Cryo-electron microscopy of vitreous sections of native biological cells and tissues : methodology and applications

Résumé L'eau est souvent considérée comme une substance ordinaire puisque elle est très commune dans la nature. En fait elle est la plus remarquable de toutes les substances. Sans l'eau la vie sur la terre n'existerait pas. L'eau représente le composant majeur de la cellule vivante, formant typiquement 70 à 95% de la masse cellulaire et elle fournit un environnement à d'innombrables organismes puisque elle couvre 75% de la surface de terre. L'eau est une molécule simple faite de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Sa petite taille semble en contradiction avec la subtilité de ses propriétés physiques et chimiques. Parmi celles-là, le fait que, au point triple, l'eau liquide est plus dense que la glace est particulièrement remarquable. Malgré son importance particulière dans les sciences de la vie, l'eau est systématiquement éliminée des spécimens biologiques examinés par la microscopie électronique. La raison en est que le haut vide du microscope électronique exige que le spécimen biologique soit solide. Pendant 50 ans la science de la microscopie électronique a adressé ce problème résultant en ce moment en des nombreuses techniques de préparation dont l'usage est courrant. Typiquement ces techniques consistent à fixer l'échantillon (chimiquement ou par congélation), remplacer son contenu d'eau par un plastique doux qui est transformé à un bloc rigide par polymérisation. Le bloc du spécimen est coupé en sections minces (d’environ 50 nm) avec un ultramicrotome à température ambiante. En général, ces techniques introduisent plusieurs artefacts, principalement dû à l'enlèvement d'eau. Afin d'éviter ces artefacts, le spécimen peut être congelé, coupé et observé à basse température. Cependant, l'eau liquide cristallise lors de la congélation, résultant en une importante détérioration. Idéalement, l'eau liquide est solidifiée dans un état vitreux. La vitrification consiste à refroidir l'eau si rapidement que les cristaux de glace n'ont pas de temps de se former. Une percée a eu lieu quand la vitrification d'eau pure a été découverte expérimentalement. Cette découverte a ouvert la voie à la cryo-microscopie des suspensions biologiques en film mince vitrifié. Nous avons travaillé pour étendre la technique aux spécimens épais. Pour ce faire les échantillons biologiques doivent être vitrifiés, cryo-coupées en sections vitreuse et observées dans une cryo-microscope électronique. Cette technique, appelée la cryo- microscopie électronique des sections vitrifiées (CEMOVIS), est maintenant considérée comme étant la meilleure façon de conserver l'ultrastructure de tissus et cellules biologiques dans un état très proche de l'état natif. Récemment, cette technique est devenue une méthode pratique fournissant des résultats excellents. Elle a cependant, des limitations importantes, la plus importante d'entre elles est certainement dû aux artefacts de la coupe. Ces artefacts sont la conséquence de la nature du matériel vitreux et le fait que les sections vitreuses ne peuvent pas flotter sur un liquide comme c'est le cas pour les sections en plastique coupées à température ambiante. Le but de ce travail a été d'améliorer notre compréhension du processus de la coupe et des artefacts de la coupe. Nous avons ainsi trouvé des conditions optimales pour minimiser ou empêcher ces artefacts. Un modèle amélioré du processus de coupe et une redéfinitions des artefacts de coupe sont proposés. Les résultats obtenus sous ces conditions sont présentés et comparés aux résultats obtenus avec les méthodes conventionnelles. Abstract Water is often considered to be an ordinary substance since it is transparent, odourless, tasteless and it is very common in nature. As a matter of fact it can be argued that it is the most remarkable of all substances. Without water life on Earth would not exist. Water is the major component of cells, typically forming 70 to 95% of cellular mass and it provides an environment for innumerable organisms to live in, since it covers 75% of Earth surface. Water is a simple molecule made of two hydrogen atoms and one oxygen atom, H2O. The small size of the molecule stands in contrast with its unique physical and chemical properties. Among those the fact that, at the triple point, liquid water is denser than ice is especially remarkable. Despite its special importance in life science, water is systematically removed from biological specimens investigated by electron microscopy. This is because the high vacuum of the electron microscope requires that the biological specimen is observed in dry conditions. For 50 years the science of electron microscopy has addressed this problem resulting in numerous preparation techniques, presently in routine use. Typically these techniques consist in fixing the sample (chemically or by freezing), replacing its water by plastic which is transformed into rigid block by polymerisation. The block is then cut into thin sections (c. 50 nm) with an ultra-microtome at room temperature. Usually, these techniques introduce several artefacts, most of them due to water removal. In order to avoid these artefacts, the specimen can be frozen, cut and observed at low temperature. However, liquid water crystallizes into ice upon freezing, thus causing severe damage. Ideally, liquid water is solidified into a vitreous state. Vitrification consists in solidifying water so rapidly that ice crystals have no time to form. A breakthrough took place when vitrification of pure water was discovered. Since this discovery, the thin film vitrification method is used with success for the observation of biological suspensions of. small particles. Our work was to extend the method to bulk biological samples that have to be vitrified, cryosectioned into vitreous sections and observed in cryo-electron microscope. This technique is called cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS). It is now believed to be the best way to preserve the ultrastructure of biological tissues and cells very close to the native state for electron microscopic observation. Since recently, CEMOVIS has become a practical method achieving excellent results. It has, however, some sever limitations, the most important of them certainly being due to cutting artefacts. They are the consequence of the nature of vitreous material and the fact that vitreous sections cannot be floated on a liquid as is the case for plastic sections cut at room temperature. The aim of the present work has been to improve our understanding of the cutting process and of cutting artefacts, thus finding optimal conditions to minimise or prevent these artefacts. An improved model of the cutting process and redefinitions of cutting artefacts are proposed. Results obtained with CEMOVIS under these conditions are presented and compared with results obtained with conventional methods.

