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.

Morphostructural analysis of an alpine debris flows catchment: implication for debris supply

Rock slope instabilities are implicitly linked to the supply of sediment and debris recharging channels prone to debris flow. Hence, the incorporation of bedrock structure and terrain morphology can be relevant in the analysis of sediment budget and debris flow hazard assessment. Here, the mode of debris production of the Manival catchment (northern French Alps) is documented by the study of its morphostructural aspects extracted from high resolution DEM. Terrain implication in the process of debris supply is evaluated by: a) A systematic classification of the major morphological units based on the slope gradient that enables a spatial analysis of zones of debris production and deposition. b) A detailed structural analysis performed on DEM in order to identify potential unstable slopes. c) An analysis of the gullies orientation that informs in term of structural control of the sources zones. d) Localisation of high density joints sets that document about whether sources of continuous debris production are controlled by the structural setting of the catchment. These DEM-based indicators can be used as proxies for assessing the influences of the current topography and enable to quantify a degree of susceptibility to mass wasting and hillslope erosion activity. This present contribution suggests some directions for characterizing sediment flux dynamic in small alpine catchment.

Regional deterministic characterization of fracture networks and its application to GIS-based rock fall risk assessment

The study investigates the possibility to incorporate fracture intensity and block geometry as spatially continuous parameters in GIS-based systems. For this purpose, a deterministic method has been implemented to estimate block size (Bloc3D) and joint frequency (COLTOP). In addition to measuring the block size, the Bloc3D Method provides a 3D representation of the shape of individual blocks. These two methods were applied using field measurements (joint set orientation and spacing) performed over a large field area, in the Swiss Alps. This area is characterized by a complex geology, a number of different rock masses and varying degrees of metamorphism. The spatial variability of the parameters was evaluated with regard to lithology and major faults. A model incorporating these measurements and observations into a GIS system to assess the risk associated with rock falls is proposed. The analysis concludes with a discussion on the feasibility of such an application in regularly and irregularly jointed rock masses, with persistent and impersistent discontinuities.

Combining digital elevation model analysis and run-out modeling to characterize hazard posed by a potentially unstable rock slope at Turtle Mountain, Alberta, Canada

Turtle Mountain in Alberta, Canada has become an important field laboratory for testing different techniques related to the characterization and monitoring of large slope mass movements as the stability of large portions of the eastern face of the mountain is still questionable. In order to better quantify the volumes potentially unstable and the most probable failure mechanisms and potential consequences, structural analysis and runout modeling were preformed. The structural features of the eastern face were investigated using a high resolution digital elevation model (HRDEM). According to displacement datasets and structural observations, potential failure mechanisms affecting different portions of the mountain have been assessed. The volumes of the different potentially unstable blocks have been calculated using the Sloping Local Base Level (SLBL) method. Based on the volume estimation, two and three dimensional dynamic runout analyses have been performed. Calibration of this analysis is based on the experience from the adjacent Frank Slide and other similar rock avalanches. The results will be used to improve the contingency plans within the hazard area.

Sediment budget monitoring of a debris-flow torrent (French Prealps)

The Manival near Grenoble (French Prealps) is a very active debris-flow torrent equipped with a large sediment trap (25 000 m3) protecting an urbanized alluvial fan from debris-flows. We began monitoring the sediment budget of the catchment controlled by the trap in Spring 2009. Terrestrial laser scanner is used for monitoring topographic changes in a small gully, the main channel, and the sediment trap. In the main channel, 39 cross-sections are surveyed after every event. Three periods of intense geomorphic activity are documented here. The first was induced by a convective storm in August 2009 which triggered a debris-flow that deposited ~1,800 m3 of sediment in the trap. The debris-flow originated in the upper reach of the main channel and our observations showed that sediment outputs were entirely supplied by channel scouring. Hillslope debris-flows were initiated on talus slopes, as revealed by terrestrial LiDAR resurveys; however they were disconnected to the main channel. The second and third periods of geomorphic activity were induced by long duration and low intensity rainfall events in September and October 2009 which generate small flow events with intense bedload transport. These events contribute to recharge the debris-flow channel with sediments by depositing important gravel dunes propagating from headwaters. The total recharge in the torrent subsequent to bedload transport events was estimated at 34% of the sediment erosion induced by the August debris-flow.

