Time-lapse and probabilistic inversion strategies for plane-wave electromagnetic data.

L'utilisation efficace des systèmes géothermaux, la séquestration du CO2 pour limiter le changement climatique et la prévention de l'intrusion d'eau salée dans les aquifères costaux ne sont que quelques exemples qui démontrent notre besoin en technologies nouvelles pour suivre l'évolution des processus souterrains à partir de la surface. Un défi majeur est d'assurer la caractérisation et l'optimisation des performances de ces technologies à différentes échelles spatiales et temporelles. Les méthodes électromagnétiques (EM) d'ondes planes sont sensibles à la conductivité électrique du sous-sol et, par conséquent, à la conductivité électrique des fluides saturant la roche, à la présence de fractures connectées, à la température et aux matériaux géologiques. Ces méthodes sont régies par des équations valides sur de larges gammes de fréquences, permettant détudier de manières analogues des processus allant de quelques mètres sous la surface jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur. Néanmoins, ces méthodes sont soumises à une perte de résolution avec la profondeur à cause des propriétés diffusives du champ électromagnétique. Pour cette raison, l'estimation des modèles du sous-sol par ces méthodes doit prendre en compte des informations a priori afin de contraindre les modèles autant que possible et de permettre la quantification des incertitudes de ces modèles de façon appropriée. Dans la présente thèse, je développe des approches permettant la caractérisation statique et dynamique du sous-sol à l'aide d'ondes EM planes. Dans une première partie, je présente une approche déterministe permettant de réaliser des inversions répétées dans le temps (time-lapse) de données d'ondes EM planes en deux dimensions. Cette stratégie est basée sur l'incorporation dans l'algorithme d'informations a priori en fonction des changements du modèle de conductivité électrique attendus. Ceci est réalisé en intégrant une régularisation stochastique et des contraintes flexibles par rapport à la gamme des changements attendus en utilisant les multiplicateurs de Lagrange. J'utilise des normes différentes de la norme l2 pour contraindre la structure du modèle et obtenir des transitions abruptes entre les régions du model qui subissent des changements dans le temps et celles qui n'en subissent pas. Aussi, j'incorpore une stratégie afin d'éliminer les erreurs systématiques de données time-lapse. Ce travail a mis en évidence l'amélioration de la caractérisation des changements temporels par rapport aux approches classiques qui réalisent des inversions indépendantes à chaque pas de temps et comparent les modèles. Dans la seconde partie de cette thèse, j'adopte un formalisme bayésien et je teste la possibilité de quantifier les incertitudes sur les paramètres du modèle dans l'inversion d'ondes EM planes. Pour ce faire, je présente une stratégie d'inversion probabiliste basée sur des pixels à deux dimensions pour des inversions de données d'ondes EM planes et de tomographies de résistivité électrique (ERT) séparées et jointes. Je compare les incertitudes des paramètres du modèle en considérant différents types d'information a priori sur la structure du modèle et différentes fonctions de vraisemblance pour décrire les erreurs sur les données. Les résultats indiquent que la régularisation du modèle est nécessaire lorsqu'on a à faire à un large nombre de paramètres car cela permet d'accélérer la convergence des chaînes et d'obtenir des modèles plus réalistes. Cependent, ces contraintes mènent à des incertitudes d'estimations plus faibles, ce qui implique des distributions a posteriori qui ne contiennent pas le vrai modèledans les régions ou` la méthode présente une sensibilité limitée. Cette situation peut être améliorée en combinant des méthodes d'ondes EM planes avec d'autres méthodes complémentaires telles que l'ERT. De plus, je montre que le poids de régularisation des paramètres et l'écart-type des erreurs sur les données peuvent être retrouvés par une inversion probabiliste. Finalement, j'évalue la possibilité de caractériser une distribution tridimensionnelle d'un panache de traceur salin injecté dans le sous-sol en réalisant une inversion probabiliste time-lapse tridimensionnelle d'ondes EM planes. Etant donné que les inversions probabilistes sont très coûteuses en temps de calcul lorsque l'espace des paramètres présente une grande dimension, je propose une stratégie de réduction du modèle ou` les coefficients de décomposition des moments de Legendre du panache de traceur injecté ainsi que sa position sont estimés. Pour ce faire, un modèle de résistivité de base est nécessaire. Il peut être obtenu avant l'expérience time-lapse. Un test synthétique montre que la méthodologie marche bien quand le modèle de résistivité de base est caractérisé correctement. Cette méthodologie est aussi appliquée à un test de trac¸age par injection d'une solution saline et d'acides réalisé dans un système géothermal en Australie, puis comparée à une inversion time-lapse tridimensionnelle réalisée selon une approche déterministe. L'inversion probabiliste permet de mieux contraindre le panache du traceur salin gr^ace à la grande quantité d'informations a priori incluse dans l'algorithme. Néanmoins, les changements de conductivités nécessaires pour expliquer les changements observés dans les données sont plus grands que ce qu'expliquent notre connaissance actuelle des phénomenès physiques. Ce problème peut être lié à la qualité limitée du modèle de résistivité de base utilisé, indiquant ainsi que des efforts plus grands devront être fournis dans le futur pour obtenir des modèles de base de bonne qualité avant de réaliser des expériences dynamiques. Les études décrites dans cette thèse montrent que les méthodes