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.

Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments : from alkaline deposition towards acidification

J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Thesis abstract Mine waste is the largest volume of materials handled in the world. The oxidation of sulfidic mine waste may result in the release of acid mine drainage (AMD) rich in heavy metals and arsenic to the environment, one of the major problems the mining industry is facing today. To control and reduce this environmental impact, it is crucial to identify the main geochemical and hydrological processes influencing contaminant liberation, transport, and retention. This thesis presents the results of a geochemical, mineralogical and stable isotope study (δ2H, δ18O, δ34S) from two active porphyry copper tailings impoundments in Mediterranean (Carén tailings impoundment, El Teniente mine, Central Chile) and hyper-arid climate (Talabre tailings impoundment, Chuquicamata, Northern Chile) from the deposition in alkaline environment (pH 10.5) towards acidification after several years of exposure. The major hydrological results were the identification of vertical contaminant and water transport in the uppermost, not water-saturated zone, triggered by capillary rise due to evaporation, and infiltration downwards due to new tailings deposition, and of horizontal transport in the groundwater zone. At the surface of the sedimented tailings, evaporation of pore water led to the precipitation of Na-Ca-Mg sulfates (e.g., gypsum, tenorite), in hyper-arid climate also halite. At the Carén tailings impoundment, renewed deposition in a 4-week interval inhibited a pH decrease below neutral values and the formation of an efflorescent salt crust. At the Talabre tailings impoundment, deposition breaks of several years resulted in the formation of acidic oxidation zones in the timeframe of less than 4 years. This process enabled the transport of liberated Cu, Zn, and Fe via capillary rise to the surface, where these metals precipitated as heavy-metal sulfates (e.g., devilline, krohnkite) and chlorides (eriochalcite, atacamite). Renewed depositing may dissolve efflorescent salts and transport liberated elements towards the groundwater zone. This zone was found to be highly dynamic due to infiltration and mixing with water from different sources, like groundwater, catchment water, and infiltration from superficial waters. There, Cu was found to be partially mobile due to complexation with Cl (in Cl-rich groundwater, Talabre) and dissolved organic matter (in zones with infiltration of catchment water rich in dissolved organic matter, Carén). A laboratory study on the isotopic fractionation of sulfur and oxygen of sulfate in different minerals groups (water-soluble sulfates, low- and high-crystalline Fe(III) oxyhydroxides) contributed to the use of stable isotopes as tracer of geochemical and transport processes for environmental studies. The results highlight that a detailed geochemical, stable isotope and mineralogical study permits the identification of contamination processes and pathways already during the deposition of mine tailings. This knowledge allows the early planning of adequate actions to reduce and control the environmental impact during tailings deposition and after the closing of the impoundment. J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Résumé de these Les déchets miniers constituent les plus grands volumes de matériel gérés dans le monde. L'oxydation des déchets miniers sulfuriques peut conduire à la libération de drainages miniers acides (DMA) riches en métaux et arsenic dans l'environnement, ce qui est l'un des principaux problèmes de l'industrie minière aujourd'hui. Pour contrôler et réduire ces impacts sur l'environnement, il est crucial d'identifier les principaux processus géochimiques et hydrologiques influençant la libération, le transport et la rétention des contaminants. Cette thèse présente les résultats d'une étude géochimique, minéralogique et des isotopes stables (δ2H, δ18O, δ34S) sur des déchets miniers de 2 sites de dépôt actifs en climat méditerranéen (Dépôt de déchets de Carén, mine de El Teniente, Centre du Chili) et en climat hyper-aride (Dépôt de déchets de Talabre, mine de Chuquicamata, Nord du Chili). L'objectif était d'étudier l'évolution des déchets de la déposition en milieu alcalin (pH = 10.5) vers l'acidification après plusieurs années d'exposition. Le principal résultat hydrologique a été l'identification de 2 types de transport : un transport vertical de l'eau et des contaminants dans la zone non saturée en surface, induit par la montée capillaire due à l'évaporation et par l'infiltration subséquente de la déposition de sédiments frais ; et un transport horizontal dans la zone des eaux souterraines. À la surface des déchets, l'évaporation de l'eau interstitielle conduit à la précipitation de sulfates de Na-Ca-Mg (ex. gypse, ténorite) et halite en climat hyper-aride. Dans le site de Carén, une nouvelle déposition de déchets frais à 4 semaines intervalle a empêché la baise du pH en deçà des valeurs neutres et la formation d'une croûte de sels efflorescentes en surface. Dans le site de Talabre, les fentes de dessiccation des dépôts ont entraîné la formation d'une zone d'oxydation à pH acide en moins de 4 ans. Ce processus a permis la libération et le transport par capillarité de Cu, Zn, Fe vers la surface, où ces éléments précipitent sous forme de sulfates de métaux lourds (ex., dévilline, krohnkite) de chlorures (ex. ériochalcite, atacamite). Une nouvelle déposition de sédiments frais pourrait dissoudre ces sels et les transporter vers la zone des eaux souterraines. Cette dernière zone était très dynamique en raison du mélange d'eaux provenant de différentes sources, comme les eaux souterraines, l'eau de captage et l'infiltration des eaux superficielles. Egalement dans cette zone, le cuivre était partiellement mobile à cause de la formation de complexe avec le chlore (dans les zone riche en Cl, Talabre) et avec la matière organique dissoute (dans les zones où s'infiltre l'eau de captage riche en matière organique, Carén). Une étude en laboratoire sur le fractionnement des isotopes stables de sulfure et d'oxygène des sulfates dans différents groupes de minéraux (sulfates hydrosolubles, sulfures de oxy-hydroxyde de Fe(III) faiblement ou fortement cristallins) a permis d'apporter une contribution à leur utilisation comme traceurs dans l'étude des processus géochimiques et de transport lors d'études environnementales. Les résultats montrent qu'une étude détaillée de la géochimie, des isotopes stables et de la minéralogie permet d'identifier les processus et les voies de contamination déjà pendant la période de dépôt des déchets miniers. Cette connaissance permet de planifier, dès le début de l'exploitation, des mesures adéquates pour réduire et contrôler l'impact sur l'environnement pendant la période de dépôts de déchets miniers et après la fermeture du site.

Quantification of magmatic and hydrothermal processes in a peralkaline syenite-alkali granite complex based on textures, phase equilibria, and stable and radiogenic isotopes

The Puklen complex of the Mid-Proterozoic Gardar Province, South Greenland, consists of various silica-saturated to quartz-bearing syenites, which are intruded by a peralkaline granite. The primary mafic minerals in the syenites are augite +/- olivine + Fe-Ti oxide + amphibole. Ternary feldspar thermometry and phase equilibria among mafic silicates yield T = 950-750degreesC, a(SiO2) = 0.7-1 and an f(O2) of 1-3 log units below the fayalite-magnetite-quartz (FMQ) buffer at 1 kbar. In the granites, the primary mafic minerals are ilmenite and Li-bearing arfvedsonite, which crystallized at temperatures below 750degreesC and at f(O2) values around the FMQ buffer. In both rock types, a secondary post-magmatic assemblage overprints the primary magmatic phases. In syenites, primary Ca-bearing minerals are replaced by Na-rich minerals such as aegirine-augite and albite, resulting in the release of Ca. Accordingly, secondary minerals include ferro-actinolite, (calcite-siderite)(ss), titanite and andradite in equilibrium with the Na-rich minerals. Phase equilibria indicate that formation of these minerals took place over a long temperature interval from near-magmatic temperatures down to similar to300degreesC. In the course of this cooling, oxygen fugacity rose in most samples. For example, late-stage aegirine in granites formed at the expense of arfvedsonite at temperatures below 300degreesC and at an oxygen fugacity above the haematite-magnetite (HM) buffer. The calculated delta(18)O(melt) value for the syenites (+5.9 to +6.3parts per thousand) implies a mantle origin, whereas the inferred delta(18)O(melt) value of <+5.1parts per thousand for the granitic melts is significantly lower. Thus, the granites require an additional low-delta(18)O contaminant, which was not involved in the genesis of the syenites. Rb/Sr data for minerals of both rock types indicate open-system behaviour for Rb and Sr during post-magmatic metasomatism. Neodymium isotope compositions (epsilonNd(1170 Ma) = -3.8 to -6.4) of primary minerals in syenites are highly variable, and suggest that assimilation of crustal rocks occurred to variable extents. Homogeneous epsilon(Nd) values of -5.9 and -6.0 for magmatic amphibole in the granites lie within the range of the syenites. Because of the very similar neodymium isotopic compositions of magmatic and late- to post-magmatic minerals from the same syenite samples a principally closed-system behaviour during cooling is implied. In contrast, for the granites an externally derived fluid phase is required to explain the extremely low epsilon(Nd) values of about -10 and low delta(18)O between +2.0 and +0.5parts per thousand for late-stage aegirine, indicating an open system in the late-stage history. In this study we show that the combination of phase equilibria constraints with stable and radiogenic isotope data on mineral separates can provide much better constraints on magma evolution during emplacement and crystallization than conventional whole-rock studies.

Seed priming and sulfur effects on soybean cell membrane stability and yield in saline soil

The objective of this work was to determine the effects of seed priming and sulfur application on cell membrane characteristics, seedling emergence, chlorophyll content and grain yield of soybean (Glycine max) in saline soil. A complete-block design in 4x3 factorial arrangement with three replicates was used to test four types of seed priming (water, auxin, gibberellin and non-priming) and three levels of sulfate availability (0, 70 and 140 kg ha-1 K2SO4). The soil had a silty loam texture with an electrical conductivity of 3.61 ds m-1, a pH of 8.2 and a saturation percentage of about 46%. Seed priming had significant effects on mean emergence rate (MER), emergence percentage, relative water content (RWC) of leaves, relative chlorophyll content, time of maturity, shoot length and grain yield. The highest values for these variables were observed in the priming treatments, except for the time of maturity. Sulfur application had significant effects on MER, shoot length, RWC, membrane injury index and grain yield. Priming treatments provide greater emergence rates and grain yields and interact sinergicaly with sulfur rates.

Sulfur isotope variations from orebody to hand-specimen scale at the Mezica lead-zinc deposit, Slovenia: a predominantly biogenic pattern

The Mississippi Valley-type (MVT) Pb-Zn ore district at Mezica is hosted by Middle to Upper Triassic platform carbonate rocks in the Northern Karavanke/Drau Range geotectonic units of the Eastern Alps, northeastern Slovenia. The mineralization at Mezica covers an area of 64 km(2) with more than 350 orebodies and numerous galena and sphalerite occurrences, which formed epigenetically, both conformable and discordant to bedding. While knowledge on the style of mineralization has grown considerably, the origin of discordant mineralization is still debated. Sulfur stable isotope analyses of 149 sulfide samples from the different types of orebodies provide new insights on the genesis of these mineralizations and their relationship. Over the whole mining district, sphalerite and galena have delta(34)S values in the range of -24.7 to -1.5% VCDT (-13.5 +/- 5.0%) and -24.7 to -1.4% (-10.7 +/- 5.9%), respectively. These values are in the range of the main MVT deposits of the Drau Range. All sulfide delta(34)S values are negative within a broad range, with delta(34)S(pyrite) < delta(34)S(sphalerite) < delta(34)S(galena) for both conformable and discordant orebodies, indicating isotopically heterogeneous H(2)S in the ore-forming fluids and precipitation of the sulfides at thermodynamic disequilibrium. This clearly supports that the main sulfide sulfur originates from bacterially mediated reduction (BSR) of Middle to Upper Triassic seawater sulfate or evaporite sulfate. Thermochemical sulfate reduction (TSR) by organic compounds contributed a minor amount of (34)S-enriched H(2)S to the ore fluid. The variations of delta(34)S values of galena and coarse-grained sphalerite at orefield scale are generally larger than the differences observed in single hand specimens. The progressively more negative delta(34)S values with time along the different sphalerite generations are consistent with mixing of different H(2)S sources, with a decreasing contribution of H(2)S from regional TSR, and an increase from a local H(2)S reservoir produced by BSR (i.e., sedimentary biogenic pyrite, organo-sulfur compounds). Galena in discordant ore (-11.9 to -1.7%; -7.0 +/- 2.7%, n=12) tends to be depleted in (34)S compared with conformable ore (-24.7 to -2.8%, -11.7 +/- 6.2%, n=39). A similar trend is observed from fine-crystalline sphalerite I to coarse open-space filling sphalerite II. Some variation of the sulfide delta(34)S values is attributed to the inherent variability of bacterial sulfate reduction, including metabolic recycling in a locally partially closed system and contribution of H(2)S from hydrolysis of biogenic pyrite and thermal cracking of organo-sulfur compounds. The results suggest that the conformable orebodies originated by mixing of hydrothermal saline metal-rich fluid with H(2)S-rich pore waters during late burial diagenesis, while the discordant orebodies formed by mobilization of the earlier conformable mineralization.

