Quantifying rates of landscape evolution and tectonic processes by thermochronology and numerical modeling of crustal heat transport using PECUBE

PECUBE is a three-dimensional thermal-kinematic code capable of solving the heat production-diffusion-advection equation under a temporally varying surface boundary condition. It was initially developed to assess the effects of time-varying surface topography (relief) on low-temperature thermochronological datasets. Thermochronometric ages are predicted by tracking the time-temperature histories of rock-particles ending up at the surface and by combining these with various age-prediction models. In the decade since its inception, the PECUBE code has been under continuous development as its use became wider and addressed different tectonic-geomorphic problems. This paper describes several major recent improvements in the code, including its integration with an inverse-modeling package based on the Neighborhood Algorithm, the incorporation of fault-controlled kinematics, several different ways to address topographic and drainage change through time, the ability to predict subsurface (tunnel or borehole) data, prediction of detrital thermochronology data and a method to compare these with observations, and the coupling with landscape-evolution (or surface-process) models. Each new development is described together with one or several applications, so that the reader and potential user can clearly assess and make use of the capabilities of PECUBE. We end with describing some developments that are currently underway or should take place in the foreseeable future. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Analyzing complex rock slope deformation at Stampa, western Norway, by integrating geomorphology, kinematics and numerical modeling

The unstable rock slope, Stampa, above the village of Flåm, Norway, shows signs of both active and postglacial gravitational deformation over an area of 11 km2. Detailed structural field mapping, annual differential Global Navigation Satellite System (GNSS) surveys, as well as geomorphic analysis of high-resolution digital elevation models based on airborne and terrestrial laser scanning indicate that slope deformation is complex and spatially variable. Numerical modeling was used to investigate the influence of former rockslide activity and to better understand the failure mechanism. Field observations, kinematic analysis and numerical modeling indicate a strong structural control of the unstable area. Based on the integration of the above analyses, we propose that the failure mechanism is dominated by (1) a toppling component, (2) subsiding bilinear wedge failure and (3) planar sliding along the foliation at the toe of the unstable slope. Using differential GNSS, 18 points were measured annually over a period of up to 6 years. Two of these points have an average yearly movement of around 10 mm/year. They are located at the frontal cliff on almost completely detached blocks with volumes smaller than 300,000 m3. Large fractures indicate deep-seated gravitational deformation of volumes reaching several 100 million m3, but the movement rates in these areas are below 2 mm/year. Two different lobes of prehistoric rock slope failures were dated with terrestrial cosmogenic nuclides. While the northern lobe gave an average age of 4,300 years BP, the southern one resulted in two different ages (2,400 and 12,000 years BP), which represent most likely multiple rockfall events. This reflects the currently observable deformation style with unstable blocks in the northern part in between Joasete and Furekamben and no distinct blocks but a high rockfall activity around Ramnanosi in the south. With a relative susceptibility analysis it is concluded that small collapses of blocks along the frontal cliff will be more frequent. Larger collapses of free-standing blocks along the cliff with volumes > 100,000 m3, thus large enough to reach the fjord, cannot be ruled out. A larger collapse involving several million m3 is presently considered of very low likelihood.

Structure et évolution thermique de la croûte supérieure des chaînes de subduction : approches thermologique et modélisation numérique, dans les North Cascades (U.S.A) et de la zone de faille Motagua (Guatemala)

