Free-breathing renal magnetic resonance angiography with steady-state free-precession and slab-selective spin inversion combined with radial k-space sampling and water-selective excitation.

The impact of radial k-space sampling and water-selective excitation on a novel navigator-gated cardiac-triggered slab-selective inversion prepared 3D steady-state free-precession (SSFP) renal MR angiography (MRA) sequence was investigated. Renal MRA was performed on a 1.5-T MR system using three inversion prepared SSFP approaches: Cartesian (TR/TE: 5.7/2.8 ms, FA: 85 degrees), radial (TR/TE: 5.5/2.7 ms, FA: 85 degrees) SSFP, and radial SSFP combined with water-selective excitation (TR/TE: 9.9/4.9 ms, FA: 85 degrees). Radial data acquisition lead to significantly reduced motion artifacts (P < 0.05). SNR and CNR were best using Cartesian SSFP (P < 0.05). Vessel sharpness and vessel length were comparable in all sequences. The addition of a water-selective excitation could not improve image quality. In conclusion, radial k-space sampling reduces motion artifacts significantly in slab-selective inversion prepared renal MRA, while SNR and CNR are decreased. The addition of water-selective excitation could not improve the lower CNR in radial scanning.

Calculation of correction factors for ionization chamber measurements with small fields in low-density media.

The quantity of interest for high-energy photon beam therapy recommended by most dosimetric protocols is the absorbed dose to water. Thus, ionization chambers are calibrated in absorbed dose to water, which is the same quantity as what is calculated by most treatment planning systems (TPS). However, when measurements are performed in a low-density medium, the presence of the ionization chamber generates a perturbation at the level of the secondary particle range. Therefore, the measured quantity is close to the absorbed dose to a volume of water equivalent to the chamber volume. This quantity is not equivalent to the dose calculated by a TPS, which is the absorbed dose to an infinitesimally small volume of water. This phenomenon can lead to an overestimation of the absorbed dose measured with an ionization chamber of up to 40% in extreme cases. In this paper, we propose a method to calculate correction factors based on the Monte Carlo simulations. These correction factors are obtained by the ratio of the absorbed dose to water in a low-density medium □D(w,Q,V1)(low) averaged over a scoring volume V₁ for a geometry where V₁ is filled with the low-density medium and the absorbed dose to water □D(w,QV2)(low) averaged over a volume V₂ for a geometry where V₂ is filled with water. In the Monte Carlo simulations, □D(w,QV2)(low) is obtained by replacing the volume of the ionization chamber by an equivalent volume of water, according to the definition of the absorbed dose to water. The method is validated in two different configurations which allowed us to study the behavior of this correction factor as a function of depth in phantom, photon beam energy, phantom density and field size.

Alkaline mineral water lowers bone resorption even in calcium sufficiency: alkaline mineral water and bone metabolism.

BACKGROUND: Dietary acid charge enhances bone loss. Bicarbonate or alkali diet decreases bone resorption in humans. We compared the effect of an alkaline mineral water, rich in bicarbonate, with that of an acid one, rich in calcium only, on bone markers, in young women with a normal calcium intake. METHODS: This study compared water A (per litre: 520 mg Ca, 291 mg HCO(3)(-), 1160 mg SO(4)(-), Potential Renal Acid load (PRAL) +9.2 mEq) with water B (per litre: 547 mg Ca, 2172 mg HCO(3)(-), 9 mg SO(4)(-), PRAL -11.2 mEq). 30 female dieticians aged 26.3 yrs (SD 7.3) were randomized into two groups, followed an identical weighed, balanced diet (965 mg Ca) and drank 1.5 l/d of the assigned water. Changes in blood and urine electrolytes, C-telopeptides (CTX), urinary pH and bicarbonate, and serum PTH were measured after 2 and 4 weeks. RESULTS: The two groups were not different at baseline, and showed a similar increase in urinary calcium excretion. Urinary pH and bicarbonate excretion increased with water B, but not with water A. PTH (p=0.022) and S-CTX (p=0.023) decreased with water B but not with water A. CONCLUSION: In calcium sufficiency, the acid calcium-rich water had no effect on bone resorption, while the alkaline water rich in bicarbonate led to a significant decrease of PTH and of S-CTX.

Diving capacity and foraging behaviour of the water shrew (Neomys fodiens)

With regard to semi-aquatic mammals, Schröpfer & Stubbe (1992) distinguished three riparian guilds: the herbivores with the water vole and the beaver; the megacarnivores with the mink and the otter; and the macrocarnivores with water shrews and desmans. Among water shrews, the evolution of aquatic foraging behaviour occurred several times: Nectogale and Chimarrogale in Asia, several species of the genus Sorex in America, and Neomys in Eurasia (Churchfield, 1990). The fairly common European water shrew N. fodiens is the best known. However, the reports on the degree of adaptation to the water habitat are conflicting. Therefore some important findings from the literature are reviewed in this introduction, whereas new data are presented in the following sections. The swimming locomotion of water shrews was analysed by Ruthardt & Schröpfer (1985) and Köhler (1991), and the related morphological adaptation were reviewed by Hutterer (1985) and Churchfield (this volume pp. 49-51). They obviously present a compromise between the requirements for activity on land and in the water. Thermoregulation is a major problem for semi-aquatic mammals, because heat conductance in water is 25-fold greater than in air (Calder, 1969). According to this author, the body temperature of immersed American Sorex palustris dropped by a rate of 2.8 °C per min. However, this may be an experimental artefact, because Neomys fodiens can maintain its body temperature at 37 °C during an immersion of 6 min (Vogel, 1990).

