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A dramatic drop in Nb solubility during fractional crystallization of carbonatites triggers Nb ore formation
No full textInternational audienceNiobium (Nb) is crucial for various high-tech and strategic industries, yet Nb-deposits are rare and mostly hosted in carbonatite rocks, which are derived from unconventional magmatic systems that remain poorly understood. A seminal issue regarding ore formation in carbonatite system is the role played by magmatic vs. hydrothermal processes, as these often leave intermingled fingerprints in the rock-forming minerals. Aiming to clarify the key mechanisms that initiate magmatic Nb mineralization, we conduct experiments on Nb solubility in synthetic carbonatite melts at 0.1 GPa and magmatic temperatures (875, 950 and 1025 °C). Our experimental results show that Nb solubility is positively correlated with temperature and the Ca/Na ratio of carbonatite melt, and that an increase in F slightly increases Nb solubility. A quantitative model of Nb solubility is calibrated and used to compute the Nb solubility variation upon carbonatite magma differentiation with cooling. The modeling results show that Nb solubility drastically decreases as the carbonatite melt evolves toward Na-rich compositions upon cooling, triggering the precipitation of pyrochlore, the dominant economic Nb mineral, in the late magmatic stage at temperatures of ca. 700–750 ℃. Accordingly, we propose that Nb mineralization forms as a consequence of the fractional crystallization of calcite during carbonatite magma evolution. This study sheds new lights on the conundrum of Nb ore genesis in carbonatites, and may help guide the prospecting strategies for high-grade Nb deposit
Call text for the special feature: integrating socio-ecological and critical zone perspectives for sustainable land use management
No full textInternational audienceDuring the past two decades, Earth surface and environmental scientists have considered the critical zone (CZ), the next evolutionary step in the understanding of the thin skin of Earth where “rock meets life” (Brantley et al. 2007). The CZ encompasses the thin outer veneer of the Earth’s continental land surfaces extending from the top of the vegetation canopy down to subsurface depths of fresh groundwater (US National Research Council 2001). While CZ structure and function have evolved in response to climatic and tectonic perturbations throughout Earth’s history, the processes driving change have more recently accelerated during the Anthropocene due to human alterations (e.g., Vitousek et al. 1996; Wilkinson 2005; Steffen et al. 2007). In the USA, the initial focus of CZ research was on relatively undisturbed and “pristine” environments with a focus on the study of natural processes of the CZ. In Europe, due to the longer-term influence of humans in human-disturbed environments, CZ processes have been more systematically studied, but without explicitly considering the human component of the CZ. The integration of the human dimension as both a driver and response variable is increasingly demanded for a new generation of CZ studies (Naylor et al. 2023). Concomitantly, the concept of socio-ecological systems has integrated at its core human–nature interactions with physical, ecological, and social components (Berkes et al. 1998). The complexity of CZ interactions with SES has however remained understudied (Barreteau et al. 2016; Huggins et al. 2023; Sullivan et al. 2022
West European Variscan Belt dismantling and early fragmentation of Pangea: The key role of the Paleotethys subduction
No full textInternational audienceThis review explores the evolution of the West European Variscan Belt from the Late Carboniferous to the Permian, shedding light on a prolonged period of lithospheric reorganization that coincided with both the final assembly of Pangea and its early dismantling. To understand the balance of forces in the Variscan lithosphere during late-and post-orogenic stages, we integrate magmatic, tectonic, and metamorphic features spanning the 330-270 Ma interval. By considering modern paleogeodynamic reconstructions across Central-Western Europe, we develop a series of 3D tectonic models. These reconstructions emphasize the key role of the enclosed Paleotethys Ocean, which underwent subduction processes in the core of the Pangea supercontinent and interacted with the Alleghanian intracontinental collision to the west. Our model suggests that Paleotethys subduction triggered back-arc extension in the southern Variscan realm and established a lateral free-edge boundary. It allowed mass transfer between collisional and subduction domains from at least the end of the Carboniferous. This lateral