Nucleation and growth of metamorphic minerals in contact aureoles

THESIS ABSTRACT Nucleation and growth of metamorphic minerals are the consequence of changing P-T-X-conditions. The thesis presented here focuses on processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments using a combination of geochemical analytics (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data, and numerical models. It is shown, that a combination of textural modeling and stable isotope analysis allows a distinction between several possible reaction paths for olivine growth in a siliceous dolomite contact aureole. It is suggested that olivine forms directly from dolomite and quartz. The formation of olivine from this metastable reaction implies metamorphic crystallization far from equilibrium. As a major consequence, the spatial distribution of metamorphic mineral assemblages in a contact aureole cannot be interpreted as a proxy for the temporal evolution of a single rock specimen, because each rock undergoes a different reaction path, depending on temperature, heating rate, and fluid-infiltration rate. A detailed calcite-dolomite thermometry study was initiated on multiple scales ranging from aureole scale to the size of individual crystals. Quantitative forward models were developed to evaluate the effect of growth zoning, volume diffusion and the formation of submicroscopic exsolution lamellae (<1 µm) on the measured Mg-distribution in individual calcite crystals and compare the modeling results to field data. This study concludes that Mg-distributions in calcite grains of the Ubehebe Peak contact aureole are the consequence of rapid crystal growth in combination with diffusion and exsolution. The crystallization history of a rock is recorded in the chemical composition, the size and the distribution of its minerals. Near the Cima Uzza summit, located in the southern Adamello massif (Italy), contact metamorphic brucite bearing dolomite marbles are exposed as xenoliths surrounded by mafic intrusive rocks. Brucite is formed retrograde pseudomorphing spherical periclase crystals. Crystal size distributions (CSD's) of brucite pseudomorphs are presented for two profiles and combined with geochemistry data and petrological information. Textural analyses are combined with geochemistry data in a qualitative model that describes the formation periclase. As a major outcome, this expands the potential use of CSD's to systems of mineral formation driven by fluid-infiltration. RESUME DE LA THESE La nucléation et la croissance des minéraux métamorphiques sont la conséquence de changements des conditions de pression, température et composition chimique du système (PT-X). Cette thèse s'intéresse aux processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux au cours d'un épisode de métamorphisme de contact, en utilisant la géochimie analytique (composition chimique, isotopique et en éléments traces), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique. Il est montré que la combinaison d'un modèle textural avec des analyses en isotopes stables permet de distinguer plusieurs chemins de réactions possibles conduisant à la croissance de l'olivine dans une auréole de contact riche en Silice et dolomite. Il est suggéré que l'olivine se forme directement à partir de la dolomie et du quartz. Cette réaction métastable de formation de l'olivine implique une cristallisation métamorphique loin de l'équilibre. La principale conséquence est que la distribution spatiale des assemblages de minéraux métamorphiques dans une auréole de contact ne peut pas être considérée comme un témoin de l'évolution temporelle d'un type de roche donné, puisque chaque type de roche suit différents chemins de réactions, en fonction de la température, la vitesse de réchauffement et le taux d'infiltration du fluide. Une étude thermométrique calcite-dolomite détaillée a été réalisée à diverses échelles, depuis l'échelle de l'auréole de contact jusqu'à l'échelle du cristal. Des modèles numériques quantitatifs ont été développés pour évaluer l'effet des zonations de croissance, de la diffusion volumique et de la formation de lamelles d'exsolution submicroscopiques (<1µm) sur la distribution du magnésium mesuré dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats de ce modèle ont été comparés ä des échantillons naturels. Cette étude montre que la distribution du Mg dans les grains de calcite de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA) résulte d'une croissance cristalline rapide, associée aux processus de diffusion et d'exsolution. L'histoire de cristallisation d'une roche est enregistrée dans la composition chimique, la taille et la distribution de ses minéraux. Près du sommet Cima Uzza situé au sud du massif d'Adamello (Italie), des marbres dolomitiques à brucite du métamorphisme de contact forment des xénolithes dans une intrusion mafique. La brucite constitue des pseudomorphes rétrogrades du périclase. Les distributions de taille des cristaux (CSD) des pseudomorphes de brucite sont présentées pour deux profiles et sont combinées aux données géochimiques et pétrologiques. Les analyses textorales sont combinées aux données géochimiques dans un modèle qualitatif qui décrit la formation du périclase. Ceci élargit l'utilisation potentielle de la C5D aux systèmes de formation de minéraux controlés par les infiltrations fluides. THESIS ABSTRACT (GENERAL PUBLIC) Rock textures are essentially the result of a complex interaction of nucleation, growth and deformation as a function of changing physical conditions such as pressure and temperature. Igneous and metamorphic textures are especially attractive to study the different mechanisms of texture formation since most of the parameters like pressure-temperature-paths are quite well known for a variety of geological settings. The fact that textures are supposed to record the crystallization history of a rock traditionally allowed them to be used for geothermobarometry or dating. During the last decades the focus of metamorphic petrology changed from a static point of view, i.e. the representation of a texture as one single point in the petrogenetic grid towards a more dynamic view, where multiple metamorphic processes govern the texture formation, including