This thesis is concerned with how prehistoric infants were fed in different physical and cultural environments, and in particular what impact the economic, social, and epidemiological changes associated with the development of agriculture had on infant feeding practices. In order to examine these effects, stable isotope ratio analysis has been used to assess the duration of breastfeeding and weaning in a variety of prehistoric contexts. The first study is of Pitted Ware Culture hunter-gatherers at the site of Ajvide on Gotland, Sweden. Breastfeeding usually continued for at least two years, but there was some variation in supplementary foods, which is attributed to seasonal variations in resource availability. The second study analysed a number of Neolithic and early Bronze Age sites from south-east Poland. Breastfeeding duration varied both within and between sites and ranged from six months to five years. The third study found that the infant feeding practices of two Iron Age populations on Öland, Sweden, were very varied, and infants may have been fed differently depending on their social status. The fourth study is of the childhood diet in the Únětice Culture of south-west Poland. Individual diets changed little during the lifetime, suggesting that eventual adult identity was determined early in life. A small number of infants in the study were found to have breastfed for differing lengths of time. The final paper considers the health consequences of introducing animal milks into the infant diet in a prehistoric context, and finds that their availability is unlikely to have made it possible to safely wean infants earlier. Comparison of the results from the four stable isotope studies to those of other published studies reveals that the modal age at the end of weaning was slightly lower in agricultural communities than hunter-gatherer communities, but the range of ages was similar. Weaning prior to the age of eighteen months was rare before the post-medieval period. It is argued that the gradual reduction in breastfeeding duration since the Neolithic, and the replacement of breastmilk with animal milk products, means that on the whole the development of agriculture probably served to increase infant morbidity and mortality. / <p>At the time of doctoral defense the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 1: Manuscript; Paper 4: Accepted; Paper 5: Forthcoming 2014</p> / Lactase Persistence and the early Cultural History of Europe (LeCHE)

Zielsetzung der Arbeit war vorrangig die Entwicklung bzw. Weiterentwicklung von Methoden zur verbesserten Interpretation der hydraulischen Gegebenheiten in einem Grundwasserleiter mit Hilfe der Bestimmung von Radiumisotopenverhältnissen im Verlauf von Pumpversuchen. Daneben wurden 222Rn/226Ra-Verhältnisse betrachtet und interpretiert. Des Weiteren wurden Gesteinsuntersuchungen durchgeführt sowie Untersuchungen an Gesteinsoberflächen (Sekundärminerale) um Aussagen über das Löslichkeitsverhalten bzw. die Mobilität von Radium im Grundwasser zu erhalten. Die Grundwasser- und Gesteinsproben stammten vor allem aus dem Umfeld der kontinentalen Tiefbohrung (KTB Oberpfalz) sowie aus der Vorbohrung zur KTB, aber auch aus benachbarten Bundesländern und der Tschechischen Republik (Egergraben). Im Ergebnis zeigte sich, dass sich die Untersuchung der Isotopenverhältnisse zur vertiefenden Aquiferdiagnose gut eignet. Die geochemischen Untersuchungen erlaubten einen Einblick in das Löslichkeitsverhalten der untersuchten Radionuklide.

Au début des temps modernes (16ème - 18ème siècles), la construction de grands navires était primordiale pour le développement des rencontres culturelles dans ce qui est devenu l'âge de la découverte et de l'expansion européenne. L’Espagne était une des grandes puissances de l’époque. Le projet européen « ForSEAdiscovery » cherche dans ce contexte à répondre aux questions clés suivantes : les ressources forestières ibériques de l’époque soutenaient-elles la demande croissante de bois, ou bien ce bois était-il importé d’autres pays ? Si ces bois ne provenaient pas de l’Espagne, comment les réseaux de commerce étaient-ils organisés ? Ce projet aborde ces questions à travers