Contact metamorphism and emplacement of the western Adamello tonalite

The geodynamic forces acting in the Earth's interior manifest themselves in a variety of ways. Volcanoes are amongst the most impressive examples in this respect, but like with an iceberg, they only represent the tip of a more extensive system hidden underground. This system consists of a source region where melt forms and accumulates, feeder connections in which magma is transported towards the surface, and different reservoirs where it is stored before it eventually erupts to form a volcano. A magma represents a mixture of melt and crystals. The latter can be extracted from the source region, or form anywhere along the path towards their final crystallization place. They will retain information of the overall plumbing system. The host rocks of an intrusion, in contrast, provide information at the emplacement level. They record the effects of thermal and mechanical forces imposed by the magma. For a better understanding of the system, both parts - magmatic and metamorphic petrology - have to be integrated. I will demonstrate in my thesis that information from both is complementary. It is an iterative process, using constraints from one field to better constrain the other. Reading the history of the host rocks is not always straightforward. This is shown in chapter two, where a model for the formation of clustered garnets observed in the contact aureole is proposed. Fragments of garnets, older than the intrusive rocks are overgrown by garnet crystallizing due to the reheating during emplacement of the adjacent pluton. The formation of the clusters is therefore not a single event as generally assumed but the result of a two-stage process, namely the alteration of the old grains and the overgrowth and amalgamation of new garnet rims. This makes an important difference when applying petrological methods such as thermobarometry, geochronology or grain size distributions. The thermal conditions in the aureole are a strong function of the emplacement style of the pluton. therefore it is necessary to understand the pluton before drawing conclusions about its aureole. A study investigating the intrusive rocks by means of field, geochemical, geochronologi- cal and structural methods is presented in chapter three. This provided important information about the assembly of the intrusion, but also new insights on the nature of large, homogeneous plutons and the structure of the plumbing system in general. The incremental nature of the emplacement of the Western Adamello tonalité is documented, and the existence of an intermediate reservoir beneath homogeneous plutons is proposed. In chapter four it is demonstrated that information extracted from the host rock provides further constraints on the emplacement process of the intrusion. The temperatures obtain by combining field observations with phase petrology modeling are used together with thermal models to constrain the magmatic activity in the immediate intrusion. Instead of using the thermal models to control the petrology result, the inverse is done. The model parameters were changed until a match with the aureole temperatures was obtained. It is shown, that only a few combinations give a positive match and that temperature estimates from the aureole can constrain the frequency of ancient magmatic systems. In the fifth chapter, the Anisotropy of Magnetic Susceptibility of intrusive rocks is compared to 3D tomography. The obtained signal is a function of the shape and distribution of ferromagnetic grains, and is often used to infer flow directions of magma. It turns out that the signal is dominated by the shape of the magnetic crystals, and where they form tight clusters, also by their distribution. This is in good agreement with the predictions made in the theoretical and experimental literature. In the sixth chapter arguments for partial melting of host rock carbonates are presented. While at first very surprising, this is to be expected when considering the prior results from the intrusive study and experiments from the literature. Partial melting is documented by compelling microstructures, geochemical and structural data. The necessary conditions are far from extreme and this process might be more frequent than previously thought. The carbonate melt is highly mobile and can move along grain boundaries, infiltrating other rocks and ultimately alter the existing mineral assemblage. Finally, a mineralogical curiosity is presented in chapter seven. The mineral assemblage magne§site and calcite is in apparent equilibrium. It is well known that these two carbonates are not stable together in the system Ca0-Mg0-Fe0-C02. Indeed, magnesite and calcite should react to dolomite during metamorphism. The presented explanation for this '"forbidden" assemblage is, that a calcite melt infiltrated the magnesite bearing rock along grain boundaries and caused the peculiar microstructure. This is supported by isotopie disequilibrium between calcite and magnesite. A further implication of partially molten carbonates is, that the host rock drastically looses its strength so that its physical properties may be comparable to the ones of the intrusive rocks. This contrasting behavior of the host rock may ease the emplacement of the intrusion. We see that the circle closes and the iterative process of better constraining the emplacement could start again. - La Terre est en perpétuel mouvement et les forces tectoniques associées à ces mouvements se manifestent sous différentes formes. Les volcans en sont l'un des exemples les plus impressionnants, mais comme les icebergs, les laves émises en surfaces ne représentent que la pointe d'un vaste système caché dans les profondeurs. Ce système est constitué d'une région source, région où la roche source fond et produit le magma ; ce magma peut s'accumuler dans cette région source ou être transporté à travers différents conduits dans des réservoirs où le magma est stocké. Ce magma peut cristalliser in situ et produire des roches plutoniques ou alors être émis en