Pore-scale modeling of two-phase flow instabilities in porous media

Les problèmes d'écoulements multiphasiques en média poreux sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications scientifiques et techniques ; comme la séquestration de C02, l'extraction de pétrole et la dépollution des aquifères. La complexité intrinsèque des systèmes multiphasiques et l'hétérogénéité des formations géologiques sur des échelles multiples représentent un challenge majeur pour comprendre et modéliser les déplacements immiscibles dans les milieux poreux. Les descriptions à l'échelle supérieure basées sur la généralisation de l'équation de Darcy sont largement utilisées, mais ces méthodes sont sujettes à limitations pour les écoulements présentant de l'hystérèse. Les avancées récentes en terme de performances computationnelles et le développement de méthodes précises pour caractériser l'espace interstitiel ainsi que la distribution des phases ont favorisé l'utilisation de modèles qui permettent une résolution fine à l'échelle du pore. Ces modèles offrent un aperçu des caractéristiques de l'écoulement qui ne peuvent pas être facilement observées en laboratoire et peuvent être utilisé pour expliquer la différence entre les processus physiques et les modèles à l'échelle macroscopique existants. L'objet premier de la thèse se porte sur la simulation numérique directe : les équations de Navier-Stokes sont résolues dans l'espace interstitiel et la méthode du volume de fluide (VOF) est employée pour suivre l'évolution de l'interface. Dans VOF, la distribution des phases est décrite par une fonction fluide pour l'ensemble du domaine et des conditions aux bords particulières permettent la prise en compte des propriétés de mouillage du milieu poreux. Dans la première partie de la thèse, nous simulons le drainage dans une cellule Hele-Shaw 2D avec des obstacles cylindriques. Nous montrons que l'approche proposée est applicable même pour des ratios de densité et de viscosité très importants et permet de modéliser la transition entre déplacement stable et digitation visqueuse. Nous intéressons ensuite à l'interprétation de la pression capillaire à l'échelle macroscopique. Nous montrons que les techniques basées sur la moyenne spatiale de la pression présentent plusieurs limitations et sont imprécises en présence d'effets visqueux et de piégeage. Au contraire, une définition basée sur l'énergie permet de séparer les contributions capillaires des effets visqueux. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'investigation des effets d'inertie associés aux reconfigurations irréversibles du ménisque causé par l'interface des instabilités. Comme prototype pour ces phénomènes, nous étudions d'abord la dynamique d'un ménisque dans un pore angulaire. Nous montrons que, dans un réseau de pores cubiques, les sauts et reconfigurations sont si fréquents que les effets d'inertie mènent à différentes configurations des fluides. A cause de la non-linéarité du problème, la distribution des fluides influence le travail des forces de pression, qui, à son tour, provoque une chute de pression dans la loi de Darcy. Cela suggère que ces phénomènes devraient être pris en compte lorsque que l'on décrit l'écoulement multiphasique en média poreux à l'échelle macroscopique. La dernière partie de la thèse s'attache à démontrer la validité de notre approche par une comparaison avec des expériences en laboratoire : un drainage instable dans un milieu poreux quasi 2D (une cellule Hele-Shaw avec des obstacles cylindriques). Plusieurs simulations sont tournées sous différentes conditions aux bords et en utilisant différents modèles (modèle intégré 2D et modèle 3D) afin de comparer certaines quantités macroscopiques avec les observations au laboratoire correspondantes. Malgré le challenge de modéliser des déplacements instables, où, par définition, de petites perturbations peuvent grandir sans fin, notre approche numérique apporte de résultats satisfaisants pour tous les cas étudiés. - Problems involving multiphase flow in porous media are of great interest in many scientific and engineering applications including Carbon Capture and Storage, oil recovery and groundwater remediation. The intrinsic complexity of multiphase systems and the multi scale heterogeneity of geological formations represent the major challenges to understand and model immiscible displacement in porous media. Upscaled descriptions based on generalization of Darcy's law are widely used, but they are subject to several limitations for flow that exhibit hysteric and history- dependent behaviors. Recent advances in high performance computing and the development of accurate methods to characterize pore space and phase distribution have fostered the use of models that allow sub-pore resolution. These models provide an insight on flow characteristics that cannot be easily achieved by laboratory experiments and can be used to explain the gap between physical processes and existing macro-scale models. We focus on direct numerical simulations: we solve the Navier-Stokes equations for mass and momentum conservation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. In the VOF the distribution of the phases is described by a fluid function (whole-domain formulation) and special boundary conditions account for the wetting properties of the porous medium. In the first part of this thesis we simulate drainage in a 2-D Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles. We show that the proposed approach can handle very large density and viscosity ratios and it is able to model the transition from stable displacement to viscous fingering. We then focus on the interpretation of the macroscopic capillary pressure showing that pressure average techniques are subject to several limitations and they are not accurate in presence of viscous effects and trapping. On the contrary an energy-based definition allows separating viscous and capillary contributions. In the second part of the thesis we investigate inertia effects associated with abrupt and irreversible reconfigurations of the menisci caused by interface instabilities. As a prototype of these phenomena we first consider the dynamics of a meniscus in an angular pore. We show that in a network of cubic pores, jumps and reconfigurations are so frequent that inertia effects lead to different fluid configurations. Due to the non-linearity of the problem, the distribution of the fluids influences the work done by pressure forces, which is in turn related to the pressure drop in Darcy's law. This suggests that these phenomena should be taken into account when upscaling multiphase flow in porous media. The last part of the thesis is devoted to proving the accuracy of the numerical approach by validation with experiments of unstable primary drainage in a quasi-2D porous medium (i.e., Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles). We perform simulations under different boundary conditions and using different models (2-D integrated and full 3-D) and we compare several macroscopic quantities with the corresponding experiment. Despite the intrinsic challenges of modeling unstable displacement, where by definition small perturbations can grow without bounds, the numerical method gives satisfactory results for all the cases studied.

Simulation of surface waves in porous media

We present a novel numerical algorithm for the simulation of seismic wave propagation in porous media, which is particularly suitable for the accurate modelling of surface wave-type phenomena. The differential equations of motion are based on Biot's theory of poro-elasticity and solved with a pseudospectral approach using Fourier and Chebyshev methods to compute the spatial derivatives along the horizontal and vertical directions, respectively. The time solver is a splitting algorithm that accounts for the stiffness of the differential equations. Due to the Chebyshev operator the grid spacing in the vertical direction is non-uniform and characterized by a denser spatial sampling in the vicinity of interfaces, which allows for a numerically stable and accurate evaluation of higher order surface wave modes. We stretch the grid in the vertical direction to increase the minimum grid spacing and reduce the computational cost. The free-surface boundary conditions are implemented with a characteristics approach, where the characteristic variables are evaluated at zero viscosity. The same procedure is used to model seismic wave propagation at the interface between a fluid and porous medium. In this case, each medium is represented by a different grid and the two grids are combined through a domain-decomposition method. This wavefield decomposition method accounts for the discontinuity of variables and is crucial for an accurate interface treatment. We simulate seismic wave propagation with open-pore and sealed-pore boundary conditions and verify the validity and accuracy of the algorithm by comparing the numerical simulations to analytical solutions based on zero viscosity obtained with the Cagniard-de Hoop method. Finally, we illustrate the suitability of our algorithm for more complex models of porous media involving viscous pore fluids and strongly heterogeneous distributions of the elastic and hydraulic material properties.

Growth mechanisms and timing of emplacement of a vertically layered mafic intrusion in the feeder zone of an ocean island volcano (Fuerteventura, Canary islands)

Résumé pour le grand public L'île de Fuerteventura (Canaries) offre l'occasion rare d'observer les racines d'un volcan océanique édifié il y a 25 à 30 millions d'années et complètement érodé. On y voit de nombreux petits plutons de forme et composition variées, témoignant d'autant d'épisodes de l'activité magmatique. L'un de ces plutons, appelé PX1, présente une structure inhabituelle formée d'une alternance de bandes verticales d'épaisseur métrique à hectométrique de roches sombres de composition pyroxénilique ou gabbroïque. Les pyroxénites résultent clairement de l'accumulation de cristaux de pyroxènes et non de la simple solidification d'un magma? Se pose dès lors la question de la nature du processus qui a conduit à l'accumulation verticale de niveaux concentrés en pyroxènes. En effet, les litages pyroxénitiques classiques sont subhorizontaux, car ils résultent de l'accumulation gravitaire des cristaux séparés du magma dont ils cristalli¬sent par sédimentation. Cette étude vise à identifier et comprendre les mécanismes qui ont engendré ce Iitage minéralogique vertical et l'im¬portant volume de ces faciès cumulatifs. Nous nous sommes également intéressés aux conditions de pression et de température régnant au moment de la mise en place du pluton, ainsi qu'à sa durée de vie et à sa vitesse de refroidis¬sement. Enfin une approche géochimique nous a permis de préciser la nature de la source mantellique des magmas liés à cette activité magmatique. PX1 est en réalité un complexe filonien formé à des conditions de pression et de température de 1-2 kbar et 1050- 1100°C; sa construction a nécessité au moins 150 km3 de magma. L'alternance d'horizons gabbroïques et pyroxéniti¬ques représente des injections successives de magma sous la forme de filons verticaux, mis en place dans un contexte régional en extension. L'étude des orientations des minéraux dans ces faciès révèle que les horizons gabbroïques enregistrent l'extension régionale, alors que les pyroxénites sont générées par une compaction au sein du pluton. Ceci suggère que le régime des contraintes, qui était extensif lors de l'initiation de la mise en place de PX1, est pério¬diquement devenu compressif au sein même du pluton. Cette compression serait liée à des cycles de mise en place où la vitesse de croissance du pluton dépassait celle de l'extension régionale. La différenciation observée au sein de chaque horizon, depuis des pyroxénites riches en olivine jusqu'à des pyroxé¬nites à plagioclase interstitiel et des gabbros, ainsi que la composition géochimique des minéraux qui les constituent suggèrent que chaque filon vertical s'est mis en place à partir d'un magma de composition identique, puis a évolué indépendamment des autres en fonction du régime thermique et du régime des contraintes local. Lorsque le magma en train de cristalliser s'est trouvé en compression, le liquide résiduel a été séparé des cristaux déjà formés et extrait du système, laissant derrière lui une accumulation de cristaux dont la nature et les proportions dépendaient du stade de cristallisation atteint par le magma au moment de l'extraction. Ainsi, les niveaux de pyroxénites à olivine (premier minéral à cristalliser) ont été formés lorsque le magma correspondant était encore peu cristallisé; à l'inverse, les py¬roxénites riches en plagioclase (minéral plus tardif dans la séquence de cristallisation) et certains gabbros à caractère cumulatif résultent d'une compression tardive dans le processus de cristallisation du filon concerné. Les liquides résiduels extraits des niveaux pyroxénitiques sont rarement observés dans PX1, certaines poches et filonets de com¬position anorthositique pourraient en être les témoins. L'essentiel de ces liquides a probablement gagné des niveaux supérieurs du pluton, voire la surface du volcan. L'origine du régime compressif périodique affectant les filons en voie de cristallisation est attribuée aux injections suivantes de magma au sein du pluton, qui se sont succédées à un rythme plus rapide que la vitesse de consolidation des filons. Des datations U/Pb de haute précision sur des cristaux de zircon et de baddeleyite ainsi que40Ar/39Ar sur des cris¬taux d'amphibole révèlent une initiation de la mise en place de PX1 il y a 22.1 ± 0,7 Ma; celle-ci a duré quelque 0,48 ± 0,22 à 0,52 ± 0,29 Ma. Ce laps de temps est compatible avec celui nécessaire à la cristallisation des filons individuels, qui va de moins d'une année lors de l'initiation du magmatisme à 5 ans lors du maximum d'activité de PX1. La présence de cristaux résorbés enregistrant une cristallisation complexe suggère l'existence d'une chambre mag¬matique convective sous-jacente à PX1 et périodiquement rechargée. Les compositions isotopiques des roches étu¬diées révèlent une source mantellique profonde de type point chaud avec une contribution du manteau lithosphéri- que métasomatisé présent sous les îles Canaries. Résumé L'intrusion mafique Miocène PX1 fait partie du soubassement superficiel (0.15-0.2 GPa, 1100 °Q d'un volcan d'île océanique. La particularité de ce pluton est l'existence d'alternances d'unités de gabbros et de pyroxénites qui met¬tent en évidence un litage magmatique vertical (NNE-SSW). Les horizons gabbroiques et pyroxénitiques sont constitués d'unités de différenciation métriques qui suggèrent tine mise en place par injections périodiques de filons verticaux de magma formant un complexe filonien. Chaque filon vertical a subi une différenciation parallèle à un front de solidification sub-vertical parallèle aux bords du filon. Les pyroxénites résultent du fractionnement et de l'accumulation d'olivine ± clinopyroxene ± plagioclase à partir d'un magma basaltique faiblement alcalin et sont interprétées comme étant des imités de différenciation tronquées dont le liquide interstitiel a été extrait par compaction. L'orientation préférentielle des clinopyroxènes dans ces pyroxe- nites (obtenues par analyse EBSD et micro-tomographique) révèle une composante de cisaillement simple dans la genèse de ces roches, ce qui confirme cette interprétation. La compaction des pyroxénites est probablement causée par a mise en place de filons de magma suivants. Le liquide interstitiel expulsé est probablement par ces derniers. Les clinopyroxènes des gabbros, montrent une composante de cisaillement pure suggérant qu'ils sont affectés par une déformation syn-magmatique parallèle aux zones de cisaillement NNE-SSW observées autour de PX1 et liées au contexte tectonique Miocène d'extension régionale. Ceci suggère que les gabbros sont liés à des taux de mise en place faibles à la fin de cycles d'activité magmatique et sont peu ou pas affectés par la compaction. L'initiation et la géométrie de PX1 sont donc contrôlées par le contexte tectonique régional d'extension alors que les taux et les volumes de magma dépendent de facteurs liés à la source. Des taux d'injection élevés résultent probable¬ment en une croissance du pluton supérieure à la place crée par cette extension. Dans ce cas de figure, la propagation des nouveaux dykes et l'inaptitude du magma à circuler à travers les anciens dykes cristallisés pourrait causer une augmentation de la pression non-lithostatique sur ces derniers, exprimée par un cisaillement simple et l'expulsion du liquide interstitiel qu'ils contiennent (documenté par les zones de collecte anorthositiques). Les compositions en éléments majeurs et traces des gabbros et pyroxenites de PX1 sont globalement homogènes et dépendent de la nature cumulative des échantillons. Cependant, de petites variations des concentrations en éléments traces ainsi que les teneurs en éléments traces des bordures de clinopyroxenes suggèrent que ces derniers ont subi un processus de rééquilibrage et de cristallisation in situ. L'homogénéité des compositions chimiques des échantillons, ainsi que la présence de grains de clinopyroxene résorbés suggère que le complexe filonien PX1 s'est mis en place au dessus d'une chambre magmatique périodiquement rechargée dans laquelle la convection est efficace. Chaque filon est donc issu d'un même magma, mais a subi une différenciation par cristallisation in situ (jusqu'à 70% de fraction¬nement) indépendamment des autres. Dans ces filons cristallisés, les minéraux cumulatifs subissent un rééquilibrage partiel avec les liquide interstitiel avant que ce dernier ne soit expulsé lors de la compaction (mettant ainsi un terme à la différenciation). Ce modèle de mise en place signifie qu'un minimum de 150Km3 de magma est nécessaire à la genèse de PX1, une partie de ce volume ayant été émis par le 'Central Volcanic Complex' de Fuerteventura. Les rapports isotopiques radiogéniques mesurés révèlent la contribution de trois pôles mantelliques dans la genèse du magma formant PX1. Le mélange de ces pôles HIMU, DMM et EM1 refléterai l'interaction du point chaud Cana¬rien avec un manteau lithosphérique hétérogène métasomatisé. Les petites variations de ces rapports et des teneurs en éléments traces au sein des faciès pourrait refléter des taux de fusion partielle variable de la source, résultant en un échantillonnage variable du manteau lithosphérique métasomatisé lors de son interaction avec le point chaud. Des datations U/Pb de haute précision (TIMS) sur des cristaux de zircon et de baddeleyite extraits de gabbros de PX1 révèlent que l'initiation de la cristallisation du magma a eu lieu il y a 22.10±0.07 Ma et que l'activité magmatique a duré un minimum de 0.48 à 0.52 Ma. Des âges 40Ar/39Ar obtenus sur amphibole sont de 21.9 ± 0.6 à 21.8 ± 0.3 Ma, identiques aux âges U/Pb. La combinaison de ces méthodes de datations, suggère que le temps maximum nécessaire à PX1 pour se refroidir en dessous de la température de fermeture de l'amphibole est de 0.8Ma. Ceci signifie que la durée de vie de PX1 est de 520 000 à 800 000 ans. La coexistence de cristaux de baddeleyite et de zircon dans un gabbro est attribuée à son interaction avec un fluide riche en C02 relâché par les carbonatites encaissantes lors du métamorphisme de contact généré par la mise en place de PX1 environ 160 000 ans après le début de sa mise en place. Les durées de vie obtenue sont en accord avec le modèle de mise en place suggérant une durée de cristallisation poux chaque filon allant de 1 an à 5 ans. Abstract The Miocene PX1 gabbro-pyroxenite intrusion (Fuerteventura, Canary Islands), is interpreted as the shallow-level feeder-zone (0.15-0.2 GPa and 1100-1120°C), to an ocean island volcano. The particularity of PX1 is that it displays a NNE-SSW trending vertical magmatic banding expressed by alternating gabbro and pyroxeriite sequences. The gabbro and pyroxenite sequences consist of metre-thick differentiation units, which suggest emplacement by pe¬riodic injection of magma pulses as vertical dykes that amalgamated, similarly to a sub-volcanic sheeted dyke com¬plex. Individual dykes underwent internal differentiation following a solidification front (favoured by a significant lateral/horizontal thermal gradient) parallel to the dyke edges. Pyroxenitic layers result from the fractionation and accumulation of clinopyroxene ± olivine ± plagioclase crystals from a mildly alkaline basaltic liquid and are interpre¬ted as truncated differentiation sequences, from which residual melts were extracted by compaction. Clinopyroxene mineral orientation in pyroxenites (evidenced by EBSD and micro X-ray tomography analysis) display a marked pure shear component, supporting this interpretation. Compaction and squeezing of the crystal mush is ascribed to the incoming and inflating magma pulses. The resulting expelled interstitial liquid was likely collected and erupted along with the magma flowing through the newly injected dykes. Gabbro sequences represent crystallised coalesced magma batches, emplaced at lower rates at the end of eruptive cycles, and underwent minor melt extraction as evi¬denced by clinopyroxene orientations that record a simple shear component suggesting syn-magmatic deformation parallel to observed NNF.-SSW trending shear-zones induced by the regional tensional Miocene stress-field. The initiation and geometry of PX1 is controlled by the regional extensional tectonic regime whereas rates and vo¬lumes of magma depend on source-related factors. High injection rates are likely to induce intrusion growth rates larger than could be accommodated by the regional extension. In this case, dyke tip geometry and the inability of magma to circulate through previously emplaced and crystallised dykes could result in an increase of non-lithostatic pressure on previously emplaced mushy dyke walls; generating strong pure-shear compaction and interstitial melt expulsion within the feeder-zone as recorded by the cumulitic pyroxenite bands and anorthositic collection zones. The whole-rock major and trace-element chemistry of PX1 gabbros and pyroxenites is globally homogeneous and controlled by the cumulate nature of the samples (i.e. on the modal proportions of olivine, pyroxene, plagioclase and oxides). However, small variations of whole-rock trace-element contents as well as trace-element contents of clinopyroxene rims suggest that in-situ re-equilibration and crystallisation has occurred. Additionally, the global homogeneity and presence of complex zoning of rare resorbed clinopyroxene crystals suggest that the PX1 feeder- zone overlies a periodically replenished and efficiently mixed magma chamber. Each individual dyke of magma thus originated from a compositionally constant mildly alkaline magma and differentiated independently from the others reaching up to 70% fractionation. Following dyke arrest these are affected by interaction with the trapped interstitial liquid prior to its compaction-linked expulsion (thus stopping the differentiation process). This emplacement model implies that minimum amount of approximately 150 km3 of magma is needed to generate PX1, part of it having been erupted through the overlying Central Volcanic Complex of Fuerteventura. The radiogenic isotope ratios of PX1 samples reveal the contribution on three end-members during magma genesis. This mixing of the H1MU, EMI and DMM end-members could reflect the interaction of the deep-seated Canarian mantle plume with a heterogeneous metasomatic and sepentininsed lithospheric mantle. Additionally, the observed trace-element and isotopic variations within the same fades groups could reflect varying degrees of partial melting of the source region, thus tapping more or less large areas of the metasomatised lithospheric mantle during interac¬tion with the plume. High precision ID-TIMS U/Pb zircon and baddeleyite ages from the PX1 gabbro samples, indicate initiation of magma crystallisation at 22.10 ± 0.07 Ma. The magmatic activity lasted a minimum of 0.48 to 0.52 Ma. 40Ar/39Ar amphibole ages are of 21.9 ± 0.6 to 21.8 ± 0.3, identical within errors to the U/Pb ages. The combination of the 40Ar/39Ar and U/Pb datasets imply that the maximum amount of time PX1 took to cool below amphibole Tc is 0.8 Ma, suggesting PX1 lifetime of 520 000 to 800 000 years. On top of this, the coexistence of baddeleyite and zircon in a single sample is ascribed to the interaction of PX1 with C02-rich carbonatite-derived fluids released from the host-rock carbonatites during contact metamorphism 160 000 years after PX1 initiation. These ages are in agreement with the emplacement model, implying a crystallisation time of less than 1 to 5 years for individual dykes.

Extension of Murray's law using a non-Newtonian model of blood flow.

BACKGROUND: So far, none of the existing methods on Murray's law deal with the non-Newtonian behavior of blood flow although the non-Newtonian approach for blood flow modelling looks more accurate. MODELING: In the present paper, Murray's law which is applicable to an arterial bifurcation, is generalized to a non-Newtonian blood flow model (power-law model). When the vessel size reaches the capillary limitation, blood can be modeled using a non-Newtonian constitutive equation. It is assumed two different constraints in addition to the pumping power: the volume constraint or the surface constraint (related to the internal surface of the vessel). For a seek of generality, the relationships are given for an arbitrary number of daughter vessels. It is shown that for a cost function including the volume constraint, classical Murray's law remains valid (i.e. SigmaR(c) = cste with c = 3 is verified and is independent of n, the dimensionless index in the viscosity equation; R being the radius of the vessel). On the contrary, for a cost function including the surface constraint, different values of c may be calculated depending on the value of n. RESULTS: We find that c varies for blood from 2.42 to 3 depending on the constraint and the fluid properties. For the Newtonian model, the surface constraint leads to c = 2.5. The cost function (based on the surface constraint) can be related to entropy generation, by dividing it by the temperature. CONCLUSION: It is demonstrated that the entropy generated in all the daughter vessels is greater than the entropy generated in the parent vessel. Furthermore, it is shown that the difference of entropy generation between the parent and daughter vessels is smaller for a non-Newtonian fluid than for a Newtonian fluid.

Sediment budget monitoring of debris-flow and bedload transport in the Manival Torrent, SE France

Steep mountain catchments typically experience large sediment pulses from hillslopes which are stored in headwater channels and remobilized by debris-flows or bedload transport. Event-based sediment budget monitoring in the active Manival debris-flow torrent in the French Alps during a two-year period gave insights into the catchment-scale sediment routing during moderate rainfall intensities which occur several times each year. The monitoring was based on intensive topographic resurveys of low- and high-order channels using different techniques (cross-section surveys with total station and high-resolution channel surveys with terrestrial and airborne laser scanning). Data on sediment output volumes from the main channel were obtained by a sediment trap. Two debris-flows were observed, as well as several bedload transport flow events. Sediment budget analysis of the two debris-flows revealed that most of the debris-flow volumes were supplied by channel scouring (more than 92%). Bedload transport during autumn contributed to the sediment recharge of high-order channels by the deposition of large gravel wedges. This process is recognized as being fundamental for debris-flow occurrence during the subsequent spring and summer. A time shift of scour-and-fill sequences was observed between low- and high-order channels, revealing the discontinuous sediment transfer in the catchment during common flow events. A conceptual model of sediment routing for different event magnitude is proposed.

Using digital RNA counting and flow cytometry to compare mRNA with protein expression in acute leukemias.

BACKGROUND: The diagnosis of malignant hematologic diseases has become increasingly complex during the last decade. It is based on the interpretation of results from different laboratory analyses, which range from microscopy to gene expression profiling. Recently, a method for the analysis of RNA phenotypes has been developed, the nCounter technology (Nanostring® Technologies), which allows for simultaneous quantification of hundreds of RNA molecules in biological samples. We evaluated this technique in a Swiss multi-center study on eighty-six samples from acute leukemia patients. METHODS: mRNA and protein profiles were established for normal peripheral blood and bone marrow samples. Signal intensities of the various tested antigens with surface expression were similar to those found in previously performed Affymetrix microarray analyses. Acute leukemia samples were analyzed for a set of twenty-two validated antigens and the Pearson Correlation Coefficient for nCounter and flow cytometry results was calculated. RESULTS: Highly significant values between 0.40 and 0.97 were found for the twenty-two antigens tested. A second correlation analysis performed on a per sample basis resulted in concordant results between flow cytometry and nCounter in 44-100% of the antigens tested (mean = 76%), depending on the number of blasts present in a sample, the homogeneity of the blast population, and the type of leukemia (AML or ALL). CONCLUSIONS: The nCounter technology allows for fast and easy depiction of a mRNA profile from hematologic samples. This technology has the potential to become a valuable tool for the diagnosis of acute leukemias, in addition to multi-color flow cytometry.

The Effect of Adding CO2 to Hypoxic Inspired Gas on Cerebral Blood Flow Velocity and Breathing during Incremental Exercise

