Time-lapse and probabilistic inversion strategies for plane-wave electromagnetic data.

L'utilisation efficace des systèmes géothermaux, la séquestration du CO2 pour limiter le changement climatique et la prévention de l'intrusion d'eau salée dans les aquifères costaux ne sont que quelques exemples qui démontrent notre besoin en technologies nouvelles pour suivre l'évolution des processus souterrains à partir de la surface. Un défi majeur est d'assurer la caractérisation et l'optimisation des performances de ces technologies à différentes échelles spatiales et temporelles. Les méthodes électromagnétiques (EM) d'ondes planes sont sensibles à la conductivité électrique du sous-sol et, par conséquent, à la conductivité électrique des fluides saturant la roche, à la présence de fractures connectées, à la température et aux matériaux géologiques. Ces méthodes sont régies par des équations valides sur de larges gammes de fréquences, permettant détudier de manières analogues des processus allant de quelques mètres sous la surface jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur. Néanmoins, ces méthodes sont soumises à une perte de résolution avec la profondeur à cause des propriétés diffusives du champ électromagnétique. Pour cette raison, l'estimation des modèles du sous-sol par ces méthodes doit prendre en compte des informations a priori afin de contraindre les modèles autant que possible et de permettre la quantification des incertitudes de ces modèles de façon appropriée. Dans la présente thèse, je développe des approches permettant la caractérisation statique et dynamique du sous-sol à l'aide d'ondes EM planes. Dans une première partie, je présente une approche déterministe permettant de réaliser des inversions répétées dans le temps (time-lapse) de données d'ondes EM planes en deux dimensions. Cette stratégie est basée sur l'incorporation dans l'algorithme d'informations a priori en fonction des changements du modèle de conductivité électrique attendus. Ceci est réalisé en intégrant une régularisation stochastique et des contraintes flexibles par rapport à la gamme des changements attendus en utilisant les multiplicateurs de Lagrange. J'utilise des normes différentes de la norme l2 pour contraindre la structure du modèle et obtenir des transitions abruptes entre les régions du model qui subissent des changements dans le temps et celles qui n'en subissent pas. Aussi, j'incorpore une stratégie afin d'éliminer les erreurs systématiques de données time-lapse. Ce travail a mis en évidence l'amélioration de la caractérisation des changements temporels par rapport aux approches classiques qui réalisent des inversions indépendantes à chaque pas de temps et comparent les modèles. Dans la seconde partie de cette thèse, j'adopte un formalisme bayésien et je teste la possibilité de quantifier les incertitudes sur les paramètres du modèle dans l'inversion d'ondes EM planes. Pour ce faire, je présente une stratégie d'inversion probabiliste basée sur des pixels à deux dimensions pour des inversions de données d'ondes EM planes et de tomographies de résistivité électrique (ERT) séparées et jointes. Je compare les incertitudes des paramètres du modèle en considérant différents types d'information a priori sur la structure du modèle et différentes fonctions de vraisemblance pour décrire les erreurs sur les données. Les résultats indiquent que la régularisation du modèle est nécessaire lorsqu'on a à faire à un large nombre de paramètres car cela permet d'accélérer la convergence des chaînes et d'obtenir des modèles plus réalistes. Cependent, ces contraintes mènent à des incertitudes d'estimations plus faibles, ce qui implique des distributions a posteriori qui ne contiennent pas le vrai modèledans les régions ou` la méthode présente une sensibilité limitée. Cette situation peut être améliorée en combinant des méthodes d'ondes EM planes avec d'autres méthodes complémentaires telles que l'ERT. De plus, je montre que le poids de régularisation des paramètres et l'écart-type des erreurs sur les données peuvent être retrouvés par une inversion probabiliste. Finalement, j'évalue la possibilité de caractériser une distribution tridimensionnelle d'un panache de traceur salin injecté dans le sous-sol en réalisant une inversion probabiliste time-lapse tridimensionnelle d'ondes EM planes. Etant donné que les inversions probabilistes sont très coûteuses en temps de calcul lorsque l'espace des paramètres présente une grande dimension, je propose une stratégie de réduction du modèle ou` les coefficients de décomposition des moments de Legendre du panache de traceur injecté ainsi que sa position sont estimés. Pour ce faire, un modèle de résistivité de base est nécessaire. Il peut être obtenu avant l'expérience time-lapse. Un test synthétique montre que la méthodologie marche bien quand le modèle de résistivité de base est caractérisé correctement. Cette méthodologie est aussi appliquée à un test de trac¸age par injection d'une solution saline et d'acides réalisé dans un système géothermal en Australie, puis comparée à une inversion time-lapse tridimensionnelle réalisée selon une approche déterministe. L'inversion probabiliste permet de mieux contraindre le panache du traceur salin gr^ace à la grande quantité d'informations a priori incluse dans l'algorithme. Néanmoins, les changements de conductivités nécessaires pour expliquer les changements observés dans les données sont plus grands que ce qu'expliquent notre connaissance actuelle des phénomenès physiques. Ce problème peut être lié à la qualité limitée du modèle de résistivité de base utilisé, indiquant ainsi que des efforts plus grands devront être fournis dans le futur pour obtenir des modèles de base de bonne qualité avant de réaliser des expériences dynamiques. Les études décrites dans cette thèse montrent que les méthodes d'ondes EM planes sont très utiles pour caractériser et suivre les variations temporelles du sous-sol sur de larges échelles. Les présentes approches améliorent l'évaluation des modèles obtenus, autant en termes d'incorporation d'informations a priori, qu'en termes de quantification d'incertitudes a posteriori. De plus, les stratégies développées peuvent être appliquées à d'autres méthodes géophysiques, et offrent une grande flexibilité pour l'incorporation d'informations additionnelles lorsqu'elles sont disponibles. -- The efficient use of geothermal systems, the sequestration of CO2 to mitigate climate change, and the prevention of seawater intrusion in coastal aquifers are only some examples that demonstrate the need for novel technologies to monitor subsurface processes from the surface. A main challenge is to assure optimal performance of such technologies at different temporal and spatial scales. Plane-wave electromagnetic (EM) methods are sensitive to subsurface electrical conductivity and consequently to fluid conductivity, fracture connectivity, temperature, and rock mineralogy. These methods have governing equations that are the same over a large range of frequencies, thus allowing to study in an analogous manner processes on scales ranging from few meters close to the surface down to several hundreds of kilometers depth. Unfortunately, they suffer from a significant resolution loss with depth due to the diffusive nature of the electromagnetic fields. Therefore, estimations of subsurface models that use these methods should incorporate a priori information to better constrain the models, and provide appropriate measures of model uncertainty. During my thesis, I have developed approaches to improve the static and dynamic characterization of the subsurface with plane-wave EM methods. In the first part of this thesis, I present a two-dimensional deterministic approach to perform time-lapse inversion of plane-wave EM data. The strategy is based on the incorporation of prior information into the inversion algorithm regarding the expected temporal changes in electrical conductivity. This is done by incorporating a flexible stochastic regularization and constraints regarding the expected ranges of the changes by using Lagrange multipliers. I use non-l2 norms to penalize the model update in order to obtain sharp transitions between regions that experience temporal changes and regions that do not. I also incorporate a time-lapse differencing strategy to remove systematic errors in the time-lapse inversion. This work presents improvements in the characterization of temporal changes with respect to the classical approach of performing separate inversions and computing differences between the models. In the second part of this thesis, I adopt a Bayesian framework and use Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations to quantify model parameter uncertainty in plane-wave EM inversion. For this purpose, I present a two-dimensional pixel-based probabilistic inversion strategy for separate and joint inversions of plane-wave EM and electrical resistivity tomography (ERT) data. I compare the uncertainties of the model parameters when considering different types of prior information on the model structure and different likelihood functions to describe the data errors. The results indicate that model regularization is necessary when dealing with a large number of model parameters because it helps to accelerate the convergence of the chains and leads to more realistic models. These constraints also lead to smaller uncertainty estimates, which imply posterior distributions that do not include the true underlying model in regions where the method has limited sensitivity. This situation can be improved by combining planewave EM methods with complimentary geophysical methods such as ERT. In addition, I show that an appropriate regularization weight and the standard deviation of the data errors can be retrieved by the MCMC inversion. Finally, I evaluate the possibility of characterizing the three-dimensional distribution of an injected water plume by performing three-dimensional time-lapse MCMC inversion of planewave EM data. Since MCMC inversion involves a significant computational burden in high parameter dimensions, I propose a model reduction strategy where the coefficients of a Legendre moment decomposition of the injected water plume and its location are estimated. For this purpose, a base resistivity model is needed which is obtained prior to the time-lapse experiment. A synthetic test shows that the methodology works well when the base resistivity model is correctly characterized. The methodology is also applied to an injection experiment performed in a geothermal system in Australia, and compared to a three-dimensional time-lapse inversion performed within a deterministic framework. The MCMC inversion better constrains the water plumes due to the larger amount of prior information that is included in the algorithm. The conductivity changes needed to explain the time-lapse data are much larger than what is physically possible based on present day understandings. This issue may be related to the base resistivity model used, therefore indicating that more efforts should be given to obtain high-quality base models prior to dynamic experiments. The studies described herein give clear evidence that plane-wave EM methods are useful to characterize and monitor the subsurface at a wide range of scales. The presented approaches contribute to an improved appraisal of the obtained models, both in terms of the incorporation of prior information in the algorithms and the posterior uncertainty quantification. In addition, the developed strategies can be applied to other geophysical methods, and offer great flexibility to incorporate additional information when available.

