Rapporti tra tettonica e clima durante l'esumazione nelle Alpi Centrali. Evidenze dalla termocronologia e dall'analisi strutturale lungo il traforo ferroviario del Sempione

(U-Th)/He and fission-track analyses of apatite along deep-seated tunnels crossing high-relief mountain ranges offer the opportunity to investigate climate and tectonic forcing on the topographic evolution. In this study, the thermochronologic analysis of a large set of samples collected in the Simplon railway tunnel (western-central Alps; Italy and Switzerland) and along its surface trace, coupled with kinematic and structural analysis of major fault zones intersecting the tunnel, constrains the phenomena controlling the topographic and structural evolution, during the latest stage of exhumation of the Simplon Massif, and the timing in which they operated. The study area is located at the western margin of the Lepontine metamorphic dome where a complex nappe-stack pertaining to the Penninic and Ultrahelvetic domains experienced a fast exhumation from the latest Oligocene onward. The exhumation was mainly accommodated by a west-dipping low-angle detachment (the Simplon Fault Zone) which is located just 8 km to the west of the tunnel. However, along the section itself several faults related to two principal phases both with important dip-slip kinematics have been detected. Cooling rates derived from our thermocronological data vary from about 10 °C/Ma at about 10 Ma to about 35 °C/Ma in the last 5 Ma. Such increase in the cooling rate corresponds to the most important climatic change recorded in the northern hemisphere in the last 10 Ma, i.e. the shift to wetter conditions at the end of the Messinian salinity crisis and the inception of glacial cycles in the northern hemisphere. In addition, (U-Th)/He and fission-track age patterns lack of important correlation with the topography suggesting that the present-day relief morphology is the result of recent erosional dynamics. More in details, the (U-Th)/He tunnel ages show an impressive uniformity at 2 Ma, whereas cooling rates calculated at 1 Ma increase towards the two major valleys. This indicates a focusing of erosive processes in the valleys which led to the shaping of present-day topography. Structural analysis documents the presence of two phases of brittle deformation postdating the metamorphic phases in the area. The first one is directly related to the last phase of activity along the Simplon Fault Zone and is characterized by extension towards SO and vertical shortening. The young one is characterized by extension towards NO and horizontal shortening in a along the NE-SO direction. Structures related to the first phase of brittle deformation generate important variations in the older ages' dataset, until 3 Ma, suggesting that tectonics controlled rocks exhumation up to that age. Structures related to the second phase generate some variations also in the younger age dataset, highlighting the activity of faults bordering the massif and suggesting a continuous activity also after 2 Ma. However, most of (U-Th)/He tunnel ages, varying slightly around 2 Ma, document that the Simplon area has experienced primarily erosional exhumation in this time span. In conclusion, all our data suggest that in the central Italian Alps the climatic signal gradually overrode the tectonic effects after about 5 Ma, as a consequence of the climatic instability started at end of Messinian salinity crisis and improved by the onset of glaciations in the northern hemisphere.

Magma injections and destabilization of basaltic volcanoes: a numerical study. Application to La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (Tyrrhenian sea, Italy)

