TECTONICS OF THE HELVETIC NAPPE SYSTEM (W SWITZERLAND): CONTROL OF STRAIN LOCALIZATION AND BASEMENT-COVER DEFORMATION. Insights from models based on continuum mechanics

The Helvetic nappe system in Western Switzerland is a stack of fold nappes and thrust sheets em-placed at low grade metamorphism. Fold nappes and thrust sheets are also some of the most common features in orogens. Fold nappes are kilometer scaled recumbent folds which feature a weakly deformed normal limb and an intensely deformed overturned limb. Thrust sheets on the other hand are characterized by the absence of overturned limb and can be defined as almost rigid blocks of crust that are displaced sub-horizontally over up to several tens of kilometers. The Morcles and Doldenhom nappe are classic examples of fold nappes and constitute the so-called infra-Helvetic complex in Western and Central Switzerland, respectively. This complex is overridden by thrust sheets such as the Diablerets and Wildhörn nappes in Western Switzerland. One of the most famous example of thrust sheets worldwide is the Glariis thrust sheet in Central Switzerland which features over 35 kilometers of thrusting which are accommodated by a ~1 m thick shear zone. Since the works of the early Alpine geologist such as Heim and Lugeon, the knowledge of these nappes has been steadily refined and today the geometry and kinematics of the Helvetic nappe system is generally agreed upon. However, despite the extensive knowledge we have today of the kinematics of fold nappes and thrust sheets, the mechanical process leading to the emplacement of these nappe is still poorly understood. For a long time geologist were facing the so-called 'mechanical paradox' which arises from the fact that a block of rock several kilometers high and tens of kilometers long (i.e. nappe) would break internally rather than start moving on a low angle plane. Several solutions were proposed to solve this apparent paradox. Certainly the most successful is the theory of critical wedges (e.g. Chappie 1978; Dahlen, 1984). In this theory the orogen is considered as a whole and this change of scale allows thrust sheet like structures to form while being consistent with mechanics. However this theoiy is intricately linked to brittle rheology and fold nappes, which are inherently ductile structures, cannot be created in these models. When considering the problem of nappe emplacement from the perspective of ductile rheology the problem of strain localization arises. The aim of this thesis was to develop and apply models based on continuum mechanics and integrating heat transfer to understand the emplacement of nappes. Models were solved either analytically or numerically. In the first two papers of this thesis we derived a simple model which describes channel flow in a homogeneous material with temperature dependent viscosity. We applied this model to the Morcles fold nappe and to several kilometer-scale shear zones worldwide. In the last paper we zoomed out and studied the tectonics of (i) ductile and (ii) visco-elasto-plastic and temperature dependent wedges. In this last paper we focused on the relationship between basement and cover deformation. We demonstrated that during the compression of a ductile passive margin both fold nappes and thrust sheets can develop and that these apparently different structures constitute two end-members of a single structure (i.e. nappe). The transition from fold nappe to thrust sheet is to first order controlled by the deformation of the basement. -- Le système des nappes helvétiques en Suisse occidentale est un empilement de nappes de plis et de nappes de charriage qui se sont mis en place à faible grade métamorphique. Les nappes de plis et les nappes de charriage sont parmi les objets géologiques les plus communs dans les orogènes. Les nappes de plis sont des plis couchés d'échelle kilométrique caractérisés par un flanc normal faiblement défor-mé, au contraire de leur flanc inverse, intensément déformé. Les nappes de charriage, à l'inverse se caractérisent par l'absence d'un flanc inverse bien défini. Elles peuvent être définies comme des blocs de croûte terrestre qui se déplacent de manière presque rigide qui sont déplacés sub-horizontalement jusqu'à plusieurs dizaines de kilomètres. La nappe de Mordes et la nappe du Doldenhorn sont des exemples classiques de nappes de plis et constitue le complexe infra-helvétique en Suisse occidentale et centrale, respectivement. Ce complexe repose sous des nappes de charriages telles les nappes des Diablerets et du Widlhörn en Suisse occidentale. La nappe du Glariis en Suisse centrale se distingue par un déplacement de plus de 35 kilomètres qui s'est effectué à la faveur d'une zone de cisaillement basale épaisse de seulement 1 mètre. Aujourd'hui la géométrie et la cinématique des nappes alpines fait l'objet d'un consensus général. Malgré cela, les processus mécaniques par lesquels ces nappes se sont mises en place restent mal compris. Pendant toute la première moitié du vingtième siècle les géologues les géologues ont été confrontés au «paradoxe mécanique». Celui-ci survient du fait qu'un bloc de roche haut de plusieurs kilomètres et long de plusieurs dizaines de kilomètres (i.e., une nappe) se fracturera de l'intérieur plutôt que de se déplacer sur une surface frictionnelle. Plusieurs solutions ont été proposées pour contourner cet apparent paradoxe. La solution la plus populaire est la théorie des prismes d'accrétion critiques (par exemple Chappie, 1978 ; Dahlen, 1984). Dans le cadre de cette théorie l'orogène est considéré dans son ensemble et ce simple changement d'échelle solutionne le paradoxe mécanique (la fracturation interne de l'orogène correspond aux nappes). Cette théorie est étroitement lié à la rhéologie cassante et par conséquent des nappes de plis ne peuvent pas créer au sein d'un prisme critique. Le but de cette thèse était de développer et d'appliquer des modèles basés sur la théorie de la méca-nique des milieux continus et sur les transferts de chaleur pour comprendre l'emplacement des nappes. Ces modèles ont été solutionnés de manière analytique ou numérique. Dans les deux premiers articles présentés dans ce mémoire nous avons dérivé un modèle d'écoulement dans un chenal d'un matériel homogène dont la viscosité dépend de la température. Nous avons appliqué ce modèle à la nappe de Mordes et à plusieurs zone de cisaillement d'échelle kilométrique provenant de différents orogènes a travers le monde. Dans le dernier article nous avons considéré le problème à l'échelle de l'orogène et avons étudié la tectonique de prismes (i) ductiles, et (ii) visco-élasto-plastiques en considérant les transferts de chaleur. Nous avons démontré que durant la compression d'une marge passive ductile, a la fois des nappes de plis et des nappes de charriages peuvent se développer. Nous avons aussi démontré que nappes de plis et de charriages sont deux cas extrêmes d'une même structure (i.e. nappe) La transition entre le développement d'une nappe de pli ou d'une nappe de charriage est contrôlé au premier ordre par la déformation du socle. -- Le système des nappes helvétiques en Suisse occidentale est un emblement de nappes de plis et de nappes de chaînage qui se sont mis en place à faible grade métamoiphique. Les nappes de plis et les nappes de charriage sont parmi les objets géologiques les plus communs dans les orogènes. Les nappes de plis sont des plis couchés d'échelle kilométrique caractérisés par un flanc normal faiblement déformé, au contraire de leur flanc inverse, intensément déformé. Les nappes de charriage, à l'inverse se caractérisent par l'absence d'un flanc inverse bien défini. Elles peuvent être définies comme des blocs de croûte terrestre qui se déplacent de manière presque rigide qui sont déplacés sub-horizontalement jusqu'à plusieurs dizaines de kilomètres. La nappe de Morcles and la nappe du Doldenhorn sont des exemples classiques de nappes de plis et constitue le complexe infra-helvétique en Suisse occidentale et centrale, respectivement. Ce complexe repose sous des nappes de charriages telles les nappes des Diablerets et du Widlhörn en Suisse occidentale. La nappe du Glarüs en Suisse centrale est certainement l'exemple de nappe de charriage le plus célèbre au monde. Elle se distingue par un déplacement de plus de 35 kilomètres qui s'est effectué à la faveur d'une zone de cisaillement basale épaisse de seulement 1 mètre. La géométrie et la cinématique des nappes alpines fait l'objet d'un consensus général parmi les géologues. Au contraire les processus physiques par lesquels ces nappes sont mises en place reste mal compris. Les sédiments qui forment les nappes alpines se sont déposés à l'ère secondaire et à l'ère tertiaire sur le socle de la marge européenne qui a été étiré durant l'ouverture de l'océan Téthys. Lors de la fermeture de la Téthys, qui donnera naissance aux Alpes, le socle et les sédiments de la marge européenne ont été déformés pour former les nappes alpines. Le but de cette thèse était de développer et d'appliquer des modèles basés sur la théorie de la mécanique des milieux continus et sur les transferts de chaleur pour comprendre l'emplacement des nappes. Ces modèles ont été solutionnés de manière analytique ou numérique. Dans les deux premiers articles présentés dans ce mémoire nous nous sommes intéressés à la localisation de la déformation à l'échelle d'une nappe. Nous avons appliqué le modèle développé à la nappe de Morcles et à plusieurs zones de cisaillement provenant de différents orogènes à travers le monde. Dans le dernier article nous avons étudié la relation entre la déformation du socle et la défonnation des sédiments. Nous avons démontré que nappe de plis et nappes de charriages constituent les cas extrêmes d'un continuum. La transition entre nappe de pli et nappe de charriage est intrinsèquement lié à la déformation du socle sur lequel les sédiments reposent.

