Circum-Alpine marine circulation and paleoenvironmental conditions during the Miocene

Trace element and isotopic compositions of marine fossils and sediment were analyzed from several Miocene deposits in the circum-Alpine region in order to reconstruct the paleoceanographic and paleoclimatic changes related to sea level changes, basin evolution and Alpine orogeny. To the north and the east the Alps were border by an epicontinental sea, the Paratethys, while to the south the Mediterranean surrounded the uplifting mountains during the Miocene. The thesis mainly focused on sediments and fossils sampled from Miocene beds of these two oceanic provinces. The north Alpine Molasse, the Vienna and Pannonian Basins were located in the Western and Central Paratethys. O-isotope compositions of well-preserved phosphatic fossils in these sediments support deposition under sub-tropical to warm-temperate climate with water temperatures between 14 to 28 °C for the Miocene. δ18O values of fossil shark teeth from different horizons vary similarly to those of the global trend until the end of the Badenian, however the δ18O values show wider range, which indicates local effects iii the sub-basins. The trend of 87Sr/86Sr in the samples roughly agrees with an open ocean environment for the Miocene. Yet a number of samples deviate from typical open ocean compositions with higher ratios suggesting modification of seawater by local and old terrestrial sources. In contrast, two exceptional teeth from the locality of La Moliere have extremely low δ18O values and low 87Sr/86Sr. However, the REE patterns of their enameloid are similar to those of teeth having O and Sr isotopic compositions typical of a marine setting at this site. Collectively, this suggests that the two teeth formed while the sharks frequented a freshwater environment with very low 18O-content and 87Sr/86Sr controlled by Mesozoic calcareous rocks. This is consistent with a paleogeography of high-elevation (~2300m) Miocene Alps adjacent to a marginal sea. The local effects are also reflected in the εNd values of the Paratethyan fossils, which is compatible with input from ancient crystalline rocks and Mesozoic sediments, while other samples with elevated εNd values indicate an influence of Neogene volcanism on the water budget. Excluding samples whose isotopic compositions reflect a local influence on the water column, an average εNd value of -7.9 ± 0.5 may be inferred for the Paratethys seawater. This value is indistinguishable from the Miocene value of the Indian Ocean, supporting a dominant role of ludo-Pacific water masses in the Paratethys. Regarding the Mediterranean, stable C-and O-isotope compositions of benthic and planktonic foraminifera from the Umbria-Marche region (UMC) have an offset typical for their habitats and the changes in composition mimic global changes, suggesting that the regional conditions of climate and the carbon cycle were controlled by global changes. The radiogenic isotope compositions of the fossil assemblages allow for distinction of periods. From 25 to 19 Ma, high εNd values and low 87Sr/86Sr of sediments and fossils support intense tectonism and volcanism, related to the opening of the western Mediterranean. Between 19 and 13 Ma the Mediterranean has εNd values that are largely controlled by incursion of Indian Ocean water. Brief periods of local hinterland control on seawater compositions are indicated by spikes in the εNd record, coinciding with volcanic events and a short sea-level decrease at about 15.2 Ma. Lower 87Sr/86Sr compared to the open ocean is compatible with rapid uplift of the hinterland and intense influx of Sr from Mesozoic carbonates of the western Apennines, while higher 87Sr/86Sr for other sites indicates erosion of old crustal silicate rocks. Finally, from 13 to 7 Ma the fossils have 87Sr/86Sr similar to those of Miocene seawater and their εNd values indicates fluctuating influence of Atlantic, and Indian Ocean or Paratethys sources of seawater entering the Mediterranean, driven by global sealevel changes and local tectonism. RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les compositions en éléments traces et isotopiques de fossiles marins et de sédiments on été analysées à partir de nombreux dépôts marins dans la région circum Alpine dans le but de reconstruire les changements paléocéanographiques et paléoclimatiques liés aux changements du niveau marin, à l'évolution en bassins et à l'orogénie alpine. Au nord et à l'est des Alpes, une mer épicontinentale appelée Paratéthys s'est ouverte, alors que plus au sud la mer Méditerranée bordait au Miocène les Alpes naissantes. Le but de cette recherche est de se concentrer sur les sédiments et les fossiles provenant des couches du Miocènes de ces deux provinces marines. Les bassins de la Molasse Alpine du nord, de Vienne et Pannonien étaient situés au niveau de la Paratéthys Occidentale et Centrale. Les compositions isotopiques de l'oxygène de fossiles phosphatés bien préservés dans ces sédiments étayent la théorie d'un dépôt sous un climat subtropical à tempéré chaud avec des températures entre 14 et 28°C pendant le Miocène. Les valeurs δ18O des fossiles sont similaires à la tendance globale jusqu'à la fin du Badénien. Cependant les larges fluctuations en δ18O indiquent des effets locaux au niveau des sous bassins. En outre, deux dents de requin exceptionnelles présentent des valeurs extrêmement basses de δ18O. Ces données suggèrent que ces deux dents se sont formées alors que les requins fréquentaient un environnement d'eau douce avec de faibles valeurs de 18O. Le calcul de la composition isotopique de l'oxygène de cette eau douce permet d'obtenir une estimation de la paléoélévatian moyenne des Alpes du Miocène (~2300m). La tendance 87Sr/86Sr pour ces échantillons concorde approximativement avec un environnement d'océan ouvert au cours du Miocène. Toutefois un nombre d'échantillons dévie des compositions d'océan ouvert typiques, avec des rapports élevés suggérant des modifications de l'eau de mer par des sources locales et terrestres. Les effets locaux sont aussi reflétés au