Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Finite element modeling of flow/compression-induced deformation of alginate scaffolds for bone tissue engineering

Trauma or degenerative diseases such as osteonecrosis may determine bone loss whose recover is promised by a "tissue engineering“ approach. This strategy involves the use of stem cells, grown onboard of adequate biocompatible/bioreabsorbable hosting templates (usually defined as scaffolds) and cultured in specific dynamic environments afforded by differentiation-inducing actuators (usually defined as bioreactors) to produce implantable tissue constructs. The purpose of this thesis is to evaluate, by finite element modeling of flow/compression-induced deformation, alginate scaffolds intended for bone tissue engineering. This work was conducted at the Biomechanics Laboratory of the Institute of Biomedical and Neural Engineering of the Reykjavik University of Iceland. In this respect, Comsol Multiphysics 5.1 simulations were carried out to approximate the loads over alginate 3D matrices under perfusion, compression and perfusion+compression, when varyingalginate pore size and flow/compression regimen. The results of the simulations show that the shear forces in the matrix of the scaffold increase coherently with the increase in flow and load, and decrease with the increase of the pore size. Flow and load rates suggested for proper osteogenic cell differentiation are reported.

Polizeigeschosse und ihre Deformation

In den Jahren 2001 bis 2007 ist bei den Polizeien der deutschen Bundesländer und bei den Polizeikorps der Schweiz die so genannte Polizeimunition eingeführt worden. Von dieser mit einem deformierenden Geschoss ausgerüsteten Munition verspricht man sich eine größere Wirksamkeit und wegen der begrenzten Durchschlagsleistung eine geringere Gefährdung unbeteiligter Personen. Bei geringerer Auftreffenergie deformiert sich jedoch das Geschoss weniger, die Wirksamkeit wird kleiner und die Eindringtiefe größer. In der hier vorgestellten Arbeit wurde die Abhängigkeit der Deformation und der Eindringtiefe in ballistische Seife von der Auftreffenergie für alle 4 gegenwärtig vorhandenen Polizeigeschosse untersucht. Bereits bei Schussdistanzen von 25–30 m ist mit einer verminderten Wirksamkeit zu rechnen. Bei einer viel gebrauchten Waffe kann zudem die Mündungsenergie so stark reduziert sein, dass sich bereits bei kurzen Schussdistanzen die Geschosse nicht mehr erwartungsgemäß deformieren.

A microstructure based model of the deformation mechanisms and flow stress during elevated temperature straining of a magnesium alloy

We show that the variation of flow stress with strain rate and grain size in a magnesium alloy deformed at a constant strain rate and 450 °C can be predicted by a crystal plasticity model that includes grain boundary sliding and diffusion. The model predicts the grain size dependence of the critical strain rate that will cause a transition in deformation mechanism from dislocation creep to grain boundary sliding, and yields estimates for grain boundary fluidity and diffusivity.

Identification of candidate genes and physiological pathways involved in gonad deformation in whitefish (Coregonus spp.) from Lake Thun, Switzerland

In 2000, fishermen reported the appearance of deformed reproductive organs in whitefish (Coregonus spp.) from Lake Thun, Switzerland. Despite intensive investigations, the causes of these abnormalities remain unknown. Using gene expression profiling, we sought to identify candidate genes and physiological processes possibly associated with the observed gonadal deformations, in order to gain insights into potential causes. Using in situ-synthesized oligonucleotide arrays, we compared the expression levels at 21,492 unique transcript probes in liver and head kidney tissue of male whitefish with deformed and normally developed gonads, respectively. The fish had been collected on spawning sites of two genetically distinct whitefish forms of Lake Thun. We contrasted the gene expression profiles of 56 individuals, i.e., 14 individuals of each phenotype and of each population. Gene-by-gene analysis revealed weak expression differences between normal and deformed fish, and only one gene, ictacalcin, was found to be up-regulated in head kidney tissue of deformed fish from both whitefish forms, However, this difference could not be confirmed with quantitative real-time qPCR. Enrichment analysis on the level of physiological processes revealed (i) the involvement of immune response genes in both tissues, particularly those linked to complement activation in the liver, (ii) proteolysis in the liver and (iii) GTPase activity and Ras protein signal transduction in the head kidney. In comparison with current literature, this gene expression pattern signals a chronic autoimmune disease in the testes. Based on the recent observations that gonad deformations are induced through feeding of zooplankton from Lake Thun we hypothesize that a xenobiotic accumulated in whitefish via the plankton triggering autoimmunity as the likely cause of gonad deformations. We propose several experimental strategies to verify or reject this hypothesis.

Simultaneous Multiscale Polyaffine Registration by Incorporating Deformation Statistics

Locally affine (polyaffine) image registration methods capture intersubject non-linear deformations with a low number of parameters, while providing an intuitive interpretation for clinicians. Considering the mandible bone, anatomical shape differences can be found at different scales, e.g. left or right side, teeth, etc. Classically, sequential coarse to fine registration are used to handle multiscale deformations, instead we propose a simultaneous optimization of all scales. To avoid local minima we incorporate a prior on the polyaffine transformations. This kind of groupwise registration approach is natural in a polyaffine context, if we assume one configuration of regions that describes an entire group of images, with varying transformations for each region. In this paper, we reformulate polyaffine deformations in a generative statistical model, which enables us to incorporate deformation statistics as a prior in a Bayesian setting. We find optimal transformations by optimizing the maximum a posteriori probability. We assume that the polyaffine transformations follow a normal distribution with mean and concentration matrix. Parameters of the prior are estimated from an initial coarse to fine registration. Knowing the region structure, we develop a blockwise pseudoinverse to obtain the concentration matrix. To our knowledge, we are the first to introduce simultaneous multiscale optimization through groupwise polyaffine registration. We show results on 42 mandible CT images.