Accurate calculations of intermolecular interaction energies using explicitly correlated coupled cluster wave functions and a dispersion-weighted MP2 method.

Explicitly correlated coupled-cluster calculations of intermolecular interaction energies for the S22 benchmark set of Jurecka, Sponer, Cerny, and Hobza (Chem. Phys. Phys. Chem. 2006, 8, 1985) are presented. Results obtained with the recently proposed CCSD(T)-F12a method and augmented double-zeta basis sets are found to be in very close agreement with basis set extrapolated conventional CCSD(T) results. Furthermore, we propose a dispersion-weighted MP2 (DW-MP2) approximation that combines the good accuracy of MP2 for complexes with predominately electrostatic bonding and SCS-MP2 for dispersion-dominated ones. The MP2-F12 and SCS-MP2-F12 correlation energies are weighted by a switching function that depends on the relative HF and correlation contributions to the interaction energy. For the S22 set, this yields a mean absolute deviation of 0.2 kcal/mol from the CCSD(T)-F12a results. The method, which allows obtaining accurate results at low cost, is also tested for a number of dimers that are not in the training set.

Simulations in evolution. II. Relative fitness and the propagation of mutants.

In Neo-Darwinism, variation and natural selection are the two evolutionary mechanisms which propel biological evolution. Our previous article presented a histogram model [1] consisting in populations of individuals whose number changed under the influence of variation and/or fitness, the total population remaining constant. Individuals are classified into bins, and the content of each bin is calculated generation after generation by an Excel spreadsheet. Here, we apply the histogram model to a stable population with fitness F(1)=1.00 in which one or two fitter mutants emerge. In a first scenario, a single mutant emerged in the population whose fitness was greater than 1.00. The simulations ended when the original population was reduced to a single individual. The histogram model was validated by excellent agreement between its predictions and those of a classical continuous function (Eqn. 1) which predicts the number of generations needed for a favorable mutation to spread throughout a population. But in contrast to Eqn. 1, our histogram model is adaptable to more complex scenarios, as demonstrated here. In the second and third scenarios, the original population was present at time zero together with two mutants which differed from the original population by two higher and distinct fitness values. In the fourth scenario, the large original population was present at time zero together with one fitter mutant. After a number of generations, when the mutant offspring had multiplied, a second mutant was introduced whose fitness was even greater. The histogram model also allows Shannon entropy (SE) to be monitored continuously as the information content of the total population decreases or increases. The results of these simulations illustrate, in a graphically didactic manner, the influence of natural selection, operating through relative fitness, in the emergence and dominance of a fitter mutant.

Seismic attenuation due to wave-induced fluid flow at microscopic and macroscopic scales

Wave-induced fluid flow at microscopic and mesoscopic scales arguably constitutes the major cause of intrinsic seismic attenuation throughout the exploration seismic and sonic frequency ranges. The quantitative analysis of these phenomena is, however, complicated by the fact that the governing physical processes may be dependent. The reason for this is that the presence of microscopic heterogeneities, such as micro-cracks or broken grain contacts, causes the stiffness of the so-called modified dry frame to be complex-valued and frequency-dependent, which in turn may affect the viscoelastic behaviour in response to fluid flow at mesoscopic scales. In this work, we propose a simple but effective procedure to estimate the seismic attenuation and velocity dispersion behaviour associated with wave-induced fluid flow due to both microscopic and mesoscopic heterogeneities and discuss the results obtained for a range of pertinent scenarios.