Buccal dental microwear and stable isotopes of El Collado: A mesolithic site from Spain,

This study examines the correlation between buccal dental microwear and stable isotopes. The buccal surface of post-canine teeth casts from El Collado, the largest Mesolithic site in Spain, were examined under Scanning Electron Microscope; photomicrographs were taken from the middle third of the buccal surface with magnification 100X. Only six individuals passed the criteria for buccal dental microwear analysis. The photomicrographs were treated by adobe Photoshop 8.01 to cover an area 0.56 mm² of middle third of buccal surface, the output photomicrographs were digitized using Sigmascan Pro 5 by SPSS. Then the correlation between buccal microwear pattern and stable isotopes of the same individuals, of the previous study of Guixe et al., 2006, was examined using a Pearson test. Statistical analysis revealed that there is no significant correlation between stable isotopes and buccal dental microwear of the people of the Mesolithic site of El Collado. The historical and archaeological documentation suggest that the Mesolithic people tended to consume marine food. Fish-drying techniques were used during the Mesolithic period which allowed the introduction of dust and sand to the fish. These abrasive particles affected the buccal dental microwear pattern, so that no correlation between the isotopes and microwear may be expected. This also suggests that the buccal dental microwear pattern exceeds dietary reconstruction to reconstruct food processing techniques.

Minerais, métaux, isotopes : recherches archéométriques sur les mines de plomb et d'argent en Valais, Suisse