surface. Un magma représente un mélange entre un liquide et des cristaux. Ces cristaux peuvent être extraits de la source ou se former tout au long du chemin jusqu'à l'endroit final de cristallisation. L'étude de ces cristaux peut ainsi donner des informations sur l'ensemble du système magmatique. Au contraire, les roches encaissantes fournissent des informations sur le niveau d'emplacement de l'intrusion. En effet ces roches enregistrent les effets thermiques et mécaniques imposés par le magma. Pour une meilleure compréhension du système, les deux parties, magmatique et métamorphique, doivent être intégrées. Cette thèse a pour but de montrer que les informations issues de l'étude des roches magmatiques et des roches encaissantes sont complémentaires. C'est un processus itératif qui utilise les contraintes d'un domaine pour améliorer la compréhension de l'autre. Comprendre l'histoire des roches encaissantes n'est pas toujours aisé. Ceci est démontré dans le chapitre deux, où un modèle de formation des grenats observés sous forme d'agrégats dans l'auréole de contact est proposé. Des fragments de grenats plus vieux que les roches intru- sives montrent une zone de surcroissance générée par l'apport thermique produit par la mise en place du pluton adjacent. La formation des agrégats de grenats n'est donc pas le résultat d'un seul événement, comme on le décrit habituellement, mais d'un processus en deux phases, soit l'altération de vieux grains engendrant une fracturation de ces grenats, puis la formation de zone de surcroissance autour de ces différents fragments expliquant la texture en agrégats observée. Cette interprétation en deux phases est importante, car elle engendre des différences notables lorsque l'on applique des méthodes pétrologiques comme la thermobarométrie, la géochronologie ou encore lorsque l'on étudie la distribution relative de la taille des grains. Les conditions thermales dans l'auréole de contact dépendent fortement du mode d'emplacement de l'intrusion et c'est pourquoi il est nécessaire de d'abord comprendre le pluton avant de faire des conclusions sur son auréole de contact. Une étude de terrain des roches intrusives ainsi qu'une étude géochimique, géochronologique et structurale est présente dans le troisième chapitre. Cette étude apporte des informations importantes sur la formation de l'intrusion mais également de nouvelles connaissances sur la nature de grands plutons homogènes et la structure de système magmatique en général. L'emplacement incrémental est mis en évidence et l'existence d'un réservoir intermédiaire en-dessous des plutons homogènes est proposé. Le quatrième chapitre de cette thèse illustre comment utiliser l'information extraite des roches encaissantes pour expliquer la mise en place de l'intrusion. Les températures obtenues par la combinaison des observations de terrain et l'assemblage métamorphique sont utilisées avec des modèles thermiques pour contraindre l'activité magmatique au contact directe de cette auréole. Au lieu d'utiliser le modèle thermique pour vérifier le résultat pétrologique, une approche inverse a été choisie. Les paramètres du modèle ont été changés jusqu'à ce qu'on obtienne une correspondance avec les températures observées dans l'auréole de contact. Ceci montre qu'il y a peu de combinaison qui peuvent expliquer les températures et qu'on peut contraindre la fréquence de l'activité magmatique d'un ancien système magmatique de cette manière. Dans le cinquième chapitre, les processus contrôlant l'anisotropie de la susceptibilité magnétique des roches intrusives sont expliqués à l'aide d'images de la distribution des minéraux dans les roches obtenues par tomographie 3D. Le signal associé à l'anisotropie de la susceptibilité magnétique est une fonction de la forme et de la distribution des grains ferromagnétiques. Ce signal est fréquemment utilisé pour déterminer la direction de mouvement d'un magma. En accord avec d'autres études de la littérature, les résultats montrent que le signal est dominé par la forme des cristaux magnétiques, ainsi que par la distribution des agglomérats de ces minéraux dans la roche. Dans le sixième chapitre, une étude associée à la fusion partielle de carbonates dans les roches encaissantes est présentée. Si la présence de liquides carbonatés dans les auréoles de contact a été proposée sur la base d'expériences de laboratoire, notre étude démontre clairement leur existence dans la nature. La fusion partielle est documentée par des microstructures caractéristiques pour la présence de liquides ainsi que par des données géochimiques et structurales. Les conditions nécessaires sont loin d'être extrêmes et ce processus pourrait être plus fréquent qu'attendu. Les liquides carbonatés sont très mobiles et peuvent circuler le long des limites de grain avant d'infiltrer d'autres roches en produisant une modification de leurs assemblages minéralogiques. Finalement, une curiosité minéralogique est présentée dans le chapitre sept. L'assemblage de minéraux de magnésite et de calcite en équilibre apparent est observé. Il est bien connu que ces deux carbonates ne sont pas stables ensemble dans le système CaO-MgO-FeO-CO.,. En effet, la magnésite et la calcite devraient réagir et produire de la dolomite pendant le métamorphisme. L'explication présentée pour cet assemblage à priori « interdit » est que un liquide carbonaté provenant des roches adjacentes infiltre cette roche et est responsable pour cette microstructure. Une autre implication associée à la présence de carbonates fondus est que la roche encaissante montre une diminution drastique de sa résistance et que les propriétés physiques de cette roche deviennent comparables à celles de la roche intrusive. Cette modification des propriétés rhéologiques des roches encaissantes peut faciliter la mise en place des roches intrusives. Ces différentes études démontrent bien le processus itératif utilisé et l'intérêt d'étudier aussi bien les roches intrusives que les roches encaissantes pour la compréhension des mécanismes de mise en place des magmas au sein de la croûte terrestre.