Fracture network characterization using hydrological and geophysical data

Les décisions de gestion des eaux souterraines doivent souvent être justiffées par des modèles quantitatifs d'aquifères qui tiennent compte de l'hétérogénéité des propriétés hydrauliques. Les aquifères fracturés sont parmi les plus hétérogènes et très difficiles à étudier. Dans ceux-ci, les fractures connectées, d'ouverture millimètrique, peuvent agir comme conducteurs hydrauliques et donc créer des écoulements très localisés. Le manque général d'informations sur la distribution spatiale des fractures limite la possibilité de construire des modèles quantitatifs de flux et de transport. Les données qui conditionnent les modèles sont généralement spatialement limitées, bruitées et elles ne représentent que des mesures indirectes de propriétés physiques. Ces limitations aux données peuvent être en partie surmontées en combinant différents types de données, telles que les données hydrologiques et de radar à pénétration de sol plus commun ément appelé géoradar. L'utilisation du géoradar en forage est un outil prometteur pour identiffer les fractures individuelles jusqu'à quelques dizaines de mètres dans la formation. Dans cette thèse, je développe des approches pour combiner le géoradar avec les données hydrologiques affn d'améliorer la caractérisation des aquifères fracturés. Des investigations hydrologiques intensives ont déjà été réalisées à partir de trois forage adjacents dans un aquifère cristallin en Bretagne (France). Néanmoins, la dimension des fractures et la géométrie 3-D des fractures conductives restaient mal connue. Affn d'améliorer la caractérisation du réseau de fractures je propose dans un premier temps un traitement géoradar avancé qui permet l'imagerie des fractures individuellement. Les résultats montrent que les fractures perméables précédemment identiffées dans les forages peuvent être caractérisées géométriquement loin du forage et que les fractures qui ne croisent pas les forages peuvent aussi être identiffées. Les résultats d'une deuxième étude montrent que les données géoradar peuvent suivre le transport d'un traceur salin. Ainsi, les fractures qui font partie du réseau conductif et connecté qui dominent l'écoulement et le transport local sont identiffées. C'est la première fois que le transport d'un traceur salin a pu être imagé sur une dizaines de mètres dans des fractures individuelles. Une troisième étude conffrme ces résultats par des expériences répétées et des essais de traçage supplémentaires dans différentes parties du réseau local. En outre, la combinaison des données de surveillance hydrologique et géoradar fournit la preuve que les variations temporelles d'amplitude des signaux géoradar peuvent nous informer sur les changements relatifs de concentrations de traceurs dans la formation. Par conséquent, les données géoradar et hydrologiques sont complémentaires. Je propose ensuite une approche d'inversion stochastique pour générer des modèles 3-D de fractures discrètes qui sont conditionnés à toutes les données disponibles en respectant leurs incertitudes. La génération stochastique des modèles conditionnés par géoradar est capable de reproduire les connexions hydrauliques observées et leur contribution aux écoulements. L'ensemble des modèles conditionnés fournit des estimations quantitatives des dimensions et de l'organisation spatiale des fractures hydrauliquement importantes. Cette thèse montre clairement que l'imagerie géoradar est un outil utile pour caractériser les fractures. La combinaison de mesures géoradar avec des données hydrologiques permet de conditionner avec succès le réseau de fractures et de fournir des modèles quantitatifs. Les approches présentées peuvent être appliquées dans d'autres types de formations rocheuses fracturées où la roche est électriquement résistive.

Hélium en réanimation : de la mécanique des fluides à la clinique

En raison de sa faible densité, l'hélium tend à favoriser la présence de conditions d'écoulement laminaires dans les voies aériennes, tout en diminuant la résistance à l'écoulement en conditions turbulentes. Cette propriété rend compte de son intérêt potentiel lors d'atteintes obstructives des voies aériennes supérieures ou inférieures. Plusieurs études ont démontré des effets cliniques et physiopathologiques favorables dans ces situations, tant en respiration spontanée qu'en ventilation mécanique, invasive ou non invasive. Pour l'heure, nous manquons d'études bien conduites démontrant que ces effets favorables s'accompagnent d'un impact bénéfique sur le devenir des patients. Dans cette attente, le recours de routine aux mélanges hélium-oxygène (He-O2) ne peut être préconisé et son utilisation doit être limitée à des situations cliniques individuelles avec des objectifs ciblés.