Cette thèse cible l'étude de la structure thermique de la croûte supérieure (<10km) dans les arcs magmatiques continentaux, et son influence sur l'enregistrement thermochronologique de leur exhumation et de leur évolution topographique. Nous portons notre regard sur deux chaînes de montagne appartenant aux Cordillères Américaines : Les Cascades Nord (USA) et la zone de faille Motagua (Guatemala). L'approche utilisée est axée sur la thermochronologie (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, couplée avec la modélisation numérique de la structure thermique de la croûte. Nous mettons en évidence la variabilité à la fois spatiale et temporelle du gradient géothermique, et attirons l'attention du lecteur sur l'importance de prendre en compte la multitude des processus géologiques perturbant la structure thermique dans les chaînes de type cordillère, c'est à dire formées lors de la subduction océanique sous un continent.Une nouvelle approche est ainsi développée pour étudier et contraindre la perturbation thermique autour des chambres magmatiques. Deux profiles âge-elevation (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, ont été collectées 7 km au sud du batholithe de Chilliwack, Cascades Nord. Les résultats montrent une variabilité spatiale et temporelle du gradient géothermique lors de l'emplacement magmatique qui peut être contrainte et séparé de l'exhumation. Durant l'emplacement de l'intrusion, la perturbation thermique y atteint un état d'équilibre (-80-100 °C/km) qui est fonction du flux de magma et de ia distance à la source du magma, puis rejoint 40 °C/km à la fin du processus d'emplacement magmatique.Quelques nouvelles données (U-Th)/He, replacées dans une compilation des données existantes dans les Cascades Nord, indiquent une vitesse d'exhumation constante (-100 m/Ma) dans le temps et l'espace entre 35 Ma et 2 Ma, associée à un soulèvement uniforme de la chaîne contrôlé par l'emplacement de magma dans la croûte durant toute l'activité de l'arc. Par contre, après ~2 Ma, le versant humide de la chaîne est affecté par une accélération des taux d'exhumation, jusqu'à 3 km de croûte y sont érodés. Les glaciations ont un triple effet sur l'érosion de cette chaîne: (1) augmentation des vitesses d'érosion, d'exhumation et de soulèvement la où les précipitations sont suffisantes, (2) limitation de l'altitude contrôlé par la position de Γ Ε LA, (3) élargissement du versant humide et contraction du versant aride de la chaîne.Les modifications des réseaux de drainage sont des processus de surface souvent sous-estimés au profil d'événements climatiques ou tectoniques. Nous proposons une nouvelle approche couplant une analyse géomorphologique, des données thermochronologiques de basse température ((U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon), et l'utilisation de modélisation numérique thermo-cinématique pour les mettre en évidence et les dater; nous testons cette approche sur la gorge de la Skagit river dans les North Cascades.De nouvelles données (U-Th)/He sur zircons, complétant les données existantes, montrent que le déplacement horizontal le long de la faille transformante continentale Motagua, la limite des plaques Caraïbe/Amérique du Nord, a juxtaposé un bloc froid, le bloc Maya (s.s.), contre un bloque chaud, le bloc Chortis (s.s.) originellement en position d'arc. En plus de donner des gammes d'âges thermochronologiques très différents des deux côtés de la faille, le déplacement horizontal rapide (~2 cm/a) a produit un fort échange thermique latéral, résultant en un réchauffement du côté froid et un refroidissement du côté chaud de la zone de faille de Motagua.Enfin des données (U-Th-Sm)/He sur apatite témoignent d'un refroidissement Oligocène enregistré uniquement dans la croûte supérieure de la bordure nord de la zone de faille Motagua. Nous tenterons ultérieurement de reproduire ce découplage vertical de la structure thermique par la modélisation de la formation d'un bassin transtensif et de circulation de fluides le long de la faille de Motagua. - This thesis focuses on the influence of the dynamic thermal structure of the upper crust (<10km) on the thermochronologic record of the exhumational and topographic history of magmatic continental arcs. Two mountain belts from the American Cordillera are studied: the North Cascades (USA) and the Motagua fault zone (Guatemala). I use a combined approach coupling apatite and zircon (U-Th-Sm}/He thermochronology and thermo- kinematic numerical modelling. This study highlights the temporal and spatial variability of the geothermal gradient and the importance to take into account the different geological processes that perturb the thermal structure of Cordilleran-type mountain belts (i.e. mountain belts related to oceanic subduction underneath a continent}.We integrate apatite and zircon (U-Th)/He data with numerical thermo-kinematic models to study the relative effects of magmatic and surface processes on the thermal evolution of the crust and cooling patterns in the Cenozoic North Cascades arc (Washington State, USA). Two age-elevation profiles that are located 7 km south of the well-studied Chiliiwack intrusions shows that spatial and temporal variability in geothermal gradients linked to magma emplacement can be contrained and separated from exhumation processes. During Chiliiwack batholith emplacement at -35-20 Ma, the geothermal gradient of the country rocks increased to a very high steady-state value (80-100°C/km), which is likely a function of magma flux and the distance from the magma source area. Including temporally varying geothermal gradients in the analysis allows quantifying the thermal perturbation around magmatic intrusions and retrieving a relatively simple denudation history from the data.The synthesis of new and previously published (U-Th)/He data reveals that denudation of the Northern Cascades is spatially and temporally constant at -100 m/Ma between ~32 and ~2 Ma, which likely reflects uplift due to magmatic crustal thickening since the initiation of the Cenozoic stage of the continental magmatic arc. In contrast, the humid flank of the North Cascades is affected by a ten-fold acceleration in exhumation rate at ~2 Ma, which we interpret as forced by the initiation of glaciations; around 3 km of crust have been eroded since that time. Glaciations have three distinct effects on the dynamics of this mountain range: (1) they increase erosion, exhumation and uplift rates where precipitation rates are sufficient to drive efficient glacial erosion; (2) they efficiently limit the elevation of the range; (3) they lead to widening of the humid flank and contraction of the arid flank of the belt.Drainage reorganizations constitute an important agent of landscape evolution that is often underestimated to the benefit of tectonic or climatic events. We propose a new method that integrates geomorphology, low-temperature thermochronometry (apatite and zircon {U-Th-Sm)/He), and 3D numerical thermal-kinematic modelling to detect and date drainage instability producing recent gorge incision, and apply this approach to the Skagit River Gorge, North Cascades.Two zircon (U-Th)/He age-elevation profiles sampled on both sides of the Motagua Fault Zone (MFZ), the boundary between the North American and the Caribbean plates, combined with published thermochronological data show that strike-slip displacement has juxtaposed the cold Maya block (s.s.) against the hot, arc derived, Chortis block (s.s ), producing different age patterns on both sides of the fault and short-wavelength lateral thermal exchange, resulting in recent heating of the cool side and cooling of the hot side of the MFZ.Finally, an apatite (U-Th-Sm)/He age-elevation profile records rapid cooling at -35 Ma localized only in the upper crust along the northern side of the Motagua fault zone. We will try to reproduce these data by modeling the thermal perturbation resulting from the formation of a transtensional basin and of fluid flow activity along a crustal- scale strike-slip fault.

