Phosphorus and carbon burial during cretaceous oceanic anoxic events, links with climatic changes

According to Jenkyns (2010), oceanic anoxic events (OAE) record profound changes in the climatic and paleoceanographic state of the planet and represent major disturbances in the global carbon cycle. One of the most studied OAEs on a worldwide scale is the Cenomanian-Turonian OAE 2, which is characterized by a pronounced positive excursion in carbon-isotope records and the important accumulation of organic-rich sediments. The section at Gongzha (Tibet) and the sections at Barranca and Axaxacualco (Mexico) are located in remote parts of the Tethys, and show δ13C records, which are well correlated with those of classical Tethyan sections. Both sections, however, do not exhibit the presence of organic-rich sediments. Phosphorus Mass Accumulation Rates (PMAR) in Tibet show a pattern similar to that observed in the Tethys by Mort et al. (2007), which suggests enhanced Ρ regeneration during the OAE 2 time interval, though there is no evidence for anoxic conditions in Tibet. Ρ appears here to have been mainly driven by detrital influx and sea-level fluctuations. The sections at Barranca and Axaxacualco show that the Mexican carbonate platform persisted during this anoxic event, which allowed the evolution of platform fauna otherwise not present in Tethyan sections. The persistence of this carbonate platform close to the Caribbean Igneous Plateau, which is thought to have released bio-limiting metals, is explained by local uplift which delayed the drowning of the platform and a specific oceanic circulation that permitted the preservation of oligotrophic conditions in the area. The Coniacian-Santonian OAE (OAE3) appears to have been more dependent on local conditions than OAE2. The presence of black shales associated with OAE3 appear to have been restricted to shallow-water settings and epicontinental seas in areas located around the Atlantic Ocean. The sections at Olazagutia (Spain), and Ten Mile - Arbor Park (USA), two potential Global Boundary Stratotype Sections and Points (GSSP) sites, are devoid of organic-rich sediments and lack a δ13C positive excursion around the C-S boundary. The Gabal Ekma section (Sinai, Egypt) exhibits accumulations of organic-rich sediments, in addition to phosphorite bone beds layers, which may have been linked to an epicontinental upwelling zone and/or storm inputs. Our data suggest that OAE 3 is rarely expressed by truly anoxic conditions and seems to have been linked to local conditions rather than global paleoenvironmental change. The evidence for detrital-P being the likely cause of Ρ fluctuations during the OAEs studied here does not negate the idea that anoxia was the principal driver of these fluctuations in the western Tethys. However, an explanation is required as to why the Ρ accumulation signatures are mirrored in both oxic and anoxic sedimentary successions. 'Eustatic/climatic' and 'productivity/anoxic' models may have both operated simultaneously in different parts of the world depending on local conditions, both producing similar trends in Ρ accumulation. - Selon Jenkyns (2010), les événements anoxiques océaniques enregistrent de profonds changements dans le climat et la paléoceanographie de la planète et représente des perturbations majeures du cycle du carbone. L'un des plus étudiés à l'échelle mondiale est l'ΟΑΕ2 du Cénomanien-Turonien, qui est caractérisé par une très forte excursion positive des isotopes du carbone et une importante accumulation de sédiments riche en matière organique. La section de Gongzha (Tibet) et les sections de Barranca et Axaxcualco (Mexique) sont situées aux confins de la Téthys, et enregistrent une courbe isotopique en δ13C parfaitement corrélable avec les sections téthysiennes, mais ne montre pas d'accumulation de black shales. Le taux de phosphore en accumulation de masses (PMAR) au Tibet montre un pattern similaire observé également par Mort et al. (2007) dans la Téthys, suggérant un model de régénération du Ρ durant l'anoxie, cependant aucune conditions anoxiques régnent dans la région du Tibet. Ρ apparaît donc principalement guidé par le détritisme et les fluctuations du niveau marin. Les sections de Barranca et d'Axaxacualco montrent que la plateforme carbonatée mexicaine persiste durant cet événement anoxique, et permet le développement d'une faune de plateforme qui n'est pas présente dans les sections téthysiennes. La persistance de cette plateforme carbonatée si proche du plateau Caribéen, qui est connu pour le relâchement de métaux bio-limitant, peut être expliqué par un soulèvement tectonique local qui inhibe l'ennoiement de la plateforme et une circulation océanique spécifique qui permet la préservation de conditions oligotrophiques dans cette région. L'événement anoxique océanique du Coniacien-Santonien apparaît plus dépendant des conditions locales que pour l'ΟΑΕ2. Les black shales associés à POAE3 sont restreints aux zones situées autour de l'océan Atlantique et plus particulièrement aux eaux peu profondes et épicontinentales. Les sections d'Olazagutia (Espagne), Ten Mile Creek et Arbor Park (USA), qui sont deux potentielles sections GSSP (Sections de stratotype de limite globaux et de points), ne montre pas d'accumulation de black shales et pas de forte excursion positive en δ13C autour de la limite C-S. La section de Gabal Ekma (Sinai, Egypte) montre des accumulations de black shales, en plus des couches de phosphorites et d'accumulation d'os (« bone beds »), vraisemblablement lié à des zones active d'upwelling épicontinentale et/ou d'apport de tempêtes. Nos données suggèrent que l'OAE 3 est rarement exprimé par de vraies conditions anoxiques et semble être plus lié à des conditions plus locales que des changements paléo-environnementaux globaux, comme observés pour le Cénomanien- Turonien. Les arguments pour un modèle lié au phosphore détritique qui serait la cause des fluctuations du phosphore total durant les OAEs, n'écartent pas l'idée que l'anoxie est la principale cause de ces fluctuations dans les sections riches en matière organique de l'Ouest téthysien. Cependant une explication est nécessaire pour comprendre pourquoi la signature de l'accumulation du phosphore est semblable dans les successions sédimentaires déposées dans des conditions oxygénées et anoxiques. Les modèles « Eustatisme/Climat » et « Productivité/anoxie » ont simultanément opéré dans les différentes parties du monde dépendant de conditions locales, et ont produit des tendances similaires en accumulation de phosphore.