non-equilibrium processes. This thesis tries to advance our understanding on the processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments and their dynamic interplay by using a combination of geochemical analyses (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data and numerical models. In a first part the thesis describes the formation of metamorphic olivine porphyroblast in the Ubehebe Peak contact aureole (USA). It is shown that not the commonly assumed succession of equilibrium reactions along a T-t-path formed the textures present in the rocks today, but rather the presence of a meta-stable reaction is responsible for forming the olivine porphyroblast. Consequently, the spatial distribution of metamorphic minerals within a contact aureole can no longer be regarded as a proxy for the temporal evolution of a single rock sample. Metamorphic peak temperatures for samples of the Ubehebe Peak contact aureole were determined using calcite-dolomite. This geothermometer is based on the temperature-dependent exchange of Mg between calcite and dolomite. The purpose of the second part of this thesis was to explain the interfering systematic scatter of measured Mg-content on different scales and thus to clarify the interpretation of metamorphic temperatures recorded in carbonates. Numerical quantitative forward models are used to evaluate the effect of several processes on the distribution of magnesium in individual calcite crystals and the modeling results were then compared to measured field. Information about the crystallization history is not only recorded in the chemical composition of grains, like isotope composition or mineral zoning. Crystal size distributions (CSD's) provide essential information about the complex interaction of nucleation and growth of minerals. CSD's of brucite pseudomorphs formed retrograde after periclase of the southern Adamello massif (Italy) are presented. A combination of the textural 3D-information with geochemistry data is then used to evaluate reaction kinetics and to constrain the actual reaction mechanism for the formation of periclase. The reaction is shown to be the consequence of the infiltration of a limited amount of a fluid phase at high temperatures. The composition of this fluid phase is in large disequilibrium with the rest of the rock resulting in very fast reaction rates. RESUME DE LA THESE POUR LE GRAND PUBLIC: La texture d'une roche résulte de l'interaction complexe entre les processus de nucléation, croissance et déformation, en fonction des variations de conditions physiques telles que la pression et la température. Les textures ignées et métamorphiques présentent un intérêt particulier pour l'étude des différents mécanismes à l'origine de ces textures, puisque la plupart des paramètres comme les chemin pression-température sont relativement bien contraints dans la plupart des environnements géologiques. Le fait que les textures soient supposées enregistrer l'histoire de cristallisation des roches permet leur utilisation pour la datation et la géothermobarométrie. Durant les dernières décennies, la recherche en pétrologie métamorphique a évolué depuis une visualisation statique, c'est-à-dire qu'une texture donnée correspondait à un point unique de la grille pétrogénétique, jusqu'à une visualisation plus dynamique, où les multiples processus métamorphiques qui gouvernent 1a formation d'une texture incluent des processus hors équilibre. Cette thèse a pour but d'améliorer les connaissances actuelles sur les processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux lors d'épisodes de métamorphisme de contact et l'interaction dynamique existant entre nucléation et croissance. Pour cela, les analyses géochimiques (compositions chimiques en éléments majeurs et traces et composition isotopique), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique ont été combinés. Dans la première partie, cette thèse décrit la formation de porphyroblastes d'olivine métamorphique dans l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA). Il est montré que la succession généralement admise des réactions d'équilibre le long d'un chemin T-t ne peut pas expliquer les textures présentes dans les roches aujourd'hui. Cette thèse montre qu'il s'agirait plutôt d'une réaction métastable qui soit responsable de la formation des porphyroblastes d'olivine. En conséquence, la distribution spatiale des minéraux métamorphiques dans l'auréole de contact ne peut plus être interprétée comme le témoin de l'évolution temporelle d'un échantillon unique de roche. Les pics de température des échantillons de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak ont été déterminés grâce au géothermomètre calcite-dolomite. Celui-ci est basé sur l'échange du magnésium entre la calcite et la dolomite, qui est fonction de la température. Le but de la deuxième partie de cette thèse est d'expliquer la dispersion systématique de la composition en magnésium à différentes échelles, et ainsi d'améliorer l'interprétation des températures du métamorphisme enregistrées dans les carbonates. Des modèles numériques quantitatifs ont permis d'évaluer le rôle de différents processus sur la distribution du magnésium dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats des modèles ont été comparés aux échantillons naturels. La composition chimique des grains, comme la composition isotopique ou la zonation minérale, n'est pas le seul témoin de l'histoire de la cristallisation. La distribution de la taille des cristaux (CSD) fournit des informations essentielles sur les interactions entre nucléation et croissance des minéraux. La CSD des pseudomorphes de brucite retrograde formés après le périclase dans le sud du massif Adamello (Italie) est présentée dans la troisième partie. La combinaison entre les données textorales en trois dimensions et les données géochimiques a permis d'évaluer les cinétiques de réaction et de contraindre les mécanismes conduisant à la formation du périclase. Cette réaction est présentée comme étant la conséquence de l'infiltration d'une quantité limitée d'une phase fluide à haute température. La composition de cette phase fluide est en grand déséquilibre avec le reste de la roche, ce qui permet des cinétiques de réactions très rapides.