Mesoproterozoic Deposition, Regional Metamorphism and Deformation in North-Central New Mexico: Evidence from Metamorphic Monazite and Detrital Zircon Geochronology in the Picuris Mountains

Detrital zircon and metamorphic monazite ages from the Picuris Mountains, north central New Mexico, were used to confirm the depositional age of the Marquenas Formation, to document the depositional age of the Vadito Group, and to constrain the timing of metamorphism and deformation in the region. Detrital zircon 207Pb/206Pb ages were obtained with the LA-MC-ICPMS from quartzites collected from the type locality of the Marquenas Formation exposed at Cerro de las Marquenas, and from the lower Vadito Group in the southern and eastern Picuris Mountains. The Marquenas Formation sample yields 113 concordant ages including a Mesoproterozoic age population with four grains ca. 1470 Ga, a broad Paleoproterozoic age peak at 1695 Ma, and minor Archean age populations. Data confirm recent findings of Mesoproterozoic detrital zircons reported by Jones et al. (2011), and show that the Marquenas Formation is the youngest lithostratigraphic unit in the Picuris Mountains. Paleoproterozoic and Archean detrital grains in the Marquenas Formation are likely derived from local recycled Vadito Group rocks and ca. 1.75 Ga plutonic complexes, and ca. 1.46 detrital zircons were most likely derived from exposed Mesoproterozoic plutons south of the Picuris. Ninety-five concordant grains from each of two Vadito Group quartzites yield relatively identical unimodal Paleoproterozoic age distributions, with peaks at 1713-1707 Ma. Eastern exposures of quartzite mapped as Marquenas Formation yield detrital zircon age patterns and metamorphic mineral assemblages that are nearly identical to the Vadito Group. On this basis, I tentatively assigned the easternmost quartzite to the Vadito Group. Zircon grains in all samples show low U/Th ratios, welldeveloped concentric zoning, and no evidence of metamorphic overgrowth events, consistent with an igneous origin. North-directed paleocurrent indicators, such as tangential crossbeds (Soegaard & Eriksson, 1986) and other primary sedimentary structures, are preserved in the Marquenas Formation quartzite. Together with pebble-toboulder metaconglomerates in the Marquenas, these observations suggest that this formation was deposited in a braided alluvial plain environment in response to syntectonic uplift to the south of the Picuris Mountains. Metamorphic monazite from two Vadito Group quartzite samples were analyzed with an electron microprobe (EMP). Elemental compositional variation with respect to Th and Y define core and rim domains in monazite grains, and show lower concentrations of Th (1.46-1.52 wt%) and Y (0.67 wt%) in the cores, and higher concentrations of Th (1.98 wt%) and Y (1.06 wt%) in the rims. Results show that Mesoproterozoic core and rim ages from five grains overlap within uncertainty, ranging from 1395-1469 Ma with an average age of 1444 Ma. This 1.44 Ga average age is the dominant timing of metamorphic monazite growth in the region, and represents the timing of metamorphism experienced by the region. An older 1630 Ma core observed in sample CD10-12 may be interpreted as a result of low temperature metamorphism in lower Vadito Group rocks due to heat from ca. 1.65 Ga granitic intrusions. Core ages ca. 1.5 Ga are likely due to a mixing age of two different age domains during analyses. Confirmed sedimentation at 1.48-1.45 Ga and documented mid-crustal regional metamorphism in northern New Mexico ca. 1.44-1.40 are likely associated with a Mesoproterozoic orogenic event.

Effects Of The Flash Welding Process On Mechanical And Microstructural Properties Of Structural Steel Joints Assessed Using Dest

ASTM A529 carbon¿manganese steel angle specimens were joined by flash butt welding and the effects of varying process parameter settings on the resulting welds were investigated. The weld metal and heat affected zones were examined and tested using tensile testing, ultrasonic scanning, Rockwell hardness testing, optical microscopy, and scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy in order to quantify the effect of process variables on weld quality. Statistical analysis of experimental tensile and ultrasonic scanning data highlighted the sensitivity of weld strength and the presence of weld zone inclusions and interfacial defects to the process factors of upset current, flashing time duration, and upset dimension. Subsequent microstructural analysis revealed various phases within the weld and heat affected zone, including acicular ferrite, Widmanstätten or side-plate ferrite, and grain boundary ferrite. Inspection of the fracture surfaces of multiple tensile specimens, with scanning electron microscopy, displayed evidence of brittle cleavage fracture within the weld zone for certain factor combinations. Test results also indicated that hardness was increased in the weld zone for all specimens, which can be attributed to the extensive deformation of the upset operation. The significance of weld process factor levels on microstructure, fracture characteristics, and weld zone strength was analyzed. The relationships between significant flash welding process variables and weld quality metrics as applied to ASTM A529-Grade 50 steel angle were formalized in empirical process models.