Hypoxia increases the ventilatory response to exercise, which leads to hyperventilation-induced hypocapnia and subsequent reduction in cerebral blood flow (CBF). We studied the effects of adding CO2 to a hypoxic inspired gas on CBF during heavy exercise in an altitude naïve population. We hypothesized that augmented inspired CO2 and hypoxia would exert synergistic effects on increasing CBF during exercise, which would improve exercise capacity compared to hypocapnic hypoxia. We also examined the responsiveness of CO2 and O2 chemoreception on the regulation ventilation (E) during incremental exercise. We measured middle cerebral artery velocity (MCAv; index of CBF), E, end-tidal PCO2, respiratory compensation threshold (RC) and ventilatory response to exercise (E slope) in ten healthy men during incremental cycling to exhaustion in normoxia and hypoxia (FIO2 = 0.10) with and without augmenting the fraction of inspired CO2 (FICO2). During exercise in normoxia, augmenting FICO2 elevated MCAv throughout exercise and lowered both RC onset andE slope below RC (P<0.05). In hypoxia, MCAv and E slope below RC during exercise were elevated, while the onset of RC occurred at lower exercise intensity (P<0.05). Augmenting FICO2 in hypoxia increased E at RC (P<0.05) but no difference was observed in RC onset, MCAv, or E slope below RC (P>0.05). The E slope above RC was unchanged with either hypoxia or augmented FICO2 (P>0.05). We found augmenting FICO2 increased CBF during sub-maximal exercise in normoxia, but not in hypoxia, indicating that the 'normal' cerebrovascular response to hypercapnia is blunted during exercise in hypoxia, possibly due to an exhaustion of cerebral vasodilatory reserve. This finding may explain the lack of improvement of exercise capacity in hypoxia with augmented CO2. Our data further indicate that, during exercise below RC, chemoreception is responsive, while above RC the ventilatory response to CO2 is blunted.

Application des méthodes géophysiques à l'étude de deux sites (Kappelen et Grenchen) de l'aquifère poreux complexe du Seeland