Prothèses totales de genoux. Analyse clinique et numérique des micromouvements de l'implant tibial [Total knee prosthesis. Clinical and numerical study of micromovements of the tibial implant].

INTRODUCTION: The importance of the micromovements in the mechanism of aseptic loosening is clinically difficult to evaluate. To complete the analysis of a series of total knee arthroplasties (TKA), we used a tridimensional numerical model to study the micromovements of the tibial implant. MATERIAL AND METHODS: Fifty one patients (with 57 cemented Porous Coated Anatomic TKAs) were reviewed (mean follow-up 4.5 year). Radiolucency at the tibial bone-cement interface was sought on the AP radiographs and divided in 7 areas. The distribution of the radiolucency was then correlated with the axis of the lower limb as measured on the orthoradiograms. The tridimensional numerical model is based on the finite element method. It allowed the measurement of the cemented prosthetic tibial implant's displacements and the micromovements generated at bone-ciment interface. A total load (2000 Newton) was applied at first vertically and asymetrically on the tibial plateau, thereby simulating an axial deviation of the lower limbs. The vector's posterior inclination then permitted the addition of a tangential component to the axial load. This type of effort is generated by complex biomechanical phenomena such as knee flexion. RESULTS: 81 per cent of the 57 knees had a radiolucent line of at least 1 mm, at one or more of the tibial cement-epiphysis jonctional areas. The distribution of these lucent lines showed that they came out more frequently at the periphery of the implant. The lucent lines appeared most often under the unloaded margin of the tibial plateau, when axial deviation of lower limbs was present. Numerical simulations showed that asymetrical loading on the tibial plateau induced a subsidence of the loaded margin (0-100 microns) and lifting off at the opposite border (0-70 microns). The postero-anterior tangential component induced an anterior displacement of the tibial implant (160-220 microns), and horizontal micromovements with non homogenous distribution at the bone-ciment interface (28-54 microns). DISCUSSION: Comparison of clinical and numerical results showed a relation between the development of radiolucent lines and the unloading of the tibial implant's margin. The deleterious effect of lower limbs' axial deviation is thereby proven. The irregular distribution of lucent lines under the tibial plateau was similar of the micromovements' repartition at the bone-cement interface when tangential forces were present. A causative relation between the two phenomenaes could not however be established. Numerical simulation is a truly useful method of study; it permits to calculate micromovements which are relative, non homogenous and of very low amplitude. However, comparative clinical studies remain as essential to ensure the credibility of results.