Contribution to the geology of Thailand and implications for the geodynamic evolution of Southeast Asia

Abstract The purpose of this study is to unravel the geodynamic evolution of Thailand and, from that, to extend the interpretation to the rest of Southeast Asia. The methodology was based in a first time on fieldwork in Northern Thailand and Southernmost Myanmar, using a multidisciplinary approach, and then on the compilation and re-interpretation, in a plate tectonics point of view, of existing data about the whole Southeast Asia. The main results concern the Nan-Uttaradit suture, the Chiang Mai Volcanic Belt and the proposition of a new location for the Palaeotethys suture. This led to the establishment of a new plate tectonic model for the geodynamic evolution of Southeast Asia, implying the existence new terranes (Orang Laut and the redefinition of Shan-Thai) and the role of the Palaeopacific Ocean in the tectonic development of the area. The model proposed here considers the Palaeotethys suture as located along the Tertiary Mae Yuam Fault, which represents the divide between the Cimmerian Sibumasu terrane and the Indochina-derived Shan-Thai block. The term Shan-Thai, previously used to define the Cimmerian area (when the Palaeotethys suture was thought to represented by the Nan-Uttaradit suture), was redefined here by keeping its geographical location within the Shan States of Myanmar and Central-Northern Thailand, but attributing it an East Asian Origin. Its detachment from Indochina was the result of the Early Permian opening of the Nan basin. The Nan basin closed during the Middle Triassic, before the deposition of Carnian-Norian molasse. The modalities of the closure of the basin imply a first phase of Middle Permian obduction, followed by final eastwards subduction. The Chiang Mai Volcanic Belt consists of scattered basaltic rocks erupted at least during the Viséan in an extensional continental intraplate setting, on the Shan-Thai part of the Indochina block. The Viséan age was established by the dating of limestone stratigraphically overlying the basalts. In several localities of the East Asian Continent, coeval extensional features occur, possibly implying one or more Early Carboniferous extensional events at a regional scale. These events occurred either due to the presence of a mantle plume or to the roll-back of the Palaeopacific Ocean, subducting beneath Indochina and South China, or both. The Palaeopacific Ocean is responsible, during the Early Permian, for the opening of the Song Ma and Poko back-arcs (Vietnam) with the consequent detachment of the Orang Laut Terranes (Eastern Vietnam, West Sumatra, Kalimantan, Palawan, Taiwan). The Late Triassic/Early Jurassic closure of the Eastern Palaeotethys is considered as having taken place by subduction beneath its southern margin (Gondwana), due to the absence of Late Palaeozoic arc magmatism on its northern (Indochinese) margin and the presence of volcanism on the Cimmerian blocks (Mergui, Lhasa). Résumé Le but de cette étude est d'éclaircir l'évolution géodynamique de la Thaïlande et, à partir de cela, d'étendre l'interprétation au reste de l'Asie du Sud-Est. La méthodologie utilisée est basée dans un premier temps sur du travail de terrain en Thaïlande du nord et dans l'extrême sud du Myanmar, en se basant sur une approche pluridisciplinaire. Dans un deuxième temps, la compilation et la réinterprétation de données préexistantes sur l'Asie du Sud-est la été faite, dans une optique basée sur la tectonique des plaques. Les principaux résultats de ce travail concernent la suture de Nan-Uttaradit, la « Chiang Mai Volcanic Belt» et la proposition d'une nouvelle localité pour la suture de la Paléotethys. Ceci a conduit à l'établissement d'un nouveau modèle pour l'évolution géodynamique de l'Asie du Sud-est, impliquant l'existence de nouveaux terranes (Orang Laut et Shan-Thai redéfini) et le rôle joué par le Paléopacifique dans le développement tectonique de la région. Le modèle présenté ici considère que la suture de la Paléotethys est située le long de la faille Tertiaire de Mae Yuam, qui représente la séparation entre le terrain Cimmérien de Sibumasu et le bloc de Shan-Thai, d'origine Indochinoise. Le terme Shan-Thai, anciennement utilise pour définir le bloc Cimmérien (quand la suture de la Paléotethys était considérée être représentée par la suture de Nan-Uttaradit), a été redéfini ici en maintenant sa localisation géographique dans les états Shan du Myanmar et la Thaïlande nord-centrale, mais en lui attribuant une origine Est Asiatique. Son détachement de l'Indochine est le résultat de l'ouverture du basin de Nan au Permien Inférieur. Le basin de Nan s'est fermé pendant le Trias Moyen, avant le dépôt de molasse Carnienne-Norienne. Les modalités de fermeture du basin invoquent une première phase d'obduction au Permien Moyen, suivie par une subduction finale vers l'est. La "Chiang Mai Volcanic Belt" consiste en des basaltes éparpillés qui ont mis en place au moins pendant le Viséen dans un contexte extensif intraplaque continental sur la partie de l'Indochine correspondant au bloc de Shan-Thai. L'âge Viséen a été établi sur la base de la datation de calcaires qui surmontent stratigraphiquement les basaltes. Dans plusieurs