Modelling the mechanical aspects of the curing process of magneto-sensitive elastomeric materials

In this paper, a phenomenologically motivated magneto-mechanically coupled finite strain elastic framework for simulating the curing process of polymers in the presence of a magnetic load is proposed. This approach is in line with previous works by Hossain and co-workers on finite strain curing modelling framework for the purely mechanical polymer curing (Hossain et al., 2009b). The proposed thermodynamically consistent approach is independent of any particular free energy function that may be used for the fully-cured magneto-sensitive polymer modelling, i.e. any phenomenological or micromechanical-inspired free energy can be inserted into the main modelling framework. For the fabrication of magneto-sensitive polymers, micron-size ferromagnetic particles are mixed with the liquid matrix material in the uncured stage. The particles align in a preferred direction with the application of a magnetic field during the curing process. The polymer curing process is a complex (visco) elastic process that transforms a fluid to a solid with time. Such transformation process is modelled by an appropriate constitutive relation which takes into account the temporal evolution of the material parameters appearing in a particular energy function. For demonstration in this work, a frequently used energy function is chosen, i.e. the classical Mooney-Rivlin free energy enhanced by coupling terms. Several representative numerical examples are demonstrated that prove the capability of our approach to correctly capture common features in polymers undergoing curing processes in the presence of a magneto-mechanical coupled load.

Magnetic pill tracking : a novel non-invasive tool for investigation of human digestive motility