L'aquifère du Seeland représente une richesse en ressources hydriques qu'il est impératif de préserver contre tout risque de détérioration. Cet aquifère prolifique est constitué principalement de sédiments alluviaux post-glaciaires (graviers, sables et limons). Il est soumis aux contraintes environnementales des pratiques d'agriculture intensive, du réseau routier, des villes et de leurs activités industrielles. La connaissance optimale de ces ressources est donc primordiale pour leur protection. Dans cette optique, deux sites Kappelen et Grenchen représentatifs de l'aquifère du Seeland ont été étudiés. L'objectif de ce travail est de caractériser d'un point de vue hydrogéophysique l'aquifère au niveau de ces deux sites, c'est-à-dire, comprendre la dynamique des écoulements souterrains par l'application des méthodes électriques de surface associées aux diagraphies en intégrant des méthodes hydrogéologiques. Pour le site de Kappelen, les méthodes électriques de surface ont permis d'identifier les différents faciès géoélectriques en présence et de mettre en évidence leur disposition en une structure tabulaire et horizontale. Il s'agit d'un aquifère libre constitué d'une série de graviers allant jusqu'à 15 m de profondeur reposant sur de la moraine argileuse. Les diagraphies électriques, nucléaires et du fluide ont servis à la détermination des caractéristiques pétrophysiques et hydrauliques de l'aquifère qui contrôlent son comportement hydrodynamique. Les graviers aquifères de Kappelen présentent deux minéraux dominants: quartz et calcite. Les analyses minéralogiques indiquent que ces deux éléments constituent 65 à 75% de la matrice. La porosité totale obtenue par les diagraphies nucléaires varie de 20 à 30 %, et de 22 à 29 % par diagraphies électrique. Avec les faibles valeurs de Gamma Ray ces résultats indiquent que l'aquifère des graviers de Kappelen est dépourvu d'argile minéralogique. La perméabilité obtenue par diagraphies du fluide varie de 3.10-4 à 5.10-2 m/s, et par essais de pompage de 10-4 à 10-2 m/s. Les résultats des analyses granulométriques indiquent une hétérogénéité granulométrique au niveau des graviers aquifères. La fraction de sables, sables très fins, silts et limons constitue de 10 à 40 %. Ces éléments jouent un rôle important dans le comportement hydraulique de l'aquifère. La porosité efficace de 11 à 25% estimée à partir des résultats des analyses granulométriques suppose que les zones les plus perméables correspondent aux zones les plus graveleuses du site. Etablie sur le site de Kappelen, cette méthodologie a été utilisée sur le site de Grenchen. Les méthodes électriques de surface indiquent que l'aquifère captif de Grenchen est constitué des sables silteux comprenant des passages sableux, encadrés par des silts argileux imperméables. L'aquifère de Grenchen est disposé dans une structure relativement tabulaire et horizontale. Son épaisseur totale peut atteindre les 25 m vers le sud et le sud ouest ou les passages sableux sont les plus importants. La détermination des caractéristiques pétrophysiques et hydrauliques s'est faite à l'aide des diagraphies. Les intensités Gamma Ray varient de 30 à 100 cps, les plus fortes valeurs n'indiquent qu'une présence d'éléments argileux mais pas de bancs d'argile. Les porosités totales de 15 à 25% et les densités globales de 2.25 à 2.45 g/cm3 indiquent que la phase minérale (matrice) est composée essentiellement de quartz et de calcaire. Les densités de matrice varient entre 2.65 et 2.75 g/cm3. La perméabilité varie de 2 10-6 à 5 10-4 m/s. La surestimation des porosités totales à partir des diagraphies électriques de 25 à 42% est due à la présence d'argiles. -- The vast alluvial Seeland aquifer system in northwestern Switzerland is subjected to environmental challenges due to intensive agriculture, roads, cities and industrial activities. Optimal knowledge of the hydrological resources of this aquifer system is therefore important for their protection. Two representative sites, Kappelen and Grenchen, of the Seeland aquifer were investigated using surface-based geoelectric methods and geophysical borehole logging methods. By integrating of hydrogeological and hydrogeophysical methods, a reliable characterization of the aquifer system at these two sites can be performed in order to better understand the governing flow and transport process. At the Kappelen site, surface-based geoelectric methods allowed to identify various geoelectric facies and highlighted their tabular and horizontal structure. It is an unconfined aquifer made up of 15 m thick gravels with an important sandy fraction and bounded by a shaly glacial aquitard. Electrical and nuclear logging measurements allow for constraining the petrophysical and hydrological parameters of saturated gravels. Results indicate that in agreement with mineralogical analyses, matrix of the probed formations is dominated by quartz and calcite with densities of 2.65 and 2.71 g/cc, respectively. These two minerals constitute approximately 65 to 75 % of the mineral matrix. Matrix density values vary from 2.60 to 2.75 g/cc. Total porosity values obtained from nuclear logs range from 20 to 30 % and are consistent with those obtained from electrical logs ranging from 22 to 29 %. Together with the inherently low natural gamma radiation and the matrix density values obtained from other nuclear logging measurements, this indicates that at Kappelen site the aquifer is essentially devoid of clay. Hydraulic conductivity values obtained by the Dilution Technique vary between 3.10-4 and 5.10-2 m/s, while pumping tests give values ranging from 10-4 to 10-2 m/s. Grain size analysis of gravel samples collected from boreholes cores reveal significant granulometric heterogeneity of these deposits. Calculations based on these granulometric data have shown that the sand-, silt- and shale-sized fractions constitute between 10 and 40 % of the sample mass. The presence of these fine elements in general and their spatial distribution in particular are important as they largely control the distribution of the total and effective porosity as well as the hydraulic conductivity. Effective porosity values ranging from 11 to 25% estimated from grain size analyses indicate that the zones of higher hydraulic conductivity values correspond to the zones dominated by gravels. The methodology established at the Kappelen site was then applied to the Grenchen site. Results from surface-based geoelectric measurements indicate that it is a confined aquifer made up predominantly of shaly sands with intercalated sand lenses confined impermeable shally clay. The Grenchen confined aquifer has a relatively tabular and horizontal structure with a maximum thickness of 25 m in the south and the southwest with important sand passages. Petrophysical and hydrological characteristics were performed using electrical and nuclear logging. Natural gamma radiation values ranging from 30 to 100 cps indicate presence of a clay fraction but not of pure clay layers. Total porosity values obtained from electrical logs vary form 25 to 42%, whereas those obtained from nuclear logs values vary from 15 to 25%. This over-estimation confirms presences of clays. Density values obtained from nuclear logs varying from 2.25 to 2.45 g/cc in conjunction with the total porosity values indicate that the dominating matrix minerals are quartz and calcite. Matrix density values vary between 2.65 and 2.75 g/cc. Hydraulic conductivity values obtained by the Dilution Technique vary from 2 10-6 to 5 10-4 m/s.

Extending the canopy flow model for natural, highly flexible macrophyte canopies

Flow structures above vegetation canopies have received much attention within terrestrial and aquatic literature. This research has led to a good process understanding of mean and turbulent canopy flow structure. However, much of this research has focused on rigid or semi-rigid vegetation with relatively simple morphology. Aquatic macrophytes differ from this form, exhibiting more complex morphologies, predominantly horizontal posture in the flow and a different force balance. While some recent studies have investigated such canopies, there is still the need to examine the relevance and applicability of general canopy layer theory to these types of vegetation. Here, we report on a range of numerical experiments, using both semi-rigid and highly flexible canopies. The results for the semi-rigid canopies support existing canopy layer theory. However, for the highly flexible vegetation, the flow pattern is much more complex and suggests that a new canopy model may be required.