free-edge boundary accommodated part of the material transfers from the overriding continental plate during the progressive dismantling of the Variscan belt. The dismantling of the upper plate, which is facilitated by earlier Late-Carboniferous delamination processes, culminates in plate-scale oroclinal bending, in which the accommodation space is controlled by trench-directed deep crustal (and mantle) flow and strike-slip tectonics. Our findings suggest that the rapid post-orogenic re-equilibration of the Variscan crust was not solely governed by gravitational collapse, but was significantly influenced by lateral mass redistribution, likely driven by slab retreat operating since the end of the Carboniferous
Caractérisation par microscopie électronique en transmission des propriétés structurales et chimiques de revêtements multicouches TiAl/TiAlN nanoindentés
No full textInternational audienceLes revêtements nanocristallins en nitrures de titane et d’aluminium sont utilisés depuis des décennies pour protéger les outils de coupe, grâce à leurs propriétés remarquables telles que leur dureté, leur résistance à l’usure et à l’oxydation [1]. Leurs propriétés mécaniques peuvent être renforcées en réalisant des multicouches périodiques métal/nitrure, telles que TiAl/TiAlN, combinant la dureté du nitrure, la ductilité du métal et la résistance à la fissuration des interfaces [2,3]. Dans le système ternaire Ti1-xAlxN, les meilleures performances mécaniques (dureté, module élastique) sont obtenues pour une teneur en aluminium proche de 50 at.%, où le réseau reste cubique (cfc) de type NaCl, avant de passer à une structure hexagonale (hcp) de type wurzite à plus forte teneur [4]. Les revêtements multicouches ont été déposés par pulvérisation cathodique magnétron utilisant un procédé à impulsions cycliques de gaz réactif (« Reactive Gas Pulsing Process », RGPP), permettant de moduler la composition à partir d’une seule cible frittée Ti66Al33 en contrôlant l’injection périodique d’azote [5]. Dans cette étude, deux types de multicouches ont été déposés sur un substrat de silicium : (Ti0.66Al0.33)/(Ti0.54Al0.46N), avec des périodes Λ = 4 nm (ML4) et Λ = 50 nm (ML50), pour une épaisseur totale d’environ 2000 nm. L’objectif est d’étudier l’influence de la structure, de la composition, de l’épaisseur des nanocouches et des interfaces sur les propriétés mécaniques des revêtements. Des tests de nanoindentation ont été réalisés grâce un Nanoindenteur Anton Paar UNHT (Ultra Nano-Indentation Hardness Tester) équipé d’une pointe diamantée de forme Berkovich. La microscopie électronique en transmission (MET) a permis d’analyser, à l’échelle locale, la morphologie, la structure cristalline et la composition chimique de coupes transverses des multicouches préparées par faisceau d’ions focalisé (FIB), avant et après indentation. Les clichés de diffraction électronique par sélection d’aire (SAED) sur ML50 révèlent une croissance polycristalline texturée selon les directions [111]c de TiAlN et [002]h de TiAl. Après indentation, une désorientation (~15°) des couches liée à une bande de cisaillement et une forte mosaïcité à l’intérieur des couches, c’est-à-dire une désorientation des empilements (variation de l’angle des cristallites) par rapport à l’axe de croissance, ont été observées (Figure 1A). Les images MET à haute résolution (HRTEM) confirment cette désorientation, ainsi que la présence de nombreuses dislocations et défauts d’empilement dans la zone indentée, suggérant une structure cristalline moins cohérente. Les analyses chimiques par spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie (EDS) couplées au MET indiquent une composition de 65 at.% de titane et 35 at.% d’aluminium dans TiAl (proche de celle de la cible), et de 54 at.% de Ti et 46 at.% d’Al dans TiAlN pour Λ = 50 nm (Figure 1B, C). Les résultats de la période Λ = 4 nm sont encore en cours de traitement. Les premières analyses chimiques par spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) montrent la présence de l’azote aux interfaces, sans frontière nette entre les couches. La combinaison HRMET, SAED, EDS et EELS a permis de caractériser en détail la nanostructure et la chimie des couches et de leurs interfaces des deux multicouches, avant et après indentation
Sensitivity of Covered and Confined Aquifers to Climate Forcing in Metropolitan France
