Graduation date: 1968

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EPR spectra of Fe³⁺ in a natural crystal of brookite have been investigated at X- and Q-band frequencies at room temperature and 573°K. Part of the paramagnetic resonance spectrum observed has been interpreted on the assumption that Fe³⁺occupies eight equivalent Ti⁴⁺ sites in brookite, with four inequivalent orientations.. The spectra show an "intermediate" zero-field splitting at X-band and a "normal" zero field splitting at Q-band frequencies. The spin Hamiltonian parameters which fit the spectra are the following: g = 2.002 ± 0.005 . D = (1170 ± 30) x 10⁻⁴cm⁻¹ E = (330 ± 20) x 10⁻⁴cm⁻¹ [pa + (l/l2)qF]₀₁₀ = (13±10) x 10⁻⁴cm⁻¹ [pa + (l/l2)qF]₁₀₀ = (-13±15) x l0⁻⁴cm⁻¹ [pa + (l/l2)qF]₀₀₁ = (-66±4) x l0⁻⁴cm⁻¹ / Science, Faculty of / Physics and Astronomy, Department of / Graduate

abstract: Applications of non-traditional stable isotope variations are moving beyond geosciences to biomedicine, made possible by advances in multiple collector inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) technology. Mass-dependent isotope variation can provide information about the sources of elements and the chemical reactions that they undergo. Iron and calcium isotope systematics in biomedicine are relatively unexplored but have great potential scientific interest due to their essential nature in metabolism. Iron, a crucial element in biology, fractionates during biochemically relevant reactions. To test the extent of this fractionation in an important reaction process, equilibrium iron isotope fractionation during organic ligand exchange was determined. The results show that iron fractionates during organic ligand exchange, and that isotope enrichment increases as a function of the difference in binding constants between ligands. Additionally, to create a mass balance model for iron in a whole organism, iron isotope compositions in a whole mouse and in individual mouse organs were measured. The results indicate that fractionation occurs during transfer between individual organs, and that the whole organism was isotopically light compared with food. These two experiments advance our ability to interpret stable iron isotopes in biomedicine. Previous research demonstrated that calcium isotope variations in urine can be used as an indicator of changes in net bone mineral balance. In order to measure calcium isotopes by MC-ICP-MS, a chemical purification method was developed to quantitatively separate calcium from other elements in a biological matrix. Subsequently, this method was used to evaluate if calcium isotopes respond when organisms are subjected to conditions known to induce bone loss: 1) Rhesus monkeys were given an estrogen-suppressing drug; 2) Human patients underwent extended bed rest. In both studies, there were rapid, detectable changes in calcium isotope compositions from baseline - verifying that calcium isotopes can be used to rapidly detect changes in bone mineral balance. By characterizing iron isotope fractionation in biologically relevant processes and by demonstrating that calcium isotopes vary rapidly in response to bone loss, this thesis represents an important step in utilizing these isotope systems as a diagnostic and mechanistic tool to study the metabolism of these elements in vivo. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Chemistry 2011

L'objectif de ce travail de thèse a été de développer l'utilisation des isotopes du fer pour le traçage des métaux anciens, principalement ferreux. Notre approche méthodologique s'est articulée autour de trois axes majeurs. Le premier axe a consisté à étudier l'influence potentielle des processus métallurgiques sur la composition isotopique du fer des métaux produits. Pour cela, nous avons mesuré la composition isotopique du fer d'échantillons issus d'expérimentations de réduction de minerai de fer en bas fourneau, réalisées sur un site sidérurgique majeur de la période romaine (la Montagne Noire, Sud-Ouest de la France). Le second axe a eu pour objectif de valider ce nouveau traceur en mesurant la composition des isotopes du fer de minerais, scories et objets en fer issus d'un contexte archéologique connu et dont la provenance avait déjà été identifiée par des analyses élémentaires. Nous avons alors mesuré la composition des isotopes du fer de barres de fer principalement retrouvées dans des épaves romaines au large des