Calcareous plankton biostratigraphy and 40Ar /39Ar dating of miocene volcaniclastic layers from Monferrato (NW Italy)

The results of Ar-40/Ar-39 dating integrated with calcareous plankton biostratigraphical data performed on two volcaniclastic layers (VLs) interbedded in Burdigalian to Lower Langhian outer shelf carbonate sediments cropping out in Monferrato (NW Italy) are presented. The investigated VLs, named Villadeati and Varengo, are thick sedimentary bodies with scarce lateral continuity. They are composed of prevalent volcanogenic material (about 87 up to 90% by volume) consisting of glass shards and volcanic phenocrysts (plagioclase, biotite, quartz, amphibole, sanidine and magnetite) and minor extrabasinal and intrabasinal components. On the basis of their composition and sedimentological features, the VLs have been interpreted as distal shelf turbidites deposited below storm wave base. However, compositional characteristics evidence the rapid resedimentation of the volcanic detritus after its primary deposition and hence the VL sediments can be considered penecontemporaneous to the encasing deposits. Biostratigraphical analyses were carried out on the basis of a quantitative study of calcareous nannofossil and planktonic foraminifer associations, whilst Ar-40/Ar-39 dating were performed on biotite at Villadeati and on homeblende at Varengo. The data resulting from the Villadeati section have permitted to estimate an age of 18.7 +/- 0.1 Ma for the last common occurrence (LCO) of Sphenolithus belemnos whereas those from Varengo allowed to extrapolate an age of 16.4 Ma +/-0.1 Ma for the first occurrence (FO) of Praeorbulina sicana. This latter biovent is commonly used to approximate the base of the Langhian stage, that corresponds to the Early-Middle Miocene boundary.

Étude des sédiments quaternaires, de la molasse et sa tectonique, dans le Grand Lac (Léman) à partir de données sismiques 2D et 3D