RESUME Les nombreuses mines de plomb et d'argent du Valais témoignent d'une activité minière importante par le passé, sans toutefois dévoiler ni l'importance des minéralisations, ni l'ancienneté de l'exploitation. La présente recherche a pour but de comprendre pourquoi les grandes mines sont concentrées dans une région, et de déterminer la chronologie de leur exploitation. L'originalité de ce travail réside dans son interdisciplinarité, plus précisément dans l'application des méthodes minéralogiques pour résoudre une problématique historique. Afin d'évaluer les ressources minières en plomb et en argent du Valais, 57 mines et indices ont été repérés et échantillonnés. Les signatures isotopiques du Pb (74 analyses) et les compositions chimiques élémentaires (45 analyses) ont été déterminées. Les plus grandes exploitations se situent dans la nappe de Siviez-Mischabel, au Sud d'une ligne Vallée du Rhône / Val de Bagnes ainsi que dans le Lötschental. Elles sont liées, d'après leur signature isotopique de plomb, à des minéralisations d'âge calédonien (408 à 387 Ma) ou tardi-hercynien (333 à 286 Ma). À ces périodes, l'ancien continent est très lourd et subit une subsidence thermique. Des premières fractures d'extrême importance se forment. Comme il s'agit d'accidents tectoniques majeurs, des gisements de grande extension peuvent se former dans ce contexte. D'autres minéralisations se situent dans les domaines helvétiques (Massif des Aiguilles Rouges, Massif du Mont Blanc et couverture sédimentaire), couvrant une région au Nord de la Vallée du Rhône et du Val d'Entremont. D'âge post-hercynien à tardi-alpin (notons qu'il n'y a pas de minéralisations d'âge tertiaire), elles sont pour la plupart liées à des intrusions granitiques, sources de plomb juvénile. Les mines situées dans ces unités tectoniques sont nettement moins étendues que celles de la nappe de Siviez-Mischabel, ce qui permet de penser que les minéralisations correspondantes le sont également. Les périodes d'exploitation des mines peuvent être déterminées par quatre approches différentes l'archéologie minière, la lecture des textes historiques, l'étude des déchets métallurgiques et la comparaison de la signature isotopique du plomb, que l'on mesure dans un objet archéologique bien daté (monnaie, bijoux etc.), avec celles des minerais. Cette dernière méthode a été appliquée et développée dans le cadre de la présente recherche. Pour ce faire, 221 échantillons d'objet en plomb ou en argent datés entre l'Âge du Fer et le Moyen Age ont été analysés par la méthode des isotopes de plomb et comparés à environ 1800 signatures isotopiques de minerais des gisements les plus importants en Suisse et en Europe. Avant l'époque romaine et jusqu'au 1 er siècle de cette époque, le plomb provient principalement des mines de la péninsule ibérique alors en pleine activité. Un apport des mines d'Europe tempérée, notamment des Vosges, reste à confirmer. A partir du 1" siècle de notre ère, le plomb a principalement été importé en Suisse occidentale de grands centres de productions situées en Allemagne du Nord (région d'Eifel). Les mines de plomb valaisannes, notamment celles de Siviez, débutent leur exploitation en même temps, principalement pour couvrir les besoins locaux, mais également pour l'exportation jusque dans l'arc lémanique et, dans une moindre importance, au-delà. À partir du 4ème siècle, le besoin en plomb a été couvert par un apport des mines locales et par la refonte d'objets anciens. Ce changement d'approvisionnement est probablement lié aux tensions créées par les invasions germaniques durant la seconde moitié du 3' siècle ; le marché suisse n'est dès lors plus approvisionné par le nord, c'est-à-dire par la vallée du Rhin. Quant à l'argent, l'exploitation de ce métal est attestée à partir de la fin du La Tène, peu après l'apparition de ce métal dans la région valaisanne. L'échantillonnage ne couvrant pas l'époque romaine, rien n'est connu pour cette période. A partir du 5" siècle, une exploitation d'argent est de nouveau attestée. Cependant, l'exploitation d'argent des mines locales ne gagne en importance qu'à partir du Moyen Âge avec les frappes monétaires, notamment les frappes carolingiennes et épiscopales valaisannes. Les sources d'argent sont différentes selon leur utilisation : à part quelques exceptions notamment vers la fin du La Tène et au tardo-antique, les bijoux et objets de cultes ont été souvent créés à partir d'argent refondu, contrairement aux monnaies pour lesquelles l'argent provient des mines locales. On note un approvisionnement différent de ce métal pour les objets, notamment les monnaies, selon leur lieu de fabrication : on peut clairement distinguer les objets valaisans de ceux du Plateau Suisse. SUMMARY The many lead and silver mines of the Valais testify of an important mining activity in the past, without however revealing neither the importance of the mineralizations, nor the era of the exploitation. The purpose of this research is to understand why the large mines are concentrated in one region, and to determine the history of their exploitation. The uniqueness of this work lies in its interdisciplinarity, more precisely in the application of mineralogical methods to solve historical problems. In order to evaluate the lead and silver mining resources of the Valais region, 57 mines and ore deposits were located and sampled. The isotope signatures of Pb (74 analyses) and the compositions of the chemical elements (45 analyses) were determined. The largest activities are in the Siviez-Mischabel area, located in the South of the boundary formed by the Rhone, Bagnes and Lotschental valleys. According to their lead isotope signatures, they are linked to mineralizations of the Caledonian (408 to 387 my) or tardi-Hercynian (333 to 286 my) orogenies. In those times, the old continent was very heavy and underwent a thermal subsidence. First fractures of great significance were formed. Through these major tectonic events, large extended ore deposits can be formed. Other mineralizations are found in the helvetic regions situated north of the Rhone and the Entremont valley (the Aiguilles Rouges basement, Mount Blanc basement and the covering sediment). Because they are from post-hercynien to tardi-alpine age (there are no mineralizations of tertiary age), they are mainly linked to granite intrusions, the sources of juvenile lead. The mines found in these tectonic units are significantly less extensive than those of the Siviez-Mischabel area, leading to the assumption that the respective mineralizations extend accordingly. The history of exploitation of the mines can be determined by four different sources: mining archaeology, historical texts, metallurgical waste, and the comparison of the isotope signature of the lead from accurately dated archaeological objects (currency, jewels etc), with those of the ores. This last approach was applied and developed within the framework of this research. The lead isotope signatures of 221 lead or silver objects from the Iron Age to the Middle Age were compared with approximately 1800 samples of ore of the most important ore deposits in Switzerland and Europe. Before the Roman time up to the 1st century, lead comes mainly from the mines of the Iberian Peninsula then in full activity. A contribution of the mines of Central Europe, in particular of the Vosges, remains to be confirmed. From the 1st century on, lead was mainly imported into Western Switzerland from Northern Germany (Eiffel region). The lead mines in the Valais region, in particular those of Siviez, begin their exploitation at the same time, mainly to meet the local needs, but also for export to the lemanic basin and of lesser importance, beyond. As from the 4th century, the need of lead was met by the production from local mines and the recycling of old objects. This change of supply is probably related to the tensions created by the Germanic invasions during second half of the 3rd century; as a consequence, the Swiss market is not supplied any more by the north, i.e. the Rhine valley. Silver production is confirmed starting from the end of La Tene, shortly after the appearance of this metal in the Valais region. Since no objects of Roman origin were analyzed, nothing is known for this period. From the 5th century on, silver production is again confirmed. However, significant silver production from local mines starts only in the Middle Age with the coinage, in particular Carolingian and Episcopal minting from the Valais region. The sources of silver differ according to their use: besides some exceptions in particular towards the end of La Tene and the tardi-Roman, the jewels and objects of worships were often created from recycled silver, contrary to the coins the silver for which comes from the local mines. A different source of silver is observed according to the location of coin manufacture: Objects originating from the Valais region are clearly distinguished from those from the Plateau Suisse. ZUSAMMENFASSUNG Die grosse Zahl von Blei- und Silberminen im Wallis ist Zeugnis einer bedeutenden Bergbautätigkeit, es fehlen aber Hinweise über ihren Umfang und den Zeitraum ihrer Ausbeutung. Die vorliegende Arbeit sucht zu ergründen, warum grosse Minen sich in einer eng begrenzten Region häufen und in welchem Zeitraum sie genutzt wurden. Die Besonderheit der Studie liegt in ihrer Interdisziplinarität, genauer in der Anwendung von mineralogischen Methoden zur Beantwortung historischer Fragestellungen. Zur Beurteilung der Lagerstätten wurden von 57 Minen und Aufschlüssen Proben entnommen oder Nachweise erbracht und mittels 74 Isotopen-Analysen von Blei und 45 chemischen Gesamtanalysen ausgewertet. Die wichtigsten Vorkommen liegen in der Siviez- Mischabel- Decke südlich der Linie Rhonetal- Val de Bagnes, sowie im Lötschental. Die Bleiisotopen- Alter weisen ihre Entstehung der kaledonischen (408 - 387 Mio. J.) oder der spät- herzynischen (333 - 286 Mio. J.) Gebirgsbildungsphase zu. In dieser Periode ist die kompakte Landmasse sehr schwer und erfairt eine thermische Absenkung. Es bilden sich tektonische Brüche von kontinentaler Ausdehnung. Die grossen tektonischen Bewegungen ermöglichen die Bildung von ausgedehnten Lagerstätten. Andere Vorkommen finden sich im Bereich der Helvetischen Alpen (Aiguilles Rouges Massiv, Mont-Blanc-Massiv und Sediment-Decken) im Gebiet nördlich des Rhonetales bis zum Val d'Entremont. Altersmässig sind sie der nach-hercynischen bis zur spät-alpidischen Orogenese zuzuweisen (auffällig ist das Fehlen von Vorkommen im Tertiär) und haben sich meist in der Folge von Granit- Intrusion, dem Ursprung von primärem Blei ausgebildet. Die Bergwerke in diesem Bereich sind deutlich weniger ausgedehnt als jene in der Siviez-Mischabel-Decke und entsprechen wahrscheinlich dem geringen Umfang der zugehörigen Vorkommen. Die Nutzungsperioden der Minen können mit vier verschiedenen Methoden bestimmt werden: Minenarchäologie, Historische Quellen, Auswertung von metallischen Abfällen (Schlacken) und Vergleich der Bleiisotopen-Zusammensetzung von Erzen mit jener von zeitlich gut datierbaren archäologischen Gegenständen (Münzen, Schmuckstücke). Die letztere Methode wurde im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit entwickelt und angewendet. Zu diesem Zweck wurden an 221 Proben von Blei- oder Silberobjekten, die in die Periode zwischen Eisenzeit und Mittelalter eingestuft werden können, Bleiisotopen- Analysen durchgeführt und mit ca. 1800 Proben aus den wichtigsten Lagerstätten der Schweiz und Europas verglichen. Vor der Römerzeit und bis ins 1. Jahrh. stammt das Blei vornehmlich aus den in jener Zeit in voller Ausbeutung begriffenen Minen der Iberischen Halbinsel. Der Beitrag von Mitteleuropa, besonders der Vogesen, muss noch bestätigt werden. Ab dem 1. Jahrh. nach Chr. wurde die Westschweiz hauptschlich mit Blei aus den grossen Produktionszentren Norddeutschlands, vorwiegend der Eifel, versorgt. In dieser Periode setzt die Ausbeutung der Bleiminen des Wallis, besonders von Siviez, ein. Sie dienen der Deckung des örtlichen Bedarfs aber auch der Ausfuhr in das Gebiet des Genfersees und in einem bescheidenen Rahmen sogar darüber hinaus. Ab dem 4. Jahrhundert wurden vermehrt alte Objekte eingeschmolzen. Dieser Wechsel der Versorgungsquellen war vermutlich eine Folge der Wölkerwanderung in der zweiten Hälfte des 3. Jahrhunderts. Ab diesem Zeitpunkt war Helvetien der Zugang zu den Versorgungsquellen des Nordens, besonders des Rheinlandes, verwehrt. Der Abbau von Silber ist ab dem Ende des La Tène nachgewiesen, nur wenig nach dem Auftreten dieses Metalls im Wallis. Über die Römerzeit können wegen dem Fehlen entsprechender Proben keine Aussagen gemacht werden. Eine erneute Abbauperiode ist ab dem 5. Jahrhundert nachgewiesen. Die Produktion der örtlichen Minen erreicht aber erst im Mittelalter eine gewisse Bedeutung mit der Prägung von Mnzen durch die Karolinger und die Walliser Bischöfe. Die Herkunft des Silbers ist abhängig von dessen Verwendung. Mit wenigen Ausnahmen in der Zeit des La Tène und der späteren Römerzeit wurde für Kunst- und Kult- Gegenstände rezykliertes Silber verwendet, für Münzprägungen neues Silber aus den örtlichen Minen. Von Einfluss auf die Herkunft war auch der Produktionsstandort: Die Objekte aus dem Wallis unterscheiden sich deutlich von jenen des Mittellandes.