Derivation of soil-specific streaming potential electrical parameters from hydrodynamic characteristics of partially saturated soils

Water movement in unsaturated soils gives rise to measurable electrical potential differences that are related to the flow direction and volumetric fluxes, as well as to the soil properties themselves. Laboratory and field data suggest that these so-called streaming potentials may be several orders of magnitudes larger than theoretical predictions that only consider the influence of the relative permeability and electrical conductivity on the self potential (SP) data. Recent work has improved predictions somewhat by considering how the volumetric excess charge in the pore space scales with the inverse of water saturation. We present a new theoretical approach that uses the flux-averaged excess charge, not the volumetric excess charge, to predict streaming potentials. We present relationships for how this effective excess charge varies with water saturation for typical soil properties using either the water retention or the relative permeability function. We find large differences between soil types and the predictions based on the relative permeability function display the best agreement with field data. The new relationships better explain laboratory data than previous work and allow us to predict the recorded magnitudes of the streaming potentials following a rainfall event in sandy loam, whereas previous models predict values that are three orders of magnitude too small. We suggest that the strong signals in unsaturated media can be used to gain information about fluxes (including very small ones related to film flow), but also to constrain the relative permeability function, the water retention curve, and the relative electrical conductivity function.

Environmental and biological controls on the geochemistry (δ18O, δ13C, Mg/Ca, and Sr/Ca) of living ostracods from Lake Geneva