niveau des valeurs en εNd des fossiles paratéthysiens. Ceci est cohérent avec un apport d'anciennes roches cristallines et de sédiments mésozoïques, tandis que d'autres échantillons avec des valeurs hautes de εNd indiquent une influence d'un volcanisme néogène dans le budget marin. En excluant les échantillons dont les compositions isotopiques confirment une influence locale, une valeur moyenne de εNd de 7.9 t 0.5 peut être déduite pour l'eau de la Parathétys. Cette valeur est semblable à la valeur correspondant à l'Océan Indien durant le Miocène, confirmant un rôle dominant de cet océan dans la Paratéthys. Au niveau de la Méditerranée, les compositions en isotopes stables du Carbone et de l'Oxygène de foraminifères planctoniques et benthique de la région Umbria-Marche présentent un offset typique à leurs habitats. De plus les changements dans leurs compositions suivent les changements globaux, suggérant ainsi que les conditions climatiques régionales et le cycle du carbone étaient contrôlés par des phénomènes globaux. La composition en isotopes radiogéniques d'assemblages fossiles permet une reconnaissance sur trois périodes distinctes. De 25 à 19 millions d'années (Ma), des valeurs élevées de εNd et un faible rapport 87Sr/86Sr dans les sédiments soutiennent l'idée d'une activité tectonique et volcanique intense, liée à l'ouverture de la Méditerranée occidentale. Entre 19 et 13 Ma, la Méditerranée montre des valeurs de εNd qui sont largement contrôlées par une incursion d'eau provenant de l'Océan Indien. En effet, aux alentours de 15,2 Ma, des pics dans l'enregistrement des valeurs de εNd, coïncidant avec des événements volcaniques et de brèves diminutions du niveau marin. Enfin, de 13 à 7 Ma, les fossiles ont des rapports ß7Sr/8fiSr similaires à ceux de l'eau de mer au Miocène. Leurs valeurs de εNd indiquent une influence changeante de l'océan Atlantique, et de l'océan Indien ou des sources d'eau de merde la Parathétys qui entrent dans les bassins méditerranéens. Ce changement est guidé par des modifications globales du niveau marin et par la tectonique locale. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (POUR LE GRAND PUBLIC) Les analyses des compositions en éléments traces et isotopiques des fossiles marins sont un outil très utile pour reconstruire les conditions océaniques et climatiques anciennes. Ce travail de thèse se concentre sur les sédiments déposés dans un environnement marin proches des Alpes au cours du Miocène, entre 23 et 7 millions d'années (Ma). Cette période est caractérisée par une tectonique alpine active, ainsi que par des changements climatiques et océanographiques globaux importants. Dans le but de tracer ces changements, les compositions isotopiques du Strontium, du Néodyme, de l'Oxygène et du Carbone ont été analysées dans des fossiles bien préservés ainsi que les sédiments contemporains. Les échantillons proviennent de deux provinces océaniques distinctes, la première est la Mer Méditerranée, et l'autre est une mer épicontinentale appelée Parathétys, qui existait au nord et à l'est des Alpes durant le Miocène. Au niveau de la Parathétys Occidentale et Orientale, les compositions isotopiques d'oxygène de dents de requins confirment un dépôt sous un climat subtropical à tempéré chaud avec des températures d'eau entre 14 et 28°C au Miocène. En outre, deux dents de requins exceptionnelles ont enregistré des compositions isotopiques d'oxygène extrêmement basses. Cela suggère que ces deux dents se sont formées alors que les requins entraient dans un système d'eau douce. Le calcul de la composition isotopique de l'oxygène de cette eau douce permet d'obtenir une estimation de la paléoélévation des Alpes au Miocène qui est aussi élevée que celle d'aujourd'hui. La tendance isotopique du Strontium pour ces échantillons concorde approximativement avec un environnement d'océan ouvert. Cependant un certain nombre d'échantillons indique des modifications de l'eau de mer par des sources terrestres locales. Les effets locaux sont aussi visibles au niveau des compositions isotopiques du Néodyme, qui sont en accord avec un apport provenant de roches cristallines anciennes et de sédiments du Mésozoïque, alors que d'autres échantillons indiquent une influence volcanique néogène dans le budget marin. A l'exclusion des échantillons dont les compositions correspondent à une influence locale, les compositions isotopiques du Néodyme de la Parathétys sont très similaires aux valeurs de l'Océan Indien, montrant ainsi un rôle important des masses d'eau IndoPacifiques dans cette région. Au niveau de la Méditerranée, les compositions en isotopes stables du Carbone et de l'Oxygène de foraminifères planctoniques et benthique de la région Umbria-Marche présentent un offset typique à leurs habitats. De plus, les changements dans leurs compositions suivent les changements globaux, suggérant ainsi que les conditions climatiques régionales et le cycle du carbone étaient contrôlés par des phénomènes globaux. La composition en isotopes radiogéniques d'assemblages fossiles permet une reconnaissance sur trois périodes distinctes. De 25 à 19 Ma, des rapport isotopiques élevés pour le Néodyme et faibles pour le Strontium dans les sédiments et les fossiles soutiennent l'idée d'une activité tectonique et volcanique intense, liée à l'ouverture de la Méditerranée occidentale. Entre 19 et 13 Ma, la Méditerranée présente des rapports isotopiques du Néodyme qui sont largement contrôlés par une incursion d'eau provenant de l'Océan Indien. En effet, aux alentours de 15,2 Ma, des pics dans l'enregistrement des valeurs des isotopes du Néodyme coïncident avec des événements volcaniques et de brèves diminutions du niveau marin. Finalement, de 13 à 7 Ma, les fossiles ont des rapports isotope Strontium similaires à ceux de l'eau de mer au Miocène. Les rapports isotopiques du Néodyme indiquent une influence changeante de l'océan Atlantique, et de l'océan Indien ou des sources d'eau de mer de la Parathétys qui entrent dans les bassins méditerranéens. Ce changement est guidé par des modifications globales du niveau marin et par la tectonique locale.