d'ondes EM planes sont très utiles pour caractériser et suivre les variations temporelles du sous-sol sur de larges échelles. Les présentes approches améliorent l'évaluation des modèles obtenus, autant en termes d'incorporation d'informations a priori, qu'en termes de quantification d'incertitudes a posteriori. De plus, les stratégies développées peuvent être appliquées à d'autres méthodes géophysiques, et offrent une grande flexibilité pour l'incorporation d'informations additionnelles lorsqu'elles sont disponibles. -- The efficient use of geothermal systems, the sequestration of CO2 to mitigate climate change, and the prevention of seawater intrusion in coastal aquifers are only some examples that demonstrate the need for novel technologies to monitor subsurface processes from the surface. A main challenge is to assure optimal performance of such technologies at different temporal and spatial scales. Plane-wave electromagnetic (EM) methods are sensitive to subsurface electrical conductivity and consequently to fluid conductivity, fracture connectivity, temperature, and rock mineralogy. These methods have governing equations that are the same over a large range of frequencies, thus allowing to study in an analogous manner processes on scales ranging from few meters close to the surface down to several hundreds of kilometers depth. Unfortunately, they suffer from a significant resolution loss with depth due to the diffusive nature of the electromagnetic fields. Therefore, estimations of subsurface models that use these methods should incorporate a priori information to better constrain the models, and provide appropriate measures of model uncertainty. During my thesis, I have developed approaches to improve the static and dynamic characterization of the subsurface with plane-wave EM methods. In the first part of this thesis, I present a two-dimensional deterministic approach to perform time-lapse inversion of plane-wave EM data. The strategy is based on the incorporation of prior information into the inversion algorithm regarding the expected temporal changes in electrical conductivity. This is done by incorporating a flexible stochastic regularization and constraints regarding the expected ranges of the changes by using Lagrange multipliers. I use non-l2 norms to penalize the model update in order to obtain sharp transitions between regions that experience temporal changes and regions that do not. I also incorporate a time-lapse differencing strategy to remove systematic errors in the time-lapse inversion. This work presents improvements in the characterization of temporal changes with respect to the classical approach of performing separate inversions and computing differences between the models. In the second part of this thesis, I adopt a Bayesian framework and use Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations to quantify model parameter uncertainty in plane-wave EM inversion. For this purpose, I present a two-dimensional pixel-based probabilistic inversion strategy for separate and joint inversions of plane-wave EM and electrical resistivity tomography (ERT) data. I compare the uncertainties of the model parameters when considering different types of prior information on the model structure and different likelihood functions to describe the data errors. The results indicate that model regularization is necessary when dealing with a large number of model parameters because it helps to accelerate the convergence of the chains and leads to more realistic models. These constraints also lead to smaller uncertainty estimates, which imply posterior distributions that do not include the true underlying model in regions where the method has limited sensitivity. This situation can be improved by combining planewave EM methods with complimentary geophysical methods such as ERT. In addition, I show that an appropriate regularization weight and the standard deviation of the data errors can be retrieved by the MCMC inversion. Finally, I evaluate the possibility of characterizing the three-dimensional distribution of an injected water plume by performing three-dimensional time-lapse MCMC inversion of planewave EM data. Since MCMC inversion involves a significant computational burden in high parameter dimensions, I propose a model reduction strategy where the coefficients of a Legendre moment decomposition of the injected water plume and its location are estimated. For this purpose, a base resistivity model is needed which is obtained prior to the time-lapse experiment. A synthetic test shows that the methodology works well when the base resistivity model is correctly characterized. The methodology is also applied to an injection experiment performed in a geothermal system in Australia, and compared to a three-dimensional time-lapse inversion performed within a deterministic framework. The MCMC inversion better constrains the water plumes due to the larger amount of prior information that is included in the algorithm. The conductivity changes needed to explain the time-lapse data are much larger than what is physically possible based on present day understandings. This issue may be related to the base resistivity model used, therefore indicating that more efforts should be given to obtain high-quality base models prior to dynamic experiments. The studies described herein give clear evidence that plane-wave EM methods are useful to characterize and monitor the subsurface at a wide range of scales. The presented approaches contribute to an improved appraisal of the obtained models, both in terms of the incorporation of prior information in the algorithms and the posterior uncertainty quantification. In addition, the developed strategies can be applied to other geophysical methods, and offer great flexibility to incorporate additional information when available.