ABSTRACT : Ostracods are benthic microcrustaceans enclosed in low-Mg calcite bivalves. Stable isotope compositions, Mg/Ca, and Sr/Ca ratios of ostracod fossil valves have proven useful to reconstruct past environmental conditions. Yet, several discrepancies persist and the influence of many factors remains unclear. It is the aim of this study to improve the use of ostracod valve geochemistry as palaeoenvironmental proxies by examining the extent of isotope fractionation and trace element partitioning during valve calcification. To achieve this, the environmental parameters (pH, temperature) and chemical composition of water (C-and O-isotope composition and calcium, magnesium, and strontium content) were measured at sites where living ostracods were sampled. The sampling was on a monthly basis over the course of one year at five different water depths (2, 5, 13, 33, and 70 m) in Lake Geneva, Switzerland. The one-year sampling enabled collection of environmental data for bottom and interstitial pore water. In littoral to sublittoral zones, C-isotope composition of DIC and the Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water are found to vary concomitantly with water temperature. This is due to the precipitation of calcite, which is induced by higher photosynthetic activity as temperature and/or solar radiation intensify in summer. In deeper zones, environmental parameters remain largely constant throughout the year. Variations of pH, DIC concentrations and C-isotope compositions in interstitial water result from aerobic as well as anaerobic respiration, calcite dissolution and methanogenesis. Bathymetric distribution, life cycles, and habitats were derived for 15 ostracod species and are predominantly related to water temperature and sediment texture. O-isotope compositions of ostracod valves in Lake Geneva reflect that of water and temperature. However, offsets of up to 3 permil are observed in comparison with proposed inorganic calcite precipitation equilibrium composition. Deprotonation of HCO3- and/or salt effect at crystallisation sites may explain the disequilibrium observed for O-isotopic compositions. C-isotope compositions of ostracod valves are not as well constrained and appear to be controlled by a complex interaction between habitat preferences and seasonal as well as spatial variations of the DIC isotope composition. For infaunal forms, C-isotope compositions reflect mainly the variation of DIC isotope composition in interstitial pore waters. For epifaunal forms, C-isotope compositions reflect the seasonal variation of DIC isotope compositions. C-isotope compositions of ostracod valves is at equilibrium with DIC except for a small number of species (L. inopinata, L. sanctipatricii and possibly C. ophtalmica, and I. beauchampi). Trace element uptake differs considerably from species to species. For most epifaunal forms, trace element content follows the seasonal cycle, recording temperature increases and/or variations of Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water. In contrast, infaunal forms are predominantly related to sediment pore water chemistry. RÉSUMÉ EN FRANÇAIS : Les ostracodes sont de petits crustacés benthiques qui possèdent une coquille faite de calcite à faible teneur en magnésium. La composition isotopique et les rapports Mg/Ca et Sr/Ca d'ostracodes fossiles ont été utilisés maintes fois avec succès pour effectuer des reconstructions paléoenvironnementales. Néanmoins, certains désaccords persistent sur l'interprétation de ces données. De plus, l'influence de certains facteurs pouvant biaiser le signal reste encore inconnue. Ainsi, le but de cette étude est de rendre plus performant l'emploi de la composition géochimique des ostracodes comme indicateur paléoenvironnemental. Pour réaliser cela, cinq sites situés dans le Léman à 2, 5, 13, 33 et 70 m de profondeur ont été choisis pour effectuer les échantillonnages. Chaque site a été visité une fois par mois durant une année. Les différents paramètres environnementaux (pH, température) ainsi que la composition géochimique de l'eau (composition isotopique de l'oxygène et du carbone ainsi que teneur en calcium, magnésium et strontium) ont été déterminés pour chaque campagne. Des ostracodes vivants ont été récoltés au cinq sites en même temps que les échantillons d'eau. Ce travail de terrain a permis de caractériser la géochimie de l'eau se trouvant juste au-dessus des sédiments ainsi que celle de l'eau se trouvant dans les interstices du sédiment. Dans les zones littorales à sublittorales, la composition isotopique du carbone inorganique dissout (CID) ainsi que les rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau varient linéairement avec la température. Ceci peut être expliqué par la précipitation de calcite qui est contrôlée par l'activité photosynthétique, variant elle même linéairement avec la température. Dans les zones plus profondes, les paramètres environnementaux restent relativement constants tout au long de l'année. Les variations du pH, de la concentration et de la composition isotopique du CID dans les sédiments résultent de la libération de carbone engendrée par la dégradation de la matière organique avec présence d'oxygène ou via réduction de nitrates et de sulfates, par la dissolution de carbonates, ainsi que par la méthanogenèse. La distribution bathymétrique, le cycle de vie ainsi que l'habitat de 15 espèces ont été déterminés. Ceux-ci sont principalement reliés à la température de l'eau et à la texture des sédiments. La composition isotopique de l'oxygène des valves d'ostracodes reflète celle de l'eau et la température qui régnait lors de la calcification. Néanmoins, des écarts pouvant aller jusqu'à 3 0/00 par rapport à l'équilibre théorique ont été obtenus. La déprotonation de HCO3 ou un 'effet de sel' pourrait être à l'origine du déséquilibre observé. La composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes n'est pas aussi bien cernée. Celle-ci semble être principalement contrôlée par une interaction complexe entre l'habitat des ostracodes et les variations saisonnières et spatiales de la composition isotopique du CID. Pour les espèces endofaunes, la composition isotopique du carbone reflète principalement la variation de la composition isotopique du CID à l'intérieur des sédiments. Pour les formes épifaunes, c'est la variation saisonnière de la composition du CID qui contrôle celle de la coquille des ostracodes. En général, la composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes est en équilibre avec celle de CID, hormis pour quelques rares espèces (L. inopinata, L. sanctipatricii et peut-être C. ophtalmica et I. beauchampi). L'incorporation des éléments traces diffère passablement d'une espèce à l'autre. Pour la plupart des espèces épifaunes, la teneur en éléments traces des coquilles reflète les variations saisonnières. Ces espèces semblent enregistrer les variations soit de la température soit des rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau. La teneur en élément traces des formes infaunales, au contraire, est principalement reliée à la chimie de l'eau interstitielle. RÉSUMÉ GRAND-PUBLIC : La connaissance de l'évolution du climat dans le futur est primordiale pour notre société, car elle permet de développer différentes stratégies pour faire face aux problèmes engendrés pas le changement climatique : stratégies environnementale, humanitaire, ou encore économique. Cette problématique est actuellement, à juste titre, sujet d'une vive préoccupation. La géologie peut-elle contribuer à l'effort communautaire entrepris? Naturellement, ce sont les climatologues qui sont sur le devant de la scène. Il n'empêche que ces derniers, pour pouvoir prédire l'avenir, doivent s'appuyer sur le passé. La géologie est alors d'un grand intérêt car c'est effectivement la seule science qui permette d'estimer les variations climatiques à grande échelle sur de longues périodes. Ainsi, voulant moi-même contribuer aux recherches menées dans ce domaine, je me suis tourné à la fin de mes études vers la paléoclimatologie, science qui a pour but de reconstruire le climat des temps anciens. Nous nous sommes rendu compte que l'évolution climatique de la région où nous habitons n'avait pas encore fait le sujet d'études approfondies. Il est pourtant important de connaître la variation locale des changements climatiques pour obtenir des modèles climatiques fiables. En conséquence, un vaste projet a vu le jour : reconstruire, à l'aide des sédiments du lac Léman, les variations paléoclimatiques et paléo-environnementales depuis le retrait du Glacier de Rhône, il y a environ 15'000 ans, jusqu'à nos jours. Pour ce genre de travail, la géochimie, qui est une forme de chimie, utilisée en science de la terre regroupant la chimie classique et la chimie isotopique, est une alliée particulièrement efficace. Elle permet en effet, via différentes mesures faites sur des archives géologiques (par exemple des fossiles ou des sédiments) d'obtenir des informations, souvent quantitatives, sur les conditions (le climat, la flore ou encore la bio productivité, etc...) qui régnaient il y a fort longtemps. Les coquilles d'ostracodes, qui sont de petits animaux vivant au fond des lacs, sont une des archives les plus prometteuses. Ces animaux sont des petits crustacés s'entourant d'une coquille calcaire qu'ils sécrètent eux-mêmes. A la mort de l'animal, la coquille est intégrée dans les sédiments et reste intacte à travers les âges. Des études ont montré qu'en analysant la géochimie de ces coquilles fossiles, il est possible de reconstruire les conditions environnementales qui régnaient à l'époque de vie de ces fossiles. Cette démarche nécessite qu'une condition bien précise soit remplie: la composition géochimique de la coquille doit enregistrer de manière fidèle la chimie de l'eau et/ou la température de l'eau présentes au moment de la sécrétion de la coquille. Le but spécifique de notre recherche a précisément été d'étudier la façon dont la chimie de l'eau ainsi que sa température sont enregistrées dans la coquillé des ostracodes. Une fois les relations entre ces divers paramètres dans l'étant actuel du système établies, il sera alors possible de les utiliser pour interpréter des données issues de coquilles fossiles. Pour ce faire, nous avons mesuré la température de l'eau de manière continue et récolté mensuellement des échantillons d'eau et des ostracodes vivants pendant une année. Cinq sites situés à 2, 5, 13, 33 et 70 mètres de profondeur ont été choisis pour effectuer ces échantillonnages dans le Léman. Le travail de terrain nous a amené à étudier la biologie de 15 espèces. Nous avons pu établir la profondeur à laquelle vivent ces animaux, leur période de développement ainsi que leur habitat respectifs. Ces résultats ont permis de mieux cerner la relation qu'il existe entre la chimie de l'eau, sa température et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes. Nous avons ainsi pu confirmer que les coquilles d'ostracodes enregistrent de manière fidèle la composition chimique et isotopique de l'eau. De même, nous avons pu établir de manière plus précise l'effet de la température sur la géochimie des coquilles. Néanmoins, les relations trouvées entre ces trois éléments sont plus complexes pour certaines espèces, cette complexité étant souvent liée à un caractère spécifique de leur écologie. Nous avons mis en lumière certains effets qui biaisent les résultats et défini précisément les conditions dans lesquelles on peut s'attendre à avoir des difficultés dans leur interprétation. Maintenant que nous avons établi les relations entre le climat actuel et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes actuels, nous pouvons, sur la base de ce modèle, reconstruire le climat depuis le retrait du Glacier du Rhône jusqu'à nos jours à l'aide d'ostracodes fossiles. Mais cela est une autre histoire et fera, je l'espère, le sujet de nos futures recherches.