Postglacial recolonization of the Valais (Switzerland) by the shrew Sorex antinorii: is dispersal sex-biased? A preliminary study

One male inherited and 8 biparentaly inherited microsatellite markers developed in the shrew Sorex antinorii were used to analyse population of this species from the Valais mountainous region of Switzerland. The analysis of the Y-chromosome microsatellite showed a nearly complete absence of male gene flow between populations from the Simplon Pass and the St-Bernard pass. These results suggest that the recolonization of the Valais from the Italian refugia after the last Pleistocene glaciations has been done through these two potential routes. To complete these results, we studied the same samples, as well as additional samples from intermediate localities, with a female inherited mtDNA marker. The highly variable D-Loop region of mtDNA was sequenced in 44 individuals. This mtDNA marker does not show a clear geographical structuration. The populations of the intermediate valleys are genetically closer to the populations of the Simplon region for the male marker, but not for the mtDNA marker. Simplon appears to have been the first route of colonisation of Valais. Female-biased dispersal could explain our results. This preliminary study exemplifies the interest of the analysis of sex-specific genetic markers in phylogeography.

Molecular evidence of Pleistocene bidirectional faunal exchange between Europe and the Near East: the case of the bicoloured shrew (Crocidura leucodon, Soricidae).

We sequenced 1077 bp of the mitochondrial cytochrome b gene and 511 bp of the nuclear Apolipoprotein B gene in bicoloured shrew (Crocidura leucodon, Soricidae) populations ranging from France to Georgia. The aims of the study were to identify the main genetic clades within this species and the influence of Pleistocene climatic variations on the respective clades. The mitochondrial analyses revealed a European clade distributed from France eastwards to north-western Turkey and a Near East clade distributed from Georgia to Romania; the two clades separated during the Middle Pleistocene. We clearly identified a population expansion after a bottleneck for the European clade based on mitochondrial and nuclear sequencing data; this expansion was not observed for the eastern clade. We hypothesize that the western population was confined to a small Italo-Balkanic refugium, whereas the eastern population subsisted in several refugia along the southern coast of the Black Sea.