Les gangs en Suisse : délinquance, victimisation et facteurs de risque

Abstract Gang membership constitutes one of the strongest risk factors of delinquency. Research on this topic found that gang members commit more offences in general and are particularly more prone to violent offences than other juveniles. Indeed, they are responsible for approximately 50 to 86% of the total offences perpetrated by juvenile offenders. In Switzerland, as in other European countries, there is a reluctance to use the term of gang to talk about delinquent youth groups. However, this term implies many stereotypes that do not apply to the majority of juvenile American gangs. Thus, it appears that some delinquent youth groups in European countries can be described as gangs. This manifestation of juvenile delinquency is increasingly studied by European researchers, whose studies demonstrate the high level of delinquency committed by gang members. This research assesses the proportion of gangs in Switzerland and their level of involvement in delinquency. Victimization of gang members as well as risk factors of gang membership are also analyzed. For this research, data of two self-reported juvenile delinquency surveys were used, namely the survey of "les jeunes et l'insécurité" and the second wave of the International Self-Reported Delinquency Survey (ISRD-2). The first survey took place in the canton of Vaud among 4'690 teenagers, and the second one was conducted across Switzerland by interviewing 3'648 teenagers aged 12 to 16. The results from the ISRD-2 survey show that 4.6% of young Swiss belong to a gang, whereas this is the case for 6.5% of teenagers in the canton of Vaud. About a third of the gang members ara girls. A strong link between the commission of offences and gang membership was found in both surveys. A teenager who does not belong to a gang commits on average 1.9 offences per year, whereas this number increases to 7.2 offences for teenagers who have delinquent peers and to 16 offences for gang members. The risk of victimization is also stronger for a gang member than for a non-gang member, as it is 4 to 5 times higher for assaults and robberies. International comparisons based on the ISRD-2 survey have been conducted, highlighting the high level of delinquency of gang members and their vulnerability to victimization. Risk factors of gang membership include the influence of accessibility to drugs in the neighbourhoods, the lack of self-control of the teenagers and their consumption of cannabis. Résumé Un des facteurs de risque les plus importants de la délinquance juvénile est l'appartenance à un gang. Les recherches faites sur cette problématique indiquent que les membres de gangs commettent plus de délits et des délits plus violents que les autres jeunes et qu'ils sont responsables d'environ 50 â 86% des actes délinquants perpétrés. En Suisse, tout comme dans d'autres pays européens, une réticence existe à utiliser le terme de gang pour parler des bandes de jeunes délinquants. Pourtant, ce terme implique de nombreux stéréotypes qui ne correspondent toutefois pas à la majorité des gangs américains. Ainsi, il apparaît que certaines bandes de jeunes délinquants présentes dans des pays européens peuvent être qualifiées de gangs. Cette manifestation de ta délinquance juvénile est de plus en plus étudiée par les chercheurs européens qui démontrent également la sur-criminalité de leurs membres. I La présente recherche évalue dans quelle proportion tes membres de gangs existent en Suisse et Quel est leur niveau d'implication dans la délinquance. Leur victimisation ainsi que les facteurs de risque de l'affiliation à de tels groupes y sont également analysés. Pour ce faire, les données de deux enquêtes ont été utilisées, à savoir l'enquête des jeunes et de l'insécurité portant sur 4'690 élèves de 8'? et 9*? année scolaire du canton de Vaud, ainsi que la deuxième vague du sondage de délinquance auto-reportée portant sur 3'648 jeunes suisses ayant entre 12 et 16 ans (ISRD-2 -International Self Reported Delinquency-). Ainsi, 4.6% des jeunes suisses, selon la recherche de l'ISRD-2, et 6.5% des jeunes vaudois, selon l'enquête des jeunes et de l'insécurité, appartiennent à un gang ; un tiers des membres étant de sexe féminin. Un lien fort entre la commission de délits et l'affiliation à un gang a été mis en évidence dans les deux enquêtes. Un adolescent qui ne fait pas partie d'un gang commet en moyenne 1.9 délits par année, un jeune qui a des pairs délinquants en commet en moyenne 7.2, alors que la moyenne annuelle des jeunes qui appartiennent à un gang s'élève à 16. Le risque de devenir victime est également plus important lorsqu'un jeune fait partie de tels groupes, puisqu'il est 4 à 5 fois plus élevé pour les agressions et les brigandages. Des comparaisons internationales, basées sur l'enquête de l'lSRD-2, ont pu être effectuées, mettant en exergue la sur-criminalité des membres de gangs ainsi que leur vulnérabilité face à la victimisation. Des facteurs de risque de l'affiliation è un gang, tels que l'influence de l'accessibilité à la drogue dans les quartiers où habitent les jeunes, le manque d'autocontrôlé de ces derniers ou leur consommation de cannabis ont été relevés

