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The large amount of turquoise artifacts recovered from archaeological sites in the American Southwest and Mesoamerica suggests that turquoise was an important commodity in pre-Columbian trade networks. However, the spatial and temporal patterns of turquoise exchange networks and the provenance regions of the turquoise in the southwestern United States and Mesoamerica are poorly understood. Turquoise (CuAl6(PO4)4(OH)8•4(H2O)) is a supergene mineral that forms from meteoric water along fractures that are often associated with copper porphyry deposits. This copper-rich mineral can range in color and chemistry within a single sample or deposit. The ability to identify the turquoise resource areas of turquoise artifacts using the stable isotopes of hydrogen (2H/1H) and copper (65Cu/63Cu) has overcome many of the limitations of trace element analyses of complex minerals such as turquoise. The geography and geology of turquoise deposits dictate the isotopic composition of turquoise. Employing the Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) technique to measure the hydrogen and copper stable isotope ratios in turquoise samples, a comparative reference database consisting of 876 analyses from 21 turquoise resource areas in the western United States was established. Sixty-two turquoise artifacts recovered from Aztec Ruin, Salmon Ruin, and nine sites in Chaco Canyon were analyzed and their isotopic signatures were compared to the reference database identifying the turquoise resource areas of 35 artifacts. These results were compared to pre-existing models of trade and exchange in the American Southwest and models that explain the complex culture history of the inhabitants of these sites. The results showed that turquoise was obtained from several different turquoise provenance regions across the western United States and there are notable differences in the turquoise procurement patterns between the three major great houses and between Pueblo Bonito and the small sites within Chaco Canyon. The results from this study improved the understanding of turquoise trade and relationships among the occupants of important Ancestral Puebloan sites in northwestern New Mexico. The development of the turquoise comparative reference database established the foundation of future research for reconstruction of ancient turquoise trade networks and investigation of turquoise procurement strategies in the American Southwest and Mesoamerica.

Nuclear reactions induced by neutrons, protons and alpha particles on copper isotopes are being studied in an effort to understand the nucleosynthesis of elements in stars, specifically, the p-process. The p-process occurs toward the end of a star's life and produces those elements which have a high proton to neutron ratio, which are heavier than iron. Little is known about the nature of the p-process-inside stars. Isotopes of copper are studied since they are close in mass number to iron, which has the highest nuclear binding energy. Nuclear cross sections will be calculated for copper, as well as S-factors, which are important from an astrophysical point of view. These values are needed to calculate reaction rates which are the main ingredients for understanding nucleosynthesis. / Department of Physics and Astronomy

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.

Les potentiels de nouveaux moyens d’investigation en sciences de l’environnement, tel que la géochimie des isotopes stables du Cu et du Zn et l’étude de la spéciation des éléments en trace métalliques (ETM) par titrage acidimétrique sont évalués dans le cadre de trois cas d’études, faisant intervenir des matériaux de matrices et de concentrations en ETM variables. Afin de mettre en évidence de très subtiles variations des compositions isotopiques du Cu et du Zn dans les matériaux particulaires variablement pollués, une attention particulière à été voué à la mise au point des méthodes de séparation chimique et d’analyse par MC-ICP-MS. La méthodologie analytique a été développée afin d’exploiter tout les avantages techniques offerts par le spectromètre de masse à l’ULB. Différents modes d’introduction (plasma humide vs plasma sec (Aridus/DSN), d’acquisition des mesures (mode statique ou dynamique) de correction du biais de masse (dopage au Cu, au Zn et au Ga; correction SSBM, SSBC et EEN)ont été évaluées, pour leurs effets sur la précision et la reproductibilité des mesures. D’autres travaux ont permis de quantifier les effets des interférences spectrales et non spectrales par les éléments de la matrice (Ti, Cr, Co,Fe, Ba, Si, Na, Mg et Ca)et par le rapport dopant/analyte en vue de comprendre les sources d’inexactitudes des mesures isotopiques et d’y remédier. Les données isotopiques acquises sur des minerais, sur des (plaques de) dépôts atmosphériques (usine Pb-Zn Metaleurop de Noyelles-Godault), sur des sédiments et des matières en suspension (estuaire de l’Escaut et mer du Nord), révèlent des variations significatives des compositions isotopiques du cuivre et du zinc. Dans l’estuaire de l’Escaut, les variations temporelles (carotte non perturbée, enregistrant la sédimentation sur 30 ans) et spatiales (matières en suspension échantillonnées sur 100 km, selon le profil de salinité) sont caractérisées par des signatures isotopiques en Zn anticorrélées à celle du Cu. Les données peuvent permettre de distinguer le fond géochimique naturel (le « réservoir naturel »), les pollutions diffuses (le « réservoir anthropique commun »- intégrant de multiples sources de contamination en provenance du bassin versant) et certaines pollutions ponctuelles associées à la métallurgie du Zn. Alors que les procédés utilisés en métallurgie sont eux,capable de produire des signatures isotopiques très fractionnées en Zn, ni la diagenèse précoce dans les sédiments, ni les gradients physicochimiques développés lors du mélange des eaux continentales et marines ne sont capables d’affecter significativement la signature isotopique du Cu et du Zn en phase particulaire. Dans de tels milieux, les signatures isotopiques en Cu et Zn (ainsi que celles en Pb) semblent n’être contrôlées que par le mélange conservatif entre le « réservoir naturel » et le « réservoir anthropique commun ». Les données en elles-mêmes constituent la seule base de données isotopiques en Cu, Zn, Pb dans des matériaux particulaires anthropisés estuariens et marins jamais produite à ce jour. Elles permettent de prédire que la signature isotopique en Cu du « réservoir naturel » devrait être légèrement plus enrichie en isotopes lourds que celle du réservoir « anthropique commun » (par analogie au Zn).<p>Si la géochimie isotopique du Cu et du Zn a le potentiel de distinguer différentes sources de pollution, l’évaluation des risques liés à ces pollutions doit tenir compte des formes chimiques des ETM, typiquement mises en évidences par les méthodes d’extraction sélectives (séquentielles, dont le protocole BCR). La méthode alternative proposée pour l’étude de la spéciation, plus versatile (capable de mettre en évidence des phases non prédéfinies et applicable à une variété de matrices plus large) est capable de surmonter plusieurs limitations (dont les problèmes de sélectivité liées au mauvais contrôle de l’acidité du milieu réactionnel) caractéristiques des méthodes traditionnelles. Appliquée à des sédiments marins/estuariens et des sols, la méthode de titrage acidimétrique s’est révélée capable de quantifier les proportions relatives des phases acido-solubles (principal problème des méthodes d’extraction sélectives), ce qui permet d’établir univoquement la spéciation des éléments qui leurs sont associés, d’évaluer la réactivité des ETM vis-à-vis du pH, mais aussi d’évaluer la sélectivité des protocoles d’extraction séquentielle « BCR » et « Tessier ». La méthode de titrage acidimétrique apporte également des informations importantes sur la géochimie des éléments majeurs dans l’estuaire de l’Escaut et met en évidence les particularités minéralogiques des sols pollués en comparaison aux sédiments.<p>Les études de cas démontrent que ces nouvelles techniques ont des applications dans le domaine de la géochimie de l’environnement, mais peuvent également être vouées, sur le moyen/long terme à une utilisation sortant du cadre des sciences exactes. En effet, l’identification/discrimination des sources de pollutions et l’évaluation des risques de remobilisation des polluants métalliques font partie des nombreuses questions posées par la société aux scientifiques de l’environnement. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished