Elemental and isotopic zoning in natural alpine quartz

THESIS ABSTRACT : Stable isotope geochemistry is used to help resolve a large number of geological questions. In order to do this, it is essential to understand the different mechanisms that govern isotopic fractionation processes between different phases and to identify the conditions required to reach equilibrium fractionation. However, at low temperatures, these processes are poorly constrained and many factors can induce differential partitioning of the isotopes between sectors of a mineral species and the fluid during mineral growth. This can result in so-called 'sector zoning' of a mineral species. The aim of this thesis is to evaluate the occurrence of sector zoning of the oxygen isotopes and trace elements in natural α-quartz crystals and to identify the reasons for such zoning. The implications for the fluid-mineral interactions are studied in the context of the Alpine metamorphism. The approach chosen has focused on examining the crystal structure, cathodoluminescence appearance (CL), and on relating elemental (e.g. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) to stable oxygen isotope compositions between and along different growth sectors. Low temperature quartz samples were selected from Alpine veins in different localities, where growth conditions have already been well constrained. The mineralogy as well as the isotopic compositions of the host rocks were also investigated, in order to interpret the variations obtained between the different growth stages in the framework of fluid-rock interaction during Alpine metamorphism. Depending on the growth conditions, most of the studied quartz is strongly zoned in CL, and it reveals corresponding zonations in the trace element content (e.g. growth zoning). Aluminium, substituting for Si in the lattice, was found in concentrations up to 1000's ppma, and its distribution is strongly related to Li and H and to a lesser extent, to Ge. Elemental sector zoning is evident from the distribution of these three elements since they exhibit differences in their respective concentrations between faces for distinct growth zones, with prismatic faces having the lowest Al contents. Quartz from veins in magmatic rocks, for example, tend to have lower Al concentrations and similar concentrations of Li and Ti suggesting also a contribution of these elements from the host rock. The relationship between Al and Li is still correlated. Only Alpine crystals grown at higher temperatures (~400°C) without any CL zoning feature are free of these impurities and do not show such zoning characteristics. Differences in the δ18O values were measured between different faces principally in the AIenriched growth zones or stages. These results were confirmed by the means of two different methods (in situ/non in situ). However, it was determined that the Al concentrations do not affect significantly oxygen isotope fractionations at 300°C. The results altogether suggest that the presence of sector zoning in quartz crystals is real, but not universal, and henceforth should be taken into consideration for any use of these systems. The occurrence of disequilibrium partitioning has been enhanced and is possibly related to kinetic processes as well as structural effects that do not affect similarly trace element incorporation and isotopic fractionation. In situ measurements also revealed fine scale δ18O zonations along growth paths that are useful to constrain fluid-rock interactions during Alpine metamorphism. Variations in the δ18O values present along growth vectors indicate changes in the fluid composition and origin. Association with oxygen isotope composition of the host rock allows for the deduction of interactions between rocks, veins and consequently fluids, as well as fluid regimes. RESUME DE LA THESE : A basses températures, (i.e. <400°C) les différents mécanismes qui régissent le fractionnement isotopique ainsi que les conditions nécessaires pour établir un état d'équilibre sont peu connus et nombre de paramètres peuvent entraîner un partitionnement chimique différentiel entre différents secteurs d'un minéral et le fluide en contact. Ainsi, ce travail de thèse a pour but d'évaluer la possible présence de zonages sectoriels en isotopes de l'oxygène mais aussi en éléments traces dans des cristaux naturels de quartz-α de basses températures, ainsi que les raisons d'un tel phénomène et enfin ses implications sur les interactions fluide-roche, principalement dans le cadre du métamorphisme Alpin. La structure et l'apparence en cathodoluminescence (CL) des échantillons ont été caractérisées avant de retracer en détail les compositions en élément traces (Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) et en isotopes de l'oxygène, le long et entre différents secteurs. Les échantillons de quartz sélectionnés proviennent majoritairement de veines Alpine de différentes localités, où les conditions de croissance ont été déjà bien caractérisées. Les compositions minéralogiques et isotopiques de la roche encaissante ont aussi été examinées, pour contraindre les variations obtenues dans un contexte Alpin. Selon leurs conditions de croissance, la plupart des cristaux étudiés sont fortement zonés, ce qui est souligné par un zonage des concentrations en éléments traces (e.g. zonage de croissance). L'Aluminium, qui peut se substituer à la Silice dans le réseau cristallin, a été retrouvé jusqu'en très grandes concentrations dans certaines zones (plusieurs milliers de ppma). De plus, la distribution en Al est fortement liée à celles de Li et H, ainsi que dans une moindre mesure à Ge. La présence de zonage sectoriel est évidente au niveau de ces éléments qui montrent de larges différences de concentrations entre différentes faces pour une même zone de croissance, avec les concentrations les plus basses retrouvées dans les faces prismatiques. Les quartz de veines situées dans des roches magmatiques par exemple possèdent des concentrations en Li et Ti de même ordre de grandeur, confirmant le rôle de la composition de la roche encaissante. La relation Li/Al est toujours fortement présente, mais ce rapport est fonction de la face mesurée. Seuls les cristaux Alpins de plus hautes températures (400°C) ne possédant pas de zones en CL ne présentent aucune de ces caractéristiques. Des différences dans les valeurs de δ18O de zones identiques enrichies en Al ont clairement été mesurées entre les différentes faces r, z, et m, mais aussi au sein d'une même seule zone, indiquant que le fractionnement a probablement eu lieu en déséquilibre. Il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs n'avait qu'un faible effet sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. L'utilisation de deux méthodes différentes a permis d'obtenir des résultats in situ et non in situ concordants. La comparaison des résultats obtenus permet de démontrer que le zonage sectoriel est bien présent dans certains cristaux de quartz, et dépend des conditions de formation. La présence d'un partitionnement différentiel des éléments traces peut être due à des effets cinétiques aussi bien que structuraux, alors que le zonage sectoriel des isotopes de l'oxygène aurait d'autres origines. Il est alors évident que la possibilité de zonage sectoriel doit être désormais pris en considération avant toute interprétations de données isotopiques de cristaux zonés. Les mesures in situ ont de plus permis de distinguer de fines variations des valeurs δ18O au cours de la croissance, qui peuvent aider à retracer la circulations des fluides dans les Alpes durant cette période. En association avec les compositions des roches encaissantes, ii est possible de déduire les interactions entre roches, veines, et par conséquent fluides, au cours de différentes étapes. RESUME GRAND PUBLIC : La géochimie des isotopes stables a pris beaucoup d'importance depuis ces dernières années pour aider à résoudre nombre de questions géologiques, en se basant sur les caractéristiques du fractionnement isotopiques pour différents systèmes. Il est donc nécessaire d'avoir une connaissance approfondie des mécanismes qui s'appliquent au fractionnement isotopique entre les minéraux et les fluides à partir desquels ils se forment. Ces mécanismes ont été bien approchés par différents types de calibrations pour des systèmes à hautes températures, cependant cela n'est pas aussi évident pour les systèmes à des températures inférieures à 400-500°C. Ce travail de thèse a pour but d'aider à la description et la compréhension des phénomènes qui peuvent affecter le fractionnement isotopique à basses températures, ainsi que leurs implications, à partir de l'étude de cristaux de quartz. Le choix des échantillons s'est porté sur des cristaux naturels formés à des températures inférieures ou égales à 400°C, provenant majoritairement de fissures hydrothermales Alpines dont les conditions de formation ont déjà été déterminées. L'étude des cristaux Alpin permet de plus de replacer les résultats obtenus dans le contexte du métamorphisme Alpin au cours du Miocène (21-13 Ma). Après examen de la structure et de la morphologie des cristaux, et leur caractérisation par cathodoluminescence (CL), des analyses chimiques détaillées sur les éléments en traces pouvant entrer dans le réseau cristallin du quartz comme impuretés (i.e. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti), et des isotopes stables de l'oxygène, ont été menées. En fonction des conditions de croissance, la plupart des cristaux présentent des zonations, qui peuvent être facilement reliées à la distribution des éléments traces analysés par microsonde électronique, sonde ionique (SIMS) et LA-ICPMS. De fortes concentrations d'Aluminium (plusieurs milliers de parties par million atomique) ont pu être observées dans les zones les plus externes des cristaux. De plus, les concentrations en Al et en Li sont toujours corrélées; la présence d'Hydrogène déduite à partir d'analyses par FTIR suit cette même tendance. Les différentes faces des cristaux présentent des concentrations distinctes d'Al, Li et H pour des mêmes zones de croissance, avec par exemple les concentrations les plus faibles dans les zones des faces prismatiques. Cela implique la présence d'un zonage sectoriel, qui a déjà été observé principalement dans des carbonates mais jamais décrit auparavant pour des quartz. Seuls les cristaux alpins homogènes en CL dont la croissance s'est faite à plus haute température (400°C) ne présentent aucune de ces caractéristiques. Par analogie avec le zonage sectoriel en Al, élément qui se substitue au Si dans le réseau cristallin du quartz, il est possible de penser qu'un zonage sectoriel pourrait aussi s'appliquer aux isotopes de l'oxygène. Des précédentes études avaient en effet émis cette hypothèse. Nos résultats ont été obtenus à partir d'analyses à la fois in- situ par SIMS, et par extraction assistée par laser-CO2 sur des parties de quartz soigneusement séparées, et sont en accord entre les deux méthodes. Un zonage sectoriel est en effet bien présent pour les cristaux alpins, mais principalement au niveau des zones très riches en Aluminium. Cependant, il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs avait un effet plus que minimal sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. Des différences importantes ont été observées entre les faces r & z mais aussi au sein d'une même et seule zone, indiquant que le fractionnement a pu avoir lieu en déséquilibre, ce qui est aussi visible au niveau des valeurs totalement opposées entre faces pour la dernière phase de croissance de certains cristaux. Ainsi l'association de ces résultats laisse suggérer que la présence d'un zonage sectoriel peut être liée à différents paramètres tels que le taux de croissance ou la structure de surface du cristal, mais qui n'affectent pas de la même façon l'incorporation des éléments traces et le fractionnement isotopique. La possibilité d'un zonage sectoriel est importante à prendre en compte lors de toute interprétation de données isotopiques. Les analyses des isotopes de l'oxygène effectuées par SIMS ont aussi permis de distinguer des variations importantes à petite échelle au cours de la croissance. Des mesures faites par laser CO2 sur certaines roches encaissantes, ont permis distinguer plusieurs étapes dans la croissance des minéraux et de déduire le rôle de l'encaissant et le type de fluide. En association avec de précédentes études, il a été ainsi possible de mieux contraindre la formation de ces cristaux dans le contexte alpin et la circulation de fluide au cours du métamorphisme alpin durant le Miocène.

The influence of bacterial activity on phosphorite formation in the Miocene Monterey Formation, California

Authigenic phosphorites from the Miocene Monterey Formation (California) including an autochthonous phosphatic laminite were analyzed for molecular biomarkers, element content, and sulfur isotopic composition of associated pyrite and sulfate to evaluate the role of bacterial activity in the precipitation of phosphate minerals. The phosphorites formed in a depositional environment typified by upwelling with dynamic bottom currents and hardground formation. Pyrite enclosed in the phosphorites shows delta S-34 values as low as -36.5 parts per thousand VCDT, which is consistent with bacterial sulfate reduction. In a three-step extraction phosphorite dissolution extraction procedure, molecular fossils of sulfate-reducing bacteria (di-O-alkyl glycerol ethers and short-chain branched fatty acids i- and ai-C-15:0, i- and ai-C-17:0, and 10MeC(16:0)) were preferentially released from the mineral lattice. This suggests that the molecular fossils were tightly bound to carbonate fluorapatite, indicating that sulfate-reducing bacteria were involved in mineral formation. A close association of sulfate-reducing bacteria with large sulfide-oxidizing bacteria, which was previously suggested to favor carbonate fluorapatite precipitation, could neither be confirmed nor excluded for the Miocene Monterey Formation phosphorites. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nd and Sr isotope compositions in modern and fossil bones - Proxies for vertebrate provenance and taphonomy

Rare earth elements (REE), while not essential for the physiologic functions of animals, are ingested and incorporated in ppb concentrations in bones and teeth. Nd isotope compositions of modern bones of animals from isotopically distinct habitats demonstrate that the (143)Nd/(144)Nd of the apatite can be used as a fingerprint for bedrock geology or ambient water mass. This potentially allows the provenance and migration of extant vertebrates to be traced, similar to the use of Sr isotopes. Although REE may be enriched by up to 5 orders of magnitude during diagenesis and recrystallization of bone apatite, in vivo (143)Nd/(144)Nd may be preserved in the inner cortex of fossil bones or enamel. However, tracking the provenance of ancient or extinct vertebrates is possible only for well-preserved archeological and paleontological skeletal remains with in vivo-like Nd contents at the ppb-level. Intra-bone and -tooth REE analysis can be used to screen for appropriate areas. Large intra-bone Nd concentration gradients of 10(1)-10(3) are often measured. Nd concentrations in the inner bone cortex increase over timescales of millions of years, while bone rims may be enriched over millenial timescales. Nevertheless, epsilon(Nd) values are often similar within one epsilon(Nd) unit within a single bone. Larger intra-bone differences in specimens may either reflect a partial preservation of in vivo values or changing epsilon(Nd) values of the diagenetic fluid during fossilization. However, most fossil specimens and the outer rims of bones will record taphonomic (143)Nd/(144)Nd incorporated post mortem during diagenesis. Unlike REE patterns, (143)Nd/(144)Nd are not biased by fractionation processes during REE-uptake into the apatite crystal lattice, hence the epsilon(Nd) value is an important tracer for taphonomy and reworking. Bones and teeth from autochthonous fossil assemblages have small variations of +/- 1 epsilon(Nd) unit only. In contrast, fossil bones and teeth from over 20 different marine and terrestrial fossil sites have a total range of epsilon(Nd) values from -13.0 to 4.9 (n = 80), often matching the composition of the embedding sediment. This implies that the surrounding sediment is the source of Nd in the fossil bones and that the specimens of this study seem not to have been reworked. Differences in epsilon(Nd) values between skeletal remains and embedding sediment may either indicate reworking of fossils and/or a REE-uptake from a diagenetic fluid with non-sediment derived epsilon(Nd) values. The latter often applies to fossil shark teeth, which may preserve paleo-seawater values. Complementary to epsilon(Nd) values, (87)Sr/(86)Sr can help to further constrain the fossil provenance and reworking. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Magnetoelectricity in the ferrimagnetic Cu2OSeO3: symmetry analysis and Raman scattering study

sublattices ferrimagnet Cu2OSeO3 with a cubic symmetry and a linear magnetoelectric effect. There is no spectroscopic evidence for structural lattice distortions below T-C=60 K, which are expected due to magnetoelectric coupling. Using symmetry arguments we explain this observation by considering a special type of ferrimagnetic ground state which does not generate a spontaneous electric polarization. Interestingly, Raman scattering shows a strong increase of electric polarization of media through a dynamic magnetoelectric effect as a remarkable enhancement of the scattering intensity below T-C. New lines of purely magnetic origin have been detected in the magnetically ordered state. A part of them are attributed as scattering on exchange magnons. Using this observation and further symmetry considerations we argue for strong Dzyaloshinskii-Moriya interaction existing in the Cu2OSeO3. (c) 2010 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3455808]

Origin of needle fibre calcite (NFC) : a geochemical approach

ABSTRACTNeedle fibre calcite (NFC) is one of the most widespread habits of pedogenic calcite. It is a monocrystal of calcite, in the shape of a needle, with a diameter of one micron and a length between 4 and 103 times its width. NFC occurs in soils with different macroscopic and microscopic morphologies. Macroscopically, two main habits of NFC exist: "cotton ball'Mike clusters and as "powder" coating on pebbles inside the soil. It can also act as nucleation sites for precipitation of calcite cements of purely physicochemical origin (LCC - Late Calcitic Cement). Although many studies have been conducted on needle fibre calcite, its origin remains a subject of debate. The NFC having never been reproduced in the laboratory whatever the considered approach, the processes responsible for its precipitation as a so particular morphology remain unexplained. The shift between the length orientation of the needle crystal and the normal axis of calcite growth (c-axis) is also unresolved.Samples taken in two soils observed in quarries (Villiers and Savagnier) in the Swiss Jura Mountains are used to investigate the processes involved in the formation of these calcite crystals in pedogenic environments. Three groups of microscopic morphologies are distinguished: (i) simple needles (SN), (ii) simple needles with overgrowths (SNO), and (iii) simple needles with nanofibres (SNN), nanofibres being either organic or mineral in nature. These groups correspond to different stages in the formation and evolution of NFC.Comparison of carbon and oxygen isotope compositions of NFC with LCC, in relationship with the composition of the carbonate host rock (CHR), and the carbon isotope signature of dissolved inorganic carbon (DIC) from the soil waters, indicates that both NFC and LCC are precipitated in isotopic equilibrium with the soil solution. Similar Ô13C and Ô180 values of the elongated NFC and the rhombohedral calcite crystals of the LCC suggest that the precipitation of these different calcite habits is not due to changes in physicochemical conditions. The growth of NFC crystals inside an organic mould formed by the fungal hyphae could explain the formation of calcite ciystals in the shape of a needle in isotopic equilibrium with the local environment.Strontium and calcium isotope compositions of the three microscopic groups of NFC and LCC were also studied, in order to determine the origin of calcium (Ca2+) entrapped in the calcite lattice and to elucidate the processes responsible for the precipitation of NFC. The 87Sr/86Sr ratio of the SN is closer to the 87Sr/86Sr ratio of the carbonate host rock than the LCC, SNO, and SNN. This could be another clue for the formation of SN inside fungal hyphae, because fungi are known to dissolve the rocks to release and translocate through their hyphae nutrients necessary for their growth. SN and SNN are depleted in Sr and enriched in ^Ca compared to the LCC. In the context of Villiers quarry, where the two ciystal shapes precipitate at similar temperature (in a range of 0,6°C), such variations are the result of a slower precipitation rate of NFC, which is inconsistent with a purely physicochemically precipitated elongate crystal.Finally, NFC is enriched in major and trace elements (i.e. Fe, Zn, Cu, and Mo) compared to the LCC. This enrichment is ascribed to modification in precipitation processes between the NFC and LCC. Right now, it is not possible to preclude the influence of the particular shape of NFC or the biological influence. REEs are not fractionated in NFC, contrary to LCC. Thus, NFC does not precipitate from a percolation solution circulating downward the soil, which should lead to the fractionation of the REEs. As explained above, fungi, are able to dissolve and translocate nutrients. This kind of processes allows releasing elements in the soil solution without fractionation and could explain the particular chemical signature of NFC regarding the REEs.The geochemical approach to investigate the origin of NFC presented in this study does not allow providing direct clues to the fungal origin of NFC, but brings several new insights in the understanding of the formation of such a particular mineral, calcite needles, by precluding definitively their physicochemical origin.RESUMELa calcite en aiguilles (NFC) est l'une des formes les plus ubiquiste de calcite pédogénique. Il s'agit d'un monocrystal de calcite d'un diamètre d'un micron et d'une longueur 4 à 102 fois supérieure à sa largeur. A l'échelle macroscopique, la NFC a été observée sous deux principaux aspects : l'une « cotonneuse » et l'autre formant un mince croûte autour des graviers du sol. La NFC peut également servir de support à la nucléation de ciments secondaires précipités de manière purement physico-chimique (LCC). Malgré les nombreuses études menées sur la NFC, son origine demeure encore inconnue. A ce jour, aucune expérience en laboratoire n'a permis de créer de la calcite en aiguilles, et ce, quelque soit l'approche abordée. Par conséquent, les processus précis responsables de la précipitation calcite avec une telle morphologie restent inconnus. Le décalage existant entre l'axe d'allongement des aiguilles de calcite et l'axe normal de croissance de la calcite (axe c) reste inexpliqué.Des échantillons de NFC, LCC, roche mère, eau de pluie des différents horizons du sol ont été prélevés principalement au front de deux carrières de graviers, ainsi que dans un profil de sol adjacent à ces carrières, dans le but de mieux comprendre les processus à l'origine de la précipitation de calcite en forme d'aiguille. Trois micro-morphologies ont été distinguées: les aiguilles simples (SN), les aiguilles simples avec surcroissances calcitiques (SNO) et enfin les aiguilles simples avec nanofibres (SNN), celles-ci pouvant être de minérales ou organiques. Ces groupes, d'après nos résultats et les études antérieures pourraient correspondre à différentes étapes de formation de la calcite en aiguilles.Dans un premier temps, la comparaison des signatures isotopiques de la calcite en aiguilles, du LCC, de la roche mère et du carbone inorganique dissout dans la solution du sol (CID) indique que la NFC, tout comme le LCC, précipite en équilibre avec la solution du sol. Les valeurs similaires en Ô13C et δ180 de cristaux de calcite allongés (NFC) et rhombohédriques (LCC) formés dans un même milieu suggère que ces différences morphologiques ne peuvent pas être attribuées à des modifications purement physico-chimiques. La croissance de NFC à l'intérieur d'un moule organique comme les hyphes de champignons semble être la seule hypothèse plausible permettant d'expliquer la formation de monocrystaux allongés de calcite en équilibre avec leur environnement.La composition isotopique en strontium (Sr) et calcium (Ca) des LCC et des trois micro¬morphologies de la NFC ont été étudiées également, afin de déterminer l'origine du Ca2+ présent dans le réseau cristallin de la calcite en aiguilles, ainsi que les processus responsables de la formation de NFC. Les valeurs du rapport 87Sr/86$r de la forme SN sont les plus proches de celles de la roche mère par rapport aux formes SNN et SNO et du LCC. Ceci pourrait être un nouvel indice de l'implication des champignons dans la précipitation de calcite en aiguilles, puisqu'ils sont connus pour avoir la capacité de dissoudre les roches afin de libérer les nutriments nécessaires à leur croissance, ainsi que de les transloquer par leurs hyphes. De plus, les formes SN et SNN sont appauvries en Sr et enrichies en "Ca, comparativement au LCC. Dans le sol étudié, tous les carbonates de calcium précipitent à la même température, par conséquent, de telles variations sont dues à un taux de précipitation plus lent de SN et SNN, ce qui est contradictoire avec l'hypothèse physico-chimique. Pour finir, la NFC est enrichie en certains éléments majeurs et traces (i.e. Fe, Zn, Cu et Mo) par rapport au LCC. Ceci peut être attribué à différents processus de formation entre la NFC et le LCC. Pour le moment il est impossible d'exclure l'influence de la forme particulière de la NFC ou celle du champignon. Les terres rares (REEs) ne sont pas fractionnées dans la NFC, contrairement au LCC. Ceci peut être expliqué par le fait que la NFC précipite à partir d'une solution qui n'a pas percolé à travers le sol. Les champignons en dissolvant les roches mettent en solution éléments sans les fractionner. L'approche géochimique de l'étude de la calcite en aiguilles ne permets pas de produire des preuves directes sur sa potentielle origine fongique, mais permet de mieux comprendre comment un minéral aussi singulier que la NFC peut se former. D'autre pare cette étude permets d'exclure définitivement l'hypothèse physico-chimique de l'origine de la calcite en aiguilles

Isothermal sections of the Ru-Si-Ge, Ru-Ge-Sn and Ru-Si-Sn systems at 900°C

The ternary systems Ruthenium-Silicon-Germanium, Ruthenium-Germanium-Tin and Ruthenium-Silicon-Tin were investigated by powder X-ray diffraction and electron microprobe analysis. Relations at 900 degrees C between solid phases are given and no ternary compound was found. Solubilities and evolution of lattice parameters have been correlated. Maximum mutual solubilities in the Si-Sn and Ge-Sn systems are given. (C) 1998 Elsevier Science S.A.

Modélisation par automate cellulaire des phénomènes diagénétiques des plateformes carbonatées : calibration et paramétrage à partir de deux cas d'études : l'Urgonien du Vercors (Crétacé inférieur, SE France) et les Calcaires Gris du Mont Compomolon (Lias, NE Italie)

Une fois déposé, un sédiment est affecté au cours de son enfouissement par un ensemble de processus, regroupé sous le terme diagenèse, le transformant parfois légèrement ou bien suffisamment pour le rendre méconnaissable. Ces modifications ont des conséquences sur les propriétés pétrophysiques qui peuvent être positives ou négatives, c'est-à-dire les améliorer ou bien les détériorer. Une voie alternative de représentation numérique des processus, affranchie de l'utilisation des réactions physico-chimiques, a été adoptée et développée en mimant le déplacement du ou des fluides diagénétiques. Cette méthode s'appuie sur le principe d'un automate cellulaire et permet de simplifier les phénomènes sans sacrifier le résultat et permet de représenter les phénomènes diagénétiques à une échelle fine. Les paramètres sont essentiellement numériques ou mathématiques et nécessitent d'être mieux compris et renseignés à partir de données réelles issues d'études d'affleurements et du travail analytique effectué. La représentation des phénomènes de dolomitisation de faible profondeur suivie d'une phase de dédolomitisation a été dans un premier temps effectuée. Le secteur concerne une portion de la série carbonatée de l'Urgonien (Barrémien-Aptien), localisée dans le massif du Vercors en France. Ce travail a été réalisé à l'échelle de la section afin de reproduire les géométries complexes associées aux phénomènes diagénétiques et de respecter les proportions mesurées en dolomite. De plus, la dolomitisation a été simulée selon trois modèles d'écoulement. En effet, la dédolomitisation étant omniprésente, plusieurs hypothèses sur le mécanisme de dolomitisation ont été énoncées et testées. Plusieurs phases de dolomitisation per ascensum ont été également simulées sur des séries du Lias appartenant aux formations du groupe des Calcaire Gris, localisées au nord-est de l'Italie. Ces fluides diagénétiques empruntent le réseau de fracturation comme vecteur et affectent préférentiellement les lithologies les plus micritisées. Cette étude a permis de mettre en évidence la propagation des phénomènes à l'échelle de l'affleurement. - Once deposited, sediment is affected by diagenetic processes during their burial history. These diagenetic processes are able to affect the petrophysical properties of the sedimentary rocks and also improve as such their reservoir capacity. The modelling of diagenetic processes in carbonate reservoirs is still a challenge as far as neither stochastic nor physicochemical simulations can correctly reproduce the complexity of features and the reservoir heterogeneity generated by these processes. An alternative way to reach this objective deals with process-like methods, which simplify the algorithms while preserving all geological concepts in the modelling process. The aim of the methodology is to conceive a consistent and realistic 3D model of diagenetic overprints on initial facies resulting in petrophysical properties at a reservoir scale. The principle of the method used here is related to a lattice gas automata used to mimic diagenetic fluid flows and to reproduce the diagenetic effects through the evolution of mineralogical composition and petrophysical properties. This method developed in a research group is well adapted to handle dolomite reservoirs through the propagation of dolomitising fluids and has been applied on two case studies. The first study concerns a mid-Cretaceous rudist and granular platform of carbonate succession (Urgonian Fm., Les Gorges du Nan, Vercors, SE France), in which several main diagenetic stages have been identified. The modelling in 2D is focused on dolomitisation followed by a dédolomitisation stage. For the second study, data collected from outcrops on the Venetian platform (Lias, Mont Compomolon NE Italy), in which several diagenetic stages have been identified. The main one is related to per ascensum dolomitisation along fractures. In both examples, the evolution of the effects of the mimetic diagenetic fluid on mineralogical composition can be followed through space and numerical time and help to understand the heterogeneity in reservoir properties. Carbonates, dolomitisation, dédolomitisation, process-like modelling, lattice gas automata, random walk, memory effect.

Linking landscape- and population ecology for large population management modelling: the case of Ibex (capra ibex) in Switzerland

La biologie de la conservation est communément associée à la protection de petites populations menacées d?extinction. Pourtant, il peut également être nécessaire de soumettre à gestion des populations surabondantes ou susceptibles d?une trop grande expansion, dans le but de prévenir les effets néfastes de la surpopulation. Du fait des différences tant quantitatives que qualitatives entre protection des petites populations et contrôle des grandes, il est nécessaire de disposer de modèles et de méthodes distinctes. L?objectif de ce travail a été de développer des modèles prédictifs de la dynamique des grandes populations, ainsi que des logiciels permettant de calculer les paramètres de ces modèles et de tester des scénarios de gestion. Le cas du Bouquetin des Alpes (Capra ibex ibex) - en forte expansion en Suisse depuis sa réintroduction au début du XXème siècle - servit d?exemple. Cette tâche fut accomplie en trois étapes : En premier lieu, un modèle de dynamique locale, spécifique au Bouquetin, fut développé : le modèle sous-jacent - structuré en classes d?âge et de sexe - est basé sur une matrice de Leslie à laquelle ont été ajoutées la densité-dépendance, la stochasticité environnementale et la chasse de régulation. Ce modèle fut implémenté dans un logiciel d?aide à la gestion - nommé SIM-Ibex - permettant la maintenance de données de recensements, l?estimation automatisée des paramètres, ainsi que l?ajustement et la simulation de stratégies de régulation. Mais la dynamique d?une population est influencée non seulement par des facteurs démographiques, mais aussi par la dispersion et la colonisation de nouveaux espaces. Il est donc nécessaire de pouvoir modéliser tant la qualité de l?habitat que les obstacles à la dispersion. Une collection de logiciels - nommée Biomapper - fut donc développée. Son module central est basé sur l?Analyse Factorielle de la Niche Ecologique (ENFA) dont le principe est de calculer des facteurs de marginalité et de spécialisation de la niche écologique à partir de prédicteurs environnementaux et de données d?observation de l?espèce. Tous les modules de Biomapper sont liés aux Systèmes d?Information Géographiques (SIG) ; ils couvrent toutes les opérations d?importation des données, préparation des prédicteurs, ENFA et calcul de la carte de qualité d?habitat, validation et traitement des résultats ; un module permet également de cartographier les barrières et les corridors de dispersion. Le domaine d?application de l?ENFA fut exploré par le biais d?une distribution d?espèce virtuelle. La comparaison à une méthode couramment utilisée pour construire des cartes de qualité d?habitat, le Modèle Linéaire Généralisé (GLM), montra qu?elle était particulièrement adaptée pour les espèces cryptiques ou en cours d?expansion. Les informations sur la démographie et le paysage furent finalement fusionnées en un modèle global. Une approche basée sur un automate cellulaire fut choisie, tant pour satisfaire aux contraintes du réalisme de la modélisation du paysage qu?à celles imposées par les grandes populations : la zone d?étude est modélisée par un pavage de cellules hexagonales, chacune caractérisée par des propriétés - une capacité de soutien et six taux d?imperméabilité quantifiant les échanges entre cellules adjacentes - et une variable, la densité de la population. Cette dernière varie en fonction de la reproduction et de la survie locale, ainsi que de la dispersion, sous l?influence de la densité-dépendance et de la stochasticité. Un logiciel - nommé HexaSpace - fut développé pour accomplir deux fonctions : 1° Calibrer l?automate sur la base de modèles de dynamique (par ex. calculés par SIM-Ibex) et d?une carte de qualité d?habitat (par ex. calculée par Biomapper). 2° Faire tourner des simulations. Il permet d?étudier l?expansion d?une espèce envahisseuse dans un paysage complexe composé de zones de qualité diverses et comportant des obstacles à la dispersion. Ce modèle fut appliqué à l?histoire de la réintroduction du Bouquetin dans les Alpes bernoises (Suisse). SIM-Ibex est actuellement utilisé par les gestionnaires de la faune et par les inspecteurs du gouvernement pour préparer et contrôler les plans de tir. Biomapper a été appliqué à plusieurs espèces (tant végétales qu?animales) à travers le Monde. De même, même si HexaSpace fut initialement conçu pour des espèces animales terrestres, il pourrait aisément être étndu à la propagation de plantes ou à la dispersion d?animaux volants. Ces logiciels étant conçus pour, à partir de données brutes, construire un modèle réaliste complexe, et du fait qu?ils sont dotés d?une interface d?utilisation intuitive, ils sont susceptibles de nombreuses applications en biologie de la conservation. En outre, ces approches peuvent également s?appliquer à des questions théoriques dans les domaines de l?écologie des populations et du paysage.<br/><br/>Conservation biology is commonly associated to small and endangered population protection. Nevertheless, large or potentially large populations may also need human management to prevent negative effects of overpopulation. As there are both qualitative and quantitative differences between small population protection and large population controlling, distinct methods and models are needed. The aim of this work was to develop theoretical models to predict large population dynamics, as well as computer tools to assess the parameters of these models and to test management scenarios. The alpine Ibex (Capra ibex ibex) - which experienced a spectacular increase since its reintroduction in Switzerland at the beginning of the 20th century - was used as paradigm species. This task was achieved in three steps: A local population dynamics model was first developed specifically for Ibex: the underlying age- and sex-structured model is based on a Leslie matrix approach with addition of density-dependence, environmental stochasticity and culling. This model was implemented into a management-support software - named SIM-Ibex - allowing census data maintenance, parameter automated assessment and culling strategies tuning and simulating. However population dynamics is driven not only by demographic factors, but also by dispersal and colonisation of new areas. Habitat suitability and obstacles modelling had therefore to be addressed. Thus, a software package - named Biomapper - was developed. Its central module is based on the Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) whose principle is to compute niche marginality and specialisation factors from a set of environmental predictors and species presence data. All Biomapper modules are linked to Geographic Information Systems (GIS); they cover all operations of data importation, predictor preparation, ENFA and habitat suitability map computation, results validation and further processing; a module also allows mapping of dispersal barriers and corridors. ENFA application domain was then explored by means of a simulated species distribution. It was compared to a common habitat suitability assessing method, the Generalised Linear Model (GLM), and was proven better suited for spreading or cryptic species. Demography and landscape informations were finally merged into a global model. To cope with landscape realism and technical constraints of large population modelling, a cellular automaton approach was chosen: the study area is modelled by a lattice of hexagonal cells, each one characterised by a few fixed properties - a carrying capacity and six impermeability rates quantifying exchanges between adjacent cells - and one variable, population density. The later varies according to local reproduction/survival and dispersal dynamics, modified by density-dependence and stochasticity. A software - named HexaSpace - was developed, which achieves two functions: 1° Calibrating the automaton on the base of local population dynamics models (e.g., computed by SIM-Ibex) and a habitat suitability map (e.g. computed by Biomapper). 2° Running simulations. It allows studying the spreading of an invading species across a complex landscape made of variously suitable areas and dispersal barriers. This model was applied to the history of Ibex reintroduction in Bernese Alps (Switzerland). SIM-Ibex is now used by governmental wildlife managers to prepare and verify culling plans. Biomapper has been applied to several species (both plants and animals) all around the World. In the same way, whilst HexaSpace was originally designed for terrestrial animal species, it could be easily extended to model plant propagation or flying animals dispersal. As these softwares were designed to proceed from low-level data to build a complex realistic model and as they benefit from an intuitive user-interface, they may have many conservation applications. Moreover, theoretical questions in the fields of population and landscape ecology might also be addressed by these approaches.

Emergence of oriented circuits driven by synaptic pruning associated with spike-timing-dependent plasticity (STDP)

ABSTRACT: Massive synaptic pruning following over-growth is a general feature of mammalian brain maturation. Pruning starts near time of birth and is completed by time of sexual maturation. Trigger signals able to induce synaptic pruning could be related to dynamic functions that depend on the timing of action potentials. Spike-timing-dependent synaptic plasticity (STDP) is a change in the synaptic strength based on the ordering of pre- and postsynaptic spikes. The relation between synaptic efficacy and synaptic pruning suggests that the weak synapses may be modified and removed through competitive "learning" rules. This plasticity rule might produce the strengthening of the connections among neurons that belong to cell assemblies characterized by recurrent patterns of firing. Conversely, the connections that are not recurrently activated might decrease in efficiency and eventually be eliminated. The main goal of our study is to determine whether or not, and under which conditions, such cell assemblies may emerge out of a locally connected random network of integrate-and-fire units distributed on a 2D lattice receiving background noise and content-related input organized in both temporal and spatial dimensions. The originality of our study stands on the relatively large size of the network, 10,000 units, the duration of the experiment, 10E6 time units (one time unit corresponding to the duration of a spike), and the application of an original bio-inspired STDP modification rule compatible with hardware implementation. A first batch of experiments was performed to test that the randomly generated connectivity and the STDP-driven pruning did not show any spurious bias in absence of stimulation. Among other things, a scale factor was approximated to compensate for the network size on the ac¬tivity. Networks were then stimulated with the spatiotemporal patterns. The analysis of the connections remaining at the end of the simulations, as well as the analysis of the time series resulting from the interconnected units activity, suggest that feed-forward circuits emerge from the initially randomly connected networks by pruning. RESUME: L'élagage massif des synapses après une croissance excessive est une phase normale de la ma¬turation du cerveau des mammifères. L'élagage commence peu avant la naissance et est complété avant l'âge de la maturité sexuelle. Les facteurs déclenchants capables d'induire l'élagage des synapses pourraient être liés à des processus dynamiques qui dépendent de la temporalité rela¬tive des potentiels d'actions. La plasticité synaptique à modulation temporelle relative (STDP) correspond à un changement de la force synaptique basé sur l'ordre des décharges pré- et post- synaptiques. La relation entre l'efficacité synaptique et l'élagage des synapses suggère que les synapses les plus faibles pourraient être modifiées et retirées au moyen d'une règle "d'appren¬tissage" faisant intervenir une compétition. Cette règle de plasticité pourrait produire le ren¬forcement des connexions parmi les neurones qui appartiennent à une assemblée de cellules caractérisée par des motifs de décharge récurrents. A l'inverse, les connexions qui ne sont pas activées de façon récurrente pourraient voir leur efficacité diminuée et être finalement éliminées. Le but principal de notre travail est de déterminer s'il serait possible, et dans quelles conditions, que de telles assemblées de cellules émergent d'un réseau d'unités integrate-and¬-fire connectées aléatoirement et distribuées à la surface d'une grille bidimensionnelle recevant à la fois du bruit et des entrées organisées dans les dimensions temporelle et spatiale. L'originalité de notre étude tient dans la taille relativement grande du réseau, 10'000 unités, dans la durée des simulations, 1 million d'unités de temps (une unité de temps correspondant à une milliseconde), et dans l'utilisation d'une règle STDP originale compatible avec une implémentation matérielle. Une première série d'expériences a été effectuée pour tester que la connectivité produite aléatoirement et que l'élagage dirigé par STDP ne produisaient pas de biais en absence de stimu¬lation extérieure. Entre autres choses, un facteur d'échelle a pu être approximé pour compenser l'effet de la variation de la taille du réseau sur son activité. Les réseaux ont ensuite été stimulés avec des motifs spatiotemporels. L'analyse des connexions se maintenant à la fin des simulations, ainsi que l'analyse des séries temporelles résultantes de l'activité des neurones, suggèrent que des circuits feed-forward émergent par l'élagage des réseaux initialement connectés au hasard.

Artificial evolution on network structures : how time and space influence dynamics

Abstract The main objective of this work is to show how the choice of the temporal dimension and of the spatial structure of the population influences an artificial evolutionary process. In the field of Artificial Evolution we can observe a common trend in synchronously evolv¬ing panmictic populations, i.e., populations in which any individual can be recombined with any other individual. Already in the '90s, the works of Spiessens and Manderick, Sarma and De Jong, and Gorges-Schleuter have pointed out that, if a population is struc¬tured according to a mono- or bi-dimensional regular lattice, the evolutionary process shows a different dynamic with respect to the panmictic case. In particular, Sarma and De Jong have studied the selection pressure (i.e., the diffusion of a best individual when the only selection operator is active) induced by a regular bi-dimensional structure of the population, proposing a logistic modeling of the selection pressure curves. This model supposes that the diffusion of a best individual in a population follows an exponential law. We show that such a model is inadequate to describe the process, since the growth speed must be quadratic or sub-quadratic in the case of a bi-dimensional regular lattice. New linear and sub-quadratic models are proposed for modeling the selection pressure curves in, respectively, mono- and bi-dimensional regu¬lar structures. These models are extended to describe the process when asynchronous evolutions are employed. Different dynamics of the populations imply different search strategies of the resulting algorithm, when the evolutionary process is used to solve optimisation problems. A benchmark of both discrete and continuous test problems is used to study the search characteristics of the different topologies and updates of the populations. In the last decade, the pioneering studies of Watts and Strogatz have shown that most real networks, both in the biological and sociological worlds as well as in man-made structures, have mathematical properties that set them apart from regular and random structures. In particular, they introduced the concepts of small-world graphs, and they showed that this new family of structures has interesting computing capabilities. Populations structured according to these new topologies are proposed, and their evolutionary dynamics are studied and modeled. We also propose asynchronous evolutions for these structures, and the resulting evolutionary behaviors are investigated. Many man-made networks have grown, and are still growing incrementally, and explanations have been proposed for their actual shape, such as Albert and Barabasi's preferential attachment growth rule. However, many actual networks seem to have undergone some kind of Darwinian variation and selection. Thus, how these networks might have come to be selected is an interesting yet unanswered question. In the last part of this work, we show how a simple evolutionary algorithm can enable the emrgence o these kinds of structures for two prototypical problems of the automata networks world, the majority classification and the synchronisation problems. Synopsis L'objectif principal de ce travail est de montrer l'influence du choix de la dimension temporelle et de la structure spatiale d'une population sur un processus évolutionnaire artificiel. Dans le domaine de l'Evolution Artificielle on peut observer une tendence à évoluer d'une façon synchrone des populations panmictiques, où chaque individu peut être récombiné avec tout autre individu dans la population. Déjà dans les année '90, Spiessens et Manderick, Sarma et De Jong, et Gorges-Schleuter ont observé que, si une population possède une structure régulière mono- ou bi-dimensionnelle, le processus évolutionnaire montre une dynamique différente de celle d'une population panmictique. En particulier, Sarma et De Jong ont étudié la pression de sélection (c-à-d la diffusion d'un individu optimal quand seul l'opérateur de sélection est actif) induite par une structure régulière bi-dimensionnelle de la population, proposant une modélisation logistique des courbes de pression de sélection. Ce modèle suppose que la diffusion d'un individu optimal suit une loi exponentielle. On montre que ce modèle est inadéquat pour décrire ce phénomène, étant donné que la vitesse de croissance doit obéir à une loi quadratique ou sous-quadratique dans le cas d'une structure régulière bi-dimensionnelle. De nouveaux modèles linéaires et sous-quadratique sont proposés pour des structures mono- et bi-dimensionnelles. Ces modèles sont étendus pour décrire des processus évolutionnaires asynchrones. Différentes dynamiques de la population impliquent strategies différentes de recherche de l'algorithme résultant lorsque le processus évolutionnaire est utilisé pour résoudre des problèmes d'optimisation. Un ensemble de problèmes discrets et continus est utilisé pour étudier les charactéristiques de recherche des différentes topologies et mises à jour des populations. Ces dernières années, les études de Watts et Strogatz ont montré que beaucoup de réseaux, aussi bien dans les mondes biologiques et sociologiques que dans les structures produites par l'homme, ont des propriétés mathématiques qui les séparent à la fois des structures régulières et des structures aléatoires. En particulier, ils ont introduit la notion de graphe sm,all-world et ont montré que cette nouvelle famille de structures possède des intéressantes propriétés dynamiques. Des populations ayant ces nouvelles topologies sont proposés, et leurs dynamiques évolutionnaires sont étudiées et modélisées. Pour des populations ayant ces structures, des méthodes d'évolution asynchrone sont proposées, et la dynamique résultante est étudiée. Beaucoup de réseaux produits par l'homme se sont formés d'une façon incrémentale, et des explications pour leur forme actuelle ont été proposées, comme le preferential attachment de Albert et Barabàsi. Toutefois, beaucoup de réseaux existants doivent être le produit d'un processus de variation et sélection darwiniennes. Ainsi, la façon dont ces structures ont pu être sélectionnées est une question intéressante restée sans réponse. Dans la dernière partie de ce travail, on montre comment un simple processus évolutif artificiel permet à ce type de topologies d'émerger dans le cas de deux problèmes prototypiques des réseaux d'automates, les tâches de densité et de synchronisation.

A comprehensive model for quantum noise characterization in digital mammography.

NlmCategory="UNASSIGNED">A version of cascaded systems analysis was developed specifically with the aim of studying quantum noise propagation in x-ray detectors. Signal and quantum noise propagation was then modelled in four types of x-ray detectors used for digital mammography: four flat panel systems, one computed radiography and one slot-scan silicon wafer based photon counting device. As required inputs to the model, the two dimensional (2D) modulation transfer function (MTF), noise power spectra (NPS) and detective quantum efficiency (DQE) were measured for six mammography systems that utilized these different detectors. A new method to reconstruct anisotropic 2D presampling MTF matrices from 1D radial MTFs measured along different angular directions across the detector is described; an image of a sharp, circular disc was used for this purpose. The effective pixel fill factor for the FP systems was determined from the axial 1D presampling MTFs measured with a square sharp edge along the two orthogonal directions of the pixel lattice. Expectation MTFs were then calculated by averaging the radial MTFs over all possible phases and the 2D EMTF formed with the same reconstruction technique used for the 2D presampling MTF. The quantum NPS was then established by noise decomposition from homogenous images acquired as a function of detector air kerma. This was further decomposed into the correlated and uncorrelated quantum components by fitting the radially averaged quantum NPS with the radially averaged EMTF(2). This whole procedure allowed a detailed analysis of the influence of aliasing, signal and noise decorrelation, x-ray capture efficiency and global secondary gain on NPS and detector DQE. The influence of noise statistics, pixel fill factor and additional electronic and fixed pattern noises on the DQE was also studied. The 2D cascaded model and decompositions performed on the acquired images also enlightened the observed quantum NPS and DQE anisotropy.