Towards no-scar cardiac surgery - minimally invasive access through umbilicus for aortic valve replacement.

There is an ever-growing trend towards less-invasive procedures in all fields of medicine. We designed an animal study to prove the concept that trans-apical aortic valve replacement from an incision within the umbilicus through a single channel for instruments is feasible, which would be a major leap towards no-scar cardiac surgery. In three adult pigs, after creating a single 3-cm incision at a place where the human umbilicus would be, we introduced a 30F sheath through a tunnel created by an endoscopic vein-harvesting device up to the cardiac apex, through it and up to the left ventricle simulating the approach for trans-apical aortic valve replacement. We used a standard Amplatz nitinol occluder to seal the defect in ventricle wall later. The animals were followed up for 1h. Blood loss was minimal, and no tamponade occurred in any of the animals. In addition, we performed a test with water column static pressure to evaluate the impact of preclotting on the sealing properties of the occluders: 1 min flow-through was 2860+/-176 ml for the standard occluders and 348+/-56 ml for preclotted occluders (p<0.001).

Evidence for the presence of tetrodotoxin in a powder used in Haiti for zombification.

A powder prepared by Haitian voodoo sorcerers for the making of zombis was extracted with acetic acid, the extract concentrated and applied to a small cation exchange column followed by elution with water and then acetic acid. The water and acetic acid eluents were analysed by gas chromatography-mass spectrometry and liquid chromatography-mass spectrometry. The analyses indicated the presence of an alkaline degradation product of tetrodotoxin, namely 2-amino-6-hydroxymethyl-8-hydroxyquinazoline, after base treatment, and of tetrodotoxin and an isomer on direct thermospray mass spectral activity.

Caval collapse during cardiopulmonary bypass: a reproducible bench model.