Saintes-Maries-de-la-Mer (Bouches-du-Rhône, France). Enfin, le troisième axe a eu pour vocation d'estimer la pertinence, mais aussi les limites de ce nouvel outil en l'appliquant à deux terrains archéologiques très différents, où aucune étude de traçage classique n'avait été utilisée précédemment. Ces deux terrains concernaient la sidérurgie ancienne au Togo et la production de plomb argentifère médiévale au Maroc. Les résultats obtenus montrent que la composition isotopique du fer de la scorie et du métal produit est similaire à celle du minerai correspondant. Il n'y a donc pas de fractionnement des isotopes du fer tout au long de la chaîne opératoire de production de fer. De plus, et contrairement à certains traceurs élémentaires, les isotopes du fer ne sont pas contaminés par la paroi du four très pauvre en cet élément durant la réduction. Ceci permet ainsi d'établir des liens de provenance directs entre un objet en fer et un minerai. L'application de cette méthode de traçage à un contexte archéologique déjà largement étudié a permis de valider les hypothèses de provenance d'objets archéologiques. En outre, les isotopes du fer peuvent être plus discriminants que les éléments en trace car ils permettent notamment de différencier des productions de fer temporellement et géographiquement très proches. Le traçage est ainsi affiné. Enfin, nos résultats préliminaires suggèrent que les analyses des isotopes du fer pourraient également être appliquées à l'étude de la production de métaux non ferreux. Cette étude offre ainsi de nombreuses perspectives, telles que l'étude de la provenance de pièces de musée étant donné la faible quantité de matière nécessaire, l'établissement d'une base de données de composition isotopique du fer de minerais archéologiques et l'élaboration d'une méthode de traçage commune aux métaux ferreux et non ferreux. / The objective of this work was to develop the use of iron isotopes for ancient, essentially ferrous metal tracing. Our methodological approach was based on three major directions. The first one consisted in the assessment of the potential influence of metallurgical processes on iron isotope compositions of the reduction products. For this purpose, we measured the iron isotope composition of materials from experiments of iron ore reduction in bloomery furnace performed in a major site of iron production during the Roman period (Montagne Noire, SW France). The second direction aimed at validating this new tracer through the iron isotope measurement of ores, slags and iron artefact samples from a well-defined archaeological context, and whose provenance was previously investigated by elemental analyses. We thus measured the isotopic composition of iron bars discovered in Roman shipwrecks found offshore Les-Saintes-maries-de-la-Mer (Bouches-du-Rhône, France). Thirdly, we estimated the relevance and limitations of our new tracing approach by applying it to the study of two different archaeological fields, on which no previous provenance study had been performed. These were the ancient iron production from North East Togo and the Medieval lead-silver production in Morocco (Anti Atlas Massif). The results demonstrate that the isotopic composition of slags and metals produced reflect that of their corresponding ores because no iron isotope fractionation occurs along the entire chaîne opératoire of iron production. Moreover, and in contrast to several elemental tracers, iron isotopes are not impacted by iron contribution from the smelting device during the reduction process, which allows to establish provenance links directly between an iron artifact and a specific ore. The application of this tracing method in a well-studied archaeological context has allowed to validate the provenance assumption of several archaeological artifacts. Furthermore, iron isotopes may provide a more discriminative tracer than trace elements because a temporal and geographical distinction is possible between close iron production sites. The tracing is thus more precise. Finally, our results suggest that iron isotope analyses could also be used in the study of non-ferrous metal production. This work offers many perspectives in provenance studies of museum pieces given the very small amount of material needed, in the setup of a database of iron isotope compositions of archaeological iron ores and the establishment of a common tracing approach for both ferrous and non-ferrous metals.