Modelling plant species distribution in alpine grasslands using airborne imaging spectroscopy.

Remote sensing using airborne imaging spectroscopy (AIS) is known to retrieve fundamental optical properties of ecosystems. However, the value of these properties for predicting plant species distribution remains unclear. Here, we assess whether such data can add value to topographic variables for predicting plant distributions in French and Swiss alpine grasslands. We fitted statistical models with high spectral and spatial resolution reflectance data and tested four optical indices sensitive to leaf chlorophyll content, leaf water content and leaf area index. We found moderate added-value of AIS data for predicting alpine plant species distribution. Contrary to expectations, differences between species distribution models (SDMs) were not linked to their local abundance or phylogenetic/functional similarity. Moreover, spectral signatures of species were found to be partly site-specific. We discuss current limits of AIS-based SDMs, highlighting issues of scale and informational content of AIS data.

The correct name, species diagnosis, and distribution of the Sicilian shrew

New karyological and morphological data show that Sicily, the Egadi Islands, Malta and Gozo are (ore were) inhabited by a particular species of Crocidura, for which the name Crocidura sicula Miller, 1901 is available. The species is briefly diagnosed and described and a new key to the European species of Crocidura is presented

Unravelling the interaction between tectonic and sedimentary processes during lithospheric thinning in the Alpine Tethys margins

The discovery of exhumed continental mantle and hyper-extended crust in present-day magma-poor rifted margins is at the origin of a paradigm shift within the research field of deep-water rifted margins. It opened new questions about the strain history of rifted margins and the nature and composition of sedimentary, crustal and mantle rocks in rifted margins. Thanks to the benefit of more than one century of work in the Alps and access to world-class outcrops preserving the primary relationships between sediments and crustal and mantle rocks from the fossil Alpine Tethys margins, it is possible to link the subsidence history and syn-rift sedimentary evolution with the strain distribution observed in the crust and mantle rocks exposed in the distal rifted margins. In this paper, we will focus on the transition from early to late rifting that is associated with considerable crustal thinning and a reorganization of the rift system. Crustal thinning is at the origin of a major change in the style of deformation from high-angle to low-angle normal faulting which controls basin-architecture, sedimentary sources and processes and the nature of basement rocks exhumed along the detachment faults in the distal margin. Stratigraphic and isotopic ages indicate that this major change occurred in late Sinemurian time, involving a shift of the syn-rift sedimentation toward the distal domain associated with a major reorganization of the crustal structure with exhumation of lower and middle crust. These changes may be triggered by mantle processes, as indicated by the infiltration of MOR-type magmas in the lithospheric mantle, and the uplift of the Brianconnais domain. Thinning and exhumation of the crust and lithosphere also resulted in the creation of new paleogeographic domains, the Proto Valais and Liguria-Piemonte domains. These basins show a complex, 3D temporal and spatial evolution that might have evolved, at least in the case of the Liguria-Piemonte basin, in the formation of an embryonic oceanic crust. The re-interpretation of the rift evolution and the architecture of the distal rifted margins in the Alps have important implications for the understanding of rifted margins worldwide, but also for the paleogeographic reconstruction of the Alpine domain and its subsequent Alpine compressional overprint.

Sex-specific estimates of dispersal show female philopatry and male dispersal in a promiscuous amphibian, the alpine salamander (Salamandra atra).

Amphibians display wide variations in life-history traits and life cycles that should prove useful to explore the evolution of sex-biased dispersal, but quantitative data on sex-specific dispersal patterns are scarce. Here, we focused on Salamandra atra, an endemic alpine species showing peculiar life-history traits. Strictly terrestrial and viviparous, the species has a promiscuous mating system, and females reproduce only every 3 to 4 years. In the present study, we provide quantitative estimates of asymmetries in male vs. female dispersal using both field-based (mark-recapture) and genetic approaches (detection of sex-biased dispersal and estimates of migration rates based on the contrast in genetic structure across sexes and age classes). Our results revealed a high level of gene flow among populations, which stems exclusively from male dispersal. We hypothesize that philopatric females benefit from being familiar with their natal area for the acquisition and defence of an appropriate shelter, while male dispersal has been secondarily favoured by inbreeding avoidance. Together with other studies on amphibians, our results indicate that a species' mating system alone is a poor predictor of sex-linked differences in dispersal, in particular for promiscuous species. Further studies should focus more directly on the proximate forces that favour or limit dispersal to refine our understanding of the evolution of sex-biased dispersal in animals.

