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.

Tandem repeat sequence variation as causative cis-eQTLs for protein-coding gene expression variation: the case of CSTB.

Association studies have revealed expression quantitative trait loci (eQTLs) for a large number of genes. However, the causative variants that regulate gene expression levels are generally unknown. We hypothesized that copy-number variation of sequence repeats contribute to the expression variation of some genes. Our laboratory has previously identified that the rare expansion of a repeat c.-174CGGGGCGGGGCG in the promoter region of the CSTB gene causes a silencing of the gene, resulting in progressive myoclonus epilepsy. Here, we genotyped the repeat length and quantified CSTB expression by quantitative real-time polymerase chain reaction in 173 lymphoblastoid cell lines (LCLs) and fibroblast samples from the GenCord collection. The majority of alleles contain either two or three copies of this repeat. Independent analysis revealed that the c.-174CGGGGCGGGGCG repeat length is strongly associated with CSTB expression (P = 3.14 × 10(-11)) in LCLs only. Examination of both genotyped and imputed single-nucleotide polymorphisms (SNPs) within 2 Mb of CSTB revealed that the dodecamer repeat represents the strongest cis-eQTL for CSTB in LCLs. We conclude that the common two or three copy variation is likely the causative cis-eQTL for CSTB expression variation. More broadly, we propose that polymorphic tandem repeats may represent the causative variation of a fraction of cis-eQTLs in the genome.

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.

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.

Quality coding by neural populations in the early olfactory pathway: analysis using information theory

In this article, we analyze the ability of the early olfactory system to detect and discriminate different odors by means of information theory measurements applied to olfactory bulb activity images. We have studied the role that the diversity and number of receptor neuron types play in encoding chemical information. Our results show that the olfactory receptors of the biological system are low correlated and present good coverage of the input space. The coding capacity of ensembles of olfactory receptors with the same receptive range is maximized when the receptors cover half of the odor input space - a configuration that corresponds to receptors that are not particularly selective. However, the ensemble's performance slightly increases when mixing uncorrelated receptors of different receptive ranges. Our results confirm that the low correlation between sensors could be more significant than the sensor selectivity for general purpose chemo-sensory systems, whether these are biological or biomimetic.

Front and domain growth in the presence of gravity

Front and domain growth of a binary mixture in the presence of a gravitational field is studied. The interplay of bulk- and surface-diffusion mechanisms is analyzed. An equation for the evolution of interfaces is derived from a time-dependent Ginzburg-Landau equation with a concentration-dependent diffusion coefficient. Scaling arguments on this equation give the exponents of a power-law growth. Numerical integrations of the Ginzburg-Landau equation corroborate the theoretical analysis.

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

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.

CHARACTERIZATION OF NrsZ, A NOVEL SMALL REGULATORY NON-CODING RNA INVOLVED IN THE ADAPTATION OF PSEUDOMONAS AERUGINOSA PAO1

