Geochemistry of the thermal springs and fumaroles of Basse-Terre Island, Guadeloupe, Lesser Antilles

The purpose of this work was to study jointly the volcanic-hydrothermal system of the high-risk volcano La Soufriere, in the southern part of Basse-Terre, and the geothermal area of Bouillante, on its western coast, to derive an all-embracing and coherent conceptual geochemical model that provides the necessary basis for adequate volcanic surveillance and further geothermal exploration. The active andesitic dome of La Soufriere has erupted eight times since 1660, most recently in 1976-1977. All these historic eruptions have been phreatic. High-salinity, Na-CI geothermal liquids circulate in the Bouillante geothermal reservoir, at temperatures close to 250 degrees C. These Na-CI solutions rise toward the surface, undergo boiling and mixing with groundwater and/or seawater, and feed most Na-CI thermal springs in the central Bouillante area. The Na-Cl thermal springs are surrounded by Na-HCO3 thermal springs and by the Na-Cl thermal spring of Anse a la Barque (a groundwater slightly mixed with seawater), which are all heated through conductive transfer. The two main fumarolic fields of La Soufriere area discharge vapors formed through boiling of hydrothermal aqueous solutions at temperatures of 190-215 degrees C below the ``Ty'' fault area and close to 260 degrees C below the dome summit. The boiling liquid producing the vapors of the Ty fault area has SD and delta(18)O values relatively similar to those of the Na-CI liquids of the Bouillante geothermal reservoir, whereas the liquid originating the vapors of the summit fumaroles is strongly enriched in O-18, due to input of magmatic fluids from below. This process is also responsible for the paucity of CH;I in the fumaroles. The thermal features around La Soufriere dome include: (a) Ca-SO4 springs, produced through absorption of hydrothermal vapors in shallow groundwaters; (b) conductively heated, Ca-Na-HCO3 springs; and (c) two Ca-Na-Cl springs produced through mixing of shallow Ca-SO4 waters and deep Na-Cl hydrothermal liquids. The geographical distribution of the different thermal features of La Soufriere area indicates the presence of: (a) a central zone dominated by the ascent of steam, which either discharges at the surface in the fumarolic fields or is absorbed in shallow groundwaters; and (b) an outer zone, where the shallow groundwaters are heated through conduction or addition of Na-Cl liquids coming from hydrothermal aquifer(s).

Métaphysique de l'art et esthétique du goût : une relecture dialogique d'Alexander Gottlieb Baumgarten

La présente recherche se propose de désobstruer un certain nombre de catégories « esthétiques », au sens étendu du terme, de leur métaphysique implicite. La thèse que je souhaite défendre se présente sous la forme d'un paradoxe : d'une part, le sens originel d'« esthétique » a été perdu de vue, d'autre part, malgré cet oubli, quiconque s'interroge philosophiquement sur les beaux-arts reçoit, nolens volens, Baumgarten en héritage. Avec AEsthetica (1750/1758), ouvrage inachevé et hautement problématique, nous pourrions dire, citant René Char, qu'il s'agit-là d'un « héritage précédé d'aucun testament ». En d'autres termes, ce qui nous échoit nous occupe, voire nous préoccupe, sans que nous disposions des outils conceptuels pour nous y rapporter librement. Soyons clairs, je ne soutiens pas que l'esthétique philosophique, telle qu'elle s'énonce à ses débuts, soit un passage obligé pour penser l'art, et ce d'autant plus qu'il ne s'agit pas d'un passage, mais proprement d'une impasse. Ce que je veux dire, c'est que Kant répond à Baumgarten, et que Hegel répond à Kant et ainsi de suite. Il n'y a pas de tabula rasa dans l'histoire de la pensée, et l'oubli de l'historicité d'une pensée est le meilleur moyen de la neutraliser en simple supplément culturel, tout en demeurant entièrement captifs de ses présupposés.Au départ, la question qui motivait implicitement la rédaction de cette recherche se formulait ainsi : « Dans quelle mesure la philosophie énonce-t-elle quelque chose d'important au sujet des beaux-arts ? » Au fil du temps, la question s'est inversée pour devenir : « Qu'est-ce que les écrits sur les beaux- arts, tels qu'ils foisonnent au 18e siècle, nous enseignent à propos de la philosophie et des limites inhérentes à sa manière de questionner ?» Et gardons-nous de penser qu'une telle inversion cantonne la question de l'esthétique, au sens très large du terme, à n'être qu'une critique immanente à l'histoire de la philosophie. Si la philosophie était une « discipline » parmi d'autres, un « objet » d'étude possible dans la liste des matières universitaires à choix, elle ne vaudrait pas, à mon sens, une seule heure de peine. Mais c'est bien parce que la philosophie continue à orienter la manière dont nous nous rapportons au « réel », au « monde » ou à l'« art » - je place les termes entre guillemets pour indiquer qu'il s'agit à la fois de termes usuels et de concepts philosophiques - que les enjeux de la question de l'esthétique, qui est aussi et avant tout la question du sentir, excèdent l'histoire de la philosophie.Pour introduire aux problèmes soulevés par l'esthétique comme discipline philosophique, j'ai commencé par esquisser à grands traits la question du statut de l'image, au sens le plus général du terme. Le fil conducteur a été celui de l'antique comparaison qui conçoit la poésie comme une « peinture parlante » et la peinture comme une « poésie muette ». Dans le prolongement de cette comparaison, le fameux adage ut pictura poesis erit a été conçu comme le véritable noeud de toute conception esthétique à venir.Il s'est avéré nécessaire d'insister sur la double origine de la question de l'esthétique, c'est-à-dire la rencontre entre la pensée grecque et le christianisme. En effet, l'un des concepts fondamentaux de l'esthétique, le concept de création et, plus spécifiquement la possibilité d'une création ex nihiio, a été en premier lieu un dogme théologique. Si j'ai beaucoup insisté sur ce point, ce n'est point pour établir une stricte identité entre ce dogme théologique et le concept de création esthétique qui, force est de l'admettre, est somme toute souvent assez flottant dans les écrits du 18e siècle. L'essor majeur de la notion de création, couplée avec celle de génie, sera davantage l'une des caractéristiques majeures du romantisme au siècle suivant. La démonstration vise plutôt à mettre en perspective l'idée selon laquelle, à la suite des théoriciens de l'art de la Renaissance, les philosophes du Siècle des Lumières ont accordé au faire artistique ou littéraire une valeur parfaitement inédite. Si l'inventeur du terme « esthétique » n'emploie pas explicitement le concept de création, il n'en demeure pas moins qu'il attribue aux poètes et aux artistes le pouvoir de faire surgir des mondes possibles et que ceux-ci, au même titre que d'autres régions de l'étant, font l'objet d'une saisie systématique qui vise à faire apparaître la vérité qui leur est propre. Par l'extension de l'horizon de la logique classique, Baumgarten inclut les beaux-arts, à titre de partie constituante des arts libéraux, comme objets de la logique au sens élargi du terme, appelée « esthético- logique ». L'inclusion de ce domaine spécifique d'étants est justifiée, selon les dires de son auteur, par le manque de concrétude de la logique formelle. Or, et cela n'est pas le moindre des paradoxes de l'esthétique, la subsomption des beaux-arts sous un concept unitaire d'Art et la portée noétique qui leur est conférée, s'opère à la faveur du sacrifice de leur singularité et de leur spécificité. Cela explique le choix du titre : « métaphysique de l'Art » et non pas « métaphysique de l'oeuvre d'art » ou « métaphysique des beaux-arts ». Et cette aporîe constitutive de la première esthétique est indépassable à partir des prémices que son auteur a établies, faisant de la nouvelle discipline une science qui, à ce titre, ne peut que prétendre à l'universalité.Au 18e siècle, certaines théories du beau empruntent la voie alternative de la critique du goût. J'ai souhaité questionner ces alternatives pour voir si elles échappent aux problèmes posés par la métaphysique de l'Art. Ce point peut être considéré comme une réplique à Kant qui, dans une note devenue célèbre, soutient que « les Allemands sont les seuls à se servir du mot "esthétique" pour désigner ce que d'autres appellent la critique du goût ». J'ai démontré que ces deux termes ne sont pas synonymes bien que ces deux positions philosophiques partagent et s'appuient sur des présupposés analogues.La distinction entre ces deux manières de penser l'art peut être restituée synthétiquement de la sorte : la saisie systématique des arts du beau en leur diversité et leur subsomption en un concept d'Art unitaire, qui leur attribue des qualités objectives et une valeur de vérité indépendante de toute saisie subjective, relègue, de facto, la question du jugement de goût à l'arrière-plan. La valeur de vérité de l'Art, définie comme la totalité des qualités intrinsèques des oeuvres est, par définition, non tributaire du jugement subjectif. Autrement dit, si les oeuvres d'art présentent des qualités intrinsèques, la question directrice inhérente à la démarche de Baumgarten ne peut donc nullement être celle d'une critique du goût, comme opération subjective {Le. relative au sujet, sans que cela soit forcément synonyme de « relativisme »), mais bien la quête d'un fondement qui soit en mesure de conférer à l'esthétique philosophique, en tant que métaphysique spéciale, sa légitimité.Ce qui distingue sur le plan philosophique le projet d'une métaphysique de l'Art de celui d'une esthétique du goût réside en ceci que le premier est guidé, a priori, par la nécessité de produire un discours valant universellement, indépendant des oeuvres d'art, tandis que le goût, pour s'exercer, implique toujours une oeuvre singulière, concrète, sans laquelle celui-ci ne reste qu'à l'état de potentialité. Le goût a trait au particulier et au contingent, sans être pour autant quelque chose d'aléatoire. En effet, il n'est pas un véritable philosophe s'interrogeant sur cette notion qui n'ait entrevu, d'une manière ou d'une autre, la nécessité de porter le goût à la hauteur d'un jugement, c'est-à-dire lui conférer au moins une règle ou une norme qui