RESUME L'Institut de Géophysique de l'Université de Lausanne a développé au cours de ces dernières années un système d'acquisition de sismique réflexion multitrace à haute résolution 2D et 3D. L'objectif de cette thèse était de poursuivre ce développement tout améliorant les connaissances de la géologie sous le lac Léman, en étudiant en particulier la configuration des grands accidents sous-lacustres dans la Molasse (Tertiaire) qui forme l'essentiel du substratum des formations quaternaires. En configuration 2D, notre système permet d'acquérir des profils sismiques avec une distance inter-CDP de 1,25 m. La couverture varie entre 6 et 18 selon le nombre de traces et la distance inter-tir. Le canon à air (15/15 eu. in.), offre une résolution verticale de 1,25 ni et une pénétration maximale de 300 m sous le fond de l'eau. Nous avons acquis au total plus de 400 km de sections 2D dans le Grand Lac et le Haut Lac entre octobre 2000 et juillet 2004. Une campagne de sismique 3D a fourni des données au large d'Evian sur une surface de 442,5 m sur 1450 m, soit 0,64 km2. La navigation ainsi que le positionnement des hydrophones et de la source ont été réalisés avec des GPS différentiels. Nous avons utilisé un traitement sismique conventionnel, sans appliquer d'AGC et en utilisant une migration post-stack. L'interprétation du substratum antéquaternaire est basée sur l'identification des sismofaciès, sur leurs relations avec les unités géologiques adjacentes au lac, ainsi que sur quelques données de forages. Nous obtenons ainsi une carte des unités géologiques dans le Grand Lac. Nous précisons la position du chevauchement subalpin entre la ville de Lausanne, sur la rive nord, et le bassin de Sciez, sur la rive sud. Dans la Molasse de Plateau, nous avons identifié les décrochements de Pontarlier et de St. Cergue ainsi que plusieurs failles non reconnues jusqu'ici. Nous avons cartographié les accidents qui affectent la Molasse subalpine ainsi que le plan de chevauchement du flysch sur la Molasse près de la rive sud du lac. Une nouvelle carte tectonique de la région lémanique a ainsi pu être dressée. L'analyse du substratum ne montre pas de failles suggérant une origine tectonique de la cuvette lémanique. Par contre, nous suggérons que la forme du creusement glaciaire, donc de la forme du lac Léman, a été influencée par la présence de failles dans le substratum antéquaternaire. L'analyse des sédiments quaternaires nous a permis de tracer des cartes des différentes interfaces ou unités qui les composent. La carte du toit du substratum antéquaternaire montre la présence de chenaux d'origine glaciaire dont la profondeur maximale atteint la cote -200 ni. Leur pente est dirigée vers le nord-est, à l'inverse du sens d'écoulement actuel des eaux. Nous expliquons cette observation par l'existence de circulations sous-glaciaires d'eau artésienne. Les sédiments glaciaires dont l'épaisseur maximale atteint 150 ni au centre du lac ont enregistré les différentes récurrences glaciaires. Dans la zone d'Evian, nous mettons en évidence la présence de lentilles de sédiments glaciolacustres perchées sur le flanc de la cuvette lémanique. Nous avons corrélé ces unités avec des données de forage et concluons qu'il s'agit du complexe inférieur de la pile sédimentaire d'Evian. Celui-ci, âgé de plus de 30 000 ans, serait un dépôt de Kame associé à un lac périglaciaire. La sismique réflexion 3D permet de préciser l'orientation de l'alimentation en matériel détritique de l'unité. La finesse des images obtenues nous permet également d'établir quels types d'érosion ont affecté certaines unités. Les sédiments lacustres, dont l'épaisseur maximale imagée atteint plus de 225 m et sans doute 400 ni sous le delta du Rhône, indiquent plusieurs mécanismes de dépôts. A la base, une mégaturbidite, épaisse d'une trentaine de mètres en moyenne, s'étend entre l'embouchure de la Dranse et le delta du Rhône. Au-dessus, la décantation des particules en suspension d'origine biologique et détritique fournit l'essentiel des sédiments. Dans la partie orientale du lac, les apports détritiques du Rhône forment un delta qui prograde vers l'ouest en s'imbriquant avec les sédiments déposés par décantation. La structure superficielle du delta a brutalement évolué, probablement à la suite de l'évènement catastrophique du Tauredunum (563 A.D.). Sa trace probable se marque par la présence d'une surface érosive que nous avons cartographiée. Le delta a ensuite changé de géométrie, avec notamment un déplacement des chenaux sous-lacustres. Sur l'ensemble de nos sections sismiques, nous n'observons aucune faille dans les sédiments quaternaires qui attesterait d'une tectonique postglaciaire du substratum. ABSTRACT During the last few years the institute of Geophysics of the University of Lausanne cleveloped a 2D and 3D high-resolution multichannel seismic reflection acquisition system. The objective of the present work was to carry on this development white improving our knowledge of the geology under Lake Geneva, in particular by studying the configuration of the large accidents affecting the Tertiary Molasse that makes up the basement of most Quaternary deposits. In its 2D configuration, our system makes it possible to acquire seismic profiles with a CDP interval of 1.25 m. The fold varies from 6 to 18 depending on the number of traces and the shooting interval. Our air gun (15/15 cu. in.) provides a vertical resolution of 1.25 m and a maximum penetration depth of approximately 300 m under water bottom. We acquired more than 400 km of 2D sections in the Grand Lac and the Haut Lac between October 2000 and July 2004. A 3D seismic survey off the city of Evian provided data on a surface of 442.5 m x 1450 m (0.64 km2). Ship's navigation as well as hydrophone- and source positioning were carried out with differential GPS. The seismic data were processed following a conventional sequence without .applying AGC and using post-stack migration. The interpretation of the pre-Quaternary substratum is based on sismofacies, on their relationships with terrestrial geological units and on some borehole data. We thus obtained a map of the geological units in the Grand Lac. We defined the location of the subalpine thrust from Lausanne, on the north shore, to the Sciez Basin, on the south shore. Within the Molasse de Plateau, we identified the already know Pontarlier and St Cergue transforms Fault as well as faults. We mapped faults that affect subalpine Molasse as well as the thrust fault plane between alpine flysch and Molasse near the lake's south shore. A new tectonic map of the Lake Geneva region could thus be drawn up. The substratum does not show faults indicating a tectonic origin for the Lake Geneva Basin. However, we suggest that the orientation of glacial erosion, and thus the shape of Lake Geneva, vas influenced by the presence of faults in the pre-Quaternary basement. The analysis of Quaternary sediments enabled us to draw up maps of various discontinuities or internal units. The top pre-Quaternary basement map shows channels of glacial origin, the deepest of them reaching an altitude of 200 m a.s.l. The channel's slopes are directed to the North-East, in opposite direction of the present water flow. We explain this observation by the presence of artesian subglacial water circulation. Glacial sediments, the maximum thickness of which reaches 150 m in the central part of the lake, record several glacial recurrences. In the Evian area, we found lenses of glacio-lacustrine sediments set high up on the flank of the Lake Geneva Bassin. We correlated these units with on-land borehole data and concluded that they represent the lower complex of the Evian sedimentary pile. The lower complex is aider than 30 000 years, and it could be a Kame deposit associated with a periglacial lake. Our 3D seismic reflexion survey enables us to specify the supply direction of detrital material in this unit. With detailed seismic images we established how some units were affected by different erosion types. The lacustrine sediments we imaged in Lake Geneva are thicker than 225 m and 400 m or more Linder the Rhone Delta. They indicate several depositional mechanisms. Their base is a major turbidite, thirty meters thick on average, that spreads between the Dranse mouth and the Rhone delta. Above this unit, settling of suspended biological and detrital particles provides most of the sediments. In the eastern part of the lake, detrital contribution from the Rhone builds a delta that progrades to the west and imbricates with the settling sediments. The shallow structure of the Rhone delta abruptly evolved, probably after the catastrophic Tauredunum event (563 A.D.). It probably coincides with an erosive surface that we mapped. As a result, the delta geometry changed, in particular associated with a displacement of water bottom channels. In all our seismic sections, we do not observe fault in the Quaternary sediments that would attest postglacial tectonic activity in the basement.