Dans le bassin de Franceville (Gabon), les sédiments détritiques non-métamorphosés d’âge Paléoprotérozoïque (2,15 Ga) des formations FA et FB ont fait l’objet d’une étude faciologique, pétrographique et géochimique. L’objectif était de déterminer l’origine de ces matériaux clastiques et des minéralisations uranifères associées, mais aussi d’en retracer l’histoire diagénétique à travers l’évolution des paléoconditions rédox et des fluides qui les ont percolés.La pétrographie des faciès montre que la minéralogie et la texture initiales de ces sédiments ont été fortement modifiées au cours de la diagenèse précoce. Au toît de la formation FA, les quartz-arénites faiblement granoclassées ont été très tôt cimentées par du quartz, s’opposant ainsi à l’action ultérieure de la diagenèse d’enfouissement. Dans les arènes arkosiques, la séquence paragénétique liée aux ciments authigènes suggère que les interactions fluides-roches ont été polyphasées et que les éléments chimiques nécessaires à leur précipitation trouvent leur origine dans l’altération de minéraux détritiques. Pour un ensemble lithologique donné, les effets de la diagenèse varient peu d’un faciès à l’autre, ce qui indique un fort contrôle des paramètres initiaux tels que la minéralogie, la texture et la composition du fluide poral. Par conséquent, ces faciès sédimentaires nous informent directement sur les propriétés hydrologiques qui régnaient dans le bassin sédimentaire, et sur la nature de la diagenèse précoce qui les a affectés.Les données pétrographiques et géochimiques montrent que la précipitation de l’hématite en lits ferrugineux a débuté juste après le dépôt des sédiments, dont l’altération des minéraux primaires a libéré le fer, plus tard redistribué durant la diagenèse. Ainsi, la mise en évidence d’une corrélation positive entre les valeurs de "delta" 56Fe et les rapports Fe/Mg mesurés sur échantillon total suggère que le fer se répartit entre deux pôles que sont l’hématite authigène et les silicates porteur du fer. En revanche, l’absence de relation entre les rapports Fe3+/FeT et les compositions isotopiques du fer démontre que des oxydes riches en isotopes lourds du fer préexistaient dans les sédiments lorsque la diagenèse précoce a débuté. Le fer présent initialement à l’état réduit dans des faciès sédimentaires verts s’est progressivement oxydé au cours de la diagenèse, processus à l’origine de la formation des lits ferrugineux.Dans la formation FA du Bassin de Franceville, les gisements uranifères résultent de la libération de l’uranium contenu à l’origine dans les grès oxydés des dépôts fluviatiles inférieurs puis de sa migration et de son piégeage dans les grès réduits et les mudstones silteux des formations de deltas de marée supérieures, où il s’est concentré par un mécanisme de type roll-front.L’analyse des éléments chimiques majeurs et traces des formations FA et FB indique que leurs matériaux constitutifs trouvent leur source dans des roches ignées felsiques. Tandis que les diagrammes de terres rares normalisés aux chondrites, les anomalies négatives en Eu et les rapports GdN/YbN plaident plus précisément en faveur des roches archéennes et paléoprotérozoïques. Enfin, des diagrammes discrimants et des rapports en éléments majeurs et traces montrent que, si la plupart des grès de la formation FA se sont déposés sur une marge passive, les mudstones et les grès fins des formations FA et FB ont sédimenté sur une marge continentale active en relation avec la tectonique paléoprotérozoïque de la Ceinture orogénique du Centre-Ouest de l’Afrique. / The FA and FB Formations clastic sediments have been subjected to detailed facies, petrographic, and geochemical analyses in relation to diagenesis, fluid flow, paleo-redox conditions, provenance, and uranium mineralization during the evolution of the unmetamorphosed Paleoproterozoic (ca 2.15 Ga) Franceville Basin, Gabon. Lithofacies analyses in combination with petrographic studies indicate that the original mineralogical and textural properties of the sediments have been greatly modified during diagenesis. The