puisse le légitimer comme tel et le sauver du relativisme, pris en son sens le plus péjoratif. La délicatesse du goût va même jusqu'à être tenue pour une forme de « connaissance », par laquelle les choses sont appréhendées dans toute leur subtilité. Les différents auteurs évoqués pour cette question (Francis Hutcheson, David Hume, Alexander Gerard, Louis de Jaucourt, Montesquieu, Voltaire, D'Alembert, Denis Diderot, Edmund Burke), soutiennent qu'il y a bien quelque chose comme des « normes » du goût, que celles-ci soient inférées des oeuvres de génie ou qu'elles soient postulées a priori, garanties par une transcendance divine ou par la bonté de la Nature elle-même, ce qui revient, en dernière instance au même puisque le geste est similaire : rechercher dans le suprasensible, dans l'Idée, un fondement stable et identique à soi en mesure de garantir la stabilité de l'expérience du monde phénoménal.La seconde partie de la recherche s'est articulée autour de la question suivante : est-ce que les esthétiques du goût qui mesurent la « valeur » de l'oeuvre d'art à l'aune d'un jugement subjectif et par l'intensité du sentiment échappent aux apories constitutives de la métaphysique de l'Art ?En un sens, une réponse partielle à cette question est déjà contenue dans l'expression « esthétique du goût ». Cette expression ne doit pas être prise au sens d'une discipline ou d'un corpus unifié : la diversité des positions présentées dans cette recherche, bien que non exhaustive, suffit à le démontrer. Mais ce qui est suggéré par cette expression, c'est que ces manières de questionner l'art sont plus proches du sens original du terme aisthêsis que ne l'est la première esthétique philosophique de l'histoire de la philosophie. L'exercice du goût est une activité propre du sentir qui, en même temps, est en rapport direct avec la capacité intellectuelle à discerner les choses et à un juger avec finesse et justesse.Avec le goût esthétique s'invente une espèce de « sens sans organe » dont la teneur ontologique est hybride, mais dont le nom est identique à celui des cinq sens qui procurent la jouissance sensible la plus immédiate et la moins raisonnable qui soit. Par la reconnaissance de l'existence d'un goût « juste » et « vrai », ou à défaut, au moins de l'existence d'une « norme » indiscutable de celui-ci, c'est-à-dire de la possibilité de formuler un jugement de goût une tentative inédite de spîritualisation de la sensibilité a lieu.Par conséquent, il est loin d'être évident que ce que j'ai appelé les esthétiques du goût échappent à un autre aspect aporétique de la métaphysique de l'Art, à savoir : passer à côté du caractère singulier de telle ou telle oeuvre afin d'en dégager les traits universels qui permettent au discours de s'étayer. Dans une moindre mesure, cela est même le cas dans les Salons de Diderot où, trop souvent, le tableau sert de prétexte à l'élaboration d'un discours brillant.Par contre, tout l'intérêt de la question du goût réside en ceci qu'elle présente, de façon particulièrement aiguë, les limites proprement métaphysiques dont l'esthétique, à titre de discipline philosophique, se fait la légataire et tente à sa manière d'y remédier par une extension inédite du concept de vérité et sa caractérisai ion en termes de vérité « esthéticologique » au paragraphe 427 de Y Esthétique. Cela dit, le fait même que dans l'empirisme la sensibilité s'oppose, une fois de plus, à l'intellect comme source de la naissance des idées - même si c'est dans la perspective d'une réhabilitation de la sensibilité -, indique que l'horizon même de questionnement demeure inchangé. Si le goût a pu enfin acquérir ses lettres de noblesse philosophique, c'est parce qu'il a été ramené, plus ou moins explicitement, du côté de la raison. Le jugement portant sur les arts et, de manière plus générale, sur tout ce qui est affaire de goût ne saurait se limiter au sentiment de plaisir immédiat. Le vécu personnel doit se transcender en vertu de critères qui non seulement permettent de dépasser le relativisme solipsiste, mais aussi de donner forme à l'expérience vécue afin qu'elle manifeste à chaque fois, et de façon singulière, une portée universelle.Le goût, tel qu'il devient un topos des discours sur l'art au 18e siècle, peut, à mon sens, être interprété comme l'équivalent de la glande pinéale dans la physiologie cartésienne : l'invention d'un « je ne sais quoi » situé on ne sait où, sorte d'Hermès qui assure la communication entre l'âme et le corps et sert l'intermédiaire entre l'intellect et la sensibilité. L'expérience décrite dans l'exercice du goût implique de facto une dimension par définition occultée par la métaphysique de l'Art : le désir. Pour goûter, il faut désirer et accepter d'être rempli par l'objet de goût. Dans l'exercice du goût, le corps est en jeu autant que l'intellect, il s'agit d'une expérience totale dans laquelle aucune mise à distance théorétique n'est, en un premier temps, à même de nous prémunir de la violence des passions qui nous affectent. L'ambiguïté de cette notion réside précisément dans son statut ontologiquement problématique. Mais cette incertitude est féconde puisqu'elle met en exergue le caractère problématique de la distinction entre corps et esprit. Dans la notion de goût est contenue l'idée que le corps pense aussi et que, par voie de conséquence, la sensibilité n'est pas dépourvue de dimension spirituelle. Reste que formuler les choses de la sorte revient à rejouer, en quelque sorte, l'antique diaphorâ platonicienne et à convoquer, une fois de plus, les grandes oppositions métaphysiques telles que corps et âme, sensible et intelligible, matière et forme.La troisième partie est entièrement consacrée à Shaftesbury qui anticipe le statut ontologiquement fort de l'oeuvre d'art (tel qu'il sera thématisé par Baumgarten) et l'allie à une critique du goût. Cet auteur peut être considéré comme une forme d'exception qui confirme la règle puisque sa métaphysique de l'Art laisse une place prépondérante à une critique du goût. Mais le cumul de ces deux caractéristiques opposées un peu schématiquement pour les besoins de la démonstration n'invalide pas l'hypothèse de départ qui consiste à dire que la saisie philosophique de la question du goût et l'invention conjointe de l'esthétique au 18e siècle sont deux tentatives de trouver une issue au problème du dualisme des substances.Cette recherche doit être prise comme une forme de propédeutique à la fois absolument nécessaire et parfaitement insuffisante. Après Baumgarten et le siècle du goût philosophique, les propositions de dépassement des apories constitutives d'une tradition qui pense l'art à partir de couples d'oppositions métaphysiques tels qu'âme et corps, forme et matière, ainsi que leurs traductions dans les arts visuels (dessin et couleur ou encore figuration et abstraction), n'ont pas manqué. Il aurait fallu in fine s'effacer pour laisser la place aux plasticiens eux-mêmes, mais aussi aux poètes, non plus dans l'horizon de Y ut pictura, mais lorsqu'ils expriment, sans verser dans l'analyse conceptuelle, leurs rencontres avec telle ou telle oeuvre (je pense à Baudelaire lorsqu'il évoque Constantin Guys, à Charles Ferdinand Ramuz lorsqu'il rend hommage à Cézanne ou encore à Pascal Quignard lorsqu'il raconte les fresques de la maison des Dioscures à Pompéi, pour ne citer que trois noms qui affleurent immédiatement à ma mémoire tant leur souvenir est vivace et leur exemple un modèle). Et puis il s'agit, malgré tout, de ne pas renoncer pour autant au discours esthétique, c'est- à-dire à la philosophie, mais de réinterroger les catégories dont nous sommes les légataires et de penser avec et au-delà des limites qu'elles nous assignent. Mais cela ferait l'objet d'un autre ouvrage.