RESUME Les améliorations méthodologiques des dernières décennies ont permis une meilleure compréhension de la motilité gastro-intestinale. Il manque toutefois une méthode qui permette de suivre la progression du chyme le long du tube gastro-intestinal. Pour permettre l'étude de la motilité de tout le tractus digestif humain, une nouvelle technique, peu invasive, a été élaborée au Département de Physiologie, en collaboration avec l'EPFL. Appelée "Magnet Tracking", la technique est basée sur la détection du champ magnétique généré par des matériaux ferromagnétiques avalés. A cet usage, une pilule magnétique, une matrice de capteurs et un logiciel ont été développés. L'objet de ce travail est de démontrer la faisabilité d'un examen de la motilité gastro-intestinale chez l'Homme par cette méthode. L'aimant est un cylindre (ø 6x7 mm, 0.2 cm3) protégé par une gaine de silicone. Le système de mesure est constitué d'une matrice de 4x4 capteurs et d'un ordinateur portable. Les capteurs fonctionnent sur l'effet Hall. Grâce à l'interface informatique, l'évolution de la position de l'aimant est suivie en temps réel à travers tout le tractus digestif. Sa position est exprimée en fonction du temps ou reproduite en 3-D sous forme d'une trajectoire. Différents programmes ont été crées pour analyser la dynamique des mouvements de l'aimant et caractériser la motilité digestive. Dix jeunes volontaires en bonne santé ont participé à l'étude. L'aimant a été avalé après une nuit de jeûne et son séjour intra digestif suivi pendant 2 jours consécutifs. Le temps moyen de mesure était de 34 heures. Chaque sujet a été examiné une fois sauf un qui a répété sept fois l'expérience. Les sujets restaient en décubitus dorsal, tranquilles et pouvaient interrompre la mesure s'ils le désiraient. Ils sont restés à jeûne le premier jour. L'évacuation de l'aimant a été contrôlée chez tous les sujets. Tous les sujets ont bien supporté l'examen. Le marqueur a pu être détecté de l'oesophage au rectum. La trajectoire ainsi constituée représente une conformation de l'anatomie digestive : une bonne superposition de celle-ci à l'anatomie est obtenue à partir des images de radiologie conventionnelle (CT-scan, lavement à la gastrografine). Les mouvements de l'aimant ont été caractérisés selon leur périodicité, leur amplitude ou leur vitesse pour chaque segment du tractus digestif. Ces informations physiologiques sont bien corrélées à celles obtenues par des méthodes établies d'étude de la motilité gastro-intestinale. Ce travail démontre la faisabilité d'un examen de la motilité gastro-intestinal chez l'Homme par la méthode de Magnet Tracking. La technique fournit les données anatomiques et permet d'analyser en temps réel la dynamique des mouvements du tube digestif. Cette méthode peu invasive ouvre d'intéressantes perspectives pour l'étude de motilité dans des conditions physiologiques et pathologiques. Des expériences visant à valider cette approche en tant que méthode clinique sont en voie de réalisation dans plusieurs centres en Suisse et à l'étranger. SUMMARY Methodological improvements realised over the last decades have permitted a better understanding of gastrointestinal motility. Nevertheless, a method allowing a continuous following of lumina' contents is still lacking. In order to study the human digestive tract motility, a new minimally invasive technique was developed at the Department of Physiology in collaboration with Swiss Federal Institute of Technology. The method is based on the detection of magnetic field generated by swallowed ferromagnetic materials. The aim of our work was to demonstrate the feasibility of this new approach to study the human gastrointestinal motility. The magnet used was a cylinder (ø6x7mm, 0.2 cm3) coated with silicon. The magnet tracking system consisted of a 4x4 matrix of sensors based on the Hall effect Signals from the sensors were digitised and sent to a laptop computer for processing and storage. Specific software was conceived to analyse in real time the progression of the magnet through the gastrointestinal tube. Ten young and healthy volunteers were enrolled in the study. After a fasting period of 12 hours, they swallowed the magnet. The pill was then tracked for two consecutive days for 34 hours on average. Each subject was studied once except one who was studied seven times. Every subject laid on his back for the entire experiment but could interrupt it at anytime. Evacuation of the magnet was controlled in all subjects. The examination was well tolerated. The pill could be followed from the esophagus to the rectum. The trajectory of the magnet represented a "mould" of the anatomy of the digestive tube: a good superimposition with radiological anatomy (gastrografin contrast and CT) was obtained. Movements of the magnet were characterized by periodicity, velocity, and amplitude of displacements for every segment of the digestive tract. The physiological information corresponded well to data from current methods of studying gastrointestinal motility. This work demonstrates the feasibility of the new approach in studies of human gastrointestinal motility. The technique allows to correlate in real time the dynamics of digestive movements with the anatomical data. This minimally invasive method is ready for studies of human gastrointestinal motility under physiological as well as pathological conditions. Studies aiming at validation of this new approach as a clinically relevant tool are being realised in several centres in Switzerland and abroad. Abstract: A new minimally invasive technique allowing for anatomical mapping and motility studies along the entire human digestive system is presented. The technique is based on continuous tracking of a small magnet progressing through the digestive tract. The coordinates of the magnet are calculated from signals recorded by 16 magnetic field sensors located over the abdomen. The magnet position, orientation and trajectory are displayed in real time. Ten young healthy volunteers were followed during 34 h. The technique was well tolerated and no complication was encountered, The information obtained was 3-D con-figuration of the digestive tract and dynamics of the magnet displacement (velocity, transit time, length estimation, rhythms). In the same individual, repea-ted examination gave very reproducible results. The anatomical and physiological information obtained corresponded well to data from current methods and imaging. This simple, minimally invasive technique permits examination of the entire digestive tract and is suitable for both research and clinical studies. In combination with other methods, it may represent a useful tool for studies of Cl motility with respect to normal and pathological conditions.

Label-free detection of tobramycin in serum by transmission-localized surface plasmon resonance.