Most basaltic volcanoes are affected by recurrent lateral instabilities during their evolution. Numerous factors have been shown to be involved in the process of flank destabilization occurring over long periods of time or by instantaneous failures. However, the role of these factors on the mechanical behaviour and stability of volcanic edifices is poorly-constrained as lateral failure usually results from the combined effects of several parameters. Our study focuses on the morphological and structural comparison of two end-member basaltic systems, La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (southern Tyrrhenian sea, Italy). We showed that despite major differences on their volumes and geodynamic settings, both systems present some similarities as they are characterized by an intense intrusive activity along well-developed rift zones and recurrent phenomena of flank collapse during their evolution. Among the factors of instability, the examples of la Reunion and Stromboli evidence the major contribution of intrusive complexes to volcano growth and destruction as attested by field observations and the monitoring of these active volcanoes. Classical models consider the relationship between vertical intrusions of magma and flank movements along a preexisting sliding surface. A set of published and new field data from Piton des Neiges volcano (La Reunion) allowed us to recognize the role of subhorizontal intrusions in the process of flank instability and to characterize the geometry of both subvertical and subhorizontal intrusions within basaltic edifices. This study compares the results of numerical modelling of the displacements associated with high-angle and low-angle intrusions within basaltic volcanoes. We use a Mixed Boundary Element Method to investigate the mechanical response of an edifice to the injection of magmatic intrusions in different stress fields. Our results indicate that the anisotropy of the stress field favours the slip along the intrusions due to cointrusive shear stress, generating flank-scale displacements of the edifice, especially in the case of subhorizontal intrusions, capable of triggering large-scale flank collapses on basaltic volcanoes. Applications of our theoretical results to real cases of flank displacements on basaltic volcanoes (such as the 2007 eruptive crisis at La Reunion and Stromboli) revealed that the previous model of subvertical intrusions-related collapse is a likely mechanism affecting small-scale steeply-sloping basaltic volcanoes like Stromboli. Furthermore, our field study combined to modelling results confirms the importance of shallow-dipping intrusions in the morpho-structural evolution of large gently-sloping basaltic volcanoes like Piton de la Fournaise, Etna and Kilauea, with particular regards to flank instability, which can cause catastrophic tsunamis.

Computer simulations of microstructures related to the olivine spinel transition

Tiefherd-Beben, die im oberen Erdmantel in einer Tiefe von ca. 400 km auftreten, werden gewöhnlich mit dem in gleicher Tiefe auftretenden druckabhängigen, polymorphen Phasenübergang von Olivine (α-Phase) zu Spinel (β-Phase) in Verbindung gebracht. Es ist jedoch nach wie vor unklar, wie der Phasenübergang mit dem mechanischen Versagen des Mantelmaterials zusammenhängt. Zur Zeit werden im Wesentlichen zwei Modelle diskutiert, die entweder Mikrostrukturen, die durch den Phasenübergang entstehen, oder aber die rheologischen Veränderungen des Mantelgesteins durch den Phasenübergang dafür verantwortlich machen. Dabei sind Untersuchungen der Olivin→Spinel Umwandlung durch die Unzugänglichkeit des natürlichen Materials vollständig auf theoretische Überlegungen sowie Hochdruck-Experimente und Numerische Simulationen beschränkt. Das zentrale Thema dieser Dissertation war es, ein funktionierendes Computermodell zur Simulation der Mikrostrukturen zu entwickeln, die durch den Phasenübergang entstehen. Des Weiteren wurde das Computer Modell angewandt um die mikrostrukturelle Entwicklung von Spinelkörnern und die Kontrollparameter zu untersuchen. Die Arbeit ist daher in zwei Teile unterteilt: Der erste Teil (Kap. 2 und 3) behandelt die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und die prinzipielle Funktionsweise des Computer Modells, das auf der Kombination von Gleichungen zur Errechnung der kinetischen Reaktionsgeschwindigkeit mit Gesetzen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik unter nicht-hydostatischen Bedingungen beruht. Das Computermodell erweitert ein Federnetzwerk der Software latte aus dem Programmpaket elle. Der wichtigste Parameter ist dabei die Normalspannung auf der Kornoberfläche von Spinel. Darüber hinaus berücksichtigt das Programm die Latenzwärme der Reaktion, die Oberflächenenergie und die geringe Viskosität von Mantelmaterial als weitere wesentliche Parameter in der Berechnung der Reaktionskinetic. Das Wachstumsverhalten und die fraktale Dimension von errechneten Spinelkörnern ist dabei in guter Übereinstimmung mit Spinelstrukturen aus Hochdruckexperimenten. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Computermodell angewandt, um die Entwicklung der Oberflächenstruktur von Spinelkörnern unter verschiedenen Bedigungen zu eruieren. Die sogenannte ’anticrack theory of faulting’, die den katastrophalen Verlauf der Olivine→Spinel Umwandlung in olivinhaltigem Material unter differentieller Spannung durch Spannungskonzentrationen erklärt, wurde anhand des Computermodells untersucht. Der entsprechende Mechanismus konnte dabei nicht bestätigt werden. Stattdessen können Oberflächenstrukturen, die Ähnlichkeiten zu Anticracks aufweisen, durch Unreinheiten des Materials erklärt werden (Kap. 4). Eine Reihe von Simulationen wurde der Herleitung der wichtigsten Kontrollparameter der Reaktion in monomineralischem Olivin gewidmet (Kap. 5 and Kap. 6). Als wichtigste Einflüsse auf die Kornform von Spinel stellten sich dabei die Hauptnormalspannungen auf dem System sowie Heterogenitäten im Wirtsminerals und die Viskosität heraus. Im weiteren Verlauf wurden die Nukleierung und das Wachstum von Spinel in polymineralischen Mineralparagenesen untersucht (Kap. 7). Die Reaktionsgeschwindigkeit der Olivine→Spinel Umwandlung und die Entwicklung von Spinelnetzwerken und Clustern wird durch die Gegenwart nicht-reaktiver Minerale wie Granat oder Pyroxen erheblich beschleunigt. Die Bildung von Spinelnetzwerken hat das Potential, die mechanischen Eigenschaften von Mantelgestein erheblich zu beeinflussen, sei es durch die Bildung potentieller Scherzonen oder durch Gerüstbildung. Dieser Lokalisierungprozess des Spinelwachstums in Mantelgesteinen kann daher ein neues Erklärungsmuster für Tiefbeben darstellen.