ET-1 and NOS III gene expression regulation by plaque-free and plaque-prone hemodynamic conditions

Résumé: Les environnements hémodynamiques, favorisant ou protégeant contre la formation de la plaque, induisent tout deux une augmentation de la production d'anion superoxide dans les cellules endothéliales (ECs). Par ailleurs, une régulation différente de l'expression des gènes a été décrite dans les cellules exposées à ces différentes conditions. Dans le but d'investiguer le rôle de l'augmentation du stress oxydatif dans l'expression des gènes régulée par le flux, nous avons d'abord exposé les EC à un flux unidirectionnel, non pulsé. Dans ces conditions, l'état oxydatif des cellules endothéliales est augmenté de façon transitoire. L'expression du gène de l'endothéline 1 (ET-1) est aussi induite de façon transitoire par un tel flux, alors que l'expression du gène de la nitiric oxyde synthase endothéliale (NOS III) est stimulé de façon durable. Au contraire, un flux unidirectionnel pulsé, qui induit une augmentation durable de la production d'anion superoxide, augmente aussi de façon durable l'expression des gènes de ET-1 comme de NOS III. Un flux oscillatoire (favorisant la plaque), qui lui aussi ,a des effets à long terme sur la production d'anion superoxide, a uniquement augmenté l'expression de ET-1. De plus, l'utilisation d'un antioxydant, a seulement partiellement inhibé la stimulation de l'expression du gène NOS III par le flux unidirectionnel pulsé, alors qu'il a complètement abrogé la stimulation de l'expression du gène ET-1 par le flux unidirectionnel pulsé et oscillatoire. Ceci suggère que les forces mécaniques régulent l'expression des gènes dans les EC par un double mécanisme dépendant et indépendant du stress oxidatif des cellules. Par ailleurs, ces résultats supportent ultérieurement l'hypothèse que la balance entre la réponse oxidative et anti-oxidante dans les cellules endothéliales exposées à un environnement hémodynamique est une des clés de la prédisposition à un dysfonctionnement endothélial observé dans des régions exposées à des flux perturbés. Abstract: Both plaque-free and plaque-prone hemodynamic environments induce an increase in the oxidative state of endothelial cells (ECs), whereas differential gene expression regulation was described in cells exposed to these conditions. In order to investigate the role of the increased oxidative state in flow-regulation of gene expression, we first exposed EC to non-pulsed unidirectional shear stress. These conditions only slightly increases ECs oxidative state and endothelin-1 (ET-1) mRNA expression, whereas endothelial nitric oxide synthase (NOS III) mRNA level were significantly up-regulated. On the contrary, both ET-1 and NOS III gene expression were significantly induced in EC exposed to pulsed-unidirectional flow (plaque-free). Only ET-1 gene expression was up-regulated by oscillatory flow (plaque-prone). Moreover, use of an antioxidant only partially inhibited NOS III gene up-regulation by unidirectional flow, whereas it completely abrogated ET-1 gene up-regulation by unidirectional and oscillatory flows. Thus suggesting that mechanical forces regulate gene expression in ECs both via oxidative stress-dependent and -independent mechanisms.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Budgeting rockfall and modeling sedimentary delivery in torrent systems

This thesis is a compilation of projects to study sediment processes recharging debris flow channels. These works, conducted during my stay at the University of Lausanne, focus in the geological and morphological implications of torrent catchments to characterize debris supply, a fundamental element to predict debris flows. Other aspects of sediment dynamics are considered, e.g. the coupling headwaters - torrent, as well as the development of a modeling software that simulates sediment transfer in torrent systems. The sediment activity at Manival, an active torrent system of the northern French Alps, was investigated using terrestrial laser scanning and supplemented with geostructural investigations and a survey of sediment transferred in the main torrent. A full year of sediment flux could be observed, which coincided with two debris flows and several bedload transport events. This study revealed that both debris flows generated in the torrent and were preceded in time by recharge of material from the headwaters. Debris production occurred mostly during winter - early spring time and was caused by large slope failures. Sediment transfers were more puzzling, occurring almost exclusively in early spring subordinated to runoffconditions and in autumn during long rainfall. Intense rainstorms in summer did not affect debris storage that seems to rely on the stability of debris deposits. The morpho-geological implication in debris supply was evaluated using DEM and field surveys. A slope angle-based classification of topography could characterize the mode of debris production and transfer. A slope stability analysis derived from the structures in rock mass could assess susceptibility to failure. The modeled rockfall source areas included more than 97% of the recorded events and the sediment budgets appeared to be correlated to the density of potential slope failure. This work showed that the analysis of process-related terrain morphology and of susceptibility to slope failure document the sediment dynamics to quantitatively assess erosion zones leading to debris flow activity. The development of erosional landforms was evaluated by analyzing their geometry with the orientations of potential rock slope failure and with the direction of the maximum joint frequency. Structure in rock mass, but in particular wedge failure and the dominant discontinuities, appear as a first-order control of erosional mechanisms affecting bedrock- dominated catchment. They represent some weaknesses that are exploited primarily by mass wasting processes and erosion, promoting not only the initiation of rock couloirs and gullies, but also their propagation. Incorporating the geological control in geomorphic processes contributes to better understand the landscape evolution of active catchments. A sediment flux algorithm was implemented in a sediment cascade model that discretizes the torrent catchment in channel reaches and individual process-response systems. Each conceptual element includes in simple manner geomorphological and sediment flux information derived from GIS complemented with field mapping. This tool enables to simulate sediment transfers in channels considering evolving debris supply and conveyance, and helps reducing the uncertainty inherent to sediment budget prediction in torrent systems. Cette thèse est un recueil de projets d'études des processus de recharges sédimentaires des chenaux torrentiels. Ces travaux, réalisés lorsque j'étais employé à l'Université de Lausanne, se concentrent sur les implications géologiques et morphologiques des bassins dans l'apport de sédiments, élément fondamental dans la prédiction de laves torrentielles. D'autres aspects de dynamique sédimentaire ont été abordés, p. ex. le couplage torrent - bassin, ainsi qu'un modèle de simulation du transfert sédimentaire en milieu torrentiel. L'activité sédimentaire du Manival, un système torrentiel actif des Alpes françaises, a été étudiée par relevés au laser scanner terrestre et complétée par une étude géostructurale ainsi qu'un suivi du transfert en sédiments du torrent. Une année de flux sédimentaire a pu être observée, coïncidant avec deux laves torrentielles et plusieurs phénomènes de charriages. Cette étude a révélé que les laves s'étaient générées dans le torrent et étaient précédées par une recharge de débris depuis les versants. La production de débris s'est passée principalement en l'hiver - début du printemps, causée par de grandes ruptures de pentes. Le transfert était plus étrange, se produisant presque exclusivement au début du printemps subordonné aux conditions d'écoulement et en automne lors de longues pluies. Les orages d'été n'affectèrent guère les dépôts, qui semblent dépendre de leur stabilité. Les implications morpho-géologiques dans l'apport sédimentaire ont été évaluées à l'aide de MNT et études de terrain. Une classification de la topographie basée sur la pente a permis de charactériser le mode de production et transfert. Une analyse de stabilité de pente à partir des structures de roches a permis d'estimer la susceptibilité à la rupture. Les zones sources modélisées comprennent plus de 97% des chutes de blocs observées et les bilans sédimentaires sont corrélés à la densité de ruptures potentielles. Ce travail d'analyses des morphologies du terrain et de susceptibilité à la rupture documente la dynamique sédimentaire pour l'estimation quantitative des zones érosives induisant l'activité torrentielle. Le développement des formes d'érosion a été évalué par l'analyse de leur géométrie avec celle des ruptures potentielles et avec la direction de la fréquence maximale des joints. Les structures de roches, mais en particulier les dièdres et les discontinuités dominantes, semblent être très influents dans les mécanismes d'érosion affectant les bassins rocheux. Ils représentent des zones de faiblesse exploitées en priorité par les processus de démantèlement et d'érosion, encourageant l'initiation de ravines et couloirs, mais aussi leur propagation. L'incorporation du control géologique dans les processus de surface contribue à une meilleure compréhension de l'évolution topographique de bassins actifs. Un algorithme de flux sédimentaire a été implémenté dans un modèle en cascade, lequel divise le bassin en biefs et en systèmes individuels répondant aux processus. Chaque unité inclut de façon simple les informations géomorpologiques et celles du flux sédimentaire dérivées à partir de SIG et de cartographie de terrain. Cet outil permet la simulation des transferts de masse dans les chenaux, considérants la variabilité de l'apport et son transport, et aide à réduire l'incertitude liée à la prédiction de bilans sédimentaires torrentiels. Ce travail vise très humblement d'éclairer quelques aspects de la dynamique sédimentaire en milieu torrentiel.

Genome-wide association study identifies loci influencing concentrations of liver enzymes in plasma.

Concentrations of liver enzymes in plasma are widely used as indicators of liver disease. We carried out a genome-wide association study in 61,089 individuals, identifying 42 loci associated with concentrations of liver enzymes in plasma, of which 32 are new associations (P = 10(-8) to P = 10(-190)). We used functional genomic approaches including metabonomic profiling and gene expression analyses to identify probable candidate genes at these regions. We identified 69 candidate genes, including genes involved in biliary transport (ATP8B1 and ABCB11), glucose, carbohydrate and lipid metabolism (FADS1, FADS2, GCKR, JMJD1C, HNF1A, MLXIPL, PNPLA3, PPP1R3B, SLC2A2 and TRIB1), glycoprotein biosynthesis and cell surface glycobiology (ABO, ASGR1, FUT2, GPLD1 and ST3GAL4), inflammation and immunity (CD276, CDH6, GCKR, HNF1A, HPR, ITGA1, RORA and STAT4) and glutathione metabolism (GSTT1, GSTT2 and GGT), as well as several genes of uncertain or unknown function (including ABHD12, EFHD1, EFNA1, EPHA2, MICAL3 and ZNF827). Our results provide new insight into genetic mechanisms and pathways influencing markers of liver function.

Étude des sédiments quaternaires, de la molasse et sa tectonique, dans le Grand Lac (Léman) à partir de données sismiques 2D et 3D

RESUME L'Institut de Géophysique de l'Université de Lausanne a développé au cours de ces dernières années un système d'acquisition de sismique réflexion multitrace à haute résolution 2D et 3D. L'objectif de cette thèse était de poursuivre ce développement tout améliorant les connaissances de la géologie sous le lac Léman, en étudiant en particulier la configuration des grands accidents sous-lacustres dans la Molasse (Tertiaire) qui forme l'essentiel du substratum des formations quaternaires. En configuration 2D, notre système permet d'acquérir des profils sismiques avec une distance inter-CDP de 1,25 m. La couverture varie entre 6 et 18 selon le nombre de traces et la distance inter-tir. Le canon à air (15/15 eu. in.), offre une résolution verticale de 1,25 ni et une pénétration maximale de 300 m sous le fond de l'eau. Nous avons acquis au total plus de 400 km de sections 2D dans le Grand Lac et le Haut Lac entre octobre 2000 et juillet 2004. Une campagne de sismique 3D a fourni des données au large d'Evian sur une surface de 442,5 m sur 1450 m, soit 0,64 km2. La navigation ainsi que le positionnement des hydrophones et de la source ont été réalisés avec des GPS différentiels. Nous avons utilisé un traitement sismique conventionnel, sans appliquer d'AGC et en utilisant une migration post-stack. L'interprétation du substratum antéquaternaire est basée sur l'identification des sismofaciès, sur leurs relations avec les unités géologiques adjacentes au lac, ainsi que sur quelques données de forages. Nous obtenons ainsi une carte des unités géologiques dans le Grand Lac. Nous précisons la position du chevauchement subalpin entre la ville de Lausanne, sur la rive nord, et le bassin de Sciez, sur la rive sud. Dans la Molasse de Plateau, nous avons identifié les décrochements de Pontarlier et de St. Cergue ainsi que plusieurs failles non reconnues jusqu'ici. Nous avons cartographié les accidents qui affectent la Molasse subalpine ainsi que le plan de chevauchement du flysch sur la Molasse près de la rive sud du lac. Une nouvelle carte tectonique de la région lémanique a ainsi pu être dressée. L'analyse du substratum ne montre pas de failles suggérant une origine tectonique de la cuvette lémanique. Par contre, nous suggérons que la forme du creusement glaciaire, donc de la forme du lac Léman, a été influencée par la présence de failles dans le substratum antéquaternaire. L'analyse des sédiments quaternaires nous a permis de tracer des cartes des différentes interfaces ou unités qui les composent. La carte du toit du substratum antéquaternaire montre la présence de chenaux d'origine glaciaire dont la profondeur maximale atteint la cote -200 ni. Leur pente est dirigée vers le nord-est, à l'inverse du sens d'écoulement actuel des eaux. Nous expliquons cette observation par l'existence de circulations sous-glaciaires d'eau artésienne. Les sédiments glaciaires dont l'épaisseur maximale atteint 150 ni au centre du lac ont enregistré les différentes récurrences glaciaires. Dans la zone d'Evian, nous mettons en évidence la présence de lentilles de sédiments glaciolacustres perchées sur le flanc de la cuvette lémanique. Nous avons corrélé ces unités avec des données de forage et concluons qu'il s'agit du complexe inférieur de la pile sédimentaire d'Evian. Celui-ci, âgé de plus de 30 000 ans, serait un dépôt de Kame associé à un lac périglaciaire. La sismique réflexion 3D permet de préciser l'orientation de l'alimentation en matériel détritique de l'unité. La finesse des images obtenues nous permet également d'établir quels types d'érosion ont affecté certaines unités. Les sédiments lacustres, dont l'épaisseur maximale imagée atteint plus de 225 m et sans doute 400 ni sous le delta du Rhône, indiquent plusieurs mécanismes de dépôts. A la base, une mégaturbidite, épaisse d'une trentaine de mètres en moyenne, s'étend entre l'embouchure de la Dranse et le delta du Rhône. Au-dessus, la décantation des particules en suspension d'origine biologique et détritique fournit l'essentiel des sédiments. Dans la partie orientale du lac, les apports détritiques du Rhône forment un delta qui prograde vers l'ouest en s'imbriquant avec les sédiments déposés par décantation. La structure superficielle du delta a brutalement évolué, probablement à la suite de l'évènement catastrophique du Tauredunum (563 A.D.). Sa trace probable se marque par la présence d'une surface érosive que nous avons cartographiée. Le delta a ensuite changé de géométrie, avec notamment un déplacement des chenaux sous-lacustres. Sur l'ensemble de nos sections sismiques, nous n'observons aucune faille dans les sédiments quaternaires qui attesterait d'une tectonique postglaciaire du substratum. ABSTRACT During the last few years the institute of Geophysics of the University of Lausanne cleveloped a 2D and 3D high-resolution multichannel seismic reflection acquisition system. The objective of the present work was to carry on this development white improving our knowledge of the geology under Lake Geneva, in particular by studying the configuration of the large accidents affecting the Tertiary Molasse that makes up the basement of most Quaternary deposits. In its 2D configuration, our system makes it possible to acquire seismic profiles with a CDP interval of 1.25 m. The fold varies from 6 to 18 depending on the number of traces and the shooting interval. Our air gun (15/15 cu. in.) provides a vertical resolution of 1.25 m and a maximum penetration depth of approximately 300 m under water bottom. We acquired more than 400 km of 2D sections in the Grand Lac and the Haut Lac between October 2000 and July 2004. A 3D seismic survey off the city of Evian provided data on a surface of 442.5 m x 1450 m (0.64 km2). Ship's navigation as well as hydrophone- and source positioning were carried out with differential GPS. The seismic data were processed following a conventional sequence without .applying AGC and using post-stack migration. The interpretation of the pre-Quaternary substratum is based on sismofacies, on their relationships with terrestrial geological units and on some borehole data. We thus obtained a map of the geological units in the Grand Lac. We defined the location of the subalpine thrust from Lausanne, on the north shore, to the Sciez Basin, on the south shore. Within the Molasse de Plateau, we identified the already know Pontarlier and St Cergue transforms Fault as well as faults. We mapped faults that affect subalpine Molasse as well as the thrust fault plane between alpine flysch and Molasse near the lake's south shore. A new tectonic map of the Lake Geneva region could thus be drawn up. The substratum does not show faults indicating a tectonic origin for the Lake Geneva Basin. However, we suggest that the orientation of glacial erosion, and thus the shape of Lake Geneva, vas influenced by the presence of faults in the pre-Quaternary basement. The analysis of Quaternary sediments enabled us to draw up maps of various discontinuities or internal units. The top pre-Quaternary basement map shows channels of glacial origin, the deepest of them reaching an altitude of 200 m a.s.l. The channel's slopes are directed to the North-East, in opposite direction of the present water flow. We explain this observation by the presence of artesian subglacial water circulation. Glacial sediments, the maximum thickness of which reaches 150 m in the central part of the lake, record several glacial recurrences. In the Evian area, we found lenses of glacio-lacustrine sediments set high up on the flank of the Lake Geneva Bassin. We correlated these units with on-land borehole data and concluded that they represent the lower complex of the Evian sedimentary pile. The lower complex is aider than 30 000 years, and it could be a Kame deposit associated with a periglacial lake. Our 3D seismic reflexion survey enables us to specify the supply direction of detrital material in this unit. With detailed seismic images we established how some units were affected by different erosion types. The lacustrine sediments we imaged in Lake Geneva are thicker than 225 m and 400 m or more Linder the Rhone Delta. They indicate several depositional mechanisms. Their base is a major turbidite, thirty meters thick on average, that spreads between the Dranse mouth and the Rhone delta. Above this unit, settling of suspended biological and detrital particles provides most of the sediments. In the eastern part of the lake, detrital contribution from the Rhone builds a delta that progrades to the west and imbricates with the settling sediments. The shallow structure of the Rhone delta abruptly evolved, probably after the catastrophic Tauredunum event (563 A.D.). It probably coincides with an erosive surface that we mapped. As a result, the delta geometry changed, in particular associated with a displacement of water bottom channels. In all our seismic sections, we do not observe fault in the Quaternary sediments that would attest postglacial tectonic activity in the basement.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