No full textInternational audienceConfined groundwater aquifers and more generally aquifers under impervious sedimentary cover ( CAq) are a priori rather protected from external anthropogenic and climate forcings. Within the framework of the DEESAC project, which aims to define a methodological guide for the sustainable exploitation of CAq in France, we investigate the sensitivity of CAqs across metropolitan France to large -scale and local-scale climate variability using transfer entropy analysis. Transfer entropy is used to assess information flow from climate variables to CAq groundwater levels (GWL) in terms of causal relationships and associated lag times. The approach developed allows us to identify areas involved in information flow from precipitation to GWL and may help to identify recharge or pressure pulse transfer pathways controlling GWL. In addition, the quantification of information flow from climate indices to GWL provides an assessment of large -scale/global climate variability impact on CAqs
The hidden consequences of agricultural development: Soil degradation and pesticide contamination in the South American Pampa
No full textInternational audienceAgricultural expansion has led to an acceleration of soil erosion and sediment dynamics in South America in general and in the Pampa biome in particular. This region is a hotspot of land-use and land-cover changes and was marked by important and rapid shifts in farming practices. However, the environmental consequences of these changes remain under-documented. To address this lack, the current research uniquely reconstructed sediment fluxes since the 1950s in the Pampa region in Uruguay from a sediment archive collected in a dam reservoir inaugurated in 1945. This core was analysed following a multi-proxy approach and fluxes of key pesticides were reconstructed since the 1950s. Results revealed that while early agricultural phases included widespread pesticide use, their impact remained limited due to the limited size of cultivated areas. A transitional period to no-tillage farming and pasture rotation first reduced sediment delivery. Nevertheless, afterwards, large-scale land conversion, combined with intensive pesticide application, has led to another episode of acceleration in soil erosion and an increase in sediment fluxes, largely decoupled from the precipitation variability alone. Notably, a resurgence of the banned DDT pesticide was observed suggesting the possible remobilisation of DDT originating from past applications. These findings provide long-term insights into the environmental consequences of the changes in land-use, land-cover and farming practices since the mid-twentieth century in a relatively understudied region and highlight the need for continued monitoring and for the implementation of measures to mitigate soil erosion and pesticide contamination in the Pampa regio
Outlook on the knowledge gaps to reduce soil sealing and increase the reuse of urban soil
No full textInternational audienceIntroduction : The third specific objective of the Soil Mission is to achieve "no net soil sealing and increase the reuse of urban soil" (European Commission: Directorate-General for Research and Innovation 2022 p. 16). Soil sealing is considered as the main process that causes land degradation in urban areas (European Environment Agency et al. 2022). When soil is sealed, an impermeable layer interrupts the connection between the soil and the atmosphere, leading to the loss of soil resources, biodiversity, and ecosystem services. The process of soil sealing is strictly linked to land take, i.e. the conversion of natural and semi-natural land into artificial land (see definitions in Table 1). The Soil Mission implementation plan estimates that the area with poor soil health due to soil sealing is probably <1% of EU land, but can be as high as 2.5%. These figures are based on the assumption that sealed areas represent around 50% of artificial areas, which cover 4.2% of the EU. Locally, sealed surfaces can reach very high levels, with some areas exhibiting rates as high as 70% (Decoville and Feltgen 2023). Both soil sealing and land take have been steadily growing during the last decades (European Environment Agency et al. 2022). Between 2000 and 2018, artificial areas expanded by 7.1%, with net land take averaging 440 km²/year between 2012 and 2018, primarily at the expense of arable lands, pastures, and grasslands. Concerning the second part of the objective, soil reuse refers to the use of excavated soil from construction sites for other purposes (Reicosky and Wilts 2005). In many European countries, excavated soils are still classified as waste, contributing over 520 million tonnes to the total waste generated in the EU in 2018 (Scialpi and Perrotti 2022
AQUI-FR: Une plateforme de modélisation hydrogéologique nationale