Numerical analysis of wave-induced fluid flow effects on seismic data: Application to monitoring of CO2 storage at the Sleipner Field

In this work we analyze how patchy distributions of CO2 and brine within sand reservoirs may lead to significant attenuation and velocity dispersion effects, which in turn may have a profound impact on surface seismic data. The ultimate goal of this paper is to contribute to the understanding of these processes within the framework of the seismic monitoring of CO2 sequestration, a key strategy to mitigate global warming. We first carry out a Monte Carlo analysis to study the statistical behavior of attenuation and velocity dispersion of compressional waves traveling through rocks with properties similar to those at the Utsira Sand, Sleipner field, containing quasi-fractal patchy distributions of CO2 and brine. These results show that the mean patch size and CO2 saturation play key roles in the observed wave-induced fluid flow effects. The latter can be remarkably important when CO2 concentrations are low and mean patch sizes are relatively large. To analyze these effects on the corresponding surface seismic data, we perform numerical simulations of wave propagation considering reservoir models and CO2 accumulation patterns similar to the CO2 injection site in the Sleipner field. These numerical experiments suggest that wave-induced fluid flow effects may produce changes in the reservoir's seismic response, modifying significantly the main seismic attributes usually employed in the characterization of these environments. Consequently, the determination of the nature of the fluid distributions as well as the proper modeling of the seismic data constitute important aspects that should not be ignored in the seismic monitoring of CO2 sequestration problems.

High amplitude contractions in the middle third of the esophagus: a manometric marker of chronic alcoholism?

BACKGROUND--Oesophageal motor abnormalities have been reported in alcoholism. AIM--To investigate the effects of chronic alcoholism and its withdrawal on oesophageal disease. PATIENTS--23 chronic alcoholic patients (20 men and three women; mean age 43, range 23 to 54). METHODS--Endoscopy, manometry, and 24 hour pH monitoring 7-10 days and six months after ethanol withdrawal. Tests for autonomic and peripheral neuropathy were also performed. Motility and pH tracings were compared with those of age and sex matched control groups: healthy volunteers, nutcracker oesophagus, and gastro-oesophageal reflux disease. RESULTS--14 (61%) alcoholic patients had reflux symptoms, and endoscopy with biopsy showed oesophageal inflammation in 10 patients. One patient had an asymptomatic squamous cell carcinoma. Oesophageal motility studies in the alcoholic patients showed that peristaltic amplitude in the middle third was > 150 mm Hg (95th percentile (P95) of healthy controls) in 13 (57%), the ratio lower/ middle amplitude was < 0.9 in 15 (65%) (> 0.9 in all control groups), and the lower oesophageal sphincter was hypertensive (> 23.4 mm Hg, P95 of healthy controls) in 13 (57%). All three abnormalities were present in five (22%). Abnormal reflux (per cent reflux time > 2.9, P95 of healthy controls) was shown in 12 (52%) alcoholic patients, and was unrelated to peristaltic dysfunction. Subclinical neuropathy in 10 patients did not effect oesophageal abnormalities. Oesophageal motility abnormalities persisted at six months in six patients with ongoing alcoholism, whereas they reverted towards normal in 13 who remained abstinent; reflux, however, was unaffected. CONCLUSIONS--Oesophageal peristaltic dysfunction and reflux are frequent in alcoholism. High amplitude contractions in the middle third of the oesophagus seem to be a marker of excessive alcohol consumption, and tend to improve with abstinence.

Accurate calculations of intermolecular interaction energies using explicitly correlated coupled cluster wave functions and a dispersion-weighted MP2 method.