OBJECTIVES: During open heart surgery, so-called atrial chatter, a phenomenon due to right atria and/or caval collapse, is frequently observed. Collapse of the cava axis during cardiopulmonary bypass (CPB) limits venous drainage and may result downstream in reduced pump flow on (lack of volume) and upstream in increased after-load (stagnation), which in turn may both result in reduced or even inadequate end-organ perfusion. The goal of this study was to reproduce venous collapse in the flow bench. METHODS: In accordance with literature for venous anatomy, a caval tree system is designed (polyethylene, thickness 0.061 mm), which receives venous inflow from nine afferent veins. With water as medium and a preload of 4.4 mmHg, the system has an outflow of 4500 ml/min (Scenario A). After the insertion of a percutaneous venous cannula (23-Fr), the venous model is continuously served by the afferent branches in a venous test bench and venous drainage is augmented with a centrifugal pump (Scenario B). RESULTS: With gravity drainage (siphon: A), spontaneously reversible atrial chatter can be generated in reproducible fashion. Slight reduction in the outflow diameter allows for generation of continuous flow. With augmentation (B), irreversible collapse of the artificial vena cava occurs in reproducible fashion at a given pump speed of 2300 ± 50 RPM and a pump inlet pressure of -112 mmHg. Furthermore, bubbles form at the cannula tip despite the fact that the entire system is immersed in water and air from the environment cannot enter the system. This phenomenon is also known as cavitation and should be avoided because of local damage of both formed blood elements and endothelium, as well embolization. CONCLUSIONS: This caval model provides a realistic picture for the limitations of flow due to spontaneously reversible atrial chatter vs irreversible venous collapse for a given negative pressure during CPB. Temporary interruption of negative pressure in the venous line can allow for recovery of venous drainage. This know-how can be used not only for testing different cannula designs, but also for further optimizing perfusion strategies.

An experimental study of discharge partitioning and flow structure at symmetrical bifurcations

Recent research has examined the factors controlling the geometrical configuration of bifurcations, determined the range of stability conditions for a number of bifurcation types and assessed the impact of perturbations on bifurcation evolution. However, the flow division process and the parameters that influence flow and sediment partitioning are still poorly characterized. To identify and isolate these parameters, three-dimensional velocities were measured at 11 cross-sections in a fixed-walled experimental bifurcation. Water surface gradients were controlled, and systematically varied, using a weir in each distributary. As may be expected, the steepest distributary conveyed the most discharge ( was dominant) while the mildest distributary conveyed the least discharge ( was subordinate). A zone of water surface super-elevation was co-located with the bifurcation in symmetric cases or displaced into the subordinate branch in asymmetric cases. Downstream of a relatively acute-angled bifurcation, primary velocity cores were near to the water surface and against the inner banks, with near-bed zones of lower primary velocity at the outer banks. Downstream of an obtuse-angled bifurcation, velocity cores were initially at the outer banks, with near-bed zones of lower velocities at the inner banks, but patterns soon reverted to match the acute-angled case. A single secondary flow cell was generated in each distributary, with water flowing inwards at the water surface and outwards at the bed. Circulation was relatively enhanced within the subordinate branch, which may help explain why subordinate distributaries remain open, may play a role in determining the size of commonly-observed topographic features, and may thus exert some control on the stability of asymmetric bifurcations. Further, because larger values of circulation result from larger gradient disadvantages, the length of confluence-diffluence units in braided rivers or between diffluences within delta distributary networks may vary depending upon flow structures inherited from upstream and whether, and how, they are fed by dominant or subordinate distributaries. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Artificial Urinary Sphincter based on smart materials

Objective: There are only a few established artificial urinary sphincters for treatment of incontinence. We have developed a new device composed by three parts: the actuator, three contractile rings and a control unit. The actuator is made of Nitinol fibers, driven by microprocessor. The fibers are linked to the rings placed around the urethra. They function with alternance in their open and closed position. This concept is called piano concept. With this set-up, the constant compression on the urethra is strongly reduced. Methods: Six male sheep have been used for this study. The sphincter was open each hour for a period of 10 min., to guaranty urination. The bladder was filled with water while one cuff was closed and bladder pressure was monitored. The animals were sacrificed. Two biopsies around two cuffs of each explant and all three cuffs from each explant including urethra were analyzed. Urethra not surrounded by a cuff was taken as control. Results: The pressure exerted by the sphincter around the urethra provided continence. Simulated incontinence occurred at a pressure of 1bar measured on the bladder wall using a pressure probe. The closing force of the cuff was approx. 0·7N. No difference in tissue structure and organization of the urethra with and without artificial sphincter was observed. Conclusions: This device has several advantages compared to other urinary sphincters. It is easy to implant, has no hydraulic nature and reduces ischemic injury of the urethra by the alternance of urethral part compressed. Proof of concept in vivo has been demonstrated. Other studies are planned to determine long-term outcome.

Measurements of seismic attenuation and transient fluid pressure in partially saturated Berea sandstone: Evidence of fluid flow on the mesoscopic scale

A novel laboratory technique is proposed to investigate wave-induced fluid flow on the mesoscopic scale as a mechanism for seismic attenuation in partially saturated rocks. This technique combines measurements of seismic attenuation in the frequency range from 1 to 100?Hz with measurements of transient fluid pressure as a response of a step stress applied on top of the sample. We used a Berea sandstone sample partially saturated with water. The laboratory results suggest that wave-induced fluid flow on the mesoscopic scale is dominant in partially saturated samples. A 3-D numerical model representing the sample was used to verify the experimental results. Biot's equations of consolidation were solved with the finite-element method. Wave-induced fluid flow on the mesoscopic scale was the only attenuation mechanism accounted for in the numerical solution. The numerically calculated transient fluid pressure reproduced the laboratory data. Moreover, the numerically calculated attenuation, superposed to the frequency-independent matrix anelasticity, reproduced the attenuation measured in the laboratory in the partially saturated sample. This experimental?numerical fit demonstrates that wave-induced fluid flow on the mesoscopic scale and matrix anelasticity are the dominant mechanisms for seismic attenuation in partially saturated Berea sandstone.