un programme de recherche multidisciplinaire et innovant pour améliorer la compréhension de notre passé historique et de notre patrimoine culturel, et développer notre connaissance sur l'utilisation passée des ressources en bois pour la construction navale. L'objectif de cette thèse, qui s’insère dans ce projet, est d’identifier la provenance des bois utilisés dans la construction navale ibérique en utilisant des traceurs géochimiques. L’hypothèse est que les arbres se développant sur des roches et des sols contrastés possèdent des signatures géochimiques spécifiques héritées des roches. Les signatures isotopiques en strontium (87Sr/86Sr) peuvent notamment être des indicateurs de provenance géographique. Dans ce contexte, la démarche suivie dans la thèse a consisté à caractériser la signature isotopique en Sr dans des bois d'épaves de bateaux et dans les bois d’arbres actuels, les sols et roches prélevés dans les principaux peuplements forestiers espagnols pointés comme lieux de production des bois entre le 16ème - 18ème siècles. Les signatures en δ88/86Sr, traceur peu connu encore, ont également été caractérisées dans les échantillons. Les types et les âges des roches ont été caractérisés et les liens entre les rapports isotopiques 87Sr/86Sr et δ88/86Sr dans les roches, sols et arbres ont été étudiés sur les sites espagnols échantillonnés. La signature locale des sites espagnols potentiels de provenance de bois a été déterminée. Nos résultats mettent en évidence que le rapport isotopique 87Sr/86Sr dans les arbres reflète la signature de la fraction échangeable des sols sur lesquels ils croissent alors que le δ88/86Sr est affecté par le fractionnement, les isotopes légers (86Sr) étant préférentiellement incorporés dans les arbres laissant la fraction échangeable du sol enrichie avec les isotopes lourds (88Sr). Ce fractionnement observé pour les chênes, n’est pas marqué dans le bois des pins suggérant que le fractionnement isotopique durant le transfert du Sr entre le sol et l’arbre est dépendant de l’espèce. La contamination des bois d’épaves par les éléments marins a été identifiée. Le Sr marin se retrouve notamment sous forme adsorbée ou dans la structure des minéraux précipités dans les bois immergés. Différentes expériences d’extractions ont été testées et un protocole adapté a été développé pour extraire les éléments marins et retrouver la signature originelle du bois archéologique. Nous avons réussi à valider un protocole d’extraction et retrouver la signature originelle d’un échantillon de bois d’épave. Ce résultat souligne le potentiel et l’importance d’une nouvelle méthode combinant 87Sr/86Sr et δ88/86Sr pour des futures études de provenance de bois ou autres matériaux. Cependant, nos résultats indiquent également que beaucoup de nos échantillons de bois archéologiques n’ont pas conservé leur Sr originel. Partant de ce constat, des préconisations sont proposées pour améliorer la possibilité d’utilisation de ce traceur dans les études futures de provenance de bois archéologiques sous-marins / In the Early Modern Age (16th - 18th centuries), the construction of ocean-going ships was paramount to the development of cultural encounters in what became the Age of Discovery and European expansion. Spain was one of the biggest forces of that time. The European project “ForSEAdiscovery” seeks answers in this context to the following key questions: Could Spanish forest resources sustain the increasing demand of timber, or were the wood imported from elsewhere? If Spanish forests were not the only wood supplier, how were the trade networks organized? This project will address these questions through a multidisciplinary and innovative training research program to improve the understanding of our historical past, our cultural heritage, and our knowledge of the use of resources for shipbuilding. The objective of this PhD thesis, taking part of this project, is to identify the provenance of the Iberian shipbuilding wood using geochemical tracers. The hypothesis is that trees growing on contrasted rocks and soils have specific geochemical signatures, which can be an indicator of geographic provenance. In this context, the Sr isotopic