Characterization of fold-related fractures in the carbonate rocks of the Cingoli anticline, northern Apennines, Italy

Thrust fault-related folds in carbonate rocks are characterized by deformation accommodated by different structures, such as joints, faults, pressure solution seams, and deformation bands. Defining the development of fracture systems related to the folding process is significant both for theoretical and practical purposes. Fracture systems are useful constrains in order to understand the kinematical evolution of the fold. Furthermore, understanding the relationships between folding and fracturing provides a noteworthy contribution for reconstructing the geodynamic and the structural evolution of the studied area. Moreover, as fold-related fractures influence fluid flow through rocks, fracture systems are relevant for energy production (geothermal studies, methane and CO2 , storage and hydrocarbon exploration), environmental and social issues (pollutant distribution, aquifer characterization). The PhD project shows results of a study carried out in a multilayer carbonate anticline characterized by different mechanical properties. The aim of this study is to understand the factors which influence the fracture formation and to define their temporal sequence during the folding process. The studied are is located in the Cingoli anticline (Northern Apennines), which is characterized by a pelagic multilayer characterized by sequences with different mechanical stratigraphies. A multi-scale analysis has been made in several outcrops located in different structural positions. This project shows that the conceptual sketches proposed in literature and the strain distribution models outline well the geometrical orientation of most of the set of fractures observed in the Cingoli anticline. On the other hand, the present work suggests the relevance of the mechanical stratigraphy in particular controlling the type of fractures formed (e.g. pressure solution seams, joints or shear fractures) and their subsequent evolution. Through a multi-scale analysis, and on the basis of the temporal relationship between fracture sets and their orientation respect layering, I also suggest a conceptual model for fracture systems formation.

Implications of regional fault distribution and kinematics for the uplift of rift flanks around the Rwenzori Mountains, Southwestern Uganda