Stoneley wave modeling in heterogeneous porous media with viscous pore fluids

We implemented Biot-type porous wave equations in a pseudo-spectral numerical modeling algorithm for the simulation of Stoneley waves in porous media. Fourier and Chebyshev methods are used to compute the spatial derivatives along the horizontal and vertical directions, respectively. To prevent from overly short time steps due to the small grid spacing at the top and bottom of the model as a consequence of the Chebyshev operator, the mesh is stretched in the vertical direction. As a large benefit, the Chebyshev operator allows for an explicit treatment of interfaces. Boundary conditions can be implemented with a characteristics approach. The characteristic variables are evaluated at zero viscosity. We use this approach to model seismic wave propagation at the interface between a fluid and a porous medium. Each medium is represented by a different mesh and the two meshes are connected through the above described characteristics domain-decomposition method. We show an experiment for sealed pore boundary conditions, where we first compare the numerical solution to an analytical solution. We then show the influence of heterogeneity and viscosity of the pore fluid on the propagation of the Stoneley wave and surface waves in general.

Synthèse de l'évolution de la plateforme Urgonienne (Barrémien tardif à Aptien précoce) du Sud-Est de la France : facies, micropaléontologie, géochimie, géométries, paléotectonique et géomodélisation

Il y a environ 125 millions d'années, au Crétacé inférieur, la position des continents et le climat terrestre étaient bien différents de ce que l'on connait aujourd'hui. Le Sud-Est de la France, secteur de cette étude, était alors recouvert d'eau, sous un climat chaud et humide. Sur la bordure de cette étendue d'eau (appelée bassin Vocontien), qui correspond aujourd'hui aux régions de la Provence, du Vaucluse, du Gard, de l'Ardèche et du Vercors, des plateformes carbonatées, (telles que les Bahamas), se développaient. Le calcaire, formé à partir des sédiments accumulés sur ces plateformes, est appelé Urgonien. L'objectif de cette étude est de définir les facteurs qui ont influencé le développement de cette plateforme carbonatée dite « urgonienne » et dans quelle mesure. Plusieurs missions de terrain ont permis de récolter de nombreux échantillons de roche en 52 lieux répartis sur l'ensemble du Sud-Est de la France. Les observations réalisées sur le terrain ainsi que les données acquises en laboratoire (microfaune, microfacies et données géo-chimiques) ont permis, de subdiviser chacune des 52 séries urgoniennes en séquences stratigraphiques et cortèges sédimentaires. La comparaison des épaisseurs et des faciès de chaque cortège sédimentaire permet de concevoir la géométrie et l'évolution paléogéographique de la plateforme urgonienne. Les résultats de cette étude démontrent que son organisation est principalement dirigée par des failles qui ont jouées pendant le dépôt des sédiments. Sur la bordure nord du bassin Vocontien, trois failles subméridiennes contrôlent la géométrie et la répartition des environnements de dépôt. Sur sa bordure sud, ces failles synsédimentaires d'orientation N30° et N110° délimitent des blocs basculés. En tête de bloc, des séries d'épaisseurs réduites à faciès de lagon interne se sont déposées alors que les pieds de blocs sont caractérisés par des épaisseurs importantes et la présence de faciès plus externes. Ces concepts ont ensuite été testés en construisant un modèle numérique en trois dimensions de l'Urgonien du Sud-Est de la France. Sa cohérence avec les données acquises tout au long de cette étude d'une part, et sa cohérence géométrique d'autre part, valide les théories avancées. Des formations équivalentes à l'Urgonien sont réparties dans le monde entier et notamment au Moyen-Orient où elles constituent les réservoirs pétroliers les plus importants. Etre capable de caractériser les facteurs ayant influencé son architecture permet par la suite une meilleure exploitation de ses ressources énergétiques. -- Au Crétacé inférieur, l'intense activité magmatique due à la dislocation du super-continent Pangée influence fortement les conditions environnementales globales. Au Barrémien