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.

Impact of controlled changes in grain size and pore space characteristics on the hydraulic conductivity and spectral induced polarization response of "proxies" of saturated alluvial sediments

Understanding the influence of pore space characteristics on the hydraulic conductivity and spectral induced polarization (SIP) response is critical for establishing relationships between the electrical and hydrological properties of surficial unconsolidated sedimentary deposits, which host the bulk of the world's readily accessible groundwater resources. Here, we present the results of laboratory SIP measurements on industrial-grade, saturated quartz samples with granulometric characteristics ranging from fine sand to fine gravel, which can be regarded as proxies for widespread alluvial deposits. We altered the pore space characteristics by changing (i) the grain size spectra, (ii) the degree of compaction, and (iii) the level of sorting. We then examined how these changes affect the SIP response, the hydraulic conductivity, and the specific surface area of the considered samples. In general, the results indicate a clear connection between the SIP response and the granulometric as well as pore space characteristics. In particular, we observe a systematic correlation between the hydraulic conductivity and the relaxation time of the Cole-Cole model describing the observed SIP effect for the entire range of considered grain sizes. The results do, however, also indicate that the detailed nature of these relations depends strongly on variations in the pore space characteristics, such as, for example, the degree of compaction. The results of this study underline the complexity of the origin of the SIP signal as well as the difficulty to relate it to a single structural factor of a studied sample, and hence raise some fundamental questions with regard to the practical use of SIP measurements as site- and/or sample-independent predictors of the hydraulic conductivity.