Development of a 3D very high-resolution seismic reflection system for lacustrine settings - a case study over a thrust fault zone in Lake Geneva

Un système efficace de sismique tridimensionnelle (3-D) haute-résolution adapté à des cibles lacustres de petite échelle a été développé. Dans le Lac Léman, près de la ville de Lausanne, en Suisse, des investigations récentes en deux dimension (2-D) ont mis en évidence une zone de faille complexe qui a été choisie pour tester notre système. Les structures observées incluent une couche mince (<40 m) de sédiments quaternaires sub-horizontaux, discordants sur des couches tertiaires de molasse pentées vers le sud-est. On observe aussi la zone de faille de « La Paudèze » qui sépare les unités de la Molasse du Plateau de la Molasse Subalpine. Deux campagnes 3-D complètes, d?environ d?un kilomètre carré, ont été réalisées sur ce site de test. La campagne pilote (campagne I), effectuée en 1999 pendant 8 jours, a couvert 80 profils en utilisant une seule flûte. Pendant la campagne II (9 jours en 2001), le nouveau système trois-flûtes, bien paramétrés pour notre objectif, a permis l?acquisition de données de très haute qualité sur 180 lignes CMP. Les améliorations principales incluent un système de navigation et de déclenchement de tirs grâce à un nouveau logiciel. Celui-ci comprend un contrôle qualité de la navigation du bateau en temps réel utilisant un GPS différentiel (dGPS) à bord et une station de référence près du bord du lac. De cette façon, les tirs peuvent être déclenchés tous les 5 mètres avec une erreur maximale non-cumulative de 25 centimètres. Tandis que pour la campagne I la position des récepteurs de la flûte 48-traces a dû être déduite à partir des positions du bateau, pour la campagne II elle ont pu être calculées précisément (erreur <20 cm) grâce aux trois antennes dGPS supplémentaires placées sur des flotteurs attachés à l?extrémité de chaque flûte 24-traces. Il est maintenant possible de déterminer la dérive éventuelle de l?extrémité des flûtes (75 m) causée par des courants latéraux ou de petites variations de trajet du bateau. De plus, la construction de deux bras télescopiques maintenant les trois flûtes à une distance de 7.5 m les uns des autres, qui est la même distance que celle entre les lignes naviguées de la campagne II. En combinaison avec un espacement de récepteurs de 2.5 m, la dimension de chaque «bin» de données 3-D de la campagne II est de 1.25 m en ligne et 3.75 m latéralement. L?espacement plus grand en direction « in-line » par rapport à la direction «cross-line» est justifié par l?orientation structurale de la zone de faille perpendiculaire à la direction «in-line». L?incertitude sur la navigation et le positionnement pendant la campagne I et le «binning» imprécis qui en résulte, se retrouve dans les données sous forme d?une certaine discontinuité des réflecteurs. L?utilisation d?un canon à air à doublechambre (qui permet d?atténuer l?effet bulle) a pu réduire l?aliasing observé dans les sections migrées en 3-D. Celui-ci était dû à la combinaison du contenu relativement haute fréquence (<2000 Hz) du canon à eau (utilisé à 140 bars et à 0.3 m de profondeur) et d?un pas d?échantillonnage latéral insuffisant. Le Mini G.I 15/15 a été utilisé à 80 bars et à 1 m de profondeur, est mieux adapté à la complexité de la cible, une zone faillée ayant des réflecteurs pentés jusqu?à 30°. Bien que ses fréquences ne dépassent pas les 650 Hz, cette source combine une pénétration du signal non-aliasé jusqu?à 300 m dans le sol (par rapport au 145 m pour le canon à eau) pour une résolution verticale maximale de 1.1 m. Tandis que la campagne I a été acquise par groupes de plusieurs lignes de directions alternées, l?optimisation du temps d?acquisition du nouveau système à trois flûtes permet l?acquisition en géométrie parallèle, ce qui est préférable lorsqu?on utilise une configuration asymétrique (une source et un dispositif de récepteurs). Si on ne procède pas ainsi, les stacks sont différents selon la direction. Toutefois, la configuration de flûtes, plus courtes que pour la compagne I, a réduit la couverture nominale, la ramenant de 12 à 6. Une séquence classique de traitement 3-D a été adaptée à l?échantillonnage à haute fréquence et elle a été complétée par deux programmes qui transforment le format non-conventionnel de nos données de navigation en un format standard de l?industrie. Dans l?ordre, le traitement comprend l?incorporation de la géométrie, suivi de l?édition des traces, de l?harmonisation des «bins» (pour compenser l?inhomogénéité de la couverture due à la dérive du bateau et de la flûte), de la correction de la divergence sphérique, du filtrage passe-bande, de l?analyse de vitesse, de la correction DMO en 3-D, du stack et enfin de la migration 3-D en temps. D?analyses de vitesse détaillées ont été effectuées sur les données de couverture 12, une ligne sur deux et tous les 50 CMP, soit un nombre total de 600 spectres de semblance. Selon cette analyse, les vitesses d?intervalles varient de 1450-1650 m/s dans les sédiments non-consolidés et de 1650-3000 m/s dans les sédiments consolidés. Le fait que l?on puisse interpréter plusieurs horizons et surfaces de faille dans le cube, montre le potentiel de cette technique pour une interprétation tectonique et géologique à petite échelle en trois dimensions. On distingue cinq faciès sismiques principaux et leurs géométries 3-D détaillées sur des sections verticales et horizontales: les sédiments lacustres (Holocène), les sédiments glacio-lacustres (Pléistocène), la Molasse du Plateau, la Molasse Subalpine de la zone de faille (chevauchement) et la Molasse Subalpine au sud de cette zone. Les couches de la Molasse du Plateau et de la Molasse Subalpine ont respectivement un pendage de ~8° et ~20°. La zone de faille comprend de nombreuses structures très déformées de pendage d?environ 30°. Des tests préliminaires avec un algorithme de migration 3-D en profondeur avant sommation et à amplitudes préservées démontrent que la qualité excellente des données de la campagne II permet l?application de telles techniques à des campagnes haute-résolution. La méthode de sismique marine 3-D était utilisée jusqu?à présent quasi-exclusivement par l?industrie pétrolière. Son adaptation à une échelle plus petite géographiquement mais aussi financièrement a ouvert la voie d?appliquer cette technique à des objectifs d?environnement et du génie civil.<br/><br/>An efficient high-resolution three-dimensional (3-D) seismic reflection system for small-scale targets in lacustrine settings was developed. In Lake Geneva, near the city of Lausanne, Switzerland, past high-resolution two-dimensional (2-D) investigations revealed a complex fault zone (the Paudèze thrust zone), which was subsequently chosen for testing our system. Observed structures include a thin (<40 m) layer of subhorizontal Quaternary sediments that unconformably overlie southeast-dipping Tertiary Molasse beds and the Paudèze thrust zone, which separates Plateau and Subalpine Molasse units. Two complete 3-D surveys have been conducted over this same test site, covering an area of about 1 km2. In 1999, a pilot survey (Survey I), comprising 80 profiles, was carried out in 8 days with a single-streamer configuration. In 2001, a second survey (Survey II) used a newly developed three-streamer system with optimized design parameters, which provided an exceptionally high-quality data set of 180 common midpoint (CMP) lines in 9 days. The main improvements include a navigation and shot-triggering system with in-house navigation software that automatically fires the gun in combination with real-time control on navigation quality using differential GPS (dGPS) onboard and a reference base near the lake shore. Shots were triggered at 5-m intervals with a maximum non-cumulative error of 25 cm. Whereas the single 48-channel streamer system of Survey I requires extrapolation of receiver positions from the boat position, for Survey II they could be accurately calculated (error <20 cm) with the aid of three additional dGPS antennas mounted on rafts attached to the end of each of the 24- channel streamers. Towed at a distance of 75 m behind the vessel, they allow the determination of feathering due to cross-line currents or small course variations. Furthermore, two retractable booms hold the three streamers at a distance of 7.5 m from each other, which is the same distance as the sail line interval for Survey I. With a receiver spacing of 2.5 m, the bin dimension of the 3-D data of Survey II is 1.25 m in in-line direction and 3.75 m in cross-line direction. The greater cross-line versus in-line spacing is justified by the known structural trend of the fault zone perpendicular to the in-line direction. The data from Survey I showed some reflection discontinuity as a result of insufficiently accurate navigation and positioning and subsequent binning errors. Observed aliasing in the 3-D migration was due to insufficient lateral sampling combined with the relatively high frequency (<2000 Hz) content of the water gun source (operated at 140 bars and 0.3 m depth). These results motivated the use of a double-chamber bubble-canceling air gun for Survey II. A 15 / 15 Mini G.I air gun operated at 80 bars and 1 m depth, proved to be better adapted for imaging the complexly faulted target area, which has reflectors dipping up to 30°. Although its frequencies do not exceed 650 Hz, this air gun combines a penetration of non-aliased signal to depths of 300 m below the water bottom (versus 145 m for the water gun) with a maximum vertical resolution of 1.1 m. While Survey I was shot in patches of alternating directions, the optimized surveying time of the new threestreamer system allowed acquisition in parallel geometry, which is preferable when using an asymmetric configuration (single source and receiver array). Otherwise, resulting stacks are different for the opposite directions. However, the shorter streamer configuration of Survey II reduced the nominal fold from 12 to 6. A 3-D conventional processing flow was adapted to the high sampling rates and was complemented by two computer programs that format the unconventional navigation data to industry standards. Processing included trace editing, geometry assignment, bin harmonization (to compensate for uneven fold due to boat/streamer drift), spherical divergence correction, bandpass filtering, velocity analysis, 3-D DMO correction, stack and 3-D time migration. A detailed semblance velocity analysis was performed on the 12-fold data set for every second in-line and every 50th CMP, i.e. on a total of 600 spectra. According to this velocity analysis, interval velocities range from 1450-1650 m/s for the unconsolidated sediments and from 1650-3000 m/s for the consolidated sediments. Delineation of several horizons and fault surfaces reveal the potential for small-scale geologic and tectonic interpretation in three dimensions. Five major seismic facies and their detailed 3-D geometries can be distinguished in vertical and horizontal sections: lacustrine sediments (Holocene) , glaciolacustrine sediments (Pleistocene), Plateau Molasse, Subalpine Molasse and its thrust fault zone. Dips of beds within Plateau and Subalpine Molasse are ~8° and ~20°, respectively. Within the fault zone, many highly deformed structures with dips around 30° are visible. Preliminary tests with 3-D preserved-amplitude prestack depth migration demonstrate that the excellent data quality of Survey II allows application of such sophisticated techniques even to high-resolution seismic surveys. In general, the adaptation of the 3-D marine seismic reflection method, which to date has almost exclusively been used by the oil exploration industry, to a smaller geographical as well as financial scale has helped pave the way for applying this technique to environmental and engineering purposes.<br/><br/>La sismique réflexion est une méthode d?investigation du sous-sol avec un très grand pouvoir de résolution. Elle consiste à envoyer des vibrations dans le sol et à recueillir les ondes qui se réfléchissent sur les discontinuités géologiques à différentes profondeurs et remontent ensuite à la surface où elles sont enregistrées. Les signaux ainsi recueillis donnent non seulement des informations sur la nature des couches en présence et leur géométrie, mais ils permettent aussi de faire une interprétation géologique du sous-sol. Par exemple, dans le cas de roches sédimentaires, les profils de sismique réflexion permettent de déterminer leur mode de dépôt, leurs éventuelles déformations ou cassures et donc leur histoire tectonique. La sismique réflexion est la méthode principale de l?exploration pétrolière. Pendant longtemps on a réalisé des profils de sismique réflexion le long de profils qui fournissent une image du sous-sol en deux dimensions. Les images ainsi obtenues ne sont que partiellement exactes, puisqu?elles ne tiennent pas compte de l?aspect tridimensionnel des structures géologiques. Depuis quelques dizaines d?années, la sismique en trois dimensions (3-D) a apporté un souffle nouveau à l?étude du sous-sol. Si elle est aujourd?hui parfaitement maîtrisée pour l?imagerie des grandes structures géologiques tant dans le domaine terrestre que le domaine océanique, son adaptation à l?échelle lacustre ou fluviale n?a encore fait l?objet que de rares études. Ce travail de thèse a consisté à développer un système d?acquisition sismique similaire à celui utilisé pour la prospection pétrolière en mer, mais adapté aux lacs. Il est donc de dimension moindre, de mise en oeuvre plus légère et surtout d?une résolution des images finales beaucoup plus élevée. Alors que l?industrie pétrolière se limite souvent à une résolution de l?ordre de la dizaine de mètres, l?instrument qui a été mis au point dans le cadre de ce travail permet de voir des détails de l?ordre du mètre. Le nouveau système repose sur la possibilité d?enregistrer simultanément les réflexions sismiques sur trois câbles sismiques (ou flûtes) de 24 traces chacun. Pour obtenir des données 3-D, il est essentiel de positionner les instruments sur l?eau (source et récepteurs des ondes sismiques) avec une grande précision. Un logiciel a été spécialement développé pour le contrôle de la navigation et le déclenchement des tirs de la source sismique en utilisant des récepteurs GPS différentiel (dGPS) sur le bateau et à l?extrémité de chaque flûte. Ceci permet de positionner les instruments avec une précision de l?ordre de 20 cm. Pour tester notre système, nous avons choisi une zone sur le Lac Léman, près de la ville de Lausanne, où passe la faille de « La Paudèze » qui sépare les unités de la Molasse du Plateau et de la Molasse Subalpine. Deux campagnes de mesures de sismique 3-D y ont été réalisées sur une zone d?environ 1 km2. Les enregistrements sismiques ont ensuite été traités pour les transformer en images interprétables. Nous avons appliqué une séquence de traitement 3-D spécialement adaptée à nos données, notamment en ce qui concerne le positionnement. Après traitement, les données font apparaître différents faciès sismiques principaux correspondant notamment aux sédiments lacustres (Holocène), aux sédiments glacio-lacustres (Pléistocène), à la Molasse du Plateau, à la Molasse Subalpine de la zone de faille et la Molasse Subalpine au sud de cette zone. La géométrie 3-D détaillée des failles est visible sur les sections sismiques verticales et horizontales. L?excellente qualité des données et l?interprétation de plusieurs horizons et surfaces de faille montrent le potentiel de cette technique pour les investigations à petite échelle en trois dimensions ce qui ouvre des voies à son application dans les domaines de l?environnement et du génie civil.

Le pergélisol dans les terrains sédimentaires à forte déclivité: distribution, régime thermique et instabilités

Résumé: Dans le contexte d'un climat de plus en plus chaud, la localisation du pergélisol dans les terrains sédimentaires à forte déclivité et l'évaluation des mouvements de terrain qui y ont cours s'avèrent primordiales. S'insérant dans cette problématique, ce travail de thèse s'articule autour de deux axes de recherche différents. D'un point de vue statique, cette recherche propose une étude de la distribution et des caractéristiques du pergélisol dans les éboulis de la zone périglaciaire alpine. D'un point de vue dynamique, une analyse de l'influence des caractéristiques du pergélisol (teneur en glace, température du pergélisol, etc.) et des variations des températures de l'air et du sol sur les vitesses de fluage des corps sédimentaires gelés est effectuée. Afin de répondre à ce double objectif, l'approche "terrain" a été privilégiée. Pour déterminer la répartition et les caractéristiques du pergélisol, les méthodes traditionnelles de prospection du pergélisol ont été utilisées, à savoir la mesure de la température du sol à la base du manteau neigeux (BTS), la mesure de la température du sol en continu ainsi que la méthode géoélectrique. Les mouvements de terrain ont pour leur part été mesurés à l'aide d'un GPS différentiel. L'étude de la distribution du pergélisol a été effectuée dans une quinzaine d'éboulis situés dans les régions du Mont Gelé (Verbier-Nendaz) et d'Arolla principalement. Dans la plupart des cas, un pergélisol a pu être mis en évidence dans la partie inférieure des accumulations sédimentaires, alors que la partie médiane des éboulis n'est, le plus souvent, pas gelée. Si cette absence de pergélisol se prolonge parfois dans les portions sommitales des pentes, les mesures réalisées montrent que dans d'autres cas des sédiments gelés y sont à nouveau présents. Les résistivités électriques mesurées dans les portions gelées des éboulis étudiés sont dans la plupart des cas nettement inférieures à celles mesurées sur les glaciers rocheux. Des études préalables ont montré que des circulations d'air internes sont responsables de l'anomalie thermique négative et, lorsqu'il existe, du pergélisol que l'on trouve dans la partie inférieure d'éboulis situés plus de 1000 m plus bas que la limite inférieure régionale du pergélisol discontinu. L'étude de quatre sites de basse altitude (1400-1900 m), et notamment l'équipement du site de Dreveneuse (Préalpes Valaisannes) avec deux forages, des capteurs de température de surface et un anémomètre a permis de vérifier et de préciser le mécanisme de ventilation actif au sein des éboulis froids de basse altitude. Ce mécanisme fonctionne de la manière suivante: en hiver, l'air contenu dans l'éboulis, plus chaud et plus léger que l'air extérieur, monte à l'intérieur de l'accumulation sédimentaire et est expulsé dans ses parties sommitales. Cet effet de cheminée provoque une aspiration d'air froid à l'intérieur de la partie inférieure de l'éboulis, causant ainsi un sur-refroidissement marqué du terrain. En été, le mécanisme s'inverse, l'éboulis étant plus froid que l'air environnant. De l'air froid est alors expulsé au bas de la pente. Une ventilation ascendante hivernale a pu être mise en évidence dans certains des éboulis de haute altitude étudiés. Elle est probablement en grande partie responsable de la configuration particulière des zones gelées observées. Même si l'existence d'un effet de cheminée n'a pu être démontrée dans tous les cas, du fait notamment de la glace interstitielle qui entrave le cheminement de l'air, des indices laissant présager son possible fonctionnement existent dans la quasi totalité des éboulis étudiés. L'absence de pergélisol à des altitudes qui lui sont favorables pourrait en tous les cas s'expliquer par un réchauffement du terrain lié à des expulsions d'air relativement chaud. L'étude des mouvements de terrain a été effectuée sur une dizaine de sites, principalement sur des glaciers rocheux, mais également sur une moraine de poussée et - II - Résumé ? abstract quelques éboulis. Plusieurs glaciers rocheux présentent des formes de déstabilisation récente (niches d'arrachement, blocs basculés, apparition de la matrice fine à la surface, etc.), ce qui témoigne d'une récente accélération des vitesses de déplacement. Ce phénomène, qui semble général à l'échelle alpine, est probablement à mettre sur le compte du réchauffement du pergélisol depuis une vingtaine d'années. Les vitesses mesurées sur ces formations sont souvent plus élevées que les valeurs habituellement proposées dans la littérature. On note par ailleurs une forte variabilité inter-annuelle des vitesses, qui semblent dépendre de la variation de la température moyenne annuelle de surface. Abstract: In the context of a warmer climate, the localisation of permafrost in steep sedimentary terrain and the measurement of terrain movements that occur in these areas is of great importance. With respect to these problems, this PhD thesis follows two different research axes. From a static point of view, the research presents a study of the permafrost distribution and characteristics in the talus slopes of the alpine periglacial belt. From a dynamic point of view, an analysis of the influence of the permafrost characteristics (ice content, permafrost temperature, etc.) and air and soil temperature variations on the creep velocities of frozen sedimentary bodies is carried out. In order to attain this double objective, the "field" approach was favoured. To determine the distribution and the characteristics of permafrost, the traditional methods of permafrost prospecting were used, i.e. ground surface temperature measurements at the base of the snow cover (BTS), year-round ground temperature measurements and DC-resistivity prospecting. The terrain movements were measured using a differential GPS. The permafrost distribution study was carried out on 15 talus slopes located mainly in the Mont Gelé (Verbier-Nendaz) and Arolla areas (Swiss Alps). In most cases, permafrost was found in the lower part of the talus slope, whereas the medium part was free of ice. In some cases, the upper part of the talus is also free of permafrost, whereas in other cases permafrost is present. Electrical resistivities measured in the frozen parts of the studied talus are in most cases clearly lower than those measured on rock glaciers. Former studies have shown that internal air circulation is responsible for the negative thermal anomaly and, when it exists, the permafrost present in the lower part of talus slopes located more than 1000 m below the regional lower limit of discontinuous permafrost. The study of four low-altitude talus slopes (1400-1900 m), and notably the equipment of Dreveneuse field site (Valais Prealps) with two boreholes, surface temperature sensors and an anemometer permitted to verify and to detail the ventilation mechanism active in low altitude talus slopes. This mechanism works in the following way: in winter, the air contained in the block accumulation is warmer and lighter than the surrounding air and therefore moves upward in the talus and is expelled in its upper part. This chimney effect induces an aspiration of cold air in the interior of the lower part of talus, that causes a strong overcooling of the ground. In summer, the mechanism is reversed because the talus slope is colder than the surrounding air. Cold air is then expelled in the lower part of the slope. Evidence of ascending ventilation in wintertime could also be found in some of the studied high-altitude talus slopes. It is probably mainly responsible for the particular configuration of the observed frozen areas. Even if the existence of a chimney effect could not be demonstrated in all cases, notably because of interstitial ice that obstructs Résumé ? abstract - III - the air circulation, indices of its presence exist in nearly all the studied talus. The absence of permafrost at altitudes favourable to its presence could be explained, for example, by the terrain warming caused by expulsion of relatively warm air. Terrain movements were measured at about ten sites, mainly on rock glaciers, but also on a push moraine and some talus slopes. Field observations reveal that many rock glaciers display recent destabilization features (landslide scars, tilted blocks, presence of fine grained sediments at the surface, etc.) that indicate a probable recent acceleration of the creep velocities. This phenomenon, which seems to be widespread at the alpine scale, is probably linked to the permafrost warming during the last decades. The measured velocities are often higher than values usually proposed in the literature. In addition, strong inter-annual variations of the velocities were observed, which seems to depend on the mean annual ground temperature variations.

GIS and geodatabases application to global scale plate tectonics modelling

Les reconstructions palinspastiques fournissent le cadre idéal à de nombreuses études géologiques, géographiques, océanographique ou climatiques. En tant qu?historiens de la terre, les "reconstructeurs" essayent d?en déchiffrer le passé. Depuis qu?ils savent que les continents bougent, les géologues essayent de retracer leur évolution à travers les âges. Si l?idée originale de Wegener était révolutionnaire au début du siècle passé, nous savons depuis le début des années « soixante » que les continents ne "dérivent" pas sans but au milieu des océans mais sont inclus dans un sur-ensemble associant croûte « continentale » et « océanique »: les plaques tectoniques. Malheureusement, pour des raisons historiques aussi bien que techniques, cette idée ne reçoit toujours pas l'écho suffisant parmi la communauté des reconstructeurs. Néanmoins, nous sommes intimement convaincus qu?en appliquant certaines méthodes et certains principes il est possible d?échapper à l?approche "Wégenerienne" traditionnelle pour enfin tendre vers la tectonique des plaques. Le but principal du présent travail est d?exposer, avec tous les détails nécessaires, nos outils et méthodes. Partant des données paléomagnétiques et paléogéographiques classiquement utilisées pour les reconstructions, nous avons développé une nouvelle méthodologie replaçant les plaques tectoniques et leur cinématique au coeur du problème. En utilisant des assemblages continentaux (aussi appelés "assemblées clés") comme des points d?ancrage répartis sur toute la durée de notre étude (allant de l?Eocène jusqu?au Cambrien), nous développons des scénarios géodynamiques permettant de passer de l?une à l?autre en allant du passé vers le présent. Entre deux étapes, les plaques lithosphériques sont peu à peu reconstruites en additionnant/ supprimant les matériels océaniques (symbolisés par des isochrones synthétiques) aux continents. Excepté lors des collisions, les plaques sont bougées comme des entités propres et rigides. A travers les âges, les seuls éléments évoluant sont les limites de plaques. Elles sont préservées aux cours du temps et suivent une évolution géodynamique consistante tout en formant toujours un réseau interconnecté à travers l?espace. Cette approche appelée "limites de plaques dynamiques" intègre de multiples facteurs parmi lesquels la flottabilité des plaques, les taux d'accrétions aux rides, les courbes de subsidence, les données stratigraphiques et paléobiogéographiques aussi bien que les évènements tectoniques et magmatiques majeurs. Cette méthode offre ainsi un bon contrôle sur la cinématique des plaques et fournit de sévères contraintes au modèle. Cette approche "multi-source" nécessite une organisation et une gestion des données efficaces. Avant le début de cette étude, les masses de données nécessaires était devenues un obstacle difficilement surmontable. Les SIG (Systèmes d?Information Géographiques) et les géo-databases sont des outils informatiques spécialement dédiés à la gestion, au stockage et à l?analyse des données spatialement référencées et de leurs attributs. Grâce au développement dans ArcGIS de la base de données PaleoDyn nous avons pu convertir cette masse de données discontinues en informations géodynamiques précieuses et facilement accessibles pour la création des reconstructions. Dans le même temps, grâce à des outils spécialement développés, nous avons, tout à la fois, facilité le travail de reconstruction (tâches automatisées) et amélioré le modèle en développant fortement le contrôle cinématique par la création de modèles de vitesses des plaques. Sur la base des 340 terranes nouvellement définis, nous avons ainsi développé un set de 35 reconstructions auxquelles est toujours associé un modèle de vitesse. Grâce à cet ensemble de données unique, nous pouvons maintenant aborder des problématiques majeurs de la géologie moderne telles que l?