moderately sorted quartz arenite at the top of FA underwent early quartz cementation; thus preventing it from subsequent burial diagenetic processes. The inferred paragenetic sequence of authigenic cements in the arkosic arenites suggest a multiphase of fluid-rock interactions with most of the ions needed for their precipitations likely sourced during alteration of detrital precursors. The observed slight variations in the diagenetic pathways in different lithofacies associations are closely related to primary mineralogy, texture, and nature of pore fluid. This relationship suggests that depositional facies can provide an insight into the diagenetic pathways and hydrologic properties of sediments in sedimentary basins. Petrographic features coupled with whole rock geochemical and iron isotope analyses suggest that hematite precipitation in the red beds started after sediment deposition with the iron internally derived by alteration of iron-bearing minerals and redistributed during late diagenesis. Positive correlation between Fe/Mg ratio and "delta" 56Fe values of bulk samples suggests mixing relationship with end members being authigenic hematite and iron-bearing silicates. The lack of relationship between Fe3+/FeT ratios and iron isotope compositions suggest that the isotopically heavy iron oxide was already present in the sediments during early diagenesis, and was incorporated into green (reduced) facies that likely replaced red facies during diagenesis or burial. Uranium released from the lower, fluvial oxidized sandstones and added to the reduced sandstones and silty mudstones in the upper tidal-deltaic sediments potentially resulted in a uranium mineralization of a roll-front type in the FA Formation of the Franceville Basin. Major and trace element geochemical data for the FA and FB formation are consistent with sediments derived exclusively from felsic igneous source. Chondrite-normalized patterns with high LREE/HREE ratios, negative Eu anomalies, and GdN/YbN ratios favour mixture of Archean and Post-Archean felsic sources. Discriminant diagrams and elemental ratios of major and trace elements suggest deposition of most of the FA sandstone in a passive margin, while the mudstones and fine-grained sandstones of FA and FB were deposited in an active continental margin during Paleoproterozoic tectonic regimes of the West Central African Belt.

Iron is the most important metal for modern industry and Sweden is the number one iron producer in Europe. The main sources for iron ore in Sweden are the apatite-iron oxide deposits of the "Kiruna-type", named after the iconic Kiruna ore deposit in Northern Sweden. The genesis of this ore type is, however, not fully understood and various schools of thought exist, being broadly divided into "ortho-magmatic" versus the "hydrothermal replacement" approaches. This study focuses on the origin of apatite-iron oxide ore of the Grängesberg Mining District (GMD) in Central Sweden, one of the largest iron reserves in Sweden, employing oxygen and iron isotope analyses on massive, vein and disseminated GMD magnetite, quartz and meta-volcanic host rocks. As a reference, oxygen and iron isotopes of magnetites from other Swedish and international iron ores as well as from various international volcanic materials were also analysed. These additional samples included both "ortho-magmatic" and "hydrothermal" magnetites and thus represent a basis for a comparative analysis with the GMD ore. The combined data and the derived temperatures support a scenario that is consistent with the GMD apatite-iron oxides having originated dominantly (ca. 87 %) through ortho-magmatic processes with magnetite crystallisation from oxide-rich intermediate magmas and magmatic fluids at temperatures of 600 °C to 900 °C. A minor portion of the GMD magnetites (ca. 13 %), exclusively made up of vein and disseminated ore types, is in equilibrium with a high-δ18O and low-δ56Fe hydrothermal fluid at temperatures below 400 °C, indicating the existence of a hydrothermal system associated with the GMD volcano.