The opportunistic ubiquitous pathogen Pseudomonas aeruginosa strain PAOl is a versatile Gram-negative bacterium that has the extraordinary capacity to colonize a wide diversity of ecological niches and to cause severe and persistent infections in humans. To ensure an optimal coordination of the genes involved in nutrient utilization, this bacterium uses the NtrB/C and/or the CbrA/B two-component systems, to sense nutrients availability and to regulate in consequence the expression of genes involved in their uptake and catabolism. NtrB/C is specialized in nitrogen utilization, while the CbrA/B system is involved in both carbon and nitrogen utilization and both systems activate their target genes expression in concert with the alternative sigma factor RpoN. Moreover, the NtrB/C and CbrA/B two- component systems regulate the secondary metabolism of the bacterium, such as the production of virulence factors. In addition to the fine-tuning transcriptional regulation, P. aeruginosa can rapidly modulate its metabolism using small non-coding regulatory RNAs (sRNAs), which regulate gene expression at the post-transcriptional level by diverse and sophisticated mechanisms and contribute to the fast physiological adaptability of this bacterium. In our search for novel RpoN-dependent sRNAs modulating the nutritional adaptation of P. aeruginosa PAOl, we discovered NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), a novel RpoN-dependent sRNA that is induced under nitrogen starvation by the NtrB/C two-component system. NrsZ has a unique architecture, formed of three similar stem-loop structures (SL I, II and II) separated by variant spacer sequences. Moreover, this sRNA is processed in short individual stem-loop molecules, by internal cleavage involving the endoribonuclease RNAse E. Concerning NrsZ functions in P. aeruginosa PAOl, this sRNA was shown to trigger the swarming motility and the rhamnolipid biosurfactants production. This regulation is due to the NrsZ-mediated activation of rhlA expression, a gene encoding for an enzyme essential for swarming motility and rhamnolipids production. Interestingly, the SL I structure of NrsZ ensures its regulatory function on rhlA expression, suggesting that the similar SLs are the functional units of this modular sRNA. However, the regulatory mechanism of action of NrsZ on rhlA expression activation remains unclear and is currently being investigated. Additionally, the NrsZ regulatory network was investigated by a transcriptome analysis, suggesting that numerous genes involved in both primary and secondary metabolism are regulated by this sRNA. To emphasize the importance of NrsZ, we investigated its conservation in other Pseudomonas species and demonstrated that NrsZ is conserved and expressed under nitrogen limitation in Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48 and Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, strains having different ecological features, suggesting an important role of NrsZ in the adaptation of Pseudomonads to nitrogen starvation. Interestingly the architecture of the different NrsZ homologs is similarly composed by SL structures and variant spacer sequences. However, the number of SL repetitions is not identical, and one to six SLs were predicted on the different NrsZ homologs. Moreover, NrsZ is processed in short molecules in all the strains, similarly to what was previously observed in P. aeruginosa PAOl, and the heterologous expression of the NrsZ homologs restored rhlA expression, swarming motility and rhamnolipids production in the P. aeruginosa NrsZ mutant. In many aspects, NrsZ is an atypical sRNA in the bacterial panorama. To our knowledge, NrsZ is the first described sRNA induced by the NtrB/C. Moreover, its unique modular architecture and its processing in similar short SL molecules suggest that NrsZ belongs to a novel family of bacterial sRNAs. -- L'agent pathogène opportuniste et ubiquitaire Pseudomonas aeruginosa souche PAOl est une bactérie Gram négative versatile ayant l'extraordinaire capacité de coloniser différentes niches écologiques et de causer des infections sévères et persistantes chez l'être humain. Afin d'assurer une coordination optimale des gènes impliqués dans l'utilisation de différents nutriments, cette bactérie se sert de systèmes à deux composants tel que NtrB/C et CbrA/B afin de détecter la disponibilité des ressources nutritives, puis de réguler en conséquence l'expression des gènes impliqués dans leur importation et leur catabolisme. Le système NtrB/C régule l'utilisation des sources d'azote alors que le système CbrA/B est impliqué à la fois dans l'utilisation des sources de carbone et d'azote. Ces deux systèmes activent l'expression de leurs gènes-cibles de concert avec le facteur sigma alternatif RpoN. En outre, NtrB/C et CbrA/B régulent aussi le métabolisme secondaire, contrôlant notamment la production d'importants facteurs de virulence. En plus de toutes ces régulations génétiques fines ayant lieu au niveau transcriptionnel, P. aeruginosa est aussi capable de moduler son métabolisme en se servant de petits ARNs régulateurs non-codants (ARNncs), qui régulent l'expression génétique à un niveau post- transcriptionnel par divers mécanismes sophistiqués et contribuent à rendre particulièrement rapide l'adaptation physiologique de cette bactérie. Au cours de nos recherches sur de nouveaux ARNncs dépendant du facteur sigma RpoN et impliqués dans l'adaptation nutritionnelle de P. aeruginosa PAOl, nous avons découvert NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), un ARNnc induit par la cascade NtrB/C-RpoN en condition de carence en azote. NrsZ a une architecture unique, composée de trois structures en tige- boucle (TB I, II et III) hautement similaires et séparées par des « espaceurs » ayant des séquences variables. De plus, cet ARNnc est clivé en petits fragments correspondant au trois molécules en tige-boucle, par un processus de clivage interne impliquant l'endoribonucléase RNase E. Concernant les fonctions de NrsZ chez P. aeruginosa PAOl, cet ARNnc est capable d'induire la motilité de type « swarming » et la production de biosurfactants, nommés rhamnolipides. Cette régulation est due à l'activation par NrsZ de l'expression de rhlA, un gène essentiel pour la motilité de type swarming et pour la production de rhamnolipides. Étonnamment, la structure TB I est capable d'assurer à elle seule la fonction régulatrice de NrsZ sur l'expression de rhlA, suggérant que ces molécules TBs sont les unités fonctionnelles de cet ARNnc modulaire. Cependant, le mécanisme moléculaire par lequel NrsZ active l'expression de rhlA demeure à ce jour incertain et est actuellement à l'étude. En plus, le réseau de régulations médiées par NrsZ a été étudié par une analyse de transcriptome qui a indiqué que de nombreux gènes impliqués dans le métabolisme primaire ou secondaire seraient régulés par NrsZ. Pour accentuer l'importance de NrsZ, nous avons étudié sa conservation dans d'autres espèces de Pseudomonas. Ainsi, nous avons démontré que NrsZ est conservé et exprimé en situation de carence d'azote par les souches Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, quatre espèces ayant des caractéristiques écologiques très différentes, suggérant que NrsZ joue un rôle important dans l'adaptation du genre Pseudomonas envers la carence en azote. Chez toutes les souches étudiées, les différents homologues de NrsZ présentent une architecture similaire faite de TBs conservées et d'espaceurs. Cependant, le nombre de TBs n'est pas identique et peut varier de une à six copies selon la souche. Les différentes versions de NrsZ sont clivées en petites molécules dans ces quatre souches, comme il a été observé chez P. aeruginosa PAOl. De plus, l'expression hétérologue des différentes variantes de NrsZ est capable de restaurer l'expression de rhlA, la motilité swarming et la production de rhamnolipides dans une souche de P. aeruginosa dont nrsZ a été inactivé. Par bien des aspects, NrsZ est un ARNnc atypique dans le monde bactérien. À notre connaissance, NrsZ est le premier ARNnc décrit comme étant régulé par le système NtrB/C. De plus, son unique architecture modulaire et son clivage en petites molécules similaires suggèrent que NrsZ appartient à une nouvelle famille d'ARNncs bactériens.

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.

Gravitational wave pulse and soliton wave collision

We study the collision of a gravitational wave pulse and a soliton wave on a spatially homogeneous background. This collision is described by an exact solution of Einsteins equations in a vacuum which is generated from a nondiagonal seed by means of a soliton transformation. The effect produced by the soliton on the amplitude and polarization of the wave is considered.