Bilateral symmetry of radial pulse in high-level tennis players : implications for the validity of central aortic pulse wave analysis

Rapport de synthèse Ce travail de thèse s'articule autour de l'importance de l'évaluation de la fonction vasculaire et des répercussions au niveau central, cardiaque, des perturbations du réseau vasculaire. Les maladies cardiovasculaires sont prédominantes dans notre société et causes de morbidité et mortalité importante. La mesure de la pression artérielle classique reste le moyen le plus utilisé pour suivre la santé des vaisseaux, mais ne reflète pas directement ce qui se passe au niveau du coeur. La tonométrie d'aplanation permet depuis quelques années de mesurer l'onde de pouls radial, et par le biais d'une fonction mathématique de transfert validée, il est possible d'en déduire la forme et Γ amplitude de l'onde de pouls central, donc de la pression aortique centrale. Cette dernière est un reflet bien plus direct de la post-charge cardiaque, et de nombreuses études cliniques actuelles s'intéressent à cette mesure pour stratifier le risque ou évaluer l'effet d'un traitement vasculaire. Toutefois, bien que cet outil soit de plus en plus utilisé, il est rarement précisé si la latéralité de la mesure joue un rôle, sachant que certaines propriétés des membres supérieurs peuvent être affectées par un usage préférentiel (masse musculaire, densité osseuse, diamètre des artères, capillarisation musculaire, et même fonction endothéliale). On a en effet observé que ces divers paramètre étaient tous augmentés sur un bras entraîné. Dès lors on peut se poser la question de l'influence de ces adaptations physiologiques sur la mesure indirecte effectuée par le biais du pouls radial. Nous avons investigué les deux membres supérieurs de sujets jeunes et sédentaires (SED), ainsi que ceux de sujets sportifs avec un développement fortement asymétrique des bras, soit des joueurs de tennis de haut niveau (TEN). Des mesures anthropométriques incluant la composition corporelle et la circonférence des bras et avant-bras ont montré que TEN présente une asymétrie hautement significative aux deux mesures entre le bras dominant (entraîné) et l'autre, ce qui est aussi présent pour la force de serrage (mesurée au dynamomètre de Jamar). L'analyse des courbes centrales de pouls ne montre aucune différence entre les deux membres dans chaque groupe, par contre on peut observer une différence entre SED et TEN, avec un index d'augmentation diastolique qui est 50 % plus élevé chez TEN. Les index d'augmentation systolique sont identiques dans les deux groupes. On peut retenir de cette étude la validité de la méthode de tonométrie d'aplanation quel que soit le bras utilisé (dominant ou non-dominant) et ce même si une asymétrie conséquente est présente. Ces données sont clairement nouvelles et permettent de s'affranchir de cette variable dans la mesure d'un paramètre cardiovasculaire dont l'importance est actuellement grandissante. Les différences d'index diastolique sont expliquées par la fréquence cardiaque et la vitesse de conduction de l'onde de pouls plus basses chez TEN, causant un retard diastolique du retour de l'onde au niveau central, phénomène précédemment bien décrit dans la littérature.

Viscoelasticity in Achilles Tendonopathy: Quantitative Assessment by Using Real-time Shear-Wave Elastography.

Purpose To investigate the differences in viscoelastic properties between normal and pathologic Achilles tendons ( AT Achilles tendon s) by using real-time shear-wave elastography ( SWE shear-wave elastography ). Materials and Methods The institutional review board approved this study, and written informed consent was obtained from 25 symptomatic patients and 80 volunteers. One hundred eighty ultrasonographic (US) and SWE shear-wave elastography studies of AT Achilles tendon s without tendonopathy and 30 studies of the middle portion of the AT Achilles tendon in patients with tendonopathy were assessed prospectively. Each study included data sets acquired at B-mode US (tendon morphology and cross-sectional area) and SWE shear-wave elastography (axial and sagittal mean velocity and relative anisotropic coefficient) for two passively mobilized ankle positions. The presence of AT Achilles tendon tears at B-mode US and signal-void areas at SWE shear-wave elastography were noted. Results Significantly lower mean velocity was shown in tendons with tendonopathy than in normal tendons in the relaxed position at axial SWE shear-wave elastography (P < .001) and in the stretched position at sagittal (P < .001) and axial (P = .0026) SWE shear-wave elastography . Tendon softening was a sign of tendonopathy in relaxed AT Achilles tendon s when the mean velocity was less than or equal to 4.06 m · sec(-1) at axial SWE shear-wave elastography (sensitivity, 54.2%; 95% confidence interval [ CI confidence interval ]: 32.8, 74.4; specificity, 91.5%; 95% CI confidence interval : 86.3, 95.1) and less than or equal to 5.70 m · sec(-1) at sagittal SWE shear-wave elastography (sensitivity, 41.7%; 95% CI confidence interval : 22.1, 63.3; specificity, 81.8%; 95% CI confidence interval : 75.3, 87.2) and in stretched AT Achilles tendon s, when the mean velocity was less than or equal to 4.86 m · sec(-1) at axial SWE shear-wave elastography (sensitivity, 66.7%; 95% CI confidence interval : 44.7, 84.3; specificity, 75.6%; 95% CI confidence interval : 68.5, 81.7) and less than or equal to 14.58 m · sec(-1) at sagittal SWE shear-wave elastography (sensitivity, 58.3%; 95% CI confidence interval : 36.7, 77.9; specificity, 83.5%; 95% CI confidence interval : 77.2, 88.7). Anisotropic results were not significantly different between normal and pathologic AT Achilles tendon s. Six of six (100%) partial-thickness tears appeared as signal-void areas at SWE shear-wave elastography . Conclusion Whether the AT Achilles tendon was relaxed or stretched, SWE shear-wave elastography helped to confirm and quantify pathologic tendon softening in patients with tendonopathy in the midportion of the AT Achilles tendon and did not reveal modifications of viscoelastic anisotropy in the tendon. Tendon softening assessed by using SWE shear-wave elastography appeared to be highly specific, but sensitivity was relatively low. © RSNA, 2014.