Modélisation hydrologique des précipitations et des crues extrêmes dans les bassins versants alpin

Les crues et les risques de débordement des barrages, notamment des digues en terre, en cas de fortes précipitations, préoccupent depuis longtemps les autorités et la population. Les études réalisées dans les dernières années ont montré que le réchauffement global du climat s'est accompagné d'une augmentation de la fréquence des fortes précipitations et des crues en Suisse et dans de nombreuses régions du globe durant le 20ème siècle. Les modèles climatiques globaux et régionaux prévoient que la fréquence des fortes précipitations devrait continuer à croître durant le 21éme siècle en Suisse et dans le monde. Cela rend les recherches actuelles sur la modélisation des pluies et des crues à une échelle fine encore plus importantes. En Suisse, pour assurer une bonne protection sur le plan humain et économique, des cartes de précipitations maximales probables (PMP) ont été réalisées. Les PMP ont été confrontées avec les précipitations extrêmes mesurées dans les différentes régions du pays. Ces PMP sont ensuite utilisées par les modèles hydrologiques pour calculer des crues maximales probables (PMF). Cette la méthode PMP-PMF nécessite toutefois un certain nombre de précautions. Si elle est appliquée d'une manière incorrecte ou sur la base de données insuffisantes, elle peut entraîner une surestimation des débits de crue, notamment pour les grands bassins et pour les régions montagneuses entraînant des surcoûts importants. Ces problèmes résultent notamment du fait que la plupart des modèles hydrologiques répartissent les précipitations extrêmes (PMP) de manière uniforme dans le temps sur l'ensemble du bassin versant. Pour remédier ce problème, cette thèse a comme objectif principal de développer un modèle hydrologique distribué appelé MPF (Modeling Precipitation Flood) capable d'estimer la PMF de manière réaliste à partir de la PMP distribuée de manière spatio-temporelle à l'aide des nuages. Le modèle développé MPF comprend trois parties importantes. Dans la première partie, les précipitations extrêmes calculées par un modèle météorologique à une méso-échelle avec une résolution horizontale de 2 km, sont réparties à une échelle locale (25 ou 50 m) de manière non-uniforme dans l'espace et dans le temps. La deuxième partie concerne la modélisation de l'écoulement de l'eau en surface et en subsurface en incluant l'infiltration et l'exfiltration. Et la troisième partie inclut la modélisation de la fonte des neiges, basée sur un calcul de transfert de chaleur. Le modèle MPF a été calibré sur des bassins versants alpins où les données de précipitations et du débit sont disponibles pour une période considérablement longue, qui inclut plusieurs épisodes de fortes pluies avec des débits élevés. À partir de ces épisodes, les paramètres d'entrée du modèle tel que la rugosité du sol et la largeur moyenne des cours d'eau dans le cas d'écoulement de surface ont pu être estimés. Suivant la même procédure, les paramètres utilisés dans la simulation des écoulements en subsurface sont également estimés indirectement, puisque des mesures directes de l'écoulement en subsurface et de l'exfiltration sont difficiles à obtenir. Le modèle de distribution spatio-temporelle de la pluie a aussi été validé en utilisant les images radar avec la structure de la pluie provoquée par un nuage supercellulaire. Les hyétogrammes obtenus sur plusieurs points du terrain sont très proches de ceux enregistrées avec les images radar. Les résultats de la validation du modèle sur les épisodes de fortes crues présentent une bonne synchronisation entre le débit simulé et le débit observé. Cette corrélation a été mesurée avec trois critères d'efficacité, qui ont tous donné des valeurs satisfaisantes. Cela montre que le modèle développé est valide et il peut être utilisé pour des épisodes extrêmes tels que la PMP. Des simulations ont été faites sur plusieurs bassins ayant comme données d'entrée la pluie de type PMP. Des conditions variées ont été utilisées, comme la situation du sol saturé, ou non-saturé, ou la présence d'une couche de neige sur le terrain au moment de la PMP, ce qui conduit à une estimation de PMF pour des scénarios catastrophiques. Enfin, les résultats obtenus montrent comment mieux estimer la valeur de la crue de sécurité des barrages, à partir d'une pluie extrême dix-millennale avec une période de retour de 10'000 ans.