signature (87Sr/86Sr) was characterized in shipwreck wood samples and wood from living trees, soils and rocks collected from the Spanish forest stands indicated as potential source of wood between the 16th - 18th centuries. The δ88/86Sr signatures were also characterized in the samples. The rock types and ages were characterized at the selected sites and the link between the 87Sr/86Sr and δ88/86Sr in rocks, soils and trees was studied on the sampled Spanish sites. The local signature of Spanish potential sites was determined for provenance of wood. Our results indicate that 87Sr/86Sr isotope ratios in trees reflect the signature of the corresponding soil exchangeable pool while δ88/86Sr was shown to be affected by mass-dependent fractionation with trees taking up lighter (86Sr) isotopes, leaving the soil exchangeable pool enriched with the heavier isotopes (88Sr). This fractionation observed for oak trees, was not found in pines suggesting that the isotopic fractionation during tree uptake is species dependent. The contamination of wood from shipwrecks by seawater elements was identified. Marine Sr was found to be adsorbed on the wood or included in the precipitated minerals in the waterlogged wood. Several extraction experiments were tested and an adapted protocol was developed to extract the seawater elements and retrieve the original signature of the archaeological wood. We succeeded to validate an extraction protocol and retrieve the original signature of one wood sample. This result underline the potential and importance of a new method combining 87Sr/86Sr and δ88/86Sr values for future provenance studies on wood or other materials. However, our results also indicated that most of our shipwreck wood samples did not conserve their original Sr. Therefore, preconizations were suggested in order to extend the use of this tracer in future provenance studies on archaeological wood from shipwrecks

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La investigació que es presenta en aquesta tesi es centra en l'aplicació i millora de metodologies analítiques existents i el desenvolupament de nous procediments que poden ser utilitzats per a l'estudi dels efectes ambientals de la dispersió dels metalls entorn a les zones mineres abandonades.En primer lloc, es van aplicar diferents procediments d'extracció simple i seqüencial per a estudiar la mobilitat, perillositat i bio-disponibilitat dels metalls continguts en residus miners de característiques diferents. Per altra banda, per a estudiar les fonts potencials de Pb en la vegetació de les zones mineres d'estudi, una metodologia basada en la utilització de les relacions isotòpiques de Pb determinades mitjançant ICP-MS va ser avaluada. Finalment, tenint en compte l'elevat nombre de mostres analitzades per a avaluar l'impacte de les activitats mineres, es va considerar apropiat el desenvolupament de mètodes analítics d'elevada productivitat. En aquest sentit la implementació d'estratègies quantitatives així com l'aplicació de les millores instrumentals en els equips de XRF han estat avaluades per a aconseguir resultats analítics fiables en l'anàlisi de plantes. A més, alguns paràmetres de qualitat com la precisió, l'exactitud i els límits de detecció han estat curosament determinats en les diverses configuracions de espectròmetres de XRF utilitzats en el decurs d'aquest treball (EDXRF, WDXRF i EDPXRF) per a establir la capacitat de la tècnica de XRF com a tècnica alternativa a les clàssiques comunament aplicades en la determinació d'elements en mostres vegetals. / The research presented in this thesis is based on the application and improvement of analytical existing methodologies and the development of novel procedures that can be used to assess the environmental effects on metal dispersal around abandoned mining activities. On the one hand, single and sequential extraction procedures were properly applied in order to study the potential mobility, risk and bioavailability of the metals contained in several mining wastes of different features. On the other hand, in an attempt to study the potential sources of the anomalous lead content in vegetation specimens growing on the waste and soils