Constraints on the permeability structure of alluvial aquifers from the poro-elastic inversion of multi-frequency P-wave velocity logs

We have explored the possibility of obtaining first-order permeability estimates for saturated alluvial sediments based on the poro-elastic interpretation of the P-wave velocity dispersion inferred from sonic logs. Modern sonic logging tools designed for environmental and engineering applications allow one for P-wave velocity measurements at multiple emitter frequencies over a bandwidth covering 5 to 10 octaves. Methodological considerations indicate that, for saturated unconsolidated sediments in the silt to sand range and typical emitter frequencies ranging from approximately 1 to 30 kHz, the observable velocity dispersion should be sufficiently pronounced to allow one for reliable first-order estimations of the permeability structure. The corresponding predictions have been tested on and verified for a borehole penetrating a typical surficial alluvial aquifer. In addition to multifrequency sonic logs, a comprehensive suite of nuclear and electrical logs, an S-wave log, a litholog, and a limited number laboratory measurements of the permeability from retrieved core material were also available. This complementary information was found to be essential for parameterizing the poro-elastic inversion procedure and for assessing the uncertainty and internal consistency of corresponding permeability estimates. Our results indicate that the thus obtained permeability estimates are largely consistent with those expected based on the corresponding granulometric characteristics, as well as with the available evidence form laboratory measurements. These findings are also consistent with evidence from ocean acoustics, which indicate that, over a frequency range of several orders-of-magnitude, the classical theory of poro-elasticity is generally capable of explaining the observed P-wave velocity dispersion in medium- to fine-grained seabed sediments

Propagation dans l'environnement des microorganismes et autres particules organiques issus des élevages intensifs et conséquences pour la santé des riverains

Les élevages d'animaux de rente hébergent de plus en plus de bêtes. Cette situation génère une accumulation de poussière organique, constituée de particules inertes et de microorganismes, issus de la nourriture, de la litière, des matières fécales, des pellicules de la peau, des poils, etc. L'activité des animaux et l'activité professionnelle favorisent une remise en suspension de cette poussière, qui peut se propager à l'extérieur. Ces émissions de particules organiques dans l'environnement soulèvent des inquiétudes pour la santé des riverains. Ces craintes sont légitimes, puisque les problèmes respiratoires, allergiques ou toxiques sont bien connus chez les travailleurs agricoles exposés à de fortes doses de poussières organiques. Un autre risque sanitaire lié aux élevages intensifs d'animaux est la dissémination de bactéries résistantes aux antibiotiques dans l'environnement avec, pour éventuelle conséquence, une transmission de ces souches aux personnes résidant à proximité. Cette problématique est bien connue dans les élevages de porcs fréquemment colonisés par des SARM (Staphylococcus aureus résistant à la méticilline), qui sont transmis aux éleveurs. Les deux études analysées ci-dessous ont investigué cette problématique de dissémination des particules organiques dans l'environnement et les conséquences sur la santé des riverains. La première a étudié le lien entre le fait de résider à proximité de fermes d'élevage d'animaux et la prévalence de maladies respiratoires. La deuxième a étudié le risque de colonisation nasale par des SARM dans une population de vétérans vivant à proximité d'élevages intensifs de porcs.