Topographic forcing of flow partition and flow structures at river bifurcations

This paper presents the predicted flow dynamics from the application of a Reynolds-averaged NavierStokes model to a series of bifurcation geometries with morphologies measured during previous flume experiments. The topography of the bifurcations consists of either plane or bedform-dominated beds which may or may not possess discordance between the two bifurcation distributaries. Numerical predictions are compared with experimental results to assess the ability of the numerical model to reproduce the division of flow into the bifurcation distributaries. The hydrodynamic model predicts: (1) diverting fluxes in the upstream channel which direct water into the distributaries; (2) super-elevation of the free surface induced at the bifurcation edge by pressure differences; and (3) counter-rotating secondary circulation cells which develop upstream of the apex of the bifurcation and move into the downstream channels, with water converging at the surface and diverging at the bed. When bedforms are not present, weak transversal fluxes characterize the upstream channel for almost its entire length, associated with clearly distinguishable secondary circulation cells, although these may be under-estimated by the turbulence model used in the solution. In the bedform dominated case, the same hydrodynamic conditions were not observed, with the bifurcation influence restricted and depth scale secondary circulation cells not forming. The results also demonstrate the dominant effect bed discordance has upon flow division between the two distributaries. Finally, results indicate that in bedform dominated rivers. Consequently, we suggest that sand-bed river bifurcations are more likely to have an influence that extends much further upstream and have a greater impact upon water distribution. This may contribute to observed morphological differences between sand-bedded and gravel-bedded braided river networks. Copyright (C) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Frequency-dependent attenuation as a potential indicator of oil saturation

At seismic frequencies, wave-induced fluid flow is a major cause of P-wave attenuation in partially saturated porous rocks. Attenuation is of great importance for the oil industry in the interpretation of seismic field data. Here, the effects on P-wave attenuation resulting from changes in oil saturation are studied for media with coexisting water, oil, and gas. For that, creep experiments are numerically simulated by solving Biot's equations for consolidation of poroelastic media with the finite-element method. The experiments yield time-dependent stress?strain relations that are used to calculate the complex P-wave modulus from which frequency-dependent P-wave attenuation is determined. The models are layered media with periodically alternating triplets of layers. Models consisting of triplets of layers having randomly varying layer thicknesses are also considered. The layers in each triplet are fully saturated with water, oil, and gas. The layer saturated with water has lower porosity and permeability than the layers saturated with oil and gas. These models represent hydrocarbon reservoirs in which water is the wetting fluid preferentially saturating regions of lower porosity. The results from the numerical experiments showed that increasing oil saturation, connected to a decrease in gas saturation, resulted in a significant increase of attenuation at low frequencies (lower than 2 Hz). Furthermore, replacing the oil with water resulted in a distinguishable behavior of the frequency-dependent attenuation. These results imply that, according to the physical mechanism of wave-induced fluid flow, frequency-dependent attenuation in media saturated with water, oil, and gas is a potential indicator of oil saturation.

Circum-Alpine marine circulation and paleoenvironmental conditions during the Miocene