Vers une gestion de la nature en termes d'action publique : analyse d'une dynamique d'appropriation des ressources végétales à Tobré, Nord Bénin

Cette étude se fonde sur des recherches ethnographiques menées autour de la mise en oeuvre d'une politique publique de gestion de la nature à Tobré, une région baatonu au Bénin. L'étude se place dans une dynamique d'appropriation des ressources naturelles en rapport avec l'entrée en jeu de multiples acteurs publics et privés dans l'arène locale de gestion de la nature. En effet, ces acteurs ont acquis ces dernières années de l'expérience et de l'efficacité à la faveur des changements institutionnels et politiques et s'incluent davantage dans le processus de décision au point de suppléer l'Etat dans les actions qui étaient ses prérogatives. L'étude met en lumière les rapports de conflits, de compétitions, de concurrence ou de compromis autour des enjeux sociaux, politiques et économiques de protection de la nature. Elle décrit et analyse les formes d'interactions entre les différents acteurs individuels, collectifs et institutionnels, afin de voir en quoi ces interactions participent du processus de mobilisation d'acteurs locaux et de confrontation de vision, qui finalement définit et oriente les politiques locales de protection de la nature. Pour atteindre cet objectif, l'étude mobilise des apports théoriques de plusieurs disciplines, notamment de la socio- anthropologie du développement, de l'histoire et de la sociologie politique. Elle repose également sur des données empiriques collectées à partir d'une combinaison d'outils techniques, des entretiens et des observations jusqu'au dépouillement de presse et des études de cas. Les principaux résultats montrent que les acteurs locaux, particulièrement les comités de gestion sont parvenus à inscrire la gestion des ressources naturelles dans l'espace public à travers les débats dans les médias, les forums, les marches de protestation, etc. De fait, ils ont été capables d'influer sur le processus de définition et de mise en oeuvre des politiques locales de protection de la nature et donc de reconfigurer l'arène locale de gestion des ressources naturelles. Ce qui amène l'Etat et ses services déconcentrés, en premier lieu les services des Eaux et Forêts et la mairie à pactiser avec ces différents comités, sans pour autant perdre de leur notoriété. Au contraire, ils participent de la gouvernance de l'ensemble des actions et permettent de mettre en place des formes de gestion négociée. - This is an ethnographic research on the implementation of a public policy for the management of natural resources in Tobre, a baatonu village in Benin. The study focuses on the dynamic of natural resources ownership in a context of multiple stakeholders in the public and private sectors. In recent years, these stakeholders have become more experienced and efficient as a result of several institutional and policy changes. The stakeholders are more involved in the decision making process to the point that they can complement the role of the State in natural resources management. This study highlights the conflicts, competition, or compromise associated with the social, political and economic constraints of nature conservation. The interactions between individual, collective and institutional stakeholders were analyzed, to understand their role in the process of mobilizing local stakeholders and confronting their visions. This process ultimately defines and guides local policies on the management of nature. To achieve this goal, this study combined theoretical approaches from developmental socio-anthropology, history and political sociology with empirical data collected using interviews, observations, newspapers analysis and case studies. The results show that local stakeholders, particularly the management committees, were successful at introducing the need for sustainable natural resource management in the mainstream public discourse through the media, forums, and demonstrations. They were able to influence the process of identifying and implementing local policies on nature conservancy. This has encouraged the State, through its forestry services, and the district mayors to collaborate with these committees in the shared governance of natural resources.