In order to improve the efficacy and safety of treatments, drug dosage needs to be adjusted to the actual needs of each patient in a truly personalized medicine approach. Key for widespread dosage adjustment is the availability of point-of-care devices able to measure plasma drug concentration in a simple, automated, and cost-effective fashion. In the present work, we introduce and test a portable, palm-sized transmission-localized surface plasmon resonance (T-LSPR) setup, comprised of off-the-shelf components and coupled with DNA-based aptamers specific to the antibiotic tobramycin (467 Da). The core of the T-LSPR setup are aptamer-functionalized gold nanoislands (NIs) deposited on a glass slide covered with fluorine-doped tin oxide (FTO), which acts as a biosensor. The gold NIs exhibit localized plasmon resonance in the visible range matching the sensitivity of the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor employed as a light detector. The combination of gold NIs on the FTO substrate, causing NIs size and pattern irregularity, might reduce the overall sensitivity but confers extremely high stability in high-ionic solutions, allowing it to withstand numerous regeneration cycles without sensing losses. With this rather simple T-LSPR setup, we show real-time label-free detection of tobramycin in buffer, measuring concentrations down to 0.5 μM. We determined an affinity constant of the aptamer-tobramycin pair consistent with the value obtained using a commercial propagating-wave based SPR. Moreover, our label-free system can detect tobramycin in filtered undiluted blood serum, measuring concentrations down to 10 μM with a theoretical detection limit of 3.4 μM. While the association signal of tobramycin onto the aptamer is masked by the serum injection, the quantification of the captured tobramycin is possible during the dissociation phase and leads to a linear calibration curve for the concentrations over the tested range (10-80 μM). The plasmon shift following surface binding is calculated in terms of both plasmon peak location and hue, with the latter allowing faster data elaboration and real-time display of the results. The presented T-LSPR system shows for the first time label-free direct detection and quantification of a small molecule in the complex matrix of filtered undiluted blood serum. Its uncomplicated construction and compact size, together with the remarkable performances, represent a leap forward toward effective point-of-care devices for therapeutic drug concentration monitoring.

Modelling the curing process in magneto-sensitive polymers: Rate-dependence and shrinkage

This paper deals with a phenomenologically motivated magneto-viscoelastic coupled finite strain framework for simulating the curing process of polymers under the application of a coupled magneto-mechanical road. Magneto-sensitive polymers are prepared by mixing micron-sized ferromagnetic particles in uncured polymers. Application of a magnetic field during the curing process causes the particles to align and form chain-like structures lending an overall anisotropy to the material. The polymer curing is a viscoelastic complex process where a transformation from fluid. to solid occurs in the course of time. During curing, volume shrinkage also occurs due to the packing of polymer chains by chemical reactions. Such reactions impart a continuous change of magneto-mechanical properties that can be modelled by an appropriate constitutive relation where the temporal evolution of material parameters is considered. To model the shrinkage during curing, a magnetic-induction-dependent approach is proposed which is based on a multiplicative decomposition of the deformation gradient into a mechanical and a magnetic-induction-dependent volume shrinkage part. The proposed model obeys the relevant laws of thermodynamics. Numerical examples, based on a generalised Mooney-Rivlin energy function, are presented to demonstrate the model capacity in the case of a magneto-viscoelastically coupled load.

Fetal laser therapy: applications in the management of fetal pathologies.

Fetoscopic coagulation of placental anastomoses is the treatment of choice for severe twin-to-twin transfusion syndrome. In the present day, fetal laser therapy is also used to treat amniotic bands, chorioangiomas, sacrococcygeal teratomas, lower urinary tract obstructions and chest masses, all of which will be reviewed in this article. Amniotic band syndrome can cause limb amputation by impairing downstream blood flow. Large chorioangiomas (>4 cm), sacrococcygeal teratomas or fetal hyperechoic lung lesions can lead to fetal compromise and hydrops by vascular steal phenomenon or compression. Renal damage, bladder dysfunction and lastly death because of pulmonary hypolasia may be the result of megacystis caused by a posterior urethral valve. The prognosis of these pathologies can be dismal, and therapy options are limited, which has brought fetal laser therapy to the forefront. Management options discussed here are laser release of amniotic bands, laser coagulation of the placental or fetal tumor feeding vessels and laser therapy by fetal cystoscopy. This review, largely based on case reports, does not intend to provide a level of evidence supporting laser therapy over other treatment options. Centralized evaluation by specialists using strict selection criteria and long-term follow-up of these rare cases are now needed to prove the value of endoscopic or ultrasound-guided laser therapy.