Trace element and isotopic compositions of marine fossils and sediment were analyzed from several Miocene deposits in the circum-Alpine region in order to reconstruct the paleoceanographic and paleoclimatic changes related to sea level changes, basin evolution and Alpine orogeny. To the north and the east the Alps were border by an epicontinental sea, the Paratethys, while to the south the Mediterranean surrounded the uplifting mountains during the Miocene. The thesis mainly focused on sediments and fossils sampled from Miocene beds of these two oceanic provinces. The north Alpine Molasse, the Vienna and Pannonian Basins were located in the Western and Central Paratethys. O-isotope compositions of well-preserved phosphatic fossils in these sediments support deposition under sub-tropical to warm-temperate climate with water temperatures between 14 to 28 °C for the Miocene. δ18O values of fossil shark teeth from different horizons vary similarly to those of the global trend until the end of the Badenian, however the δ18O values show wider range, which indicates local effects iii the sub-basins. The trend of 87Sr/86Sr in the samples roughly agrees with an open ocean environment for the Miocene. Yet a number of samples deviate from typical open ocean compositions with higher ratios suggesting modification of seawater by local and old terrestrial sources. In contrast, two exceptional teeth from the locality of La Moliere have extremely low δ18O values and low 87Sr/86Sr. However, the REE patterns of their enameloid are similar to those of teeth having O and Sr isotopic compositions typical of a marine setting at this site. Collectively, this suggests that the two teeth formed while the sharks frequented a freshwater environment with very low 18O-content and 87Sr/86Sr controlled by Mesozoic calcareous rocks. This is consistent with a paleogeography of high-elevation (~2300m) Miocene Alps adjacent to a marginal sea. The local effects are also reflected in the εNd values of the Paratethyan fossils, which is compatible with input from ancient crystalline rocks and Mesozoic sediments, while other samples with elevated εNd values indicate an influence of Neogene volcanism on the water budget. Excluding samples whose isotopic compositions reflect a local influence on the water column, an average εNd value of -7.9 ± 0.5 may be inferred for the Paratethys seawater. This value is indistinguishable from the Miocene value of the Indian Ocean, supporting a dominant role of ludo-Pacific water masses in the Paratethys. Regarding the Mediterranean, stable C-and O-isotope compositions of benthic and planktonic foraminifera from the Umbria-Marche region (UMC) have an offset typical for their habitats and the changes in composition mimic global changes, suggesting that the regional conditions of climate and the carbon cycle were controlled by global changes. The radiogenic isotope compositions of the fossil assemblages allow for distinction of periods. From 25 to 19 Ma, high εNd values and low 87Sr/86Sr of sediments and fossils support intense tectonism and volcanism, related to the opening of the western Mediterranean. Between 19 and 13 Ma the Mediterranean has εNd values that are largely controlled by incursion of Indian Ocean water. Brief periods of local hinterland control on seawater compositions are indicated by spikes in the εNd record, coinciding with volcanic events and a short sea-level decrease at about 15.2 Ma. Lower 87Sr/86Sr compared to the open ocean is compatible with rapid uplift of the hinterland and intense influx of Sr from Mesozoic carbonates of the western Apennines, while higher 87Sr/86Sr for other sites indicates erosion of old crustal silicate rocks. Finally, from 13 to 7 Ma the fossils have 87Sr/86Sr similar to those of Miocene seawater and their εNd values indicates fluctuating influence of Atlantic, and Indian Ocean or Paratethys sources of seawater entering the Mediterranean, driven by global sealevel changes and local tectonism. RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les compositions en éléments traces et isotopiques de fossiles marins et de sédiments on été analysées à partir de nombreux dépôts marins dans la région circum Alpine dans le but de reconstruire les changements paléocéanographiques et paléoclimatiques liés aux changements du niveau marin, à l'évolution en bassins et à l'orogénie alpine. Au nord et à l'est des Alpes, une mer épicontinentale appelée Paratéthys s'est ouverte, alors que plus au sud la mer Méditerranée bordait au Miocène les Alpes naissantes. Le but de cette recherche est de se concentrer sur les sédiments et les fossiles provenant des couches du Miocènes de ces deux provinces marines. Les bassins de la Molasse Alpine du nord, de Vienne et Pannonien étaient situés au niveau de la Paratéthys Occidentale et Centrale. Les compositions isotopiques de l'oxygène de fossiles phosphatés bien préservés dans ces sédiments étayent la théorie d'un dépôt sous un climat subtropical à tempéré chaud avec des températures entre 14 et 28°C pendant le Miocène. Les valeurs δ18O des fossiles sont similaires à la tendance globale jusqu'à la fin du Badénien. Cependant les larges fluctuations en δ18O indiquent des effets locaux au niveau des sous bassins. En outre, deux dents de requin exceptionnelles présentent des valeurs extrêmement basses de δ18O. Ces données suggèrent que ces deux dents se sont formées alors que les requins fréquentaient un environnement d'eau douce avec de faibles valeurs de 18O. Le calcul de la composition isotopique de l'oxygène de cette eau douce permet d'obtenir une estimation de la paléoélévatian moyenne des Alpes du Miocène (~2300m). La tendance 87Sr/86Sr pour ces échantillons concorde approximativement avec un environnement d'océan ouvert au cours du Miocène. Toutefois un nombre d'échantillons dévie des compositions d'océan ouvert typiques, avec des rapports élevés suggérant des modifications de l'eau de mer par des sources locales et terrestres. Les effets locaux sont aussi reflétés au niveau des valeurs en εNd des fossiles