Les conditions oxydantes de la surface terrestre actuelle sont dues à la teneur élevée en dioxygène de l’atmosphère. Au début de l’histoire de la Terre il y a 4.54 milliards d'années (Ga), l’oxygène n’était pas stable dans l’atmosphère. Il a fallu deux épisodes d’augmentation brutale de ce gaz atmosphérique pour qu’il atteigne son niveau actuel : l’un vers 2.4 Ga, nommé le Grand Evènement Oxydant (GOE) qui fait l’objet de ce projet, l’autre 2 milliards d’années plus tard, nommé l’Evènement Oxydant Néo-protérozoïque (NOE). Le GOE est vraisemblablement le résultat de l’émersion généralisée de larges continents dont l’érosion libère le phosphate dans l’océan, un nutriment nécessaire à la production biologique, qui a donc permis l’explosion de la photosynthèse oxygénée. Ces deux hausses d’oxygène atmosphérique coïncident avec deux évolutions majeures dans l’histoire de la vie : (i) peu après le GOE, les eucaryotes sont apparus, alors que (ii) le NOE correspond à l’apparition des métazoaires et à l’explosion cambrienne. L’étude de ces phénomènes atmosphériques primitifs peut avoir d’importantes répercussions sur notre compréhension de l’origine et de l’évolution de la vie, qu’on estime principalement marine à cet âge. Les seules archives de ces temps primitifs sur Terre sont les roches sédimentaires. Pour savoir comment l’oxygénation de l’atmosphère a pu être reliée à cette vie marine, il faut tout d’abord comprendre comment l’océan a interagi avec l’atmosphère lors de cet évènement d’oxygénation. Cette question est au coeur de ce projet : comment le GOE a-t-il affecté les cycles biogéochimiques océaniques dont la vie est dépendante ? Nous nous sommes intéressés aux formations ferrifères litées ou BIFs (Banded Iron Formations). La chimie de ces roches marines fait écho à celle de l’océan contemporain à leur formation. Déterminer quantitativement la composition de l’océan à partir de celles des sédiments, même chimiques, est un défi quasiment impossible à relever y compris dans l’océan moderne. C’est pourquoi nous avons proposé de déterminer le temps de résidence d’éléments sensibles aux conditions redox de la surface, le soufre, le fer et le cuivre dans l’océan pré-GOE. Nous avons obtenu, par des séries temporelles, le spectre des fluctuations isotopiques de ces éléments enregistrées dans des carottes de formations ferrifères litées. La limite inférieure du spectre donne le temps de résidence de ces éléments dans l’eau de mer et fournit donc une indication solide sur la teneur de ces éléments dans l’océan à cette période. Nous avons analysé des échantillons protérozoïques proches de la limite Archéen-Protérozoïque du Transvaal (Afrique du Sud) et d’Hamersley (Australie). Des échantillons eoarchéens de Nuvvuagittuq (Canada) ont été récoltés mais n'ont pas pu être analysés faute de temps. / The present-day oxidizing conditions at Earth's surface are due to the high oxygen content of the atmosphere. However, oxygen was not always stable in the terrestrial atmosphere. Two distinct periods during which oxygen increased in a step-like manner were required to reach the current atmospheric oxygen level. The first, at about 2.4 Ga, is known as the Great Oxidation Event (GOE) and is at the core of this Ph.D. thesis. The other, occurring almost two billion years later, is called the Neo-Proterozoic Oxidation Event (NOE). The GOE likely is the result of the beginning widespread emergence of large continental expanses whose subsequent erosion gradually released phosphate into the ocean. Phosphate, a nutrient essential to organic production, in turn allowed the explosion of oxygenated photosynthesis. The GOE and NOE coincide with two major changes in the history of life. Shortly after the GOE, eukaryotes appeared, while the NOE corresponds to the appearance of metazoans and the Cambrian explosion. A better grasp of the GOE hence may have important implications for the understanding of the origin and evolution of life, which is thought to have been mainly marine at this stage in Earth history. The only records of the oxygen level during these ancient times are found in terrestrial sedimentary rocks. To understand how oxygenation of the atmosphere relates to marine life, we must first understand how the ocean was connected to the atmosphere during the GOE and how the GOE affected life-dependent ocean biogeochemical cycles. To this end we focused on banded iron formations (BIF). The chemistry of these sedimentary marine rocks directly reflects the chemistry of the contemporary ocean. Deriving quantitatively the composition of the ocean from a hydrogenous sediment is a challenge almost impossible to meet, even for the modern ocean. This is why we instead determined the residence time of redox-sensitive elements (in this case sulfur, iron, and copper) in the pre-GOE ocean. We specifically targeted the periods of isotopic fluctuations in these elements as recorded in BIF cores. The lower limit of the spectrum provides the residence time of these elements in seawater, hence giving a robust indication of their contents in the pre-GOE ocean. We sampled early Proterozoic BIF near the Archean-Proterozoic boundary in Transvaal (South Africa) and Hamersley (Australia), as well as Archean BIF from Nuvvuagittuq (Canada), though the latter were not analyzed during this thesis due to shortage of time.