Paleohydrological Reconstruction from Late Holocene Records in Interdune Lakes (N'Guigmi, Northern Bank of the Lake Chad, Niger)

An old erg covers the northern part of the Lake Chad basin. This dune landform allowed the formation of many inter- dune ponds of various sizes. Still present in certain zones where the groundwater level is high (e.g. Kanem, southern Manga), these ponds formed in the past a vast network of lacustrine microsystems, as shown by the nature and the dis- tribution of their deposits. In the Manga, these interdune deposits represent the main sedimentary records of the Holo- cene environmental succession. Their paleobiological (pollens, diatoms, ostracods) and geochemical (δ18O, δ13C, Sr/ Ca) contents are often the basis for paleoenvironmental reconstruction. On the other hand, their sedimentological char- acters are rarely exploited. This study of palustro-lacustrine deposits of the Holocene N'Guigmi lake (northern bank of the Lake Chad; Niger) is based on the relationships between the sedimentological features and the climato-hydrological fluctuations. The mineralogical parameters (e.g. calcium carbonate content, clay mineralogy) and the nature of autoch- thonous mineralization (i.e. amorphous silica, clays, calcium carbonates) can be interpreted using a straightforward hy- dro-sedimentary model. Established to explain the geochemical dynamics of Lake Chad, this model is based on a bio- geochemical cycle of the main elements (i.e. silicium, calcium) directly controlled by the local hydrological balance (i.e. rainfall/evaporation ratio). All these results show that a detailed study of sedimentological features can provide impor- tant paleohydrological informations about the regional aridification since ca 6500 14C BP.

Geological structure, recharge processes and underground drainage of a glacierised karst aquifer system, Tsanfleuron-Sanetsch, Swiss Alps

The relationships between stratigraphic and tectonic setting, recharge processes and underground drainage of the glacierised karst aquifer system `Tsanfleuron-Sanetsch' in the Swiss Alps have been studied by means of various methods, particularly tracer tests (19 injections). The area belongs to the Helvetic nappes and consists of Jurassic to Palaeogene sedimentary rocks. Strata are folded and form a regional anticlinorium. Cretaceous Urgonian limestone constitutes the main karst aquifer, overlain by a retreating glacier in its upper part. Polished limestone surfaces are exposed between the glacier front and the end moraine of 1855/1860 (Little Ice Age); typical alpine karrenfields can be observed further below. Results show that (1) large parts of the area are drained by the Glarey spring, which is used as a drinking water source, while marginal parts belong to the catchments of other springs; (2) groundwater flow towards the Glarey spring occurs in the main aquifer, parallel to stratification, while flow towards another spring crosses the entire stratigraphic sequence, consisting of about 800 m of marl and limestone, along deep faults that were probably enlarged by mass movements; (3) the variability of glacial meltwater production influences the shape of the tracer breakthrough curves and, consequently, flow and transport in the aquifer.

The lower Triassic anachronistic carbonate facies in space and time

The end-Permian mass extinction greatly affected the sedimentary record, but the sedimentary response was not limited to the Permian-Triassic boundary interval. This transformation extended to sedimentation that spanned the entire Early Triassic. Calcimicrobialites play an important role throughout this time interval, and at least four main events of anomalous carbonate deposition can be shown. A post-extinction calcimicrobial unit occurs above the extensive Permian skeletal carbonate platform exposed in the Taurus Mountains (southern Turkey), in south Armenia, north-west north and Central Iran along the Zagros Mountains. The calcimicrobial unit formed during the flooding of the platform that took place during the earliest Triassic. A similar calcimicrobialite formed during late Griesbachian to Dienerian time atop the shallow Permian skeletal carbonate platform largely exposed in south China. A third event occurred during the Early Olenekian on the first Mesozoic isolated pelagic plateau (Baid seamount, Oman Mountains). Here the change in carbonate sedimentation is reflected in the occurrence of thrombolites and carbonate seafloor fans. Near the end of Early Triassic time, unusual carbonate deposition is recorded both on an isolated pelagic plateau of the Western Tethys (Halstatt limestone of Dobrogea, Romania) and on the eastern Panthalassa margin of the western United States. In the western United States, the event is represented by stromatolites and thrombolites in the Virgin Limestone of the Moenkopi Formation and by seafloor fans in the middle and upper members of the Union Wash Formation. These unusual episodes of anomalous carbonate deposition illustrate a fundamental change in sedimentation that occurred in the aftermath of the end-Permian mass extinction.