Early diagenesis of bone and tooth apatite in fluvial and marine settings: Constraints from combined oxygen isotope, nitrogen and REE analysis

Fossil bones and teeth of Late Pleistocene terrestrial mammals from Rhine River gravels (RS) and the North Sea (NS), that have been exposed to chemically and isotopically distinct diagenetic fluids (fresh water versus seawater), were investigated to study the effects of early diagenesis on biogenic apatite. Changes in phosphate oxygen isotopic composition (delta O-18(PO4)), nitrogen content (wt.% N) and rare earth element (REE) concentrations were measured along profiles within bones that have not been completely fossilized, and in skeletal tissues (bone, dentine, enamel) with different susceptibilities to diagenetic alteration. Early diagenetic changes of elemental and isotopic compositions of apatite in fossil bone are related to the loss of the stabilizing collagen matrix. The REE concentration is negatively correlated with the nitrogen content, and therefore the amount of collagen provides a sensitive proxy for early diagenetic alteration. REE patterns of RS and NS bones indicate initial fossilization in a fresh water fluid with similar REE compositions. Bones from both settings have nearly collagen-free, REE-, U-, F- and Sr-enriched altered outer rims, while the collagen-bearing bone compacta in the central part often display early diagenetic pyrite void-fillings. However, NS bones exposed to Holocene seawater have outer rim delta O-18(PO4) values that are 1.1 to 2.6 parts per thousand higher compared to the central part of the same bones (delta O-18(PO4) = 18.2 +/- 0.9 parts per thousand, n = 19). Surprisingly, even the collagen-rich bone compacta with low REE contents and apatite crystallinity seems altered, as NS tooth enamel (delta O-18(PO4) =15.0 +/- 0.3 parts per thousand, n=4) has about 3%. lower delta O-18(PO4) values, values that are also similar to those of enamel from RS teeth. Therefore, REE concentration, N content and apatite crystallinity are in this case only poor proxies for the alteration of delta O-18(PO4) values. Seawater exposure of a few years up to 8 kyr can change the delta O-18(PO4) values of the bone apatite by > 3 parts per thousand. Therefore, bones fossilized in marine settings must be treated with caution for palaeoclimatic reconstructions. However, enamel seems to preserve pristine delta O-18(PO4) values on this time scale. Using species-specific calibrations for modern mammals, a mean delta O-18(H2O) value can be reconstructed for Late Pleistocene mammalian drinking water of around -9.2 +/- 0.5 parts per thousand, which is similar to that of Late Pleistocene groundwater from central Europe. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Inversion of multiple intersecting high-resolution crosshole GPR profiles for hydrological characterization at the Boise Hydrogeophysical Research Site