Study of isotopic variations in black powder: reflections on the use of stable isotopes in forensic science for source inference.

Isotope ratio mass spectrometry (IRMS) has recently made its appearance in the forensic community. This high-precision technology has already been applied to a broad range of forensic fields such as illicit drugs, explosives and flammable liquids, where current, routinely used techniques have limited powers of discrimination. The conclusions drawn from the majority of these IRMS studies appear to be very promising. Used in a comparative process, as in food or drug authentication, the measurement of stable isotope ratios is a new and remarkable analytical tool for the discrimination or the identification of a substance with a definite source or origin. However, the research consists mostly of preliminary studies. The significance of this 'new' piece of information needs to be evaluated in light of a forensic framework to assess the actual potential and validity of IRMS, considering the characteristics of each field. Through the isotopic study of black powder, this paper aims at illustrating the potential of the method and the limitations of current knowledge in stable isotopes when facing forensic problems.

Plutonium and americium isotopes as alternative chronostratigraphic markers in tropical regions: An application in the Havana Bay (Cuba)

The low 137Cs activity observed in marine sediments of tropical regions often precludes its use as chronostratigraphic marker. Here we present a study on the use of Pu and Am radioisotopes as alternative markers to constrain the 210Pb ages in a sediment core of the Havana Bay (Cuba). Mean activity ratios of 238Pu/239,240Pu, 241Am/239,240Pu and 241Pu/239,240Pu indicated that the nuclear weapon tests fallout is the main source of the anthropogenic radionuclides. While the inventory of 137Cs in the sediments is lower than the expected fallout inventory, 239,240Pu accumulates in the sediments with inventories higher than the expected fallout inventory. The high fluxes of 239,240Pu are nevertheless corroborated here through use of 210Pb, and confirm that focusing of solid particles is of great importance in the investigated site. 239,240Pu showed to be a useful time tracer in marine sites where the 137Cs signal is very low.

In silico pathway reconstruction: Iron-sulfur cluster biogenesis in Saccharomyces cerevisiae

Background: Current advances in genomics, proteomics and other areas of molecular biology make the identification and reconstruction of novel pathways an emerging area of great interest. One such class of pathways is involved in the biogenesis of Iron-Sulfur Clusters (ISC). Results: Our goal is the development of a new approach based on the use and combination of mathematical, theoretical and computational methods to identify the topology of a target network. In this approach, mathematical models play a central role for the evaluation of the alternative network structures that arise from literature data-mining, phylogenetic profiling, structural methods, and human curation. As a test case, we reconstruct the topology of the reaction and regulatory network for the mitochondrial ISC biogenesis pathway in S. cerevisiae. Predictions regarding how proteins act in ISC biogenesis are validated by comparison with published experimental results. For example, the predicted role of Arh1 and Yah1 and some of the interactions we predict for Grx5 both matches experimental evidence. A putative role for frataxin in directly regulating mitochondrial iron import is discarded from our analysis, which agrees with also published experimental results. Additionally, we propose a number of experiments for testing other predictions and further improve the identification of the network structure. Conclusion: We propose and apply an iterative in silico procedure for predictive reconstruction of the network topology of metabolic pathways. The procedure combines structural bioinformatics tools and mathematical modeling techniques that allow the reconstruction of biochemical networks. Using the Iron Sulfur cluster biogenesis in S. cerevisiae as a test case we indicate how this procedure can be used to analyze and validate the network model against experimental results. Critical evaluation of the obtained results through this procedure allows devising new wet lab experiments to confirm its predictions or provide alternative explanations for further improving the models.