Alpine deformation and 40Ar/39Ar geochronology of synkinematic white mica in the Siviez-Mischabel Nappe, western Pennine Alps, Switzerland

We explore the timing of deformation and exhumation of the Siviez-Mischabel Nappe (western Swiss Alps), which has been considered a classic example of a midcrustal crystalline nappe since the studies of Argand [1916]. This study presents Ar-40/Ar-39 ages obtained on both synkinematic white mica from Permo-Triassic cover sediments and more complex white mica populations from basement gneisses of the Siviez-Mischabel and middle Pennine Nappes. Primary foliation developed in cover units by nucleation, growth, and rigid rotation of mica grains during noncoaxial Alpine deformation. Although some samples show a crenulation of this primary foliation, mica growth appears to have occurred only during the development of primary foliation, the main phase of greenschist facies deformation related to imbrication of the Siviez-Mischabel Nappe and other middle Pennine Nappes. Good agreement exists between independent estimates of the timing of deformation and reported Ar-40/Ar-39, white mica ages from cover units of the central and southern Siviez-Mischabel Nappe. In cover units from the central and southern Siviez-Mischabel regions of the study area, Ar-40/Ar-39 ages appear to date synkinematic white mica growth. Results suggest that the Siviez-Mischabel :Nappe was emplaced and developed foliation during a 5 m.y. period from 41 to 36 Ma. In cover units from the eastern Siviez-Mischabel, however, Ar-40/Ar-39 white mica ages appear to date postkinematic thermal events. These thermal events may be related to Oligocene magmatic activity in the lower Pennine Nappes or to Miocene development of the Simplon fault zone. Variations in the relation between Alpine age and grain size for cover samples from the central, eastern, and southern Siviez-Mischabel correlate well with the regional variations in temperature inferred from quartz microfabrics and the pattern of regional metamorphism. When considered in concert with other recent isotopic studies on the timing of major tectonic and thermal events in the western Swiss Alps, these data support arguments that the relative timing of events such as thrusting and back thrusting of crystalline nappes in hinterland units and exhumation of high-pressure units in the suture zone of the western Alps are intimately related and synchronous on the scale of a few million years. Copyright 1998 by the American Geophysical Union.

Influence of bedrock structures on the spatial pattern of erosional landforms in small alpine catchments

Structural settings and lithological characteristics are traditionally assumed to influence the development of erosional landforms, such as gully networks and rock couloirs, in steep mountain rock basins. The structural control of erosion of two small alpine catchments of distinctive rock types is evaluated by comparing the correspondences between the orientations of their gullies and rock couloirs with (1) the sliding orientations of potential slope failures mechanisms, and (2) the orientation of the maximum joint frequency, this latter being considered as the direction exploited primarily by erosion and mass wasting processes. These characteristic orientations can be interpreted as structural weaknesses contributing to the initiation and propagation of erosion. The morphostructural analysis was performed using digital elevation models and field observations. The catchment comprised of magmatic intrusive rocks shows a clear structural control, mostly expressed through potential wedges failure. Such joint configurations have a particular geometry that encourages the development of gullies in hard rock, e.g. through enhanced gravitational and hydrological erosional processes. In the catchment underlain by sedimentary rocks, penetrative joints that act as structural weaknesses seem to be exploited by gullies and rock couloirs. However, the lithological setting and bedding configuration prominently control the development of erosional landforms, and influence not only the local pattern of geomorphic features, but the general morphology of the catchment. The orientations of the maximum joint frequency are clearly associated with the gully network, suggesting that its development is governed by anisotropy in rock strength. These two catchments are typical of bedrock-dominated basins prone to intense processes of debris supply. This study suggests a quantitative approach for describing the relationship between bedrock jointing and geomorphic features geometry. Incorporation of bedrock structure can be relevant when studying processes governing the transfer of clastic material, for the assessment of sediment yields and in landforms evolution models.