terminal et Aptien basal, période géologique dont fait l'objet cette étude, le bassin Vocontien, puis Bédoulien, recouvre le Sud-Est de la France, sous un climat chaud et humide. Sur les bordures de ces bassins, des plateformes carbonatées se mettent en place. Les sédiments qui se déposent sur ces plateformes sont à l'origine de la formation urgonienne. Afin d'étudier cette formation, une charte biostratigraphique, principalement basée sur les Orbitolinidés, et un modèle de faciès ont été développés. Les assemblages faunistiques, la succession des faciès, les observations de terrain ainsi que l'étude de signaux géochimiques ont permis le découpage séquentiel de la série urgonienne le long de 54 coupes et puis, répartis sur l'ensemble du Sud-Est de la France. Les corrélations induites par cette étude stratigraphique ont mis en évidence d'importantes variations d'épaisseur et d'environnements de dépôt au sein même de la plateforme urgonienne. Ces variations sont expliquées par le jeu de failles syn-sédimentaires qui ont compartimentées la plateforme urgonienne en blocs. Sur la bordure sud du bassin Vocontien, ces failles d'orientation N30° et N110° délimitent six blocs basculés. Au sommet du Barrémien terminal, la subsidence des blocs situés le plus au sud s'amplifie jusqu'à provoquer l'ouverture du bassin de la Bédoule au sud du secteur d'étude. Cette théorie d'évolution a ensuite été testée par l'élaboration d'un modèle numérique en trois dimensions de l'Urgonien du Sud-Est de la France. Sa cohérence avec les données acquises tout au long de cette étude d'une part, et sa cohérence géométrique d'autre part, valide les théories avancées. Des analogues de l'Urgonien sont répartis dans le monde entier et notamment au Moyen-Orient où ils représentent d'importants réservoirs pétroliers. Être capable de caractériser les facteurs ayant influencé l'architecture de l'Urgonien du Sud-Est de la France permet par la suite une meilleure exploitation de ses ressources énergétiques. -- During the Early Cretaceous epoch, intensive magmatic activity due to the dislocation of the super-continent Pangaea, highly influenced global environmental conditions, which were characterized by a warm and generally humic climate. In this context, carbonate platforms were important in tropical and subtropical shallow-water regions, and especially during the late Barremian and early Aptian, platform carbonates of so-called Urgonian affinity are widespread. In southeastern France, the Urgonian platform was part of the northern Tethyan margin and bordered the Vocontian and the Bedoulian basins. The goal of this thesis was the systematic study of the Urgonian Formation in this region, and in order to achieve this goal, a biostratigraphic chart and a facies model were developed. The faunistic assemblages, the facies succession, the field observations and the study of geochemical signals lead to a sequential subdivision of the Urgonian series along 54 sections and wells allocated in five different regions in southeastern France (Gard, Ardèche, Vercors, Vaucluse and Provence). Correlations from this stratigraphic study highlight important variations in thickness and depositional environments of the Urgonian series. These variations are explained by relative movements induced by syn-sedimentary faults, which divided the Urgonian platforms into blocks. On the southern border of the Vocontian basin, these faults, oriented N30° and N110°, delineate six tilted blocks. At the top of the upper Barremian carbonates, subsidence of the two southern blocks accelerated leading to the opening of the Bedoulian basin. The reconstruction of the sequence-stratigraphic and paleoenvironmental evolution of the Urgonian platforms was then tested by the construction of a 3D numerical model of the Urgonian formation of southeastern France. Firstly, its consistency with the data collected during this study, and secondly, its geometrical coherence validate the proposed theory. Urgonian analogs exist all over the world and particularly in Middle East where they constitute important oil reservoirs. The exact reconstruction of the major factors, which influenced the architecture of these formations, will allow for a better exploitation of these energy resources.