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Störungsverteilung und der Störungskinematik im Zusammenhang mit der Hebung der Riftschultern des Rwenzori Gebirges.rnDas Rwenzori Gebirge befindet sich im NNE-SSWbis N-S verlaufenden Albertine Rift, des nördlichsten Segments des westlichen Armes des Ostafrikanischen Grabensystems. Das Albertine Rift besteht aus Becken unterschiedlicher Höhe, die den Lake Albert, Lake Edward, Lake George und Lake Kivu enthalten. Der Rwenzori horst trennt die Becken des Lake Albert und des Lake Edward. Es erstreckt sich 120km in N-S Richtung, sowie 40-50km in E-W Richtung, der h¨ochste Punkt befindet sich 5111 ü. NN. Diese Studie untersucht einen Abschnitt des Rifts zwischen etwa 1°N und 0°30'S Breite sowie 29°30' und 30°30' östlicher Länge ersteckt. Auch die Feldarbeit konzentrierte sich auf dieses Gebiet.rnrnHauptzweck dieser Studie bestand darin, die folgende These auf ihre Richtigkeit zu überprüfen: ’Wenn es im Verlauf der Zeit tatsächlich zu wesentlichen Änderungen in der Störungskinematik kam, dann ist die starke Hebung der Riftflanken im Bereich der Rwenzoris nicht einfach durch Bewegung entlang der Graben-Hauptst¨orungen zu erklären. Vielmehr ist sie ein Resultat des Zusammenspiels mehrerer tektonische Prozesse, die das Spannungsfeld beeinflussen und dadurch Änderungen in der Kinematik hervorrufen.’ Dadurch konzentrierte sich die Studie in erster Linie auf die Störungsanalyse.rnrnDie Kenntnis regionaler Änderungen der Extensionsrichtung ist entscheidend für das Verständnis komplexer Riftsysteme wie dem Ostafrikanischen Graben. Daher bestand der Kern der Untersuchung in der Kartierung von Störungen und der Untersuchung der Störungskinematik. Die Aufnahme strukturgeologischer Daten konzentrierte sich auf die Ugandische Seite des Rifts, und Pal¨aospannungen wurden mit Hilfe von St¨orungsdaten durch Spannungsinversion rekonstruiert.rnDie unterschiedliche Orientierung spr¨oder Strukturen im Gelände, die geometrische Analyse der geologischen Strukturen sowie die Ergebnisse von Mikrostrukturen im Dünnschliff (Kapitel 4) weisen auf verschiedene Spannungsfelder hin, die auf mögliche Änderungen der Extensionsrichtung hinweisen. Die Resultate der Spannungsinversion sprechen für Ab-, Über- und Blattverschiebungen sowie für Schrägüberschiebungen (Kapitel 5). Aus der Orientierung der Abschiebungen gehen zwei verschiedene Extensionsrichtungen hervor: im Wesentlichen NW-SE Extension in fast allen Gebieten, sowie NNE-SSW Extension im östlichen Zentralbereich.rnAus der Analyse von Blattverschiebungen ergaben sich drei unterschiedliche Spannungszustände. Zum Einen NNW-SSE bis N-S Kompression in Verbindung mit ENE-WSW bzw E-W Extension wurde für die nördlichen und die zentralen Ruwenzoris ausgemacht. Ein zweiter Spannungszustand mit WNW-ESE Kompression/NNE-SSW Extension betraf die Zentralen Rwenzoris. Ein dritter Spannungszustand mit NNW-SSE Extension betraf den östlichen Zentralteil der Rwenzoris. Schrägüberschiebungen sind durch dazu schräge Achsen charakterisiert, die für N-S bis NNW-SSE Kompression sprechen und ausschließlich im östlichen Zentralabschnitt auftreten. Überschiebungen, die hauptsächlich in den zentralen und den östlichen Rwenzoris auftreten, sprechen für NE-SW orientierten σ2-Achsen und NW-SE Extension.rnrnEs konnten drei unterschiedliche Spannungseinflüsse identifiziert werden: auf die kollisionsbedingte Bildung eines Überschiebungssystem folgte intra-kratonische Kompression und schließlich extensionskontrollierte Riftbildung. Der Übergang zwischen den beiden letztgenannten Spannungszuständen erfolgte Schrittweise und erzeugte vermutlich lokal begrenzte Transpression und Transtension. Gegenw¨artig wird die Störungskinematik der Region durch ein tensiles Spannungsregime in NW-SE bis N-S Richtung bestimmt.rnrnLokale Spannungsvariationen werden dabei hauptsächlich durch die Interferenzrndes regionalen Spannungsfeldes mit lokalen Hauptst¨orungen verursacht. Weitere Faktoren die zu lokalen Veränderungen des Spannungsfeldes führen können sind unterschiedliche Hebungsgeschwindigkeiten, Blockrotation oder die Interaktion von Riftsegmenten. Um den Einfluß präexistenter Strukturen und anderer Bedingungen auf die Hebung der Rwenzoris zu ermitteln, wurde der Riftprozeß mit Hilfe eines analogen ’Sandbox’-Modells rekonstruiert (Kapitel 6). Da sich die Moho-Diskontinuität im Bereich des Arbeitsgebietes in einer Tiefe von 25 km befindet, aktive Störungen aber nur bis zu einer Tiefe von etwa 20 km beobachtet werden können (Koehn et al. 2008), wurden nur die oberen 25 km im Modell nachbebildet. Untersucht und mit Geländebeobachtungen verglichen wurden sowohl die Reihenfolge, in der Riftsegmente entstehen, als auch die Muster, die sich im Verlauf der Nukleierung und des Wachstums dieser Riftsegmente ausbilden. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Entwicklung der beiden Subsegmente gelegt auf denen sich der Lake Albert bzw. der Lake Edward und der Lake George befinden, sowie auf das dazwischenliegende Rwenzori Gebirge. Das Ziel der Untersuchung bestand darin herauszufinden, in welcher Weise das südwärts propagierende Lake Albert-Subsegment mit dem sinistral versetzten nordwärts propagierenden Lake Edward/Lake George-Subsegment interagiert.rnrnVon besonderem Interesse war es, in welcherWeise die Strukturen innerhalb und außerhalb der Rwenzoris durch die Interaktion dieser Riftsegmente beeinflußt wurden. rnrnDrei verschiedene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Randbedingungen wurden miteinander verglichen. Abhängig vom vorherrschenden Deformationstyp der Transferzone wurden die Reihen als ’Scherungs-dominiert’, ’Extensions-dominiert’ und als ’Rotations-dominiert’ charakterisiert. Die Beobachtung der 3-dimensionalen strukturellen Entwicklung der Riftsegmente wurde durch die Kombination von Modell-Aufsichten mit Profilschnitten ermöglicht. Von den drei genannten Versuchsreihen entwickelte die ’Rotationsdominierten’ Reihe einen rautenförmiger Block im Tranferbereich der beiden Riftsegmente, der sich um 5−20° im Uhrzeigersinn drehte. DieserWinkel liegt im Bereich des vermuteten Rotationswinkel des Rwenzori-Blocks (5°). Zusammengefasst untersuchen die Sandbox-Versuche den Einfluss präexistenter Strukturen und der Überlappung bzw. Überschneidung zweier interagierender Riftsegmente auf die Entwicklung des Riftsystems. Sie befassen sich darüber hinaus mit der Frage, welchen Einfluss Blockbildung und -rotation auf das lokale Stressfeld haben.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