Elemental and isotopic zoning in natural alpine quartz

THESIS ABSTRACT : Stable isotope geochemistry is used to help resolve a large number of geological questions. In order to do this, it is essential to understand the different mechanisms that govern isotopic fractionation processes between different phases and to identify the conditions required to reach equilibrium fractionation. However, at low temperatures, these processes are poorly constrained and many factors can induce differential partitioning of the isotopes between sectors of a mineral species and the fluid during mineral growth. This can result in so-called 'sector zoning' of a mineral species. The aim of this thesis is to evaluate the occurrence of sector zoning of the oxygen isotopes and trace elements in natural α-quartz crystals and to identify the reasons for such zoning. The implications for the fluid-mineral interactions are studied in the context of the Alpine metamorphism. The approach chosen has focused on examining the crystal structure, cathodoluminescence appearance (CL), and on relating elemental (e.g. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) to stable oxygen isotope compositions between and along different growth sectors. Low temperature quartz samples were selected from Alpine veins in different localities, where growth conditions have already been well constrained. The mineralogy as well as the isotopic compositions of the host rocks were also investigated, in order to interpret the variations obtained between the different growth stages in the framework of fluid-rock interaction during Alpine metamorphism. Depending on the growth conditions, most of the studied quartz is strongly zoned in CL, and it reveals corresponding zonations in the trace element content (e.g. growth zoning). Aluminium, substituting for Si in the lattice, was found in concentrations up to 1000's ppma, and its distribution is strongly related to Li and H and to a lesser extent, to Ge. Elemental sector zoning is evident from the distribution of these three elements since they exhibit differences in their respective concentrations between faces for distinct growth zones, with prismatic faces having the lowest Al contents. Quartz from veins in magmatic rocks, for example, tend to have lower Al concentrations and similar concentrations of Li and Ti suggesting also a contribution of these elements from the host rock. The relationship between Al and Li is still correlated. Only Alpine crystals grown at higher temperatures (~400°C) without any CL zoning feature are free of these impurities and do not show such zoning characteristics. Differences in the δ18O values were measured between different faces principally in the AIenriched growth zones or stages. These results were confirmed by the means of two different methods (in situ/non in situ). However, it was determined that the Al concentrations do not affect significantly oxygen isotope fractionations at 300°C. The results altogether suggest that the presence of sector zoning in quartz crystals is real, but not universal, and henceforth should be taken into consideration for any use of these systems. The occurrence of disequilibrium partitioning has been enhanced and is possibly related to kinetic processes as well as structural effects that do not affect similarly trace element incorporation and isotopic fractionation. In situ measurements also revealed fine scale δ18O zonations along growth paths that are useful to constrain fluid-rock interactions during Alpine metamorphism. Variations in the δ18O values present along growth vectors indicate changes in the fluid composition and origin. Association with oxygen isotope composition of the host rock allows for the deduction of interactions between rocks, veins and consequently fluids, as well as fluid regimes. RESUME DE LA THESE : A basses températures, (i.e. <400°C) les différents mécanismes qui régissent le fractionnement isotopique ainsi que les conditions nécessaires pour établir un état d'équilibre sont peu connus et nombre de paramètres peuvent entraîner un partitionnement chimique différentiel entre différents secteurs d'un minéral et le fluide en contact. Ainsi, ce travail de thèse a pour but d'évaluer la possible présence de zonages sectoriels en isotopes de l'oxygène mais aussi en éléments traces dans des cristaux naturels de quartz-α de basses températures, ainsi que les raisons d'un tel phénomène et enfin ses implications sur les interactions fluide-roche, principalement dans le cadre du métamorphisme Alpin. La structure et l'apparence en cathodoluminescence (CL) des échantillons ont été caractérisées avant de retracer en détail les compositions en élément traces (Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) et en isotopes de l'oxygène, le long et entre différents secteurs. Les échantillons de quartz sélectionnés proviennent majoritairement de veines Alpine de différentes localités, où les conditions de croissance ont été déjà bien caractérisées. Les compositions minéralogiques et isotopiques de la roche encaissante ont aussi été examinées, pour contraindre les variations obtenues dans un contexte Alpin. Selon leurs conditions de croissance, la plupart des cristaux étudiés sont fortement zonés, ce qui est souligné par un zonage des concentrations en éléments traces (e.g. zonage de croissance). L'Aluminium, qui peut se substituer à la Silice dans le réseau cristallin, a été retrouvé jusqu'en très grandes concentrations dans certaines zones (plusieurs milliers de ppma). De plus, la distribution en Al est fortement liée à celles de Li et H, ainsi que dans une moindre mesure à Ge. La présence de zonage sectoriel est évidente au niveau de ces éléments qui montrent de larges différences de concentrations entre différentes faces pour une même zone de croissance, avec les concentrations les plus basses retrouvées dans les faces prismatiques. Les quartz de veines situées dans des roches magmatiques par exemple possèdent des concentrations en Li et Ti de même ordre de grandeur, confirmant le rôle de la composition de la roche encaissante. La relation Li/Al est toujours fortement présente, mais ce rapport est fonction de la face mesurée. Seuls les cristaux Alpins de plus hautes températures (400°C) ne possédant pas de zones en CL ne présentent aucune