Metamorphism and kinetics in the Torres del Paine contact aureole

Contact aureoles provide an excellent geologic environment to study the mechanisms of metamorphic reactions in a natural system. The Torres del Paine (TP) intrusion is one of the most spectacular natural laboratories because of its excellent outcrop conditions. It formed in a period from 12.59 to 12.43 Ma and consists of three large granite and four smaller mafic batches. The oldest granite is on top, the youngest at the bottom of the granitic complex, and the granites overly the mafic laccolith. The TP intruded at a depth of 2-3 km into regional metamorphic anchizone to greenschist facies pelites, sandstones, and conglomerates of the Cerro Toro and Punta Barrosa formations. It formed a thin contact aureole of 150-400 m width. This thesis focuses on the reaction kinetics of the mineral cordierite in the contact aureole using quantitative textural analysis methods. First cordierite was formed from chlorite break¬down (zone I, ca. 480 °C, 750 bar). The second cordierite forming reaction was the muscovite break-down, which is accompanied by a modal decrease in biotite and the appearance of k- feldspar (zone II, 540-550 °C, 750 bar). Crystal sizes of the roundish, poikiloblastic cordierites were determined from microscope thin section images by manually marking each crystal. Images were then automatically processed with Matlab. The correction for the intersection probability of each crystal radius yields the crystal size distribution in the rock. Samples from zone I below the laccolith have the largest crystals (0.09 mm). Cordierites from zone II are smaller, with a maximum crystal radius of 0.057 mm. Rocks from zone II have a larger number of small cordierite crystals than rocks from zone I. A combination of these quantitative analysis with numerical modeling of nucleation and growth, is used to infer nucleation and growth parameters which are responsible for the observed mineral textures. For this, the temperature-time paths of the samples need to be known. The thermal history is complex because the main body of the intrusion was formed by several intrusive batches. The emplacement mechanism and duration of each batch can influence the thermal structure in the aureole. A possible subdivision of batches in smaller increments, so called pulses, will focus heat at the side of the intrusion. Focusing all pulses on one side increases the contact aureole size on that side, but decreases it on the other side. It forms a strongly asymmetric contact aureole. Detailed modeling shows that the relative thicknesses of the TP contact aureole above and below the intrusion (150 and 400 m) are best explained by a rapid emplacement of at least the oldest granite batch. Nevertheless, temperatures are significantly too low in all models, compared to observed mineral assemblages in the hornfelses. Hence, an other important thermal mechanisms needs to take place in the host rock. Clastic minerals in the immature sediments outside the contact aureole are hydrated due to small amounts of expelled fluids during contact metamorphism. This leads to a temperature increase of up to 50 °C. The origin of fluids can be traced by stable isotopes. Whole rock stable isotope data (6D and δ180) and chlorine concentrations in biotite document that the TP intrusion induced only very small amounts of fluid flow. Oxygen whole rock data show δ180 values between 9.0 and 10.0 %o within the first 5 m of the contact. Values increase to 13.0 - 15.0 %o further away from the intrusion. Whole rock 6D values display a more complex zoning. First, host rock values (-90 to -70 %o) smoothly decrease towards the contact by ca. 20 %o, up to a distance of ca. 150 m. This is followed by an increase of ca. 20 %o within the innermost 150 m of the aureole (-97.0 to -78 %o at the contact). The initial decrease in 6D values is interpreted to be due to Rayleigh fractionation accompanying the dehydration reactions forming cordierite, while the final increase reflects infiltration of water-rich fluids from the intrusion. An over-estimate on the quantity and the corresponding thermal effect yields a temperature increase of less than 30 °C. This suggests that fluid flow might have contributed only for a small amount to the thermal evolution of the system. A combination of the numerical growth model with the thermal model, including the hydration reaction enthalpies but neglecting fluid flow and incremental growth, can be used to numerically reproduce the observed cordierite textures in the contact aureole. This yields kinetic parameters which indicate fast cordierite crystallization before the thermal peak in the inner aureole, and continued reaction after the thermal peak in the outermost aureole. Only small temperature dependencies of the kinetic parameters seem to be needed to explain the obtained crystal size data. - Les auréoles de contact offrent un cadre géologique privilégié pour l'étude des mécanismes de réactions métamorphiques associés à la mise en place de magmas dans la croûte terrestre. Par ses conditions d'affleurements excellentes, l'intrusion de Torres del Paine représente un site exceptionnel pour améliorer nos connaissances de ces processus. La formation de cette intrusion composée de trois injections granitiques principales et de quatre injections mafiques de volume inférieur couvre une période allant de 12.50 à 12.43 Ma. Le plus vieux granite forme la partie sommitale de l'intrusion alors que l'injection la plus jeune s'observe à la base du complexe granitique; les granites recouvrent la partie mafique du laccolite. L'intrusion du Torres del Paine s'est mise en place a 2-3 km de profondeur dans un encaissant métamorphique. Cet encaissant est caractérisé par un métamorphisme régional de faciès anchizonal à schiste vert et est composé de pélites, de grès, et des conglomérats des formations du Cerro Toro et Punta Barrosa. La mise en place des différentes injections granitiques a