The integration of geophysical data into the subsurface characterization problem has been shown in many cases to significantly improve hydrological knowledge by providing information at spatial scales and locations that is unattainable using conventional hydrological measurement techniques. In particular, crosshole ground-penetrating radar (GPR) tomography has shown much promise in hydrology because of its ability to provide highly detailed images of subsurface radar wave velocity, which is strongly linked to soil water content. Here, we develop and demonstrate a procedure for inverting together multiple crosshole GPR data sets in order to characterize the spatial distribution of radar wave velocity below the water table at the Boise Hydrogeophysical Research Site (BHRS) near Boise, Idaho, USA. Specifically, we jointly invert 31 intersecting crosshole GPR profiles to obtain a highly resolved and consistent radar velocity model along the various profile directions. The model is found to be strongly correlated with complementary neutron porosity-log data and is further corroborated by larger-scale structural information at the BHRS. This work is an important prerequisite to using crosshole GPR data together with existing hydrological measurements for improved groundwater flow and contaminant transport modeling.

Impact of controlled changes in grain size and pore space characteristics on the hydraulic conductivity and spectral induced polarization response of "proxies" of saturated alluvial sediments

Understanding the influence of pore space characteristics on the hydraulic conductivity and spectral induced polarization (SIP) response is critical for establishing relationships between the electrical and hydrological properties of surficial unconsolidated sedimentary deposits, which host the bulk of the world's readily accessible groundwater resources. Here, we present the results of laboratory SIP measurements on industrial-grade, saturated quartz samples with granulometric characteristics ranging from fine sand to fine gravel, which can be regarded as proxies for widespread alluvial deposits. We altered the pore space characteristics by changing (i) the grain size spectra, (ii) the degree of compaction, and (iii) the level of sorting. We then examined how these changes affect the SIP response, the hydraulic conductivity, and the specific surface area of the considered samples. In general, the results indicate a clear connection between the SIP response and the granulometric as well as pore space characteristics. In particular, we observe a systematic correlation between the hydraulic conductivity and the relaxation time of the Cole-Cole model describing the observed SIP effect for the entire range of considered grain sizes. The results do, however, also indicate that the detailed nature of these relations depends strongly on variations in the pore space characteristics, such as, for example, the degree of compaction. The results of this study underline the complexity of the origin of the SIP signal as well as the difficulty to relate it to a single structural factor of a studied sample, and hence raise some fundamental questions with regard to the practical use of SIP measurements as site- and/or sample-independent predictors of the hydraulic conductivity.

Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments : from alkaline deposition towards acidification

J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Thesis abstract Mine waste is the largest volume of materials handled in the world. The oxidation of sulfidic mine waste may result in the release of acid mine drainage (AMD) rich in heavy metals and arsenic to the environment, one of the major problems the mining industry is facing today. To control and reduce this environmental impact, it is crucial to identify the main geochemical and hydrological processes influencing contaminant liberation, transport, and retention. This thesis presents the results of a geochemical, mineralogical and stable isotope study (δ2H, δ18O, δ34S) from two active porphyry copper tailings impoundments in Mediterranean (Carén tailings impoundment, El Teniente mine, Central Chile) and hyper-arid climate (Talabre tailings impoundment, Chuquicamata, Northern Chile) from the deposition in alkaline environment (pH 10.5) towards acidification after several years of exposure. The major hydrological results were the identification of vertical contaminant and water transport in the uppermost, not water-saturated zone, triggered by capillary rise due to evaporation, and infiltration downwards due to new tailings deposition, and of horizontal transport in the groundwater zone. At the surface of the sedimented tailings, evaporation of pore water led to the precipitation of Na-Ca-Mg sulfates (e.g., gypsum, tenorite), in hyper-arid climate also halite. At the Carén tailings impoundment, renewed deposition in a 4-week interval inhibited a pH decrease below neutral values and the formation of an efflorescent salt crust. At the Talabre tailings impoundment, deposition breaks of several years resulted in the formation of acidic oxidation zones in the timeframe of less than 4 years. This process enabled the transport of liberated Cu, Zn, and Fe via capillary rise to the surface, where these metals precipitated as heavy-metal sulfates (e.g., devilline, krohnkite) and chlorides (eriochalcite, atacamite). Renewed depositing may dissolve efflorescent salts and transport liberated elements towards the groundwater zone. This zone was found to be highly dynamic due to infiltration and mixing with water from different sources, like groundwater, catchment water, and infiltration from superficial waters. There, Cu was found to be partially mobile due to complexation with Cl (in Cl-rich groundwater, Talabre) and dissolved organic matter (in zones with infiltration of catchment water rich in dissolved organic matter, Carén). A laboratory study on the isotopic fractionation of sulfur and oxygen of sulfate in different minerals groups (water-soluble sulfates, low- and high-crystalline Fe(III) oxyhydroxides) contributed to the use of stable isotopes as tracer of geochemical and transport processes for environmental studies. The results highlight that a detailed geochemical, stable isotope and mineralogical study permits the identification of contamination processes and pathways already during the deposition of mine tailings. This knowledge allows the early planning of adequate actions to reduce and control the environmental impact during tailings deposition and after the closing of the impoundment. J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Résumé de these Les déchets miniers constituent les plus grands volumes de matériel gérés dans le monde. L'oxydation des déchets miniers sulfuriques peut conduire à la libération de drainages miniers acides (DMA) riches en métaux et arsenic dans l'environnement, ce qui est l'un des principaux problèmes de l'industrie minière aujourd'hui. Pour contrôler et réduire ces impacts sur l'environnement, il est crucial d'identifier les principaux processus géochimiques et hydrologiques influençant la libération, le transport et la rétention des contaminants. Cette thèse présente les résultats d'une étude géochimique, minéralogique et des isotopes stables (δ2H, δ18O, δ34S) sur des déchets miniers de 2 sites de dépôt actifs en climat méditerranéen (Dépôt de déchets de Carén, mine de El Teniente, Centre du Chili) et en climat hyper-aride (Dépôt de déchets de Talabre, mine de Chuquicamata, Nord du Chili). L'objectif était d'étudier l'évolution des déchets de la déposition en milieu alcalin (pH = 10.5) vers l'acidification après plusieurs années d'exposition. Le principal résultat hydrologique a été l'identification de 2 types de transport : un transport vertical de l'eau et des contaminants dans la zone non saturée en surface, induit par la montée capillaire due à l'évaporation et par l'infiltration subséquente de la déposition de sédiments frais ; et un transport horizontal dans la zone des eaux souterraines. À la surface des déchets, l'évaporation de l'eau interstitielle conduit à la précipitation de sulfates de Na-Ca-Mg (ex. gypse, ténorite) et halite en climat hyper-aride. Dans le site de Carén, une nouvelle déposition de déchets frais à 4 semaines intervalle a empêché la baise du pH en deçà des valeurs neutres et la formation d'une croûte de sels efflorescentes en surface. Dans le site de Talabre, les fentes de dessiccation des dépôts ont entraîné la formation d'une zone d'oxydation à pH acide en moins de 4 ans. Ce processus a permis la libération et le transport par capillarité de Cu, Zn, Fe vers la surface, où ces éléments précipitent sous forme de sulfates de métaux lourds (ex., dévilline, krohnkite) de chlorures (ex. ériochalcite, atacamite). Une nouvelle déposition de sédiments frais pourrait dissoudre ces sels et les transporter vers la zone des eaux souterraines. Cette dernière zone était très dynamique en raison du mélange d'eaux provenant de différentes sources, comme les eaux souterraines, l'eau de captage et l'infiltration des eaux superficielles. Egalement dans cette zone, le cuivre était partiellement mobile à cause de la formation de complexe avec le chlore (dans les zone riche en Cl, Talabre) et avec la matière organique dissoute (dans les zones où s'infiltre l'eau de captage riche en matière organique, Carén). Une étude en laboratoire sur le fractionnement des isotopes stables de sulfure et d'oxygène des sulfates dans différents groupes de minéraux (sulfates hydrosolubles, sulfures de oxy-hydroxyde de Fe(III) faiblement ou fortement cristallins) a permis d'apporter une contribution à leur utilisation comme traceurs dans l'étude des processus géochimiques et de transport lors d'études environnementales. Les résultats montrent qu'une étude détaillée de la géochimie, des isotopes stables et de la minéralogie permet d'identifier les processus et les voies de contamination déjà pendant la période de dépôt des déchets miniers. Cette connaissance permet de planifier, dès le début de l'exploitation, des mesures adéquates pour réduire et contrôler l'impact sur l'environnement pendant la période de dépôts de déchets miniers et après la fermeture du site.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