Pore-scale modeling of two-phase flow instabilities in porous media

Les problèmes d'écoulements multiphasiques en média poreux sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications scientifiques et techniques ; comme la séquestration de C02, l'extraction de pétrole et la dépollution des aquifères. La complexité intrinsèque des systèmes multiphasiques et l'hétérogénéité des formations géologiques sur des échelles multiples représentent un challenge majeur pour comprendre et modéliser les déplacements immiscibles dans les milieux poreux. Les descriptions à l'échelle supérieure basées sur la généralisation de l'équation de Darcy sont largement utilisées, mais ces méthodes sont sujettes à limitations pour les écoulements présentant de l'hystérèse. Les avancées récentes en terme de performances computationnelles et le développement de méthodes précises pour caractériser l'espace interstitiel ainsi que la distribution des phases ont favorisé l'utilisation de modèles qui permettent une résolution fine à l'échelle du pore. Ces modèles offrent un aperçu des caractéristiques de l'écoulement qui ne peuvent pas être facilement observées en laboratoire et peuvent être utilisé pour expliquer la différence entre les processus physiques et les modèles à l'échelle macroscopique existants. L'objet premier de la thèse se porte sur la simulation numérique directe : les équations de Navier-Stokes sont résolues dans l'espace interstitiel et la méthode du volume de fluide (VOF) est employée pour suivre l'évolution de l'interface. Dans VOF, la distribution des phases est décrite par une fonction fluide pour l'ensemble du domaine et des conditions aux bords particulières permettent la prise en compte des propriétés de mouillage du milieu poreux. Dans la première partie de la thèse, nous simulons le drainage dans une cellule Hele-Shaw 2D avec des obstacles cylindriques. Nous montrons que l'approche proposée est applicable même pour des ratios de densité et de viscosité très importants et permet de modéliser la transition entre déplacement stable et digitation visqueuse. Nous intéressons ensuite à l'interprétation de la pression capillaire à l'échelle macroscopique. Nous montrons que les techniques basées sur la moyenne spatiale de la pression présentent plusieurs limitations et sont imprécises en présence d'effets visqueux et de piégeage. Au contraire, une définition basée sur l'énergie permet de séparer les contributions capillaires des effets visqueux. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'investigation des effets d'inertie associés aux reconfigurations irréversibles du ménisque causé par l'interface des instabilités. Comme prototype pour ces phénomènes, nous étudions d'abord la dynamique d'un ménisque dans un pore angulaire. Nous montrons que, dans un réseau de pores cubiques, les sauts et reconfigurations sont si fréquents que les effets d'inertie mènent à différentes configurations des fluides. A cause de la non-linéarité du problème, la distribution des fluides influence le travail des forces de pression, qui, à son tour, provoque une chute de pression dans la loi de Darcy. Cela suggère que ces phénomènes devraient être pris en compte lorsque que l'on décrit l'écoulement multiphasique en média poreux à l'échelle macroscopique. La dernière partie de la thèse s'attache à démontrer la validité de notre approche par une comparaison avec des expériences en laboratoire : un drainage instable dans un milieu poreux quasi 2D (une cellule Hele-Shaw avec des obstacles cylindriques). Plusieurs simulations sont tournées sous différentes conditions aux bords et en utilisant différents modèles (modèle intégré 2D et modèle 3D) afin de comparer certaines quantités macroscopiques avec les observations au laboratoire correspondantes. Malgré le challenge de modéliser des déplacements instables, où, par définition, de petites perturbations peuvent grandir sans fin, notre approche numérique apporte de résultats satisfaisants pour tous les cas étudiés. - Problems involving multiphase flow in porous media are of great interest in many scientific and engineering applications including Carbon Capture and Storage, oil recovery and groundwater remediation. The intrinsic complexity of multiphase systems and the multi scale heterogeneity of geological formations represent the major challenges to understand and model immiscible displacement in porous media. Upscaled descriptions based on generalization of Darcy's law are widely used, but they are subject to several limitations for flow that exhibit hysteric and history- dependent behaviors. Recent advances in high performance computing and the development of accurate methods to characterize pore space and phase distribution have fostered the use of models that allow sub-pore resolution. These models provide an insight on flow characteristics that cannot be easily achieved by laboratory experiments and can be used to explain the gap between physical processes and existing macro-scale models. We focus on direct numerical simulations: we solve the Navier-Stokes equations for mass and momentum conservation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. In the VOF the distribution of the phases is described by a fluid function (whole-domain formulation) and special boundary conditions account for the wetting properties of the porous medium. In the first part of this thesis we simulate drainage in a 2-D Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles. We show that the proposed approach can handle very large density and viscosity ratios and it is able to model the transition from stable displacement to viscous fingering. We then focus on the interpretation of the macroscopic capillary pressure showing that pressure average techniques are subject to several limitations and they are not accurate in presence of viscous effects and trapping. On the contrary an energy-based definition allows separating viscous and capillary contributions. In the second part of the thesis we investigate inertia effects associated with abrupt and irreversible reconfigurations of the menisci caused by interface instabilities. As a prototype of these phenomena we first consider the dynamics of a meniscus in an angular pore. We show that in a network of cubic pores, jumps and reconfigurations are so frequent that inertia effects lead to different fluid configurations. Due to the non-linearity of the problem, the distribution of the fluids influences the work done by pressure forces, which is in turn related to the pressure drop in Darcy's law. This suggests that these phenomena should be taken into account when upscaling multiphase flow in porous media. The last part of the thesis is devoted to proving the accuracy of the numerical approach by validation with experiments of unstable primary drainage in a quasi-2D porous medium (i.e., Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles). We perform simulations under different boundary conditions and using different models (2-D integrated and full 3-D) and we compare several macroscopic quantities with the corresponding experiment. Despite the intrinsic challenges of modeling unstable displacement, where by definition small perturbations can grow without bounds, the numerical method gives satisfactory results for all the cases studied.