Explicitly correlated coupled-cluster calculations of intermolecular interaction energies for the S22 benchmark set of Jurecka, Sponer, Cerny, and Hobza (Chem. Phys. Phys. Chem. 2006, 8, 1985) are presented. Results obtained with the recently proposed CCSD(T)-F12a method and augmented double-zeta basis sets are found to be in very close agreement with basis set extrapolated conventional CCSD(T) results. Furthermore, we propose a dispersion-weighted MP2 (DW-MP2) approximation that combines the good accuracy of MP2 for complexes with predominately electrostatic bonding and SCS-MP2 for dispersion-dominated ones. The MP2-F12 and SCS-MP2-F12 correlation energies are weighted by a switching function that depends on the relative HF and correlation contributions to the interaction energy. For the S22 set, this yields a mean absolute deviation of 0.2 kcal/mol from the CCSD(T)-F12a results. The method, which allows obtaining accurate results at low cost, is also tested for a number of dimers that are not in the training set.

An eclectic third generation model of financial and exchange rate crises

[cat] En aquest treball es presenta un model eclèctic que sistematitza la dinàmica de les crisis que s’autoconfimen, usant els principals aspectes de les tres tipologies dels models de crisis canviàries de tercera generació, amb la finalitat de descriure els fets que precipiten la renúncia al manteniment d’una paritat fixada. Les contribucions més notables són les implicacions per a la política econòmica, així com la pèrdua del paper del tipus de canvi com instrument d’ajust macroeconòmic, quan els efectes de balanç són una possibilitat real.

Patterns of extraocular muscle weakness in vasculopathic pupil-sparing, incomplete third nerve palsy.

OBJECTIVE: To determine the pattern of extraocular muscle (EOM) paresis in incomplete vasculopathic third nerve palsies (3NP) that have normal pupillary function. METHODS: A retrospective study in a private practice and academic neuro-ophthalmic practice. Patients diagnosed with vasculopathic 3NP within 4 weeks of symptom onset were identified. The chart of each patient was reviewed to determine pupillary function and the pattern and degree of EOM and levator palpebrae paresis at the time of presentation. RESULTS: Of 55 patients with vasculopathic 3NP, 42 (76%) had normal pupillary function. Of these 42, 23 (55%) demonstrated an incomplete EOM palsy, defined as partially reduced ductions affecting all third nerve-innervated EOMs and levator (diffuse pattern) or partially reduced ductions that involved only some third nerve-innervated EOMs and levator (focal pattern). Twenty (87%) of these 23 patients showed a diffuse pattern of paresis; only three (13%) showed a focal pattern of paresis, one that affected only the superior rectus and levator muscles (superior division weakness). CONCLUSIONS: Based on our series, most patients with EOM/levator involvement in pupil-sparing, incomplete 3NP of vasculopathic origin have a diffuse pattern of paresis. In contrast, our review of the literature suggests that pupil-sparing 3NP of aneurysmal origin usually have a focal pattern of paresis. We propose that distinguishing these two patterns of EOM paresis may be helpful in differentiating between vasculopathic and aneurysmal 3NP. Future studies will be needed to confirm the clinical utility of this hypothesis.

Wave-vector dependence of spin and density multipole excitations in quantum dots

We have employed time-dependent local-spin density-functional theory to analyze the multipole spin and charge density excitations in GaAs-AlxGa1-xAs quantum dots. The on-plane transferred momentum degree of freedom has been taken into account, and the wave-vector dependence of the excitations is discussed. In agreement with previous experiments, we have found that the energies of these modes do not depend on the transferred wave vector, although their intensities do. Comparison with a recent resonant Raman scattering experiment [C. Schüller et al., Phys. Rev. Lett. 80, 2673 (1998)] is made. This allows us to identify the angular momentum of several of the observed modes as well as to reproduce their energies

Comment on "Reappraisal of experimental values of third-order elastic constants of some cubic semiconductors and metals"

In a recent paper A. S. Johal and D. J. Dunstan [Phys. Rev. B 73, 024106 (2006)] have applied multivariate linear regression analysis to the published data of the change in ultrasonic velocity with applied stress. The aim is to obtain the best estimates for the third-order elastic constants in cubic materials. From such an analysis they conclude that uniaxial stress data on metals turns out to be nearly useless by itself. The purpose of this comment is to point out that by a proper analysis of uniaxial stress data it is possible to obtain reliable values of third-order elastic constants in cubic metals and alloys. Cu-based shape memory alloys are used as an illustrative example.

Bargmann-Wigner method and (6S + 1)-component wave equations

A modified Bargmann-Wigner method is used to derive (6s + 1)-component wave equations. The relation between different forms of these equations is shown.

Newton-Hooke algebras, nonrelativistic branes, and generalized pp-wave metrics

The Newton-Hooke algebras in d dimensions are constructed as contractions of dS(AdS) algebras. Nonrelativistic brane actions are WZ terms of these Newton-Hooke algebras. The NH algebras appear also as subalgebras of multitemporal relativistic conformal algebras, SO(d+1,p+2). We construct generalizations of pp-wave metrics from these algebras.