Paleohydrological Reconstruction from Late Holocene Records in Interdune Lakes (N'Guigmi, Northern Bank of the Lake Chad, Niger)

An old erg covers the northern part of the Lake Chad basin. This dune landform allowed the formation of many inter- dune ponds of various sizes. Still present in certain zones where the groundwater level is high (e.g. Kanem, southern Manga), these ponds formed in the past a vast network of lacustrine microsystems, as shown by the nature and the dis- tribution of their deposits. In the Manga, these interdune deposits represent the main sedimentary records of the Holo- cene environmental succession. Their paleobiological (pollens, diatoms, ostracods) and geochemical (δ18O, δ13C, Sr/ Ca) contents are often the basis for paleoenvironmental reconstruction. On the other hand, their sedimentological char- acters are rarely exploited. This study of palustro-lacustrine deposits of the Holocene N'Guigmi lake (northern bank of the Lake Chad; Niger) is based on the relationships between the sedimentological features and the climato-hydrological fluctuations. The mineralogical parameters (e.g. calcium carbonate content, clay mineralogy) and the nature of autoch- thonous mineralization (i.e. amorphous silica, clays, calcium carbonates) can be interpreted using a straightforward hy- dro-sedimentary model. Established to explain the geochemical dynamics of Lake Chad, this model is based on a bio- geochemical cycle of the main elements (i.e. silicium, calcium) directly controlled by the local hydrological balance (i.e. rainfall/evaporation ratio). All these results show that a detailed study of sedimentological features can provide impor- tant paleohydrological informations about the regional aridification since ca 6500 14C BP.