of abandoned mining areas, a methodology based on the use of stable lead isotope ratios using ICP-MS instrumentation was evaluated.Finally, in view of the considerable number of vegetation specimen analysis necessary to assess the impact of mining activities, the study of high productivity analytical methods for metal determination in this kind of matrices was considered appropriate. In this sense, the implementation of suitable quantitative strategies and the recent improvements in the XRF instrumentation have been evaluated to achieve reliable analytical results for plant analysis. Besides, analytical figures of merit such as precision, accuracy and limits of detection have been carefully determined in the diverse configurations of XRF spectrometers employed in the course of this work (EDXRF, WDXRF, EDPXRF) using different excitation sources in order to assess the capability of XRF as an alternative analytical tool to classical destructive methodologies, commonly applied for the determination of elements in vegetation matrices.

Zielsetzung der Arbeit war vorrangig die Entwicklung bzw. Weiterentwicklung von Methoden zur verbesserten Interpretation der hydraulischen Gegebenheiten in einem Grundwasserleiter mit Hilfe der Bestimmung von Radiumisotopenverhältnissen im Verlauf von Pumpversuchen. Daneben wurden 222Rn/226Ra-Verhältnisse betrachtet und interpretiert. Des Weiteren wurden Gesteinsuntersuchungen durchgeführt sowie Untersuchungen an Gesteinsoberflächen (Sekundärminerale) um Aussagen über das Löslichkeitsverhalten bzw. die Mobilität von Radium im Grundwasser zu erhalten. Die Grundwasser- und Gesteinsproben stammten vor allem aus dem Umfeld der kontinentalen Tiefbohrung (KTB Oberpfalz) sowie aus der Vorbohrung zur KTB, aber auch aus benachbarten Bundesländern und der Tschechischen Republik (Egergraben). Im Ergebnis zeigte sich, dass sich die Untersuchung der Isotopenverhältnisse zur vertiefenden Aquiferdiagnose gut eignet. Die geochemischen Untersuchungen erlaubten einen Einblick in das Löslichkeitsverhalten der untersuchten Radionuklide.:LISTE DES ABKÜRZUNGEN 12 LISTE DER TABELLEN 17 1. EINLEITUNG - BISHERIGE ARBEITEN 23 1.1 ZIELSETZUNG 23 1.2 BISHERIGE ARBEITEN ZU RADIUM UND RADON 25 2. RADIUM UND RADON: GRUNDLAGEN 27 2.1 ENTSTEHUNG UND VORKOMMEN 27 2.1.1 VORKOMMEN IN DER LITHOSPHÄRE 27 2.1.2 VORKOMMEN IN DER HYDROSPHÄRE 29 2.2 PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN 31 2.2.1 RADIOAKTIVITÄT 31 2.2.2 CHEMISCHE UND PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN VON RADIUM 32 2.2.3 CHEMISCHE UND PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN VON RADON 33 2.3 DAS VERHALTEN VON RADON UND RADIUM IM GRUNDWASSERLEITER 34 2.3.1 DAS VERHALTEN VON RADON 34 2.3.2 GEOCHEMIE UND HYDROCHEMIE DES RADIUMS 35 2.3.3 VERHALTEN VON RADIUM BEI ANWESENHEIT VON KOLLOIDEN UND TONMINERALEN 37 2.3.4 STOFFTRANSPORT UND ADSORPTION 38 2.3.5 DAS VERHALTEN VON RADIUM BEI ANWESENHEIT VON EISEN UND MANGAN 41 2.3.5.1 HYDROLYSE DES EISEN-III 42 2.3.5.2 BILDUNG VON EISENHYDROXIDNIEDERSCHLÄGEN AUF GESTEINSOBERFLÄCHEN UND IHRE ALTERATION 42 2.3.5.3 PARAMETER WELCHE DIE HYDROLYSE, DIE BILDUNG VON NIEDERSCHLÄGEN UND DIE ALTERATION BEEINFLUSSEN 43 2.3.5.4 RADIUM-ADSORPTION AN EISEN- UND MANGANHYDROXIDE 45 3. DIE RADIUM-ISOTOPENVERHÄLTNIS-METHODE ALS HILFSMITTEL FÜR DIE AQUIFERDIAGNOSE 47 3.1 GRUNDLAGEN DER HYDRAULIK 47 3.1.1 PERMEABILITÄT (K) 47 3.1.2 WEITERE HYDRAULISCHE PARAMETER 48 3.2 HYDRAULISCHE METHODEN FÜR DIE AQUIFERDIAGNOSE 49 3.2.1 PUMPVERSUCHE 50 3.2.1.1 DATENERHEBUNG 50 3.2.1.2 AUSWERTUNG 50 3.3 VERÄNDERUNG VON RADIUM- UND RADONISOTOPENVERHÄLTNISSEN IM VERLAUF VON PUMPVERSUCHEN ALS INDIKATOREN FÜR FLIEßVERHALTEN UND MISCHUNG VERSCHIEDEN MARKIERTER GRUNDWÄSSER 52 3.3.1 THEORIEN ZU DEN RADIUM-ISOTOPENVERHÄLTNIS-METHODEN 52 3.3.1.1 EINSCHÄTZUNG DER RELATIVEN FLIEßGESCHWINDIGKEIT - FLIEßZEITMODELL - 53 3.3.1.2 EINSCHÄTZUNG DER ZUMISCHUNG EINES FREMDEN SYSTEMS - MISCHMODELLE - 57 3.3.1.3 UNTERSCHEIDUNG VON DOPPELPOROSITÄT, LEAKAGE UND SCHEINBARER DOPPELPOROSITÄT - DOPPELPOROSITÄTSMODELL - 58 3.3.1.4 METHODE ZUM NACHWEIS ANTHROPOGENER RADIONUKLIDE IM GRUNDWASSER - KONTAMINATIONSMODELL - 60 3.3.1.5 ÄNDERUNG DES 222RN/226RA-VERHÄLTNISSES - REDOXMODELL - 60 3.3.1.6 ÄNDERUNG DES 222RN-GEHALTES - DRUCKÄNDERUNGSMODELL - 61 4. PROBENAHME, PRÄPARATION UND ANALYSE VON WASSERPROBEN 63 4.1 RADIUM IN GRUNDWASSERPROBEN 63 4.1.1 PROBENAHME 63 4.1.2 PRÄPARATION 63 4.1.3 MESSUNG 63 4.2 RADON IN GRUNDWASSERPROBEN 64 4.2.1 PROBENAHME 64 4.2.2 PRÄPARATION 64 4.2.3 MESSUNG 64 5. ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER RA- UND RN- ISOTOPEN-UNTERSUCHUNGEN UNTER BERÜCKSICHTIGUNG DER GEOLOGIE, DER WASSERCHEMIE UND DER KONVENTIONELLEN ISOTOPENUNTERSUCHUNGEN (3H, 2H, 18O, 13C, 14C) 65 5.1. GEOLOGIE DES BEREICHES DER KTB UND DES KTB-UMFELDES 65 5.2 AUSWERTUNG DER CHEMISCHEN UND RADIOMETRISCHEN UNTERSUCHUNGEN VON EINZELPROBEN VON GRUNDWÄSSERN VERSCHIEDENER REGIONEN 67 5.2.1 RELATION ZWISCHEN DEN SPEZIFISCHEN ELEKTRISCHEN LEITFÄHIGKEITEN UND DEN RADIUM-AKTIVITÄTEN 68 5.2.2 RELATION ZWISCHEN DEN CHLORID-GEHALTEN UND DEN RADIUM-AKTIVITÄTEN 71 5.2.3 RELATION ZWISCHEN DEN SULFAT-GEHALTEN UND RADIUM-AKTIVITÄTEN 72 5.2.4 RELATION ZWISCHEN DEN BARIUM- UND STRONTIUM-GEHALTEN SOWIE DEN EISEN- UND MANGAN-GEHALTEN UND DEN RADIUM-AKTIVITÄTEN 72 5.2.5 RELATION ZWISCHEN DEN PH-WERTEN UND DEN RADIUM-AKTIVITÄTEN 75 5.2.6 RELATION ZWISCHEN DEN REDOX-POTENTIALEN UND DEN RADIUM-AKTIVITÄTEN 78 5.2.7 RADONAKTIVITÄTEN IN RELATION ZU RADIUMAKTIVITÄTEN UND ENTNAHMETIEFEN SOWIE RADIUMAKTIVITÄTEN IN RELATION ZU DEN VERWEILZEITEN DES GRUNDWASSERS, 226RA/228RA-VERHÄLTNISSE 78 5.2.8 DISKUSSION EINZELNER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 84 5.2.8.1 KTB-UMFELD 84 5.2.8.2 SÜDSCHWARZWALD - HERKUNFT DES RADIUMS 85 5.2.8.3 MYDLOVARY (ČR) - ANWENDUNG DES KONTAMINATIONSMODELLS 86 5.3 UNTERSUCHUNGEN AN FLUID- UND GESTEINSPROBEN AUS DER KTB-VB UND AN FLUIDPROBEN DER KTB-HB 88 5.3.1 PUMPVERSUCH APRIL 1990 AN DER KTB-VB 89 5.3.1.1 RADIUM-AKTIVITÄTEN DER FLUIDPROBEN 90 5.3.2 PUMPVERSUCH AUGUST BIS DEZEMBER 1991 AN DER KTB-VB 91 5.3.3 RADONAKTIVITÄTEN VON FLUID- UND GASPROBEN AUS DER KTB-VB 93 5.3.4 RELATION DER RA-AKTIVITÄTEN DER FLUIDE ZU DENEN DES GESTEINS DER KTB-VB 94 5.3.5 UNTERSUCHUNGEN AN FLUIDEN DER KTB-HB 95 5.4 PUMPVERSUCHE IM NÄHEREN KTB-UMFELD 96 5.4.1 PUMPVERSUCHE IN EINEM GRANIT-/DIABAS-GRUNDWASSERLEITER 96 5.4.1.1 PECHBRUNN SILVANA I 96 5.4.1.2 PECHBRUNN SILVANA II 99 5.4.1.3 ZUSAMMENFASSENDE BEURTEILUNG DER GRUNDWÄSSER AUS SILVANA I UND II 101 5.4.2 PUMPVERSUCH IN EINER TIEFBOHRUNG IM EGERGRABEN UND VERGLEICHENDE UNTERSUCHUNG DES GRUNDWASSERS AUS EINER THERMALQUELLE: KARLOVY VARY (KARLSBAD, ČR) 102 5.4.2.1 EINFÜHRUNG UND BESCHREIBUNG DER PROBENAHMESTELLEN 102 5.4.2.2 VERLAUF DES PUMPVERSUCHS IN DER BOHRUNG HJ-2 103 5.4.2.3 CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG DER FLUIDE 104 5.4.2.4 ERGEBNISSE DER RADIUM- UND RADONISOTOPENUNTERSUCHUNGEN UNTER BERÜCKSICHTIGUNG DER ISOTOPENHYDROLOGISCHEN UNTERSUCHUNGEN 106 5.4.2.5 ERGEBNISSE DER GASANALYSEN 109 5.4.2.6 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE UND DARAUS ABGELEITETE FOLGERUNGEN 110 5.4.3 PUMPVERSUCH IN KELLERHAUS NE` MANTEL (OBERPFALZ) 111 5.5 PUMPVERSUCHE IM WEITEREN KTB-UMFELD 113 5.5.1 PUMPVERSUCH IM OBEREN BUNTSANDSTEIN (RHÖT) UNTERFRANKENS: WIESENFELD BEI KARLSTADT 113 5.5.1.1 ERGEBNISSE DER VOR-ORT-MESSUNGEN UND DER HYDROCHEMISCHEN UNTERSUCHUNGEN 113 5.5.1.2 ERGEBNISSE DER ISOTOPENUNTERSUCHUNGEN 114 5.5.1.3 ERGEBNISSE DER RADIUM-UNTERSUCHUNGEN UND INTERPRETATION 114 5.5.2 PUMPVERSUCH IM UNTEREN KEUPER/BENKER SANDSTEIN OBERFRANKENS: NEUHAIDHOF BEI CREUSSEN 117 5.5.2.1 ERGEBNISSE DER VOR-ORT-MESSUNGEN UND WASSERCHEMIE 118 5.5.2.2 ERGEBNISSE DER TRITIUMUNTERSUCHUNGEN 118 5.5.2.3 ERGEBNISSE DER RADIUM- UND RADON-AKTIVITÄTSBESTIMMUNGEN 118 5.5.3 PUMPVERSUCH IN EINEM GRUNDWASSERLEITER DES MITTLEREN KEUPER: THERMALBOHRUNG BAYREUTH/OBERFRANKEN 120 5.5.3.1 ERGEBNISSE DER ISOTOPENUNTERSUCHUNGEN 120 5.5.3.2 ERGEBNISSE DER GASGEHALTSBESTIMMUNGEN 122 5.5.3.3 ERGEBNISSE DER RADIUM- UND RADON-AKTIVITÄTSBESTIMMUNGEN 123 5.5.4 PUMPVERSUCH IM MITTLEREN KEUPER/BURGSANDSTEIN: ECKERSDORF/OBERFRANKEN 123 5.5.4.1 ERGEBNISSE DER VOR-ORT-MESSUNGEN 125 5.5.4.2 ERGEBNISSE DER ISOTOPENUNTERSUCHUNGEN 125 5.5.4.3 ERGEBNISSE DER RADIUM- UND RADON-AKTIVITÄTSBESTIMMUNGEN 125 5.5.5 PUMPVERSUCH IM MUSCHELKALK UND ROTLIEGENDEN DER BOHRUNG TREUCHTLINGEN T2 126 5.5.5.1 ERGEBNISSE DER RADIUM-AKTIVITÄTSBESTIMMUNGEN 128 5.6 PUMPVERSUCHE IN BADEN-WÜRTTEMBERG 128 5.6.1 DREI HORIZONTIERTE PUMPVERSUCHE IN EINER OPALINUSTON-BOHRUNG IN WÜRTTEMBERG (GEISINGEN) 128 5.6.1.1 ERGEBNISSE DER VOR-ORT-MESSUNGEN 130 5.6.1.2 ERGEBNISSE DER ISOTOPENUNTERSUCHUNGEN 130 5.6.1.3 ERGEBNISSE DER RADIUM UND RADON-AKTIVITÄTSBESTIMMUNGEN 132 6. UNTERSUCHUNGEN AN GESTEINSPROBEN 136 6.1 RÖNTGENFLUORESZENZANALYSE (RFA) 136 6.2 PROBENAHME 136 6.3 PRÄPARATION 136 6.4 MESSUNG UND AUSWERTUNG 137 7. ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER GESTEINSUNTERSUCHUNGEN 138 7.1 BOHRKERN AUS DER BOHRUNG KARLOVY VARY HJ-2 138 7.1.1 PETROGRAPHISCHE BESCHREIBUNG DER BEARBEITETEN BOHRKERNABSCHNITTE DER BOHRUNG HJ-2 IM EGERGRABEN 138 7.1.1.1 BESCHREIBUNG DER DÜNNSCHLIFFE 141 7.1.1.2 ERGEBNISSE DER RÖNTGENFLUORESZENZANALYSE UND DER KRISTALLWASSER-BESTIMMUNG NACH DER PENFIELD-METHODE 150 7.1.1.3 DISKUSSION DER ERGEBNISSE DER DÜNNSCHLIFF- UND DER RÖNTGENFLOURESZENZANALYSE UNTER BERÜCKSICHTIGUNG DES GRUNDWASSERCHEMISMUS 157 7.1.2 BESTIMMUNG DER 226RA- 228RA- UND 230TH-AKTIVITÄTEN AN GESTEINSPROBEN DER BOHRUNG KARLOVY VARY HJ-2 159 7.1.3 BESTIMMUNG DER Δ18O-WERTE AN GESTEINSPROBEN DER BOHRUNG KARLOVY VARY HJ-2 162 7.1.4 VERGLEICHENDE INTERPRETATION DER GEOCHEMISCHEN, ISOTOPEN-GEOCHEMISCHEN UND RADIOMETRISCHEN ERGEBNISSE 168 7.2 GESTEINSOBERFLÄCHEN 169 7.2.1 BESTIMMUNG DER 238U-GEHALTE, DER 234U/238U- UND 230TH/234U-VERHÄLTNISSE, SOWIE DER 226RA- UND 228RA-AKTIVITÄTEN UND DER 226RA/228RA-VERHÄLTNISSE AN AUSGEWÄHLTEN GESTEINSPROBEN AUS DER BOHRUNG KARLOVY VARY HJ-2 169 7.2.1.1 PRÄPARATION UND LEACHING 169 7.2.1.2 DISKUSSION UND INTERPRETATION DER ERGEBNISSE 173 7.2.2 LEACHING-TESTS AN GESTEINSPROBEN AUS SIBYLLENBAD 174 7.3 RADIUMGEHALTSBESTIMMUNGEN AN VERSCHIEDENEN GESAMTGESTEINSPROBEN 175 8. GEOCHEMISCHE UND RADIOMETRISCHE UNTERSUCHUNGEN AN EISEN- UND MANGAN-OXIHYDROXIDEN 177 8.1 SEQUENTIELLE EXTRAKTION DER EISEN- UND MANGANOXIHYDROXIDE 178 8.1.1 PRÄPARATIONSVERFAHREN 178 8.1.2 ERGEBNISSE DER SEQUENTIELLEN EXTRAKTION 179 8.2 RÖNTGENAUFNAHMEN 180 8.3 ELEKTRONENMIKROSKOPISCHE AUFNAHMEN VERBUNDEN MIT ENERGIEDISPERSIVER RÖNTGENANALYSE EDX 181 8.3.1 PRÄPARATION UND MESSUNG 181 8.3.2 ERGEBNISSE DER ELEKTRONENMIKROSKOPIE UND DER EDX 182 8.4 RÖNTGENFLUORESZENZANALYSEN 184 8.5 ZUSAMMENFASSENDE DISKUSSION DER ERGEBNISSE DER 194 EISEN- UND MANGANOXIHYDROXID-UNTERSUCHUNGEN 194 9. KURZE GESAMTZUSAMMENFASSUNG DER ARBEIT 194 DANK 195 LITERATURVERZEICHNIS 196 VERZEICHNIS DER VERWENDETEN KARTEN 204 ANHANG A: FUßNOTEN 206 ANHANG B: TABELLEN 210 ANHANG C: AUFNAHMEN DER UNTERSUCHTEN BOHRKERNABSCHNITTE DER BOHRUNG KARLOVY VARY HJ 2. 309 ANHANG D: GEOLOGIE DES KTB-UMFELDES (AUS: GEOLOG. KARTE DES KTB-UMFELDES OBERPFALZ 1: 50.000, HANNOVER 1991) 313

Migratory insects are vital components of global ecosystems and provide important ecosystem services, yet the migration phenomenon is understudied in insects compared to vertebrates. In this thesis, I aim to deepen our understanding of insect migration, using the monarch butterfly Danaus plexippus (L.) and the painted lady butterfly Vanessa cardui (L.) as model systems. Studying insect migration is notoriously difficult given the small size, high abundance, and short lifespans of insects. Isotope geolocation has shown promise for overcoming these obstacles. Here, I develop and apply metals and metal isotopes, specifically strontium isotope ratios (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr), to increase the spatial precision of isotope geolocation and demonstrate how isotopic geolocation tools can advance our understanding of insect migration at the population level. In the first chapter, I test the validity of using ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, lead isotopes, and a suite of 23 metals and metalloids to estimate the natal origins of migratory insects, by investigating the pathways of metal incorporation into butterfly wing tissues. Using an 8-week diet-switching experiment, I show that the concentrations of many metals in insect wings can be altered through the adult diet or dust deposition, making them poor candidates for geolocation