de ces caractéristiques. Des différences dans les valeurs de δ18O de zones identiques enrichies en Al ont clairement été mesurées entre les différentes faces r, z, et m, mais aussi au sein d'une même seule zone, indiquant que le fractionnement a probablement eu lieu en déséquilibre. Il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs n'avait qu'un faible effet sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. L'utilisation de deux méthodes différentes a permis d'obtenir des résultats in situ et non in situ concordants. La comparaison des résultats obtenus permet de démontrer que le zonage sectoriel est bien présent dans certains cristaux de quartz, et dépend des conditions de formation. La présence d'un partitionnement différentiel des éléments traces peut être due à des effets cinétiques aussi bien que structuraux, alors que le zonage sectoriel des isotopes de l'oxygène aurait d'autres origines. Il est alors évident que la possibilité de zonage sectoriel doit être désormais pris en considération avant toute interprétations de données isotopiques de cristaux zonés. Les mesures in situ ont de plus permis de distinguer de fines variations des valeurs δ18O au cours de la croissance, qui peuvent aider à retracer la circulations des fluides dans les Alpes durant cette période. En association avec les compositions des roches encaissantes, ii est possible de déduire les interactions entre roches, veines, et par conséquent fluides, au cours de différentes étapes. RESUME GRAND PUBLIC : La géochimie des isotopes stables a pris beaucoup d'importance depuis ces dernières années pour aider à résoudre nombre de questions géologiques, en se basant sur les caractéristiques du fractionnement isotopiques pour différents systèmes. Il est donc nécessaire d'avoir une connaissance approfondie des mécanismes qui s'appliquent au fractionnement isotopique entre les minéraux et les fluides à partir desquels ils se forment. Ces mécanismes ont été bien approchés par différents types de calibrations pour des systèmes à hautes températures, cependant cela n'est pas aussi évident pour les systèmes à des températures inférieures à 400-500°C. Ce travail de thèse a pour but d'aider à la description et la compréhension des phénomènes qui peuvent affecter le fractionnement isotopique à basses températures, ainsi que leurs implications, à partir de l'étude de cristaux de quartz. Le choix des échantillons s'est porté sur des cristaux naturels formés à des températures inférieures ou égales à 400°C, provenant majoritairement de fissures hydrothermales Alpines dont les conditions de formation ont déjà été déterminées. L'étude des cristaux Alpin permet de plus de replacer les résultats obtenus dans le contexte du métamorphisme Alpin au cours du Miocène (21-13 Ma). Après examen de la structure et de la morphologie des cristaux, et leur caractérisation par cathodoluminescence (CL), des analyses chimiques détaillées sur les éléments en traces pouvant entrer dans le réseau cristallin du quartz comme impuretés (i.e. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti), et des isotopes stables de l'oxygène, ont été menées. En fonction des conditions de croissance, la plupart des cristaux présentent des zonations, qui peuvent être facilement reliées à la distribution des éléments traces analysés par microsonde électronique, sonde ionique (SIMS) et LA-ICPMS. De fortes concentrations d'Aluminium (plusieurs milliers de parties par million atomique) ont pu être observées dans les zones les plus externes des cristaux. De plus, les concentrations en Al et en Li sont toujours corrélées; la présence d'Hydrogène déduite à partir d'analyses par FTIR suit cette même tendance. Les différentes faces des cristaux présentent des concentrations distinctes d'Al, Li et H pour des mêmes zones de croissance, avec par exemple les concentrations les plus faibles dans les zones des faces prismatiques. Cela implique la présence d'un zonage sectoriel, qui a déjà été observé principalement dans des carbonates mais jamais décrit auparavant pour des quartz. Seuls les cristaux alpins homogènes en CL dont la croissance s'est faite à plus haute température (400°C) ne présentent aucune de ces caractéristiques. Par analogie avec le zonage sectoriel en Al, élément qui se substitue au Si dans le réseau cristallin du quartz, il est possible de penser qu'un zonage sectoriel pourrait aussi s'appliquer aux isotopes de l'oxygène. Des précédentes études avaient en effet émis cette hypothèse. Nos résultats ont été obtenus à partir d'analyses à la fois in- situ par SIMS, et par extraction assistée par laser-CO2 sur des parties de quartz soigneusement séparées, et sont en accord entre les deux méthodes. Un zonage sectoriel est en effet bien présent pour les cristaux alpins, mais principalement au niveau des zones très riches en Aluminium. Cependant, il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs avait un effet plus que minimal sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. Des différences importantes ont été observées entre les faces r & z mais aussi au sein d'une même et seule zone, indiquant que le fractionnement a pu avoir lieu en déséquilibre, ce qui est aussi visible au niveau des valeurs totalement opposées entre faces pour la dernière phase de croissance de certains cristaux. Ainsi l'association de ces résultats laisse suggérer que la présence d'un zonage sectoriel peut être liée à différents paramètres tels que le taux de croissance ou la structure de surface du cristal, mais qui n'affectent pas de la même façon l'incorporation des éléments traces et le fractionnement isotopique. La possibilité d'un zonage sectoriel est importante à prendre en compte lors de toute interprétation de données isotopiques. Les analyses des isotopes de l'oxygène effectuées par SIMS ont aussi permis de distinguer des variations importantes à petite échelle au cours de la croissance. Des mesures faites par laser CO2 sur certaines roches encaissantes, ont permis distinguer plusieurs étapes dans la croissance des minéraux et de déduire le rôle de l'encaissant et le type de fluide. En association avec de précédentes études, il a été ainsi possible de mieux contraindre la formation de ces cristaux dans le contexte alpin et la circulation de fluide au cours du métamorphisme alpin durant le Miocène.

