons voulu savoir quelle était la part de strontium-90 et plutonium associés à des colloïdes dans la solution du sol. Les résultats ont montré que le plutonium en solution était principalement associé à des colloïdes de type organique. Quant au strontium-90, ce dernier était en partie associé à des colloïdes dans des solutions de sol riches en matière organique, par contre, il était principalement sous forme dissoute dans les solutions de sol peu organiques. L'absorption de radioéléments par les plantes représente une voie importante pour le transfert vers la chaîne alimentaire, par conséquent pour la contamination de l'homme. Nous avons donc étudié le transfert du césium-137 et du strontium-90 de plusieurs sols vers différentes espèces de plantes. Les résultats ont montré que l'absorption des radioéléments par les plantes était liée à la concentration de leur analogue chimique (calcium pour le strontium-90 et potassium pour le césium- 137) dans la fraction échangeable du sol. De plus certaines espèces de plantes accumulent significativement moins de strontium-90.

Atmospheric deposition and migration of artificial radionuclides in Alpine soils (Val Piora, Switzerland) compared to the distribution of selected major and trace elements.

Artificial radionuclides ((137)Cs, (90)Sr, Pu, and (241)Am) are present in soils because of Nuclear Weapon Tests and accidents in nuclear facilities. Their distribution in soil depth varies according to soil characteristics, their own chemical properties, and their deposition history. For this project, we studied the atmospheric deposition of (137)Cs, (90)Sr, Pu, (241)Am, (210)Pb, and stable Pb. We compared the distribution of these elements in soil profiles from different soil types from an alpine Valley (Val Piora, Switzerland) with the distribution of selected major and trace elements in the same soils. Our goals were to explain the distribution of the radioisotopes as a function of soil parameters and to identify stable elements with analogous behaviors. We found that Pu and (241)Am are relatively immobile and accumulate in the topsoil. In all soils, (90)Sr is more mobile and shows some accumulations at depth into Fe-Al rich horizons. This behavior is also observed for Cu and Zn, indicating that these elements may be used as chemical analogues for the migration of (90)Sr into the soil.

Sioux City's Grand Avenue Viaduct, 1936-2010

For almost 75 years, the Grand Avenue Viaduct (known today as the Gordon Drive Viaduct) has been a familiar feature of Sioux City's urban landscape. With the exception of bridges over the Mississippi River, the Grand Avenue Viaduct is Iowa's longest grade separation as well as its longest bridge. For nearly a mile, from the eastern suburbs west to the central business district, the viaduct carries Gordon Drive and the city route of U.S. 20 over the Floyd River valley, which includes the remnants of the city's famed stockyards and the South Bottoms neighborhood, as well as a maze of railroad tracks and the present channel of the Floyd River. Constructed in 1937 and known simply as "The Viaduct" to local residents, the massive structure is as fundamental to Sioux City as were its stockyards just a few decades ago.

Missouri River Studies: Alluvial Morphology and Engineering Soil Classification, HR-1, Progress Report, 1960

The primary purposes of this investigation are: 1) To delineate flood plain deposits with different geologic and engineering properties. 2) To provide basic data necessary for any attempt at stabilizing flood plain deposits. The alluvial valley of the Missouri River adjacent to Iowa was chosen as the logical place to begin this study. The river forms the western boundary of the state for an airline distance of approximately 139 miles; and the flood plain varies from a maximum width of approximately 18 miles (Plates 2 and 3, Sheets 75 and 75L) to approximately 4 miles near Crescent, Iowa (Plate 8, Sheet 66). The area studied includes parts of Woodbury, Monona, Harrison, Pottawattamie, Mills, and Fremont counties in Iowa and parts of Dakota, Thurston, Burt, Washington, Douglas, Sarpy, Cass and Otoe counties in Nebraska. Plate l is an index map of the area under consideration.

La psicogeografía cultural del desarrollo humano

El objetivo del artículo es presentar las bases teóricas y conceptuales de una disciplina a medio camino entre la psicología, la geografía y la antropología: la “psicogeografía cultural del desarrollo humano” (PCDH). Entendiendo por PCDH el estudio del desarrollo psicológico humano dentro de ciertas “geografías vitales y psicológicas” como un río, montaña o valle; una institución social como la escuela o la familia; ciertos artefactos como una bandera, un libro o un mapa; ideologías como el nacionalismo o liberalismo; relaciones sociales entre, por ejemplo, padre e hijo y ciertas actividades realizadas

Alteraciones biológicas de la madera: el estudio de los materiales constructivos del yacimiento de Pleta de l'Estall Serrer (Valle del Madriu, Andorra)

El análisis antracológico, dendrológico y tafonómico de tres estructuras pastoriles de época moderna del yacimiento de Pleta de l’Estall Serrer (valle delMadriu, Andorra) situado a 1.980mde altitud, nosmuestra una presencia casi absoluta del pino tipo negro y la presencia puntual de taxones arbustivos como las ericáceas. Se trata de especies típicas en un bosque subalpino de pino negro. La presencia casi absoluta del pino, nos ha permitido observar diferentes alteraciones de la madera que nos han proporcionado una gran información sobre el uso de la madera, sobre todo las alteraciones por microorganismos. Hemos podido distinguir varios tipos de alteraciones causadas tanto por insectos xilófagos e hifas de hongos. Además, hemos identificado algunos individuos de termitas subterráneas tanto vivas como carbonizadas. Las primeras son termitas que atacan la madera arqueológica durante los procesos postdeposicionales y las termitas carbonizadas seguramente fueron la causa del deterioro de las estructuras y su posterior destrucción a través de su incendio.