Modélisation par automate cellulaire des phénomènes diagénétiques des plateformes carbonatées : calibration et paramétrage à partir de deux cas d'études : l'Urgonien du Vercors (Crétacé inférieur, SE France) et les Calcaires Gris du Mont Compomolon (Lias, NE Italie)

Une fois déposé, un sédiment est affecté au cours de son enfouissement par un ensemble de processus, regroupé sous le terme diagenèse, le transformant parfois légèrement ou bien suffisamment pour le rendre méconnaissable. Ces modifications ont des conséquences sur les propriétés pétrophysiques qui peuvent être positives ou négatives, c'est-à-dire les améliorer ou bien les détériorer. Une voie alternative de représentation numérique des processus, affranchie de l'utilisation des réactions physico-chimiques, a été adoptée et développée en mimant le déplacement du ou des fluides diagénétiques. Cette méthode s'appuie sur le principe d'un automate cellulaire et permet de simplifier les phénomènes sans sacrifier le résultat et permet de représenter les phénomènes diagénétiques à une échelle fine. Les paramètres sont essentiellement numériques ou mathématiques et nécessitent d'être mieux compris et renseignés à partir de données réelles issues d'études d'affleurements et du travail analytique effectué. La représentation des phénomènes de dolomitisation de faible profondeur suivie d'une phase de dédolomitisation a été dans un premier temps effectuée. Le secteur concerne une portion de la série carbonatée de l'Urgonien (Barrémien-Aptien), localisée dans le massif du Vercors en France. Ce travail a été réalisé à l'échelle de la section afin de reproduire les géométries complexes associées aux phénomènes diagénétiques et de respecter les proportions mesurées en dolomite. De plus, la dolomitisation a été simulée selon trois modèles d'écoulement. En effet, la dédolomitisation étant omniprésente, plusieurs hypothèses sur le mécanisme de dolomitisation ont été énoncées et testées. Plusieurs phases de dolomitisation per ascensum ont été également simulées sur des séries du Lias appartenant aux formations du groupe des Calcaire Gris, localisées au nord-est de l'Italie. Ces fluides diagénétiques empruntent le réseau de fracturation comme vecteur et affectent préférentiellement les lithologies les plus micritisées. Cette étude a permis de mettre en évidence la propagation des phénomènes à l'échelle de l'affleurement. - Once deposited, sediment is affected by diagenetic processes during their burial history. These diagenetic processes are able to affect the petrophysical properties of the sedimentary rocks and also improve as such their reservoir capacity. The modelling of diagenetic processes in carbonate reservoirs is still a challenge as far as neither stochastic nor physicochemical simulations can correctly reproduce the complexity of features and the reservoir heterogeneity generated by these processes. An alternative way to reach this objective deals with process-like methods, which simplify the algorithms while preserving all geological concepts in the modelling process. The aim of the methodology is to conceive a consistent and realistic 3D model of diagenetic overprints on initial facies resulting in petrophysical properties at a reservoir scale. The principle of the method used here is related to a lattice gas automata used to mimic diagenetic fluid flows and to reproduce the diagenetic effects through the evolution of mineralogical composition and petrophysical properties. This method developed in a research group is well adapted to handle dolomite reservoirs through the propagation of dolomitising fluids and has been applied on two case studies. The first study concerns a mid-Cretaceous rudist and granular platform of carbonate succession (Urgonian Fm., Les Gorges du Nan, Vercors, SE France), in which several main diagenetic stages have been identified. The modelling in 2D is focused on dolomitisation followed by a dédolomitisation stage. For the second study, data collected from outcrops on the Venetian platform (Lias, Mont Compomolon NE Italy), in which several diagenetic stages have been identified. The main one is related to per ascensum dolomitisation along fractures. In both examples, the evolution of the effects of the mimetic diagenetic fluid on mineralogical composition can be followed through space and numerical time and help to understand the heterogeneity in reservoir properties. Carbonates, dolomitisation, dédolomitisation, process-like modelling, lattice gas automata, random walk, memory effect.

Dinámica erosiva y aplicabilidad de modelos físicos de erosión en una cuenca de montaña mediterránea (Ribera Salada, Cuenca del Segre, Lleida, España)

Se estudia la dinámica de erosión por escorrentía superficial en unas laderas montañosas de la cabecera de la Ribera Salada (cuenca del Sagre), distinguiendo tres usos de suelo: (1) sotobosque de quejigo, (2) terrazas agrícolas y (3) márgenes de matorral. Se analiza la aplicabilidad de los modelos Erosion2D y EUROSEM. En cuanto al diseño experimental, durante seis meses se controlaron episodios naturales mediante un pluviógrafo y quince parcelas con canales Gerlach. Se realizaron, asimismo, seis simulaciones de lluvia que permitieron estudiar episodios de alta intensidad. De manera complementaria se llevaron a cabo las mediciones topográficas, los muestreos y las experimentaciones necesarias para caracterizar hidrológicamente la zona y aplicar los modelos de erosión. Como principales conclusiones se pueden señalar las siguientes: a) las tasas de escorrentía y erosión registradas fueron muy bajas, y se constató la importancia de procesos diferentes al flujo hortoniano, lo cual condiciona el uso de estos modelos, b) el modelo E2D no permite estudiar episodios de baja magnitud como los registrados, y su aplicación se debería restringir a terrenos menos porosos, c) la aplicación directa del modelo EUROSEM origina errores importantes; se ha calibrado un parámetro para reducir el error en el cálculo de la escorrentía, y d) el estudio de la variabilidad de la humedad precedente del suelo resulta de gran importancia para la modelización de estos procesos.