but potentially interesting tools to study insect physiology, diet, or toxicology. For example, lead was found to accumulate on butterfly wings from external sources, and lead isotopes could potentially be used to quantify the exposure of migratory insects to metal pollution. Some metals, including Ba, Cs, Mg, Na, Rb, Sr, Ti, Tl, and U, are good candidates for developing geolocation tools. I focused on ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr and demonstrated that, despite some caveats, this tool is valid for isotope geolocation. In the second chapter, I outline the steps required to use ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr for the geolocation of insects, including the calibration of a spatial model of isotopic variation (i.e., an isoscape) using random forest regression. I then combine hydrogen isotope values (δ²H) and ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr into a dual assignment framework to estimate the natal origins of a single generation of monarch butterflies in eastern North America. I demonstrate that combining these two isotopes provides a more spatially constrained estimate of natal origin than using either isotope alone. In the third chapter, I apply this framework to characterize the migratory patterns and migratory connectivity of an insect species across a geographical barrier, the Sahara. Painted ladies journeying northwards across the Sahara appear to do so in a gradual progression, although spatiotemporal sampling limitations prevented a complete characterization of this movement. In contrast, painted ladies migrating southwards appear to journey in a broad front, parallel migration pattern with little longitudinal movement. Evidence for a leapfrog migration pattern was found in the western region, wherein butterflies of northernmost origin journey farther south than butterflies bred in more southerly regions. This leapfrog migration pattern suggests distinct migratory behaviours within painted lady butterflies wherein some individuals migrate longer distances than others. In the fourth chapter, I apply isotope geolocation to characterize the migration distances of multiple individuals and assess the potential genetic differentiation of butterflies migrating distinct distances. I use δ²H and ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-based geographic assignment to confirm that some painted ladies migrate up to 4,000 km from Europe to sub-Saharan Africa, while others migrate shorter distances from Europe to the circum-Mediterranean region. Despite these differences in migration distance, genome-wide analysis revealed a lack of adaptive variation between short- and long-distance migrants. Instead, variation in migration distance in painted lady butterflies is likely the result of a plastic response to environmental conditions. Overall, the methodological developments presented in this thesis are a step forward in studying insect migration. The development and application of metals and metal isotopes for insect geolocation opens new avenues to study the migration phenomenon at different scales with widespread relevance for conservation and pest management.

Aquifers in the arid alluvial basins of the southwestern U.S. are recharged predominantly by infiltration from streams within the basins and by water entering along the margins of the basins from surrounding mountains (mountain -front recharge). The Tucson Basin of Southeastern Arizona is such a basin. The Santa Catalina Mountains form the northern boundary of this basin and receive more than twice as much precipitation (about 70 cm/yr) as the basin does (about 30 cm/yr). In this study environmental isotopes were employed to investigate the migration of precipitation basinward through joints and fractures. Water samples were obtained from springs in the Santa Catalina Mountains. Stable isotopes and thermonuclear bomb-produced tritium enabled qualitative characterizations of flow paths and flow velocities. Stable isotopic measurements fail to display a direct altitude effect. Tritium values indicate that although a few springs discharge pre-bomb water, most springs discharge waters from the 1960's or later.