Fluid migration through thrust faults in the Helvetic nappes (Western Swiss Alps)

The delta(18)O, delta(13)C and Sr-87/Sr-86 values of calcite and organic matter were measured for carbonate mylonites from numerous thrusts in the Helvetic Alps. Carbonate mylonites in most of the thrusts retain essentially unaltered protolith delta(18)O and delta(13)C values, consistent with there having been little to no advection of isotopically distinct fluid through these faults. Only carbonate mylonites from the basal thrusts of the largest nappes have delta(18)O and/or delta(13)C values that differ from those of their protoliths. The zone of isotopic alteration/exchange is confined to c. 10 to 20 meters of these fault contacts. We propose the fluids that migrated through these faults contained variable amounts of organically derived carbon and radiogenic strontium, and were probably derived from dewatering of the sedimentary rocks and prograde metamorphic reactions in the nappes' root zones. Apart from the basal thrusts of the largest nappes that behaved as narrow, laterally extensive conduits for fluids, there is little isotopic evidence that large quantities of fluids passed through most of the carbonate-hosted thrusts in the Helvetic Alps.

Phosphorus burial in the ocean over glacial-interglacial time scales

The role of nutrients, such as phosphorus (P), and their impact on primary productivity and the fluctuations in atmospheric CO2 over glacial-interglacial periods are intensely debated. Suggestions as to the importance of P evolved from an earlier proposal that P actively participated in changing productivity rates and therefore climate change, to most recent ones that changes in the glacial ocean inventory of phosphorus were important but not influential if compared to other macronutrients, such as nitrate. Using new data coming from a selection of ODP sites, we analyzed the distribution of oceanic P sedimentary phases and calculate reactive P burial fluxes, and we show how P burial fluxes changed over the last glacial-interglacial period at these sites. Concentrations of reactive P are generally lower during glacial times, while mass accumulation rates (MAR) of reactive P show higher variability. If we extrapolate for the analyzed sites, we may assume that in general glacial burial fluxes of reactive P are lower than those during interglacial periods by about 8%, because the lack of burial of reactive P on the glacial shelf reduced in size, was apparently not compensated by burial in other regions of the ocean. Using the calculated changes in P burial, we evaluate their possible impact on the phosphate inventory in the world oceans. Using a simple mathematical approach, we find that these changes alone could have increased the phosphate inventory of glacial ocean waters by 17-40% compared to interglacial stages. Variations in the distribution of sedimentary P phases at the investigated sites seem to indicate that at the onset of interglacial stages, shallower sites experienced an increase in reactive P concentrations, which seems to point to P-richer waters at glacial terminations. All these findings would support the Shelf-Nutrient Hypothesis, which assumes that during glacial low stands nutrients are transferred from shallow sites to deep sea with possible feedback on the carbon cycle.

Crustal structure and reflectivity of the Swiss Alps from 3-Dimensional seismic modeling. 2. Penninic Nappes

Surface geological mapping, laboratory measurements of rock properties, and seismic reflection data are integrated through three-dimensional seismic modeling to determine the likely cause of upper crustal reflections and to elucidate the deep structure of the Penninic Alps in eastern Switzerland. Results indicate that the principal upper crustal reflections recorded on the south end of Swiss seismic line NFP20-EAST can be explained by the subsurface geometry of stacked basement nappes. In addition, modeling results provide improvements to structural maps based solely on surface trends and suggest the presence of previously unrecognized rock units in the subsurface. Construction of the initial model is based upon extrapolation of plunging surface. structures; velocities and densities are established by laboratory measurements of corresponding rock units. Iterative modification produces a best fit model that refines the definition of the subsurface geometry of major structures. We conclude that most reflections from the upper 20 km can be ascribed to the presence of sedimentary cover rocks (especially carbonates) and ophiolites juxtaposed against crystalline basement nappes. Thus, in this area, reflections appear to be principally due to first-order lithologic contrasts. This study also demonstrates not only the importance of three-dimensional effects (sideswipe) in interpreting seismic data, but also that these effects can be considered quantitatively through three-dimensional modeling.