généré une auréole de contact de 150-400 m d'épaisseur autour de l'intrusion. Cette thèse se concentre sur la cinétique de réaction associée à la formation de la cordiérite dans les auréoles de contact en utilisant des méthodes quantitatives d'analyses de texture. On observe plusieurs générations de cordiérite dans l'auréole de contact. La première cordiérite est formée par la décomposition de la chlorite (zone I, environ 480 °C, 750 bar), alors qu'une seconde génération de cordiérite est associée à la décomposition de la muscovite, laquelle est accompagnée par une diminution modale de la teneur en biotite et l'apparition de feldspath potassique (zone II, 540-550 °C, 750 bar). Les tailles des cristaux de cordiérites arrondies et blastic ont été déterminées en utilisant des images digitalisées des lames minces et en marquant individuellement chaque cristal. Les images sont ensuite traitées automatiquement à l'aide du programme Matlab. La correction de la probabilité d'intersection en fonction du rayon des cristaux permet de déterminer la distribution de la taille des cristaux dans la roche. Les échantillons de la zone I, en dessous du lacolite, sont caractérisés par de relativement grands cristaux (0.09 mm). Les cristaux de cordiérite de la zone II sont plus petits, avec un rayon maximal de 0.057 mm. Les roches de la zone II présentent un plus grand nombre de petits cristaux de cordiérite que les roches de la zone I. Une combinaison de ces analyses quantitatives avec un modèle numérique de nucléation et croissance a été utilisée pour déduire les paramètres de nucléation et croissance contrôlant les différentes textures minérales observées. Pour développer le modèle de nucléation et de croissance, il est nécessaire de connaître le chemin température - temps des échantillons. L'histoire thermique est complexe parce que l'intrusion est produite par plusieurs injections successives. En effet, le mécanisme d'emplace¬ment et la durée de chaque injection peuvent influencer la structure thermique dans l'auréole. Une subdivision des injections en plus petits incréments, appelés puises, permet de concentrer la chaleur dans les bords de l'intrusion. Une mise en place préférentielle de ces puises sur un côté de l'intrusion modifie l'apport thermique et influence la taille de l'auréole de contact produite, auréole qui devient asymétrique. Dans le cas de la première injection de granite, une modélisation détaillée montre que l'épaisseur relative de l'auréole de contact de Torres del Paine au-dessus et en dessous de l'intrusion (150 et 400 m) est mieux expliquée par un emplacement rapide du granite. Néanmoins, les températures calculées dans l'auréole de con¬tact sont trop basses pour que les modèles thermiques soient cohérants par rapport à la taille de cette auréole. Ainsi, un autre mecanisme exothermique est nécessaire pour permettre à la roche encais¬sante de produire les assemblages observés. L'observation des roches encaissantes entourant les granites montre que les minéraux clastiques dans les sédiments immatures au-dehors de l'auréole sont hydratés suite à la petite quantité de fluide expulsée durant le métamorphisme de contact et/ou la mise en place des granites. Les réactions d'hydratation peuvent permettre une augmentation de la température jusqu'à 50 °C. Afin de déterminer l'origine des fluides, une étude isotopique de roches de l'auréole de contact a été entreprise. Les isotopes stables d'oxygène et d'hydrogène sur la roche totale ainsi que la concentration en chlore dans la biotite indiquent que la mise en place des granites du Torres del Paine n'induit qu'une circulation de fluide limitée. Les données d'oxygène sur roche totale montrent des valeurs δ180 entre 9.0 et 10.0%o au sein des cinq premiers mètres du contact. Les valeurs augmentent jusqu'à 13.0 - 15.0 plus on s'éloigne de l'intrusion. Les valeurs 5D sur roche totale montrent une zonation plus complexe. Les valeurs de la roche encaissante (-90 à -70%o) diminuent progressivement d'environ 20%o depuis l'extérieur de l'auréole jusqu'à une distance d'environ 150 m du granite. Cette diminution est suivie par une augmentation d'environ 20%o au sein des 150 mètres les plus proches du contact (-97.0 à -78%o au contact). La diminution initiale des valeurs de 6D est interprétée comme la conséquence du fractionnement de Rayleigh qui accompagne les réactions de déshydratation formant la cordiérite, alors que l'augmentation finale reflète l'infiltration de fluide riche en eau venant de l'intrusion. A partir de ces résultats, le volume du fluide issu du granite ainsi que son effet thermique a pu être estimé. Ces résultats montrent que l'augmentation de température associée à ces fluides est limitée à un maximum de 30 °C. La contribution de ces fluides dans le bilan thermique est donc faible. Ces différents résultats nous ont permis de créer un modèle thermique associé à la for¬mation de l'auréole de contact qui intègre la mise en place rapide du granite et les réactions d'hydratation lors du métamorphisme. L'intégration de ce modèle thermique dans le modèle numérique de croissance minérale nous permet de calculer les textures des cordiérites. Cepen¬dant, ce modèle est dépendant de la vitesse de croissance et de nucléation de ces cordiérites. Nous avons obtenu ces paramètres en comparant les textures prédites par le modèle et les textures observées dans les roches de l'auréole de contact du Torres del Paine. Les paramètres cinétiques extraits du modèle optimisé indiquent une cristallisation rapide de la cordiérite avant le pic thermique dans la partie interne de l'auréole, et une réaction continue après le pic thermique dans la partie la plus externe de l'auréole. Seules de petites dépendances de température des paramètres de cinétique semblent être nécessaires pour expliquer les don¬nées obtenues sur la distribution des tailles de cristaux. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur la cinétique qui contrôle les réactions métamorphiques.