No full textNational audienceLa plateforme de modélisation hydrogéologique Aqui-Fr repose sur une collaboration entre différents organismes de recherches impliqués dans la caractérisation du comportement des aquifères du territoire national dans un contexte de changement climatique (ENS, Mines Paris, MétéoFrance, Geosciences Rennes, Lyhges, BRGM et OFB). Un ensemble de modèles numériques maillés mono et/ou multicouches pour les eaux souterraines, ou de modèles globaux pour les sources karstiques est intégré dans une plate-forme de modélisation gérée et opérée par Météo-France. Cette plate-forme offre des services de prévisions saisonnières et de projections climatiques qui permettent de cartographier la variation des niveaux piézométriques sous la forme d’indices de piézométrie standardisée (IPS). La plateforme couvre actuellement une grande partie du bassin parisien depuis le Nord Pas de Calais jusqu’en région Poitou Charente, ainsi qu’un modèle sur la partie Tarn et Garonne et un autre sur le sud de la plaine d’Alsace. La phase 4 du projet a pour vocation de mettre à jour la calibration des modèles existants et d’étendre l’emprise territoriale des modèles vers d’autres zones du territoire encore non couverte comme la région Aquitaine ainsi que le couloir Saône-Rhône jusqu’à la région PACA. Cette modélisation hydrogéologique a pour objectif de fournir des informations fines à l’échelle nationale, notamment compatibles avec les masses d’eau de la DCE, sans pour autant remplacer les applications détaillées à l’échelle régionale. Un des principaux intérêts du modèle est d’améliorer la diffusion opérationnelle d’informations sur les aquifères et leurs relations avec la surface. Les résultats pertinents sont les niveaux piézométriques, les flux échangés entre les couches aquifères ainsi qu’entre les nappes et les rivières. Quatre types d’applications sont actuellement envisagés : la ré-analyse historique, le suivi en temps réel, la prévision saisonnière et les projections climatique
Comment partager l’eau en France ? À l’ère de l’anthropocène
No full textInternational audienceDepuis de nombreuses années, la France a instauré des politiques de gestion de l’eau visant à concilier le partage équilibré de cette ressource et la préservation de sa qualité. Cependant, face au changement climatique — qui menace de plus en plus cet équilibre — et à la dégradation sans précédent de la biodiversité aquatique, les enjeux liés à la gestion et au partage de l’eau prennent une ampleur nouvelle.Cette ressource vitale doit, plus que jamais, être considérée comme un bien commun. Sa répartition équitable est devenue un véritable enjeu sociétal et politique.Issu d’un travail collectif réunissant scientifiques et spécialistes de la gestion de l’eau, cet ouvrage dresse un état des lieux des connaissances en France. Il étudie les stratégies existantes pour protéger ce patrimoine naturel et propose une analyse critique des pistes d’action envisagées par les parties prenantes pour répondre aux défis actuels. Il s’adresse aux professionnels engagés dans les politiques publiques de l’eau, ainsi qu’à toute personne souhaitant mieux comprendre les enjeux de la gestion de cette ressource
Modèle de canopée urbaine amélioré avec du lancer de rayons pour l'énergétique du bâtiment
No full textInternational audienceThe urban heat island (UHI) affects energy consumption as well as heating and cooling demand in cities. Traditional urban canopy models, such as the Urban Weather Generator (UWG), can be used to estimate the impact of the UHI on the outdoor air temperature. They simplify urban morphology by assuming idealized averaged street canyons. This limits the accuracy of solar radiation modeling, a critical component of urban energy balance. To address this, we propose integrating detailed ray tracing solar calculations into UWG, leveraging Building Information Models (BIM) to enhance geometric precision. A case study on a real neighborhood shows the impact on shortwave irradiance and air temperature predictions, with measurable but limited impacts on cooling demand.L'îlot de chaleur urbain (ICU) influe sur la consommation d'énergie ainsi que sur les besoins en chauffage et en climatisation dans les villes. Les modèles traditionnels de canopée urbaine, tels que Urban Weather Generator (UWG), peuvent être utilisés pour estimer l'impact de l'ICU sur la température de l'air extérieur. Ils simplifient la morphologie urbaine en supposant des canyons urbains idéalisés et moyennés. Cela limite la précision de la modélisation du rayonnement solaire, un élément essentiel du bilan d'énergie à la maille urbaine. Pour remédier à cela, nous proposons d'intégrer une méthode de calculs solaires détaillés par lancer de rayons dans UWG, en tirant parti d'une chaîne logicielle de BIM to BEM (BIM) pour obtenir une géométrie plus détaillée. Une étude de cas sur un quartier réel montre l'impact sur l'irradiance et la température de l'air, avec des effets mesurables mais limités sur la demande en refroidissement