étude des variations du niveau marin et des changements climatiques. Nous avons commencé par aborder un autre problème majeur (et non définitivement élucidé!) de la tectonique moderne: les mécanismes contrôlant les mouvements des plaques. Nous avons pu observer que, tout au long de l?histoire de la terre, les pôles de rotation des plaques (décrivant les mouvements des plaques à la surface de la terre) tendent à se répartir le long d'une bande allant du Pacifique Nord au Nord de l'Amérique du Sud, l'Atlantique Central, l'Afrique du Nord, l'Asie Centrale jusqu'au Japon. Fondamentalement, cette répartition signifie que les plaques ont tendance à fuir ce plan médian. En l'absence d'un biais méthodologique que nous n'aurions pas identifié, nous avons interprété ce phénomène comme reflétant l'influence séculaire de la Lune sur le mouvement des plaques. La Lune sur le mouvement des plaques. Le domaine océanique est la clé de voute de notre modèle. Nous avons attaché un intérêt tout particulier à le reconstruire avec beaucoup de détails. Dans ce modèle, la croûte océanique est préservée d?une reconstruction à l?autre. Le matériel crustal y est symbolisé sous la forme d?isochrones synthétiques dont nous connaissons les âges. Nous avons également reconstruit les marges (actives ou passives), les rides médio-océaniques et les subductions intra-océaniques. En utilisant ce set de données très détaillé, nous avons pu développer des modèles bathymétriques 3-D unique offrant une précision bien supérieure aux précédents.<br/><br/>Palinspastic reconstructions offer an ideal framework for geological, geographical, oceanographic and climatology studies. As historians of the Earth, "reconstructers" try to decipher the past. Since they know that continents are moving, geologists a trying to retrieve the continents distributions through ages. If Wegener?s view of continent motions was revolutionary at the beginning of the 20th century, we know, since the Early 1960?s that continents are not drifting without goal in the oceanic realm but are included in a larger set including, all at once, the oceanic and the continental crust: the tectonic plates. Unfortunately, mainly due to technical and historical issues, this idea seems not to receive a sufficient echo among our particularly concerned community. However, we are intimately convinced that, by applying specific methods and principles we can escape the traditional "Wegenerian" point of view to, at last, reach real plate tectonics. This is the main aim of this study to defend this point of view by exposing, with all necessary details, our methods and tools. Starting with the paleomagnetic and paleogeographic data classically used in reconstruction studies, we developed a modern methodology placing the plates and their kinematics at the centre of the issue. Using assemblies of continents (referred as "key assemblies") as anchors distributed all along the scope of our study (ranging from Eocene time to Cambrian time) we develop geodynamic scenarios leading from one to the next, from the past to the present. In between, lithospheric plates are progressively reconstructed by adding/removing oceanic material (symbolized by synthetic isochrones) to major continents. Except during collisions, plates are moved as single rigid entities. The only evolving elements are the plate boundaries which are preserved and follow a consistent geodynamical evolution through time and form an interconnected network through space. This "dynamic plate boundaries" approach integrates plate buoyancy factors, oceans spreading rates, subsidence patterns, stratigraphic and paleobiogeographic data, as well as major tectonic and magmatic events. It offers a good control on plate kinematics and provides severe constraints for the model. This multi-sources approach requires an efficient data management. Prior to this study, the critical mass of necessary data became a sorely surmountable obstacle. GIS and geodatabases are modern informatics tools of specifically devoted to store, analyze and manage data and associated attributes spatially referenced on the Earth. By developing the PaleoDyn database in ArcGIS software we converted the mass of scattered data offered by the geological records into valuable geodynamical information easily accessible for reconstructions creation. In the same time, by programming specific tools we, all at once, facilitated the reconstruction work (tasks automation) and enhanced the model (by highly increasing the kinematic control of plate motions thanks to plate velocity models). Based on the 340 terranes properly defined, we developed a revised set of 35 reconstructions associated to their own velocity models. Using this unique dataset we are now able to tackle major issues of the geology (such as the global sea-level variations and climate changes). We started by studying one of the major unsolved issues of the modern plate tectonics: the driving mechanism of plate motions. We observed that, all along the Earth?s history, plates rotation poles (describing plate motions across the Earth?s surface) tend to follow a slight linear distribution along a band going from the Northern Pacific through Northern South-America, Central Atlantic, Northern Africa, Central Asia up to Japan. Basically, it sighifies that plates tend to escape this median plan. In the absence of a non-identified methodological bias, we interpreted it as the potential secular influence ot the Moon on plate motions. The oceanic realms are the cornerstone of our model and we attached a particular interest to reconstruct them with many details. In this model, the oceanic crust is preserved from one reconstruction to the next. The crustal material is symbolised by the synthetic isochrons from which we know the ages. We also reconstruct the margins (active or passive), ridges and intra-oceanic subductions. Using this detailed oceanic dataset, we developed unique 3-D bathymetric models offering a better precision than all the previously existing ones.

Ingénieur pédagogique et démarche projet : facteurs clés de succès pour l'intégration des technologies dans la pratique enseignante?