Patterns of gravity induced aggregate migration during casting of fluid concretes

In this paper, aggregate migration patterns during fluid concrete castings are studied through experiments, dimensionless approach and numerical modeling. The experimental results obtained on two beams show that gravity induced migration is primarily affecting the coarsest aggregates resulting in a decrease of coarse aggregates volume fraction with the horizontal distance from the pouring point and in a puzzling vertical multi-layer structure. The origin of this multi layer structure is discussed and analyzed with the help of numerical simulations of free surface flow. Our results suggest that it finds its origin in the non Newtonian nature of fresh concrete and that increasing casting rate shall decrease the magnitude of gravity induced particle migration. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Validity of the acoustic approximation in full-waveform seismic crosshole tomography

Acoustic waveform inversions are an increasingly popular tool for extracting subsurface information from seismic data. They are computationally much more efficient than elastic inversions. Naturally, an inherent disadvantage is that any elastic effects present in the recorded data are ignored in acoustic inversions. We investigate the extent to which elastic effects influence seismic crosshole data. Our numerical modeling studies reveal that in the presence of high contrast interfaces, at which P-to-S conversions occur, elastic effects can dominate the seismic sections, even for experiments involving pressure sources and pressure receivers. Comparisons of waveform inversion results using a purely acoustic algorithm on synthetic data that is either acoustic or elastic, show that subsurface models comprising small low-to-medium contrast (?30%) structures can be successfully resolved in the acoustic approximation. However, in the presence of extended high-contrast anomalous bodies, P-to-S-conversions may substantially degrade the quality of the tomographic images. In particular, extended low-velocity zones are difficult to image. Likewise, relatively small low-velocity features are unresolved, even when advanced a priori information is included. One option for mitigating elastic effects is data windowing, which suppresses later arriving seismic arrivals, such as shear waves. Our tests of this approach found it to be inappropriate because elastic effects are also included in earlier arriving wavetrains. Furthermore, data windowing removes later arriving P-wave phases that may provide critical constraints on the tomograms. Finally, we investigated the extent to which acoustic inversions of elastic data are useful for time-lapse analyses of high contrast engineered structures, for which accurate reconstruction of the subsurface structure is not as critical as imaging differential changes between sequential experiments. Based on a realistic scenario for monitoring a radioactive waste repository, we demonstrated that acoustic inversions of elastic data yield substantial distortions of the tomograms and also unreliable information on trends in the velocity changes.

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.

Fusion of Multi-Atlas Segmentations with Spatial Distribution Modeling

In recent years, multi-atlas fusion methods have gainedsignificant attention in medical image segmentation. Inthis paper, we propose a general Markov Random Field(MRF) based framework that can perform edge-preservingsmoothing of the labels at the time of fusing the labelsitself. More specifically, we formulate the label fusionproblem with MRF-based neighborhood priors, as an energyminimization problem containing a unary data term and apairwise smoothness term. We present how the existingfusion methods like majority voting, global weightedvoting and local weighted voting methods can be reframedto profit from the proposed framework, for generatingmore accurate segmentations as well as more contiguoussegmentations by getting rid of holes and islands. Theproposed framework is evaluated for segmenting lymphnodes in 3D head and neck CT images. A comparison ofvarious fusion algorithms is also presented.