localités du continent Est Asiatique, des preuves d'extension plus ou moins contemporaines ont été retrouvées, ce qui implique l'existence d'une ou plusieurs phases d'extension au Carbonifère Inférieur a une échelle régionale. Ces événements sont attribués soit à la présence d'un plume mantellique, ou au rollback du Paléopacifique, qui subductait sous l'Indochine et la Chine Sud, soit les deux. Pendant le Permien inférieur, le Paléopacifique est responsable pour l'ouverture des basins d'arrière arc de Song Ma et Poko (Vietnam), induisant le détachement des Orang Laut Terranes (Est Vietnam, Ouest Sumatra, Kalimantan, Palawan, Taiwan). La fermeture de la Paléotethys Orientale au Trias Supérieur/Jurassique Inférieur est considérée avoir eu lieu par subduction sous sa marge méridionale (Gondwana), à cause de l'absence de magmatisme d'arc sur sa marge nord (Indochinoise) et de la présence de volcanisme sur les blocs Cimmériens de Lhassa et Sibumasu (Mergui). Résumé large public L'histoire géologique de l'Asie du Sud-est depuis environ 430 millions d'années a été déterminée par les collisions successives de plusieurs continents les uns avec les autres. Il y a environ 430 millions d'années, au Silurien, un grand continent appelé Gondwana, a commencé à se «déchirer» sous l'effet des contraintes tectoniques qui le tiraient. Cette extension a provoqué la rupture du continent et l'ouverture d'un grand océan, appelé Paléotethys, éloignant les deux parties désormais séparées. C'est ainsi que le continent Est Asiatique, composé d'une partie de la Chine actuelle, de la Thaïlande, du Myanmar, de Sumatra, du Vietnam et de Bornéo a été entraîné avec le bord (marge) nord de la Paléotethys, qui s'ouvrait petit à petit. Durant le Carbonifère Supérieur, il y a environ 300 millions d'années, le sud du Gondwana subissait une glaciation, comme en témoigne le dépôt de sédiments glaciaires dans les couches de cet âge. Au même moment le continent Est Asiatique se trouvait à des latitudes tropicales ou équatoriales, ce qui permettait le dépôt de calcaires contenant différents fossiles de foraminifères d'eau chaude et de coraux. Durant le Permien Inférieur, il y a environ 295 millions d'années, la Paléotethys Orientale, qui était un relativement vieil océan avec une croûte froide et lourde, se refermait. La croûte océanique a commencé à s'enfoncer, au sud, sous le Gondwana. C'est ce que l'on appelle la subduction. Ainsi, le Gondwana s'est retrouvé en position de plaque supérieure, par rapport à la Paléotethys qui, elle, était en plaque inférieure. La plaque inférieure en subductant a commencé à reculer. Comme elle ne pouvait pas se désolidariser de la plaque supérieure, en reculant elle l'a tirée. C'est le phénomène du «roll-back ». Cette traction a eu pour effet de déchirer une nouvelle fois le Gondwana, ce qui a résulté en la création d'un nouvel Océan, la Neotethys. Cet Océan en s'ouvrant a déplacé une longue bande continentale que l'on appelle les blocs Cimmériens. La Paléotethys était donc en train de se fermer, la Neotethys de s'ouvrir, et entre deux les blocs Cimmériens se rapprochaient du Continent Est Asiatique. Pendant ce temps, le continent Est Asiatique était aussi soumis à des tensions tectoniques. L'Océan Paléopacifique, à l'est de celui-ci, était aussi en train de subducter. Cette subduction, par roll-back, a déchiré le continent en détachant une ligne de microcontinents appelés ici « Orang Laut Terranes », séparés du continent par deux océans d'arrière arc : Song Ma et Poko. Ceux-ci sont composés de Taiwan, Palawan, Bornéo ouest, Vietnam oriental, et la partie occidentale de Sumatra. Un autre Océan s'est ouvert pratiquement au même moment dans le continent Est Asiatique : l'Océan de Nan qui, en s'ouvrant, a détaché un microcontinent appelé Shan-Thai. La fermeture de l'Océan de Nan, il y a environ 230 millions d'années a resolidarisé Shan-Thai et le continent Est Asiatique et la trace de cet événement est aujourd'hui enregistrée dans la suture (la cicatrice de l'Océan) de Nan-Uttaradit. La cause de l'ouverture de l'Océan de Nan peut soit être due à la subduction du Paléopacifique, soit aux fait que la subduction de la Paléotethys tirait le continent Est Asiatique par le phénomène du « slab-pull », soit aux deux. La subduction du Paléopacifique avait déjà crée de l'extension dans le continent Est Asiatique durant le Carbonifère Inférieur (il y a environ 340-350 millions d'années) en créant des bassins et du volcanisme, aujourd'hui enregistré en différents endroits du continent, dont la ceinture volcanique de Chiang Mai, étudiée ici. A la fin du Trias, la Paléotethys se refermait complètement, et le bloc Cimmérien de Sibumasu entrait en collision avec le continent Est Asiatique. Comme c'est souvent le cas avec les grands océans, il n'y a pas de suture proprement dite, avec des fragments de croûte océanique, pour témoigner de cet évènement. Celui-ci est visible grâce à la différence entre les sédiments du Carbonifère Supérieur et du Permieñ Inférieur de chaque domaine : dans le domaine Cimmérien ils sont de type glaciaire alors que dans le continent Est Asiatique ils témoignent d'un climat tropical. Les océans de Song Ma et Poko se sont aussi refermés au Trias, mais eux ont laissé des sutures visibles