Geological structure, recharge processes and underground drainage of a glacierised karst aquifer system, Tsanfleuron-Sanetsch, Swiss Alps

The relationships between stratigraphic and tectonic setting, recharge processes and underground drainage of the glacierised karst aquifer system `Tsanfleuron-Sanetsch' in the Swiss Alps have been studied by means of various methods, particularly tracer tests (19 injections). The area belongs to the Helvetic nappes and consists of Jurassic to Palaeogene sedimentary rocks. Strata are folded and form a regional anticlinorium. Cretaceous Urgonian limestone constitutes the main karst aquifer, overlain by a retreating glacier in its upper part. Polished limestone surfaces are exposed between the glacier front and the end moraine of 1855/1860 (Little Ice Age); typical alpine karrenfields can be observed further below. Results show that (1) large parts of the area are drained by the Glarey spring, which is used as a drinking water source, while marginal parts belong to the catchments of other springs; (2) groundwater flow towards the Glarey spring occurs in the main aquifer, parallel to stratification, while flow towards another spring crosses the entire stratigraphic sequence, consisting of about 800 m of marl and limestone, along deep faults that were probably enlarged by mass movements; (3) the variability of glacial meltwater production influences the shape of the tracer breakthrough curves and, consequently, flow and transport in the aquifer.

Des enfants dessinent Dieu: Oiseaux, mangas, soleils et couleurs...

Comment les enfants se représentent-ils Dieu ? En homme ou en femme? En ange traditionnel ou en super héros? La réponse se trouve dans les dessins de centaines d'enfants de Suisse, de Russie et du Japon qui ont répondu à la consigne : "as-tu déjà entendu le mot « Dieu »? Peux-tu me le dessiner?" Ces élèves de classes d'écoles publiques ou suivant un enseignement religieux se sont tous mis à la tâche, crayons de couleurs et feuille de papier en main. Près de 1000 dessins ont été récoltés dont 172 font ici l'objet d'une publication. Pour favoriser une compréhension large de la vision de Dieu chez l'enfant, leurs dessins se succèdent selon un ordre thématique. Les petits Japonais, Suisses et Russes utilisent le soleil, l'oiseau, l'abstraction, des figures humaines heureuses ou en colère pour représenter l'absolu. Chaque dessin est reproduit sur une page, accompagné par ce que dit l'enfant de sa représentation et par une brève interprétation du psychologue des religions. Un livre pour découvrir la diversité et la fraîcheur des représentations de Dieu chez les enfants de différentes cultures et traditions religieuses. Un livre pour adultes en enfants, à regarder ensemble.

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.

Detection and characterization of hydraulically active fractures in a carbonate aquifer: Results from self-potential, temperature and fluid conductivity logging along a 260-m-deep borehole in the Combioula hydrothermal system in the southwestern Swiss Alps

A geophysical and geochemical study has been conducted in a fractured carbonate aquifer located at Combioula in the southwestern Swiss Alps with the objective to detect and characterize hydraulically active fractures along a 260-m-deep borehole. Hydrochemical analyses, borehole diameter, temperature and fluid electrical conductivity logging data were integrated in order to relate electrokinetic self-potential signals to groundwater flow inside the fracture network. The results show a generally good, albeit locally variable correlation of variations of the self-potential signals with variations in temperature, fluid electrical conductivity and borehole diameter. Together with the hydrochemical evidence, which was found to be critical for the interpretation of the self-potential data, these measurements not only made it possible to detect the hydraulically active fractures but also to characterize them as zones of fluid gain or fluid loss. The results complement the available information from the corresponding litholog and illustrate the potential of electrokinetic self-potential signals in conjunction with temperature, fluid electrical conductivity and hydrochemical analyses for the characterization of fractured aquifers, and thus may offer a perspective for an effective quantitative characterization of this increasingly important class of aquifers and geothermal reservoirs.

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Controls on 13C and 14C variability in soil CO2

14C dating of groundwater depends on the isotopic composition of both the solid carbonate and the soil CO2 and requires the use of 14C age correction models. To better assess the variability of the 14C activity of soil CO2 (A14Csoil-CO2) and the δ13C of soil CO2 (δ13Csoil-CO2), which are two parameters used in 14C age correction models, we studied the different processes involving carbon isotopes in the soil. The approach used experimental data from two sites in France (Fontainebleau sands and Astian sands) and a steady-state transport model. In most cases, the 14C activity (A14C) of atmospheric CO2 is directly used in the 14C age correction models as the A14Csoil-CO2. However, we demonstrate that since 1950, the evolution of the A14Csoil-CO2 reflects the competition between the fluxes of root-derived CO2 and organic matter-derived CO2. Therefore, the A14Csoil-CO2 must be used to date groundwater that is younger than 60 years old. Moreover, the δ13C of soil CO2 (δ13Csoil-CO2) showed large seasonal variations that must be taken into account in selecting the δ13Csoil-CO2 for 14C age correction models.