3D geoelectrical monitoring to follow hydric soil behaviour during rainfall

RESUME Durant les dernières années, les méthodes électriques ont souvent été utilisées pour l'investigation des structures de subsurface. L'imagerie électrique (Electrical Resistivity Tomography, ERT) est une technique de prospection non-invasive et spatialement intégrée. La méthode ERT a subi des améliorations significatives avec le développement de nouveaux algorithmes d'inversion et le perfectionnement des techniques d'acquisition. La technologie multicanale et les ordinateurs de dernière génération permettent la collecte et le traitement de données en quelques heures. Les domaines d'application sont nombreux et divers: géologie et hydrogéologie, génie civil et géotechnique, archéologie et études environnementales. En particulier, les méthodes électriques sont souvent employées dans l'étude hydrologique de la zone vadose. Le but de ce travail est le développement d'un système de monitorage 3D automatique, non- invasif, fiable, peu coûteux, basé sur une technique multicanale et approprié pour suivre les variations de résistivité électrique dans le sous-sol lors d'événements pluvieux. En raison des limitations techniques et afin d'éviter toute perturbation physique dans la subsurface, ce dispositif de mesure emploie une installation non-conventionnelle, où toutes les électrodes de courant sont placées au bord de la zone d'étude. Le dispositif le plus approprié pour suivre les variations verticales et latérales de la résistivité électrique à partir d'une installation permanente a été choisi à l'aide de modélisations numériques. Les résultats démontrent que le dispositif pôle-dipôle offre une meilleure résolution que le dispositif pôle-pôle et plus apte à détecter les variations latérales et verticales de la résistivité électrique, et cela malgré la configuration non-conventionnelle des électrodes. Pour tester l'efficacité du système proposé, des données de terrain ont été collectées sur un site d'étude expérimental. La technique de monitorage utilisée permet de suivre le processus d'infiltration 3D pendant des événements pluvieux. Une bonne corrélation est observée entre les résultats de modélisation numérique et les données de terrain, confirmant par ailleurs que le dispositif pôle-dipôle offre une meilleure résolution que le dispositif pôle-pôle. La nouvelle technique de monitorage 3D de résistivité électrique permet de caractériser les zones d'écoulement préférentiel et de caractériser le rôle de la lithologie et de la pédologie de manière quantitative dans les processus hydrologiques responsables d'écoulement de crue. ABSTRACT During the last years, electrical methods were often used for the investigation of subsurface structures. Electrical resistivity tomography (ERT) has been reported to be a useful non-invasive and spatially integrative prospecting technique. The ERT method provides significant improvements, with the developments of new inversion algorithms, and the increasing efficiency of data collection techniques. Multichannel technology and powerful computers allow collecting and processing resistivity data within few hours. Application domains are numerous and varied: geology and hydrogeology, civil engineering and geotechnics, archaeology and environmental studies. In particular, electrical methods are commonly used in hydrological studies of the vadose zone. The aim of this study was to develop a multichannel, automatic, non-invasive, reliable and inexpensive 3D monitoring system designed to follow electrical resistivity variations in soil during rainfall. Because of technical limitations and in order to not disturb the subsurface, the proposed measurement device uses a non-conventional electrode set-up, where all the current electrodes are located near the edges of the survey grid. Using numerical modelling, the most appropriate arrays were selected to detect vertical and lateral variations of the electrical resistivity in the framework of a permanent surveying installation system. The results show that a pole-dipole array has a better resolution than a pole-pole array and can successfully follow vertical and lateral resistivity variations despite the non-conventional electrode configuration used. Field data are then collected at a test site to assess the efficiency of the proposed monitoring technique. The system allows following the 3D infiltration processes during a rainfall event. A good correlation between the results of numerical modelling and field data results can be observed since the field pole-dipole data give a better resolution image than the pole-pole data. The new device and technique makes it possible to better characterize the zones of preferential flow and to quantify the role of lithology and pedology in flood- generating hydrological processes.

Complex landslide behaviour and structural controlled by the structures: A 3D conceptual model example of Åknes rockslide, Norway

Åknes is an active complex large rockslide of approximately 30?40 Mm3 located within the Proterozoic gneisses of western Norway. The observed surface displacements indicate that this rockslide is divided into several blocks moving in different directions at velocities of between 3 and 10 cm year?1. Because of regional safety issues and economic interests this rockslide has been extensively monitored since 2004. The understanding of the deformation mechanism is crucial for the implementation of a viable monitoring system. Detailed field investigations and the analysis of a digital elevation model (DEM) indicate that the movements and the block geometry are controlled by the main schistosity (S1) in gneisses, folds, joints and regional faults. Such complex slope deformations use pre-existing structures, but also result in new failure surfaces and deformation zones, like preferential rupture in fold-hinge zones. Our interpretation provides a consistent conceptual three-dimensional (3D) model for the movements measured by various methods that is crucial for numerical stability modelling. In addition, this reinterpretation of the morphology confirms that in the past several rockslides occurred from the Åknes slope. They may be related to scars propagating along the vertical foliation in folds hinges. Finally, a model of the evolution of the Åknes slope is presented.