Résumé: Les gouvernements des pays occidentaux ont dépensé des sommes importantes pour faciliter l'intégration des technologies de l'information et de la communication dans l'enseignement espérant trouver une solution économique à l'épineuse équation que l'on pourrait résumer par la célèbre formule " faire plus et mieux avec moins ". Cependant force est de constater que, malgré ces efforts et la très nette amélioration de la qualité de service des infrastructures, cet objectif est loin d'être atteint. Si nous pensons qu'il est illusoire d'attendre et d'espérer que la technologie peut et va, à elle seule, résoudre les problèmes de qualité de l'enseignement, nous croyons néanmoins qu'elle peut contribuer à améliorer les conditions d'apprentissage et participer de la réflexion pédagogique que tout enseignant devrait conduire avant de dispenser ses enseignements. Dans cette optique, et convaincu que la formation à distance offre des avantages non négligeables à condition de penser " autrement " l'enseignement, nous nous sommes intéressé à la problématique du développement de ce type d'applications qui se situent à la frontière entre les sciences didactiques, les sciences cognitives, et l'informatique. Ainsi, et afin de proposer une solution réaliste et simple permettant de faciliter le développement, la mise-à-jour, l'insertion et la pérennisation des applications de formation à distance, nous nous sommes impliqué dans des projets concrets. Au fil de notre expérience de terrain nous avons fait le constat que (i)la qualité des modules de formation flexible et à distance reste encore très décevante, entre autres parce que la valeur ajoutée que peut apporter l'utilisation des technologies n'est, à notre avis, pas suffisamment exploitée et que (ii)pour réussir tout projet doit, outre le fait d'apporter une réponse utile à un besoin réel, être conduit efficacement avec le soutien d'un " champion ". Dans l'idée de proposer une démarche de gestion de projet adaptée aux besoins de la formation flexible et à distance, nous nous sommes tout d'abord penché sur les caractéristiques de ce type de projet. Nous avons ensuite analysé les méthodologies de projet existantes dans l'espoir de pouvoir utiliser l'une, l'autre ou un panachage adéquat de celles qui seraient les plus proches de nos besoins. Nous avons ensuite, de manière empirique et par itérations successives, défini une démarche pragmatique de gestion de projet et contribué à l'élaboration de fiches d'aide à la décision facilitant sa mise en oeuvre. Nous décrivons certains de ses acteurs en insistant particulièrement sur l'ingénieur pédagogique que nous considérons comme l'un des facteurs clé de succès de notre démarche et dont la vocation est de l'orchestrer. Enfin, nous avons validé a posteriori notre démarche en revenant sur le déroulement de quatre projets de FFD auxquels nous avons participé et qui sont représentatifs des projets que l'on peut rencontrer dans le milieu universitaire. En conclusion nous pensons que la mise en oeuvre de notre démarche, accompagnée de la mise à disposition de fiches d'aide à la décision informatisées, constitue un atout important et devrait permettre notamment de mesurer plus aisément les impacts réels des technologies (i) sur l'évolution de la pratique des enseignants, (ii) sur l'organisation et (iii) sur la qualité de l'enseignement. Notre démarche peut aussi servir de tremplin à la mise en place d'une démarche qualité propre à la FFD. D'autres recherches liées à la réelle flexibilisation des apprentissages et aux apports des technologies pour les apprenants pourront alors être conduites sur la base de métriques qui restent à définir. Abstract: Western countries have spent substantial amount of monies to facilitate the integration of the Information and Communication Technologies (ICT) into Education hoping to find a solution to the touchy equation that can be summarized by the famous statement "do more and better with less". Despite these efforts, and notwithstanding the real improvements due to the undeniable betterment of the infrastructure and of the quality of service, this goal is far from reached. Although we think it illusive to expect technology, all by itself, to solve our economical and educational problems, we firmly take the view that it can greatly contribute not only to ameliorate learning conditions but participate to rethinking the pedagogical approach as well. Every member of our community could hence take advantage of this opportunity to reflect upon his or her strategy. In this framework, and convinced that integrating ICT into education opens a number of very interesting avenues provided we think teaching "out of the box", we got ourself interested in courseware development positioned at the intersection of didactics and pedagogical sciences, cognitive sciences and computing. Hence, and hoping to bring a realistic and simple solution that could help develop, update, integrate and sustain courseware we got involved in concrete projects. As ze gained field experience we noticed that (i)The quality of courseware is still disappointing, amongst others, because the added value that the technology can bring is not made the most of, as it could or should be and (ii)A project requires, besides bringing a useful answer to a real problem, to be efficiently managed and be "championed". Having in mind to propose a pragmatic and practical project management approach we first looked into open and distance learning characteristics. We then analyzed existing methodologies in the hope of being able to utilize one or the other or a combination to best fit our needs. In an empiric manner and proceeding by successive iterations and refinements, we defined a simple methodology and contributed to build descriptive "cards" attached to each of its phases to help decision making. We describe the different actors involved in the process insisting specifically on the pedagogical engineer, viewed as an orchestra conductor, whom we consider to be critical to ensure the success of our approach. Last but not least, we have validated a posteriori our methodology by reviewing four of the projects we participated to and that we think emblematic of the university reality. We believe that the implementation of our methodology, along with the availability of computerized cards to help project managers to take decisions, could constitute a great asset and contribute to measure the technologies' real impacts on (i) the evolution of teaching practices (ii) the organization and (iii) the quality of pedagogical approaches. Our methodology could hence be of use to help put in place an open and distance learning quality assessment. Research on the impact of technologies to learning adaptability and flexibilization could rely on adequate metrics.