High-Pressure Behavior and Phase Stability of Al5BO9, a Mullite-Type Ceramic Material

Phase stability, elastic behavior, and pressure-induced structural evolution of synthetic boron-mullite Al5BO9 (a = 5.6780(7), b = 15.035(6), and c =7.698(3) Å, space group Cmc21, Z = 4) were investigated up to 25.6(1) GPa by in situ single-crystal synchrotron X-ray diffraction with a diamond anvil cell (DAC) under hydrostatic conditions. No evidence of phase transition was observed up to 21.7(1) GPa. At 25.6(1) GPa, the refined unit-cell parameters deviated significantly from the compressional trend, and the diffraction peaks appeared broader than at lower pressure. At 26.7(1) GPa, the diffraction pattern was not indexable, suggesting amorphization of the material or a phase transition to a high-pressure polymorph. Fitting the P–V data up to 21.7(1) GPa with a second-order Birch–Murnaghan Equation-of-State, we obtained a bulk modulus KT0 = 164(1) GPa. The axial compressibilities, here described as linearized bulk moduli, are as follows: KT0(a) = 244(9), KT0(b) = 120(4), and KT0(c) = 166(11) GPa (KT0(a):KT0(b):KT0(c) = 2.03:1:1.38). The structure refinements allowed a description of the main deformation mechanisms in response to the applied pressure. The stiffer crystallographic direction appears to be controlled by the infinite chains of edge-sharing octahedra running along [100], making the structure less compressible along the a-axis than along the b- and c-axis.