Late Cretaceous to Eocene geology of the South Central American forearc area (southern Costa Rica and western Panama) : initiation and evolution of an intra-oceanic convergent margin

Résumé : L'arc volcanique du sud de l'Amérique Centrale se situe sur la marge SW de la Plaque Caraïbe, au-dessus des plaques subduites de Cocos et Nazca. Il s'agit de l'un des arcs intra-océaniques les plus étudiés au monde, qui est généralement considéré comme s'étant développé à la fin du Crétacé le long d'un plateau océanique (le Plateau Caraïbe ou CLIP) et se trouvant actuellement dans un régime de subduction érosive. Au cours des dernières décennies, des efforts particuliers ont été faits pour comprendre les processus liés à la subduction sur la base d'études géophysiques et géochimiques. Au sud du Costa Rica et à l'ouest du Panama, des complexes d'accrétions et structures à la base de l'arc volcanique ont été exposés grâce à la subduction de rides asismiques et de failles transformantes. Des affleurements, situés jusqu'à seulement 15 km de la fosse, offrent une possibilité unique de mieux comprendre quelques uns des processus ayant lieu le long de la zone de subduction. Nous présentons de nouvelles contraintes sur l'origine de ces affleurements en alliant une étude de terrain poussée, de nouvelles données géochimiques, sédimentaires et paléontologiques, ainsi que des observations structurales effectuées en télédétection. Une nouvelle stratigraphie tectonique entre le Campanien et l'Éocène est définie pour la région d'avant-arc située entre la Péninsule d'Osa (Costa Rica) et la Péninsule d'Azuero (Panama). Nos résultats montrent que la partie externe de la marge est composée d'un arrangement complexe de roches ignées et de séquences sédimentaires de recouvrement qui comprennent principalement le socle de l'arc, des roches d'arc primitif, des fragments de monts sous-marins accrétés et des mélanges d'accrétion. Des preuves sont données pour le développement de l'arc volcanique du sud de l'Amérique Centrale sur un plateau océanique. Le début de la subduction le long de la marge SW de la Plaque Caraïbe a eu lieu au Campanien et a généré des roches d'arc primitif caractérisées par des affinités géochimiques particulières, globalement intermédiaires entre des affinités de plateau et d'arc insulaire. L'arc était mature au Maastrichtien et formait un isthme essentiellement continu entre l'Amérique du Nord et l'Amérique du Sud. Ceci a permis la migration de faunes terrestres entre les Amériques et pourrait avoir contribué à la crise fin Crétacé -Tertiaire en réduisant les courants océaniques subéquatoriaux entre le Pacifique et l'Atlantique. Plusieurs unités composées de fragments de monts sous-marins accrétés sont définies. La nature et l'arrangement structural de ces unités définissent de nouvelles contraintes sur les modes d'accrétion des monts sous-marins/îles océaniques et sur l'évolution de la marge depuis la formation de la zone de subduction. Entre la fin du Crétacé et l'Éocène moyen, la marge a enregistré plusieurs épisodes ponctuels d'accrétion de monts sous-marins alternant avec de la subduction érosive. A l'Éocène moyen, un événement tectonique régional pourrait avoir causé un fort couplage entre les plaques supérieure et inférieure, menant à des taux plus important d'accrétion de monts sous-marins. Durant cette période, la situation le long de la marge était très semblable à la situation actuelle et caractérisée par la présence de monts sous-marins subductants et l'absence d'accrétion de sédiments. L'enregistrement géologique montre qu'il n'est pas possible d'attribuer une nature érosive ou accrétionnaire à la marge dans le passé ou -par analogie- aujourd'hui, parce que (1) les processus d'accrétion et érosifs varient fortement spatialement et temporellement et (2) il est impossible d'évaluer la quantité exacte de matériel tectoniquement enlevé à la marge depuis le début de la subduction. Au sud du Costa Rica, certains fragments de monts sous-marins accrétés sont représentatifs d'une interaction entre une ride et un point chaud dans le Pacifique au Crétacé terminal/Paléocène. L'existence de ces fragments de monts sous-marins et la morphologie du fond de l'Océan Pacifique indiquent que la formation de la ride de Cocos-Nazca s'est formée au moins ~40 Ma avant l'âge proposé par les modèles tectoniques actuels. Au Panama, nous avons identifié une île océanique d'âge début Éocène qui a été accrétée à l'Éocène moyen. L'accrétion a eu lieu à très faible profondeur par détachement de l'île dans la fosse, et a mené à une exceptionnelle préservation des structures volcaniques. Des affleurement comprenant aussi bien des parties basses et hautes de l'édifice volcanique on été étudiées, depuis la phase sous-marine bouclier jusqu'à la phase subaérienne post-bouclier. La stratigraphie nous a permis de différencier les laves de la phase sous-marine de celles de la phase subaérienne. La composition des laves indique une diminution progressive de l'intensité de la fusion partielle de la source et une diminution de la température des laves produites durant les derniers stades de l'activité volcanique. Nous interprétons ces changements comme étant liés à l'éloignement progressif de l'île