Restricted gene flow at specific parts of the shrew genome in chromosomal hybrid zones.

The species and races of the shrews of the Sorex araneus group exhibit a broad range of chromosomal polymorphisms. European taxa of this group are parapatric and form contact or hybrid zones that span an extraordinary variety of situations, ranging from absolute genetic isolation to almost free gene flow. This variety seems to depend for a large part on the chromosome composition of populations, which are primarily differentiated by various Robertsonian fusions of a subset of acrocentric chromosomes. Previous studies suggested that chromosomal rearrangements play a causative role in the speciation process. In such models, gene flow should be more restricted for markers on chromosomes involved in rearrangements than on chromosomes common in both parent species. In the present study, we address the possibility of such differential gene flow in the context of two genetically very similar but karyotypically different hybrid zones between species of the S. araneus group using microsatellite loci mapped to the chromosome arm level. Interspecific genetic structure across rearranged chromosomes was in general larger than across common chromosomes. However, the difference between the two classes of chromosomes was only significant in the hybrid zone where the complexity of hybrids is expected to be larger. These differences did not distinguish populations within species. Therefore, the rearranged chromosomes appear to affect the reproductive barrier between karyotypic species, although the strength of this effect depends on the complexity of the hybrids produced.

Y chromosome microsatellite isolation from BAC clones in the greater white-toothed shrew (Crocidura russula)

We constructed a microsatellite library from four Crocidura russula Y chromosome-specific bacterial artificial chromosome (BAC) clones. Only one of eight microsatellites was male-specific, despite genome walking to obtain more flanking sequence and testing of 93 primer combinations. Potential reasons for this low success are discussed. The male-specific locus, CRY3, was genotyped in 90 males, including C. russula from across the species range and two related species. The large difference in CRY3 allele size between eastern and western lineages supports earlier reports of high divergence between them. Despite polymorphism of CRY3 in Morocco, only one allele was found throughout the whole of Europe, consistent with previous studies that suggest recent colonization of Europe from a small number of Moroccan founders.

Scale-specific sex-biased dispersal in the Valais shrew unveiled by genetic variation on the Y chromosome, autosomes, and mitochondrial DNA.

We investigated sex specificities in the evolutionary processes shaping Y chromosome, autosomes, and mitochondrial DNA patterns of genetic structure in the Valais shrew (Sorex antinorii), a mountain dwelling species with a hierarchical distribution. Both hierarchical analyses of variance and isolation-by-distance analyses revealed patterns of population structure that were not consistent across maternal, paternal, and biparentally inherited markers. Differentiation on a Y microsatellite was lower than expected from the comparison with autosomal microsatellites and mtDNA, and it was mostly due to genetic variance among populations within valleys, whereas the opposite was observed on other markers. In addition, there was no pattern of isolation by distance for the Y, whereas there was strong isolation by distance on mtDNA and autosomes. We use a hierarchical island model of coancestry dynamics to discuss the relative roles of the microevolutionary forces that may induce such patterns. We conclude that sex-biased dispersal is the most important driver of the observed genetic structure, but with an intriguing twist: it seems that dispersal is strongly male biased at large spatial scale, whereas it is mildly biased in favor of females at local scale. These results add to recent reports of scale-specific sex-biased dispersal patterns, and emphasize the usefulness of the Y chromosome in conjunction with mtDNA and autosomes to infer sex specificities.