Three-Dimensional Mechanics of Yakutat Convergence in the Southern Alaskan Plate Corner

Three-dimensional numerical models are used to investigate the mechanical evolution of the southern Alaskan plate corner where the Yakutat and the Pacific plates converge on the North American plate. The evolving model plate boundary consists of Convergent, Lateral, and Subduction subboundaries with flow separation of incoming material into upward or downward trajectories forming dual, nonlinear advective thermal/mechanical anomalies that fix the position of major subaerial mountain belts. The model convergent subboundary evolves into two teleconnected orogens: Inlet and Outlet orogens form at locations that correspond with the St. Elias and the Central Alaska Range, respectively, linked to the East by the Lateral boundary. Basins form parallel to the orogens in response to the downward component of velocity associated with subduction. Strain along the Lateral subboundary varies as a function of orogen rheology and magnitude and distribution of erosion. Strain-dependent shear resistance of the plate boundary associated with the shallow subduction zone controls the position of the Inlet orogen. The linkages among these plate boundaries display maximum shear strain rates in the horizontal and vertical planes where the Lateral subboundary joins the Inlet and Outlet orogens. The location of the strain maxima shifts with time as the separation of the Inlet and Outlet orogens increases. The spatiotemporal predictions of the model are consistent with observed exhumation histories deduced from thermochronology, as well as stratigraphic studies of synorogenic deposits. In addition, the complex structural evolution of the St Elias region is broadly consistent with the predicted strain field evolution. Citation: Koons, P. O., B. P. Hooks, T. Pavlis, P. Upton, and A. D. Barker (2010), Three-dimensional mechanics of Yakutat convergence in the southern Alaskan plate corner, Tectonics, 29, TC4008, doi: 10.1029/2009TC002463.

(Table 1) 40Ar-39Ar incremental heating ages for ODP Hole 163-988A basalt and plagioclase

Results of 40Ar-39Ar Ar dating constrain the age of the submerged volcanic succession, part of the seaward-dipping reflector sequence of the Southeast Greenland volcanic rifted margin, recovered during Leg 163. At the 63ºN drilling transect, the fully normally magnetized volcanic units at Holes 989B (Unit 1) and 990A (Units 1 and 2) are dated at 57.1 ± 1.3 Ma and 55.6 ± 0.6 Ma, respectively. This correlates with a common magnetochron, C25n. The underlying, reversely magnetized lavas at Hole 990A (Units 3-13) yield an average age of 55.8 ± 0.7 Ma and may correlate with C25r. The argon data, however, are also consistent with eruption of the lavas at Site 990 during the very earliest portion of C24. If so, the normally polarized units have to be correlated to a cryptochron (e.g., C24r-11 at ~55.57 Ma). The lavas at Holes 989B and 990A have typical oceanic compositions, implying that final plate separation between Greenland and northwest Europe took place at ~56 Ma. The age for Hole 989B lava is younger than expected from the seismic interpretations, posing questions about the structural evolution of the margin. An age of 49.6 ± 0.2 Ma for the basaltic lava at Site 988 (~66ºN) points to the importance of postbreakup tholeiitic magmatism at the rifted margin. Together with results from Leg 152, a virtually complete time frame for ~12 m.y. of pre-, syn-, and postbreakup volcanism during rifted margin evolution in Southeast Greenland can now be assembled. This time frame includes continental type volcanism at ~61-60 Ma, synbreakup volcanism beginning at ~57 Ma, and postbreakup volcanism at ~49.6 Ma. These discrete time windows coincide with distinct periods of tholeiitic magmatism from the onshore East Greenland Tertiary Igneous Province and is consistent with discrete mantle-melting events triggered by plume arrival (~61-60 Ma) under central Greenland, continental breakup (~57-54 Ma), and passage of the plume axis beneath the East Greenland rifted margin after breakup (~50-49 Ma), respectively.