In vitro engineering of human stratified urothelium: analysis of its morphology and function.

PURPOSE: Gastric or intestinal patches, commonly used for reconstructive cystoplasty, may induce severe metabolic complications. The use of bladder tissues reconstructed in vitro could avoid these complications. We compared cellular differentiation and permeability characteristics of human native with in vitro cultured stratified urothelium. MATERIALS AND METHODS: Human stratified urothelium was induced in vitro. Morphology was studied with light and electron microscopy and expression of key cellular proteins was assessed using immunohistochemistry. Permeability coefficients were determined by measuring water, urea, ammonia and proton fluxes across the urothelium. RESULTS: As in native urothelium the stratified urothelial construct consisted of basal membrane and basal, intermediate and superficial cell layers. The apical membrane of superficial cells formed villi and glycocalices, and tight junctions and desmosomes were developed. Immunohistochemistry showed similarities and differences in the expression of cytokeratins, integrin and cellular adhesion proteins. In the cultured urothelium cytokeratin 20 and integrin subunits alpha6 and beta4 were absent, and symplekin was expressed diffusely in all layers. Uroplakins were clearly expressed in the superficial umbrella cells of the urothelial constructs, however, they were also present in intermediate and basal cells. Symplekin and uroplakins were expressed only in the superficial cells of native bladder tissue. The urothelial constructs showed excellent viability, and functionally their permeabilities for water, urea and ammonia were no different from those measured in native human urothelium. Proton permeability was even lower in the constructs compared to that of native urothelium. CONCLUSIONS: Although the in vitro cultured human stratified urothelium did not show complete terminal differentiation of its superficial cells, it retained the same barrier characteristics against the principal urine components. These results indicate that such in vitro cultured urothelium, after being grown on a compliant degradable support or in coculture with smooth muscle cells, is suitable for reconstructive cystoplasty.

Translation of biomechanical concepts in bone tissue engineering: from animal study to revision knee arthroplasty.

Bone defects in revision knee arthroplasty are often located in load-bearing regions. The goal of this study was to determine whether a physiologic load could be used as an in situ osteogenic signal to the scaffolds filling the bone defects. In order to answer this question, we proposed a novel translation procedure having four steps: (1) determining the mechanical stimulus using finite element method, (2) designing an animal study to measure bone formation spatially and temporally using micro-CT imaging in the scaffold subjected to the estimated mechanical stimulus, (3) identifying bone formation parameters for the loaded and non-loaded cases appearing in a recently developed mathematical model for bone formation in the scaffold and (4) estimating the stiffness and the bone formation in the bone-scaffold construct. With this procedure, we estimated that after 3 years mechanical stimulation increases the bone volume fraction and the stiffness of scaffold by 1.5- and 2.7-fold, respectively, compared to a non-loaded situation.

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.

Combining geophysical and laboratory measurements for civil Engineering.

The study of wave propagation at sonic frequency in soil leads to elasticity parameter determination. These parameters are compatible to those measured simultaneously by static loading. The acquisition of in situ elasticity parameter combined with laboratory description of the elastoplastic behaviour can lead to in situ elastoplastic curves. - L'étude de la propagation des ondes acoustiques permet la détermination des paramètres d'élasticité dans les sols. Ces paramètres sont cohérents avec des mesures statiques simultanées. L'acquisition des paramètres d'élasticité in situ associée à une description du comportement élasto-plastique mesuré en laboratoire permet d'obtenir des courbes d'élastoplasticité in situ.