Stable carbon isotopes in archaeobotanical remains and palaeoclimate

Es descriu una metodologia recent per a inferir la precipitació en el passat basada en l’anàlisi de la composició isotòpica del carboni (δ13C) en restes arqueobotàniques. Un cop descrita la base fisiològica de la tècnica, s’il·lustra l’aplicabilitat de δ13C mitjançant un exemple referent al NE peninsular. Hom pretén proporcionar una estimació quantitativa de l’evolució de la precipitació estacional (primavera) i anual al llarg dels darrers quatre mil anys basada en δ13C. Les mostres analitzades comprenen carbons (pi blanc) i llavors carbonitzades (blat i ordi), i s’obtenen estimes pluviomètriques superiors en el passat que actualment, amb una tendència gradual cap a condicions progressivament més àrides. No obstant això, aquesta tendència no esdevé uniforme, i es detecten dues fases de major precipitació (1800-900 aC; 300 aC - 300 dC) alternadament amb períodes relativament secs (900-300 aC; 900 dC - present). Dels resultats presentats també es desprèn que la importància relativa de la pluja primaveral en el passat fou variable. Des d’aproximadament el 300 aC en endavant, el període primaveral subministrà una major proporció de pluja anual que actualment. Contràriament, durant el període 1800-800 dC la seva contribució va esdevenir inferior, i va aparèixer una fase transitòria (800-300 aC) que mostra una recuperació sobtada en aportació primaveral. Posteriorment a aquesta fase la sincronia de canvis en δ13C en granes i carbons suggereix l’arribada del clima mediterrani a la regió.

Stable isotopes in arid and semi-arid forest systems

El empleo de isótopos estables en el ámbito de la ecología forestal ha ido creciendo progresivamente en las últimas dos décadas. Cabe esperar que esta tendencia se mantenga en el futuro, ya que éstos aportan una visión integradora de cómo las plantas, hoy y en el pasado, han interaccionado con el medio así como con otros organismos. Su implementación es particularmente relevante en climas secos debido a la fuerte limitación de recursos que en ellos acontece. Tras una breve introducción sobre las bases teóricas de los isótopos estables en fisiología vegetal, esta revisión destaca, sobre diferentes escalas espaciales y temporales, los últimos avances en ecología forestal empleando esta metodología y con un énfasis especial en los sistemas áridos y semiáridos.

Grx5 is a mitochondrial glutaredoxin required for the activity of iron/sulfur enzymes

Yeast cells contain a family of three monothiol glutaredoxins: Grx3, 4, and 5. Absence of Grx5 leads to constitutive oxidative damage, exacerbating that caused by external oxidants. Phenotypic defects associated with the absence of Grx5 are suppressed by overexpression ofSSQ1 and ISA2, two genes involved in the synthesis and assembly of iron/sulfur clusters into proteins. Grx5 localizes at the mitochondrial matrix, like other proteins involved in the synthesis of these clusters, and the mature form lacks the first 29 amino acids of the translation product. Absence of Grx5 causes: 1) iron accumulation in the cell, which in turn could promote oxidative damage, and 2) inactivation of enzymes requiring iron/sulfur clusters for their activity. Reduction of iron levels in grx5 null mutants does not restore the activity of iron/sulfur enzymes, and cell growth defects are not suppressed in anaerobiosis or in the presence of disulfide reductants. Hence, Grx5 forms part of the mitochondrial machinery involved in the synthesis and assembly of iron/sulfur centers.

A peroxisomal glutathione transferase of Saccharomyces cerevisiae is functionally related to sulfur amino acid metabolism

Saccharomyces cerevisiae cells contain three omega-class glutathione transferases with glutaredoxin activity (Gto1, Gto2, and Gto3), in addition to two glutathione transferases (Gtt1 and Gtt2) not classifiable into standard classes. Gto1 is located at the peroxisomes, where it is targeted through a PTS1-type sequence, whereas Gto2 and Gto3 are in the cytosol. Among the GTO genes, GTO2 shows the strongest induction of expression by agents such as diamide, 1-chloro-2,4-dinitrobenzene, tert-butyl hydroperoxide or cadmium, in a manner that is dependent on transcriptional factors Yap1 and/or Msn2/4. Diamide and 1-chloro-2,4-dinitrobenzene (causing depletion of reduced glutathione) also induce expression of GTO1 over basal levels. Phenotypic analyses with single and multiple mutants in the S. cerevisiae glutathione transferase genes show that, in the absence of Gto1 and the two Gtt proteins, cells display increased sensitivity to cadmium. A gto1-null mutant also shows growth defects on oleic acid-based medium, which is indicative of abnormal peroxisomal functions, and altered expression of genes related to sulfur amino acid metabolism. As a consequence, growth of the gto1 mutant is delayed in growth medium without lysine, serine, or threonine, and the mutant cells have low levels of reduced glutathione. The role of Gto1 at the S. cerevisiae peroxisomes could be related to the redox regulation of the Str3 cystathionine -lyase protein. This protein is also located at the peroxisomes in S. cerevisiae, where it is involved in transulfuration of cysteine into homocysteine, and requires a conserved cysteine residue for its biological activity.