Geochemistry and isotopic ratios of samples from the Tiger gabbroic complex, Northern Victoria Land, Antarctica

Subduction related mafic/ultramafic complexes marking the suture between the Wilson Terrane and the Bowers Terrane in northern Victoria Land (Antarctica) are well-suited for evaluating the magmatic and structural evolu- tion at the Palaeo-Pacific continental margin of Gondwana. One of these intru- sions is the "Tiger Gabbro Complex" (TGC), which is located at the southern end of the island-arc type Bowers Terrane. The TGC is an early Palaeozoic island-arc related layered igneous complex characterized by extraordinarly fresh sequences of ultramafic, mafic and evolved lithologies and extensive development of high-temperature high-strain zones. The goal of the present study is to establish the kinematic, petrogenetic and temporal development of the TGC in order to evaluate the magmatic and structural evolution of the deep crustal roots of this Cambrian-aged island-arc. Fieldwork during GANOVEX X was carried out to provide insight into: (i) the spatial relations between the different igneous lithologies of the TGC, (ii) the nature of the contact between the TGC and Bowers Terrane, and (iii) the high-temperature shear zones exposed in parts of the TGC. Here, we report the results of detailed field and petrological observations combined with new geochronological data. Based on these new data, we tentatively propose a petrogenetic-kinematic model for the TGC, which involves a two-phase evolution during the Ross orogeny. These phases can be summarized as: (i) an early phase (maximum age c. 530 Ma) involving tectono-magmatic processes that were active at the deep crustal level represented by the TGC within the Bowers island arc and within a general NE-SW directed contractional regime and (ii) a late phase (maximum age c. 490 Ma) attributed to the late Ross orogenic intrusion of the TGC into the higher-crustal metasedimentary country rocks of the Bowers Terrane under NE-SW directed horizontal maximum stress and subsequent cooling.

10Be data for sediments from DSDP Leg 56 and ODP Leg 170

Sediment accretion and subduction at convergent margins play an important role in the nature of hazardous interplate seismicity (the seismogenic zone) and the subduction recycling of volatiles and continentally derived materials to the Earth's mantle. Identifying and quantifying sediment accretion, essential for a complete mass balance across the margin, can be difficult. Seismic images do not define the processes by which a prism was built, and cored sediments may show disturbed magnetostratigraphy and sparse biostratigraphy. This contribution reports the first use of cosmogenic 10Be depth profiles to define the origin and structural evolution of forearc sedimentary prisms. Biostratigraphy and 10Be model ages generally are in good agreement for sediments drilled at Deep Sea Drilling Project Site 434 in the Japan forearc, and support an origin by imbricate thrusting for the upper section. Forearc sediments from Ocean Drilling Program Site 1040 in Costa Rica lack good fossil or paleomagnetic age control above the decollement. Low and homogeneous 10Be concentrations show that the prism sediments are older than 3-4 Ma, and that the prism is either a paleoaccretionary prism or it formed largely from slump deposits of apron sediments. Low 10Be in Costa Rican lavas and the absence of frontal accretion imply deeper sediment underplating or subduction erosion.

A model of the spatially dependent mechanical properties of the axon during its growth

Neuronal growth is a complex process involving many intra- and extracellular mechanisms which are collaborating conjointly to participate to the development of the nervous system. More particularly, the early neocortical development involves the creation of a multilayered structure constituted by neuronal growth (driven by axonal or dendritic guidance cues) as well as cell migration. The underlying mechanisms of such structural lamination not only implies important biochemical changes at the intracellular level through axonal microtubule (de)polymerization and growth cone advance, but also through the directly dependent stress/stretch coupling mechanisms driving them. Efforts have recently focused on modeling approaches aimed at accounting for the effect of mechanical tension or compression on the axonal growth and subsequent soma migration. However, the reciprocal influence of the biochemical structural evolution on the mechanical properties has been mostly disregarded. We thus propose a new model aimed at providing the spatially dependent mechanical properties of the axon during its growth. Our in-house finite difference solver Neurite is used to describe the guanosine triphosphate (GTP) transport through the axon, its dephosphorylation in guanosine diphosphate (GDP), and thus the microtubules polymerization. The model is calibrated against experimental results and the tensile and bending mechanical stiffnesses are ultimately inferred from the spatially dependent microtubule occupancy. Such additional information is believed to be of drastic relevance in the growth cone vicinity, where biomechanical mechanisms are driving axonal growth and pathfinding. More specifically, the confirmation of a lower stiffness in the distal axon ultimately participates in explaining the controversy associated to the tensile role of the growth cone.