A la recherche d'une dynamique perdue: la politique suisse des drogues à l'épreuve du temps.

Le modèle des 4 piliers de notre politique drogues sert volontiers d'exemple dans les discussions en cours sur une politique intégrée des substances psychotropes. Si des succès importants ont été obtenus, il convient cependant de ne pas sombrer dans un satisfecit complaisant sur la réalité de notre politique drogues. Malgré l'ancrage législatif des 4 piliers, de nombreux défis demeurent.

Comparaison objective de systèmes d'imagerie conventionnelle et numérique en mammographie

L'objectif de ce travail est le développement d'une méthode de caractérisation objective de la qualité d'image s'appliquant à des systèmes de mammographie analogique, utilisant un couple écran-film comme détecteur, et numérique, basé sur une technologie semi-conductrice, ceci en vue de la comparaison de leurs performances. La méthode développée tient compte de la gamme dynamique du détecteur, de la détectabilité de structures de haut contraste, simulant des microcalcifications, et de structures de bas contraste, simulant des opacités (nodules tumoraux). La méthode prend également en considération le processus de visualisation de l'image, ainsi que la réponse de l'observateur. Pour réaliser ceci, un objet-test ayant des propriétés proches de celles d'un sein comprimé, composé de différents matériaux équivalents aux tissus, allant du glandulaire à l'adipeux, et comprenant des zones permettant la simulation de structures de haut et bas contraste, ainsi que la mesure de la résolution et celle du bruit, a été développé et testé. L'intégration du processus de visualisation a été réalisée en utilisant une caméra CCD mesurant directement les paramètres de qualité d'image, à partir de l'image de l'objet-test, dans une grandeur physique commune au système numérique et analogique, à savoir la luminance arrivant sur l'oeil de l'observateur. L'utilisation d'une grandeur synthétique intégrant dans un même temps, le contraste, le bruit et la résolution rend possible une comparaison objective entre les deux systèmes de mammographie. Un modèle mathématique, simulant la réponse d'un observateur et intégrant les paramètres de base de qualité d'image, a été utilisé pour calculer la détectabilité de structures de haut et bas contraste en fonction du type de tissu sur lequel celles-ci se trouvent. Les résultats obtenus montrent qu'à dose égale la détectabilité des structures est significativement plus élevée avec le système de mammographie numérique qu'avec le système analogique. Ceci est principalement lié au fait que le bruit du système numérique est plus faible que celui du système analogique. Les résultats montrent également que la méthodologie, visant à comparer des systèmes d'imagerie numérique et analogique en utilisant un objet-test à large gamme dynamique ainsi qu'une caméra, peut être appliquée à d'autres modalités radiologiques, ainsi qu'à une démarche d'optimisation des conditions de lecture des images.<br/><br/>The goal of this work was to develop a method to objectively compare the performance of a digital and a screen-film mammography system in terms of image quality and patient dose. We propose a method that takes into account the dynamic range of the image detector and the detection of high contrast (for microcalcifications) and low contrast (for masses or tumoral nodules) structures. The method also addresses the problems of image visualization and the observer response. A test object, designed to represent a compressed breast, was constructed from various tissue equivalent materials ranging from purely adipose to purely glandular composition. Different areas within the test object permitted the evaluation of low and high contrast detection, spatial resolution, and image noise. All the images (digital and conventional) were captured using a CCD camera to include the visualization process in the image quality assessment. In this way the luminance reaching the viewer?s eyes can be controlled for both kinds of images. A global quantity describing image contrast, spatial resolution and noise, and expressed in terms of luminance at the camera, can then be used to compare the two technologies objectively. The quantity used was a mathematical model observer that calculates the detectability of high and low contrast structures as a function of the background tissue. Our results show that for a given patient dose, the detection of high and low contrast structures is significantly better for the digital system than for the conventional screen-film system studied. This is mainly because the image noise is lower for the digital system than for the screen-film detector. The method of using a test object with a large dynamic range combined with a camera to compare conventional and digital imaging modalities can be applied to other radiological imaging techniques. In particular it could be used to optimize the process of radiographic film reading.