paratéthysiens. Ceci est cohérent avec un apport d'anciennes roches cristallines et de sédiments mésozoïques, tandis que d'autres échantillons avec des valeurs hautes de εNd indiquent une influence d'un volcanisme néogène dans le budget marin. En excluant les échantillons dont les compositions isotopiques confirment une influence locale, une valeur moyenne de εNd de 7.9 t 0.5 peut être déduite pour l'eau de la Parathétys. Cette valeur est semblable à la valeur correspondant à l'Océan Indien durant le Miocène, confirmant un rôle dominant de cet océan dans la Paratéthys. Au niveau de la Méditerranée, les compositions en isotopes stables du Carbone et de l'Oxygène de foraminifères planctoniques et benthique de la région Umbria-Marche présentent un offset typique à leurs habitats. De plus les changements dans leurs compositions suivent les changements globaux, suggérant ainsi que les conditions climatiques régionales et le cycle du carbone étaient contrôlés par des phénomènes globaux. La composition en isotopes radiogéniques d'assemblages fossiles permet une reconnaissance sur trois périodes distinctes. De 25 à 19 millions d'années (Ma), des valeurs élevées de εNd et un faible rapport 87Sr/86Sr dans les sédiments soutiennent l'idée d'une activité tectonique et volcanique intense, liée à l'ouverture de la Méditerranée occidentale. Entre 19 et 13 Ma, la Méditerranée montre des valeurs de εNd qui sont largement contrôlées par une incursion d'eau provenant de l'Océan Indien. En effet, aux alentours de 15,2 Ma, des pics dans l'enregistrement des valeurs de εNd, coïncidant avec des événements volcaniques et de brèves diminutions du niveau marin. Enfin, de 13 à 7 Ma, les fossiles ont des rapports ß7Sr/8fiSr similaires à ceux de l'eau de mer au Miocène. Leurs valeurs de εNd indiquent une influence changeante de l'océan Atlantique, et de l'océan Indien ou des sources d'eau de merde la Parathétys qui entrent dans les bassins méditerranéens. Ce changement est guidé par des modifications globales du niveau marin et par la tectonique locale. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (POUR LE GRAND PUBLIC) Les analyses des compositions en éléments traces et isotopiques des fossiles marins sont un outil très utile pour reconstruire les conditions océaniques et climatiques anciennes. Ce travail de thèse se concentre sur les sédiments déposés dans un environnement marin proches des Alpes au cours du Miocène, entre 23 et 7 millions d'années (Ma). Cette période est caractérisée par une tectonique alpine active, ainsi que par des changements climatiques et océanographiques globaux importants. Dans le but de tracer ces changements, les compositions isotopiques du Strontium, du Néodyme, de l'Oxygène et du Carbone ont été analysées dans des fossiles bien préservés ainsi que les sédiments contemporains. Les échantillons proviennent de deux provinces océaniques distinctes, la première est la Mer Méditerranée, et l'autre est une mer épicontinentale appelée Parathétys, qui existait au nord et à l'est des Alpes durant le Miocène. Au niveau de la Parathétys Occidentale et Orientale, les compositions isotopiques d'oxygène de dents de requins confirment un dépôt sous un climat subtropical à tempéré chaud avec des températures d'eau entre 14 et 28°C au Miocène. En outre, deux dents de requins exceptionnelles ont enregistré des compositions isotopiques d'oxygène extrêmement basses. Cela suggère que ces deux dents se sont formées alors que les requins entraient dans un système d'eau douce. Le calcul de la composition isotopique de l'oxygène de cette eau douce permet d'obtenir une estimation de la paléoélévation des Alpes au Miocène qui est aussi élevée que celle d'aujourd'hui. La tendance isotopique du Strontium pour ces échantillons concorde approximativement avec un environnement d'océan ouvert. Cependant un certain nombre d'échantillons indique des modifications de l'eau de mer par des sources terrestres locales. Les effets locaux sont aussi visibles au niveau des compositions isotopiques du Néodyme, qui sont en accord avec un apport provenant de roches cristallines anciennes et de sédiments du Mésozoïque, alors que d'autres échantillons indiquent une influence volcanique néogène dans le budget marin. A l'exclusion des échantillons dont les compositions correspondent à une influence locale, les compositions isotopiques du Néodyme de la Parathétys sont très similaires aux valeurs de l'Océan Indien, montrant ainsi un rôle important des masses d'eau IndoPacifiques dans cette région. Au niveau de la Méditerranée, les compositions en isotopes stables du Carbone et de l'Oxygène de foraminifères planctoniques et benthique de la région Umbria-Marche présentent un offset typique à leurs habitats. De plus, les changements dans leurs compositions suivent les changements globaux, suggérant ainsi que les conditions climatiques régionales et le cycle du carbone étaient contrôlés par des phénomènes globaux. La composition en isotopes radiogéniques d'assemblages fossiles permet une reconnaissance sur trois périodes distinctes. De 25 à 19 Ma, des rapport isotopiques élevés pour le Néodyme et faibles pour le Strontium dans les sédiments et les fossiles soutiennent l'idée d'une activité tectonique et volcanique intense, liée à l'ouverture de la Méditerranée occidentale. Entre 19 et 13 Ma, la Méditerranée présente des rapports isotopiques du Néodyme qui sont largement contrôlés par une incursion d'eau provenant de l'Océan Indien. En effet, aux alentours de 15,2 Ma, des pics dans l'enregistrement des valeurs des isotopes du Néodyme coïncident avec des événements volcaniques et de brèves diminutions du niveau marin. Finalement, de 13 à 7 Ma, les fossiles ont des rapports isotope Strontium similaires à ceux de l'eau de mer au Miocène. Les rapports isotopiques du Néodyme indiquent une influence changeante de l'océan Atlantique, et de l'océan Indien ou des sources d'eau de mer de la Parathétys qui entrent dans les bassins méditerranéens. Ce changement est guidé par des modifications globales du niveau marin et par la tectonique locale.