L'authenticité et la traçabilité des aliments gagnent un intérêt croissant au cours de la dernière décennie puisque la connaissance de la provenance des aliments est considérée comme une garantie supplémentaire de leur qualité. Les consommateurs ont également des inquiétudes et des préoccupations par l'origine de la nourriture qu'ils consomment car divers produits sont sujets à l'adultération ou à la fausse dénomination. L'intérêt accru à l’égard de la protection des consommateurs et de la lutte antifraude ont entraîné un accroissement de la recherche scientifique appliquée et le développement d'outils efficaces pour contrôler l'authenticité des produits alimentaires. Entre techniques analytiques appliquées à l'authenticité et à la traçabilité des aliments, les méthodes les plus prometteuses sont basées sur les empreintes d'éléments lourds mesurées par la spectroscopie atomique. La spectrométrie de masse à multicollection à couplage à plasma induit (MC-ICP-MS) est reconnue comme la méthode optimale pour effectuer des mesures de haute précision de nombreux éléments du tableau périodique en contrôlant simultanément les rapports entre leurs isotopes stables. Cette étude présente une nouvelle stratégie analytique basée sur des isotopes stables non-traditionnels combinés avec des éléments traces déterminés par ICP-MS. Les avantages de combiner les informations de deux systèmes isotopiques, l'un traçant le sol (Sr), et l'autre traçant la pollution environnementale ambiante (Pb), ont permis d'obtenir de nouvelles informations exceptionnelles sur la traçabilité et l'authenticité des matrices alimentaires sélectionnées : vins de Bordeaux, jambons secs et thé. En utilisant des techniques analytiques complémentaires telles que les empreintes des élémentaires traditionnelles, la spécification régionale, ainsi que le traçage du processus de préparation des aliments sont possibles. Traitée par la chimiométrie, cette approche analytique constitue un nouvel outil efficace et prometteur pour détecter des fraudes alimentaires, y compris l’imitation de produits de grande valeur, l’étiquetage erroné et la substitution par des produits moins cher. / Food authenticity and traceability have received an increasing interest during the last decade since the knowledge of food provenance is regarded as an additional warranty of its quality. The world's globalization brought to the consumers is more and more concerned with the origin of the food they eat because various products are subjected to adulteration or false denomination. The augmentative interest in anti-fraud and consumer protection has led to the extension of scientific research and development of effective tools of food authenticity control. Among the analytical technics applied to food authenticity and traceability, one of the most rapidly developing and promising method is based on fingerprinting of heavy elements detected by atomic spectroscopy. The multicollection inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) is recognized as a method of choice for the high precision measurement of numerous elements of the periodic table as well as ratios of their stable isotopes. This study present a new analytical strategy based on combined non-traditional stable isotopes and trace elements determination by ICP-MS. The benefits of combining information from two isotopic systems, one tracing the soil (Sr), and the other tracing environmental ambient pollution (Pb), allowed to obtain an exceptional new information about traceability and authenticity of selected food matrixes: prestigious Bordeaux wines, dry-cured hams and tea. Using complementary analytical techniques such as traditional elemental fingerprinting, the regional specification, as well as tracing of the food preparation process are possible. When combined with chemometrics, these analytical advances constitute an efficient and promising tool to detect food frauds, including adulteration of high value products with cheaper substitutes, forgery and falsification.

Use of Re-Os systematics in sulfides from the Bagdad porphyry Cu-Mo deposit provide information on the timing of mineralization and the source of the ore -forming elements. Analyzed samples of pyrite, chalcopyrite and molybdenite mainly from the quartz monzonite and porphyritic quartz monzonite units are characterized by a moderate to strong potassic alteration (secondary biotite and K- feldspar). Rhenium concentrations in molybdenite are between 330 and 730 ppm. Two molybdenite samples from the quartz monzonite and porphyritic quartz monzonite provide a Re-Os isotope age of 71.7 ± 0.3 Ma. A third sample from a molybdenite vein in Precambrian rocks yields an age of 75.8 ± 0.4 Ma. These molybdenite ages support previous suggestions of two mineralization episodes in the Bagdad deposit. An early event at 76 Ma and a later episode at 72 Ma. Pyrite Os and Re concentrations range between 0.008-0.016 and 3.9-6.8 ppb, respectively. Chalcopyrite contains a wide range of Os (6 to 91 ppt) and Re (1.7 to 69 ppb) concentrations and variable ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os ratios that range between 0.13 to 22.27. This variability in the chalcopyrite data may be attributed to different copper sources, one of them the Proterozoic volcanic massive sulfides in the district, or to alteration and remobilization of Re and Os. Analyses from two pyrite samples yield an eight point isochron with an age of 77 ± 15 Ma and an initial ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os ratio of 2.12. This pyrite Re-Os isochron age is in good agreement with the molybdenite ages. We interpret the highly radiogenic initial 1870s/188Os as an indication that the source of Os and, by inference, the ore-forming elements for the Bagdad deposit, was mainly the crust. This conclusion agrees with previous Pb and Nd isotope studies and supports the notion that a significant part of the metals and magmas have a crustal source.