océanique de la zone de fusion ou point chaud. Abstract The southern Central American volcanic front lies on the SW edge of the Caribbean Plate, inboard of the subducting Cocos and Nazca Plates. It is one of the most studied intra-oceanic convergent margins around the world, which is generally interpreted to have developed in the late Cretaceous along an oceanic plateau (the Caribbean Large Igneous Province or CLIP) and to be currently undergoing a regime of subduction erosion. In the last decades a particular effort has been made to understand subduction-related processes on the basis of geophysical and geochemical studies. In southern Costa Rica and western Panama accretionary complexes and structures at the base of the volcanic front have been exposed in response to subduction of aseismic ridges and transforms. Onland exposures are located as close as to 15 km from the trench and provide a unique opportunity to better understand some of the processes occurring along the subduction zone. We provide new constraints on the origins of these exposures by integrating a comprehensive field work, new geochemical, sedimentary and paleontological data, as well as structural observations based on remote imaging. A new Campanian to Eocene tectonostratigraphy is defined for the forearc area located between the Osa Peninsula (Costa Rica) and the Azuero Peninsula (Panama). Our results show that the outer margin is composed of a complicated arrangement of igneous complexes and overlapping sedimentary sequences that essentially comprise an arc basement, primitive island-arc rocks, accreted seamount fragments and accretionary mélanges. Evidences are provided for the development of the southern Central American arc on the top an oceanic plateau. The subduction initiation along the SW edge of the Caribbean Plate occurred in the Campanian and led to formation of primitive island-arc rocks characterized by unusual geochemical affinities broadly intermediate between plateau and arc affinities. The arc was mature in the Maastrichtian and was forming a predominantly continuous landbridge between the North and South Americas. This allowed migration of terrestrial fauna between the Americas and may have contributed to the Cretaceous-Tertiary crisis by limiting trans-equatorial oceanic currents between the Pacific and the Atlantic. Several units composed of accreted seamount fragments are defined. The nature of the units and their structural arrangement provide new constraints on the modes of accretion of seamounts/oceanic islands and on the evolution of the margin since subduction initiation. Between the late Cretaceous and the middle Eocene, the margin recorded several local episodes of seamount accretion alternating with tectonic erosion. In the middle Eocene a regional tectonic event may have triggered strong coupling between the overriding and subducting plates, leading to higher rates of seamount accretion. During this period the situation along the margin was very similar to the present and characterized by subducting seamounts and absence of sediment accretion. The geological record shows that it is not possible to ascribe an overall erosive or accretionary nature to the margin in the past and, by analogy, today, because (1) accretionary and erosive processes exhibit significant lateral and temporal variations and (2) it is impossible to estimate the exact amount of material tectonically eroded from the margin since subduction initiation. In southern Costa Rica, accreted seamount fragments point toward a plume-ridge interaction in the Pacific in the late Cretaceous/Paleocene. This occurrence of accreted seamount fragments and morphology of the Pacific Ocean floor is indicative of the formation of the Cocos-Nazca spreading system at least ~40 Ma prior to the age proposed in current tectonic models. In Panama, we identified a remarkably-well preserved early Eocene oceanic island that accreted in the middle Eocene. The accretion probably occurred at very shallow depth by detachment of the island in the trench and led to an exceptional preservation of the volcanic structures. Exposures of both deep and superficial parts of the volcanic edifice have been studied, from the submarine-shield to subaerial-postshield stages. The stratigraphy allowed us to distinguish lavas produced during the submarine and subaerial stages. The lava compositions likely define a progressive diminution of source melting and a decrease in the temperature of erupted melts in the latest stages of volcanic activity. We interpret these changes to primarily reflect the progressive migration of the oceanic island out of the melting region or hotspot.

A Study of Fine Sand from Nine Mile Island at Dubuque, MLR-88-08, 1988

The specifications for concrete sand in Iowa have been used for many years with very good results. In several locations of the state, it is becoming more difficult to produce concrete sand consistently at a reasonable cost. Both ASTM and AASHTO have specifications for concrete sands that allow a finer, poorer graded sand than the Iowa specification. The ASTM and AASHTO specifications are based on the use of trial mix testing prior to construction. Iowa does not currently use the trial mix procedure.