Error models in hydrogeology applications

Notre consommation en eau souterraine, en particulier comme eau potable ou pour l'irrigation, a considérablement augmenté au cours des années. De nombreux problèmes font alors leur apparition, allant de la prospection de nouvelles ressources à la remédiation des aquifères pollués. Indépendamment du problème hydrogéologique considéré, le principal défi reste la caractérisation des propriétés du sous-sol. Une approche stochastique est alors nécessaire afin de représenter cette incertitude en considérant de multiples scénarios géologiques et en générant un grand nombre de réalisations géostatistiques. Nous rencontrons alors la principale limitation de ces approches qui est le coût de calcul dû à la simulation des processus d'écoulements complexes pour chacune de ces réalisations. Dans la première partie de la thèse, ce problème est investigué dans le contexte de propagation de l'incertitude, oú un ensemble de réalisations est identifié comme représentant les propriétés du sous-sol. Afin de propager cette incertitude à la quantité d'intérêt tout en limitant le coût de calcul, les méthodes actuelles font appel à des modèles d'écoulement approximés. Cela permet l'identification d'un sous-ensemble de réalisations représentant la variabilité de l'ensemble initial. Le modèle complexe d'écoulement est alors évalué uniquement pour ce sousensemble, et, sur la base de ces réponses complexes, l'inférence est faite. Notre objectif est d'améliorer la performance de cette approche en utilisant toute l'information à disposition. Pour cela, le sous-ensemble de réponses approximées et exactes est utilisé afin de construire un modèle d'erreur, qui sert ensuite à corriger le reste des réponses approximées et prédire la réponse du modèle complexe. Cette méthode permet de maximiser l'utilisation de l'information à disposition sans augmentation perceptible du temps de calcul. La propagation de l'incertitude est alors plus précise et plus robuste. La stratégie explorée dans le premier chapitre consiste à apprendre d'un sous-ensemble de réalisations la relation entre les modèles d'écoulement approximé et complexe. Dans la seconde partie de la thèse, cette méthodologie est formalisée mathématiquement en introduisant un modèle de régression entre les réponses fonctionnelles. Comme ce problème est mal posé, il est nécessaire d'en réduire la dimensionnalité. Dans cette optique, l'innovation du travail présenté provient de l'utilisation de l'analyse en composantes principales fonctionnelles (ACPF), qui non seulement effectue la réduction de dimensionnalités tout en maximisant l'information retenue, mais permet aussi de diagnostiquer la qualité du modèle d'erreur dans cet espace fonctionnel. La méthodologie proposée est appliquée à un problème de pollution par une phase liquide nonaqueuse et les résultats obtenus montrent que le modèle d'erreur permet une forte réduction du temps de calcul tout en estimant correctement l'incertitude. De plus, pour chaque réponse approximée, une prédiction de la réponse complexe est fournie par le modèle d'erreur. Le concept de modèle d'erreur fonctionnel est donc pertinent pour la propagation de l'incertitude, mais aussi pour les problèmes d'inférence bayésienne. Les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) sont les algorithmes les plus communément utilisés afin de générer des réalisations géostatistiques en accord avec les observations. Cependant, ces méthodes souffrent d'un taux d'acceptation très bas pour les problèmes de grande dimensionnalité, résultant en un grand nombre de simulations d'écoulement gaspillées. Une approche en deux temps, le "MCMC en deux étapes", a été introduite afin d'éviter les simulations du modèle complexe inutiles par une évaluation préliminaire de la réalisation. Dans la troisième partie de la thèse, le modèle d'écoulement approximé couplé à un modèle d'erreur sert d'évaluation préliminaire pour le "MCMC en deux étapes". Nous démontrons une augmentation du taux d'acceptation par un facteur de 1.5 à 3 en comparaison avec une implémentation classique de MCMC. Une question reste sans réponse : comment choisir la taille de l'ensemble d'entrainement et comment identifier les réalisations permettant d'optimiser la construction du modèle d'erreur. Cela requiert une stratégie itérative afin que, à chaque nouvelle simulation d'écoulement, le modèle d'erreur soit amélioré en incorporant les nouvelles informations. Ceci est développé dans la quatrième partie de la thèse, oú cette méthodologie est appliquée à un problème d'intrusion saline dans un aquifère côtier. -- Our consumption of groundwater, in particular as drinking water and for irrigation, has considerably increased over the years and groundwater is becoming an increasingly scarce and endangered resource. Nofadays, we are facing many problems ranging from water prospection to sustainable management and remediation of polluted aquifers. Independently of the hydrogeological problem, the main challenge remains dealing with the incomplete knofledge of the underground properties. Stochastic approaches have been developed to represent this uncertainty by considering multiple geological scenarios and generating a large number of realizations. The main limitation of this approach is the computational cost associated with performing complex of simulations in each realization. In the first part of the thesis, we explore this issue in the context of uncertainty propagation, where an ensemble of geostatistical realizations is identified as representative of the subsurface uncertainty. To propagate this lack of knofledge to the quantity of interest (e.g., the concentration of pollutant in extracted water), it is necessary to evaluate the of response of each realization. Due to computational constraints, state-of-the-art methods make use of approximate of simulation, to identify a subset of realizations that represents the variability of the ensemble. The complex and computationally heavy of model is then run for this subset based on which inference is made. Our objective is to increase the performance of this approach by using all of the available information and not solely the subset of exact responses. Two error models are proposed to correct the approximate responses follofing a machine learning approach. For the subset identified by a classical approach (here the distance kernel method) both the approximate and the exact responses are knofn. This information is used to construct an error model and correct the ensemble of approximate responses to predict the "expected" responses of the exact model. The proposed methodology makes use of all the available information without perceptible additional computational costs and leads to an increase in accuracy and robustness of the uncertainty propagation. The strategy explored in the first chapter consists in learning from a subset of realizations the relationship between proxy and exact curves. In the second part of this thesis, the strategy is formalized in a rigorous mathematical framework by defining a regression model between functions. As this problem is ill-posed, it is necessary to reduce its dimensionality. The novelty of the work comes from the use of functional principal component analysis (FPCA), which not only performs the dimensionality reduction while maximizing the retained information, but also allofs a diagnostic of the quality of the error model in the functional space. The proposed methodology is applied to a pollution problem by a non-aqueous phase-liquid. The error model allofs a strong reduction of the computational cost while providing a good estimate of the uncertainty. The individual correction of the proxy response by the error model leads to an excellent prediction of the exact response, opening the door to many applications. The concept of functional error model is useful not only in the context of uncertainty propagation, but also, and maybe even more so, to perform Bayesian inference. Monte Carlo Markov Chain (MCMC) algorithms are the most common choice to ensure that the generated realizations are sampled in accordance with the observations. Hofever, this approach suffers from lof acceptance rate in high dimensional problems, resulting in a large number of wasted of simulations. This led to the introduction of two-stage MCMC, where the computational cost is decreased by avoiding unnecessary simulation of the exact of thanks to a preliminary evaluation of the proposal. In the third part of the thesis, a proxy is coupled to an error model to provide an approximate response for the two-stage MCMC set-up. We demonstrate an increase in acceptance rate by a factor three with respect to one-stage MCMC results. An open question remains: hof do we choose the size of the learning set and identify the realizations to optimize the construction of the error model. This requires devising an iterative strategy to construct the error model, such that, as new of simulations are performed, the error model is iteratively improved by incorporating the new information. This is discussed in the fourth part of the thesis, in which we apply this methodology to a problem of saline intrusion in a coastal aquifer.

Hydrolysis of xylans by enzyme systems from solid cultures of Trichoderma harzianum strains

Xylanase activity was isolated from crude extracts of Trichoderma harzianum strains C and 4 grown at 28oC in a solid medium containing wheat bran as the carbon source. Enzyme activity was demonstrable in the permeate after ultrafiltration of the crude extracts using an Amicon system. The hydrolysis patterns of different xylans and paper pulps by xylanase activity ranged from xylose, xylobiose and xylotriose to higher xylooligosaccharides. A purified ß-xylosidase from the Trichoderma harzianum strain released xylose, xylobiose and xylotriose from seaweed, deacetylated, oat spelt and birchwood xylans. The purified enzyme was not active against acetylated xylan and catalyzed the hydrolysis of xylooligosaccharides, including xylotriose, xylotetraose and xylopentaose. However, the enzyme was not able to degrade xylohexaose. Xylanase pretreatment was effective for hardwood kraft pulp bleaching. Hardwood kraft pulp bleached in the XEOP sequence had its kappa number reduced from 13.2 to 8.9 and a viscosity of 20.45 cp. The efficiency of delignification was 33%.