Estimation of the correlation structure of crustal velocity heterogeneity from seismic reflection data

Numerous sources of evidence point to the fact that heterogeneity within the Earth's deep crystalline crust is complex and hence may be best described through stochastic rather than deterministic approaches. As seismic reflection imaging arguably offers the best means of sampling deep crustal rocks in situ, much interest has been expressed in using such data to characterize the stochastic nature of crustal heterogeneity. Previous work on this problem has shown that the spatial statistics of seismic reflection data are indeed related to those of the underlying heterogeneous seismic velocity distribution. As of yet, however, the nature of this relationship has remained elusive due to the fact that most of the work was either strictly empirical or based on incorrect methodological approaches. Here, we introduce a conceptual model, based on the assumption of weak scattering, that allows us to quantitatively link the second-order statistics of a 2-D seismic velocity distribution with those of the corresponding processed and depth-migrated seismic reflection image. We then perform a sensitivity study in order to investigate what information regarding the stochastic model parameters describing crustal velocity heterogeneity might potentially be recovered from the statistics of a seismic reflection image using this model. Finally, we present a Monte Carlo inversion strategy to estimate these parameters and we show examples of its application at two different source frequencies and using two different sets of prior information. Our results indicate that the inverse problem is inherently non-unique and that many different combinations of the vertical and lateral correlation lengths describing the velocity heterogeneity can yield seismic images with the same 2-D autocorrelation structure. The ratio of all of these possible combinations of vertical and lateral correlation lengths, however, remains roughly constant which indicates that, without additional prior information, the aspect ratio is the only parameter describing the stochastic seismic velocity structure that can be reliably recovered.

Temporal and spatial dynamics of benthic invertebrate communities in an alpine glacier-fed alluvial system

Summary The present thesis work focused on the ecology of benthic invertebrates in the proglacial floodplain of the Rhone in the Swiss Alps. The main glacial Rhone River and a smaller glacial tributary, the Mutt River, joined and entered a braiding multi-thread area. A first part concentrated on the disruption of the longitudinal patterns of environmental conditions and benthic invertebrate fauna in the Rhone by its tributary the Mutt. The Mutt had less harsh environmental conditions, higher taxonomic richness and more abundant zoobenthos compared to the Rhone upstream of the confluence. Although the habitat conditions in the main stream were little modified by the tributary, the fauna was richer and more diverse below the confluence. Colonisation from the Mutt induced the occurrence of faunal elements uncommon of glacial streams in the upper Rhone, where water temperature remains below 4°C. Although the glacial Rhone dominated the system with regard to hydrology and certain environmental conditions, the Mutt tributary has to be seen as the faunal driver of the system. The second part of the study concerned the spatio-temporal differentiation of the habitats and the benthic communities along and across the flood plain. No longitudinal differentiation was found. The spatial transversal differentiation of three habitat types with different environmental characteristics was successfully reflected in the spatial variability of benthic assemblages. This typology separated marginal sites of the flood plain, left bank sites under the influence of the Mutt, and the right bank sites under the influence of the Rh6ne. Faunistic spatial differences were emphasized by the quantitative structure of the fauna, richness, abundances and Simpson index of diversity. Seasonal environmental variability was positively related with Simpson index of diversity and the total richness per site. Low flow conditions were the most favourable season for the fauna and November was characterized by low spatial environmental heterogeneity, high spatial heterogeneity of faunal assemblage, maximum taxonomic richness, a particular taxonomic composition, highest abundances, as well as the highest primary food resources. The third part studied the egg development of three species of Ephemeroptera in the laboratory at 1.5 to 7°C and the ecological implications in the field. Species revealed very contrasting development strategies. Baetis alpinus has a synchronous and efficient egg development, which is faster in warmer habitats, enabling it to exploit short periods of favourable conditions in the floodplain. Ecdyonurus picteti has a very long development time slightly decreasing in warmer conditions. The high degree of individual variation suggests a genetic determination of the degree-days demand. Combined with the glacial local conditions, this strategy leads to an extreme delay of hatching and allows it to develop in very unpredictable habitats. Rhithrogena nivata is the second cold adapted species in Ephemeroptera. The incubation duration is long and success largely depends on the timing of hatching and the discharge conditions. This species is able to exploit extremely unstable and cold habitats where other species are limited by low water temperatures. The fourth part dealt with larval development in different habitats of the floodplain. Addition of data on egg development allowed the description of the life histories of the species from oviposition until emergence. Rhithrogena nivata and loyolaea generally have a two-year development, with the first winter passed as eggs and the second one as larvae. Development of Ecdyonurus picteti is difficult to document but appears to be efficient in a harsh and unpredictable environment. Baetis alpinus was studied separately in four habitats of the floodplain system with contrasting thermal regimes. Differences in success and duration of larval development and in growth rates are emphasised. Subvention mechanisms between habitats by migration of young or grown larvae were demonstrated. Development success and persistence of the populations in the system were thus increased. Emergence was synchronised to the detriment of the optimisation of the adult's size and fecundity. These very different development strategies induce a spatial and temporal distribution in the use of food resources and ecological niches. The last part of this work aimed at the synthesis of the characteristics and the ecological features of three distinct compartments of the system that are the upper Rhone, the Mutt and the floodplain. Their particular role as well as their inter-dependence concerning the structure and the dynamics of the benthic communities was emphasised. Résumé Ce travail de thèse est consacré à l'écologie des invertébrés benthiques dans la zone alluviale proglaciaire du Rhône dans les Alpes suisses. Le Rhône, torrent glaciaire principal, reçoit les eaux de la Mutt, affluent glaciaire secondaire, puis pénètre dans une zone de tressage formée de plusieurs bras. La première partie de l'étude se concentre sur la disruption par la Mutt des processus longitudinaux, tant environnementaux que faunistiques, existants dans le Rhône. Les conditions environnementales régnant dans la Mutt sont moins rudes, la richesse taxonomique plus élevée et le zoobenthos plus abondant que dans le Rhône en amont de la confluence. Bien que les conditions environnementales dans le torrent principal soient peu modifiées par l'affluent, la faune s'avère être plus riche et plus diversifiée en aval de la confluence. La colonisation depuis la Mutt permet l'occurrence de taxons inhabituels dans le Rhône en amont de la confluence, où la température de l'eau se maintient en dessous de 4°C. Bien que le Rhône, torrent glaciaire principal, domine le système du point de vu de l'hydrologie et de certains paramètres environnementaux, l'affluent Mutt doit être considéré comme l'élément structurant la faune dans le système. La deuxième partie concerne la différentiation spatiale et temporelle des habitats et des communautés benthiques à travers la plaine alluviale. Aucune différentiation longitudinale n'a été mise en évidence. La différentiation transversale de trois types d'habitats sur la base des caractéristiques environnementales a été confirmée par la variabilité spatiale de la faune. Cette typologie sépare les sites marginaux de la plaine alluviale, ceux sous l'influence de la Mutt (en rive gauche) et ceux sous l'influence du Rhône amont (en rive droite). Les différences spatiales de la faune sont mises en évidence par la structure quantitative de la faune, la richesse, les abondances et l'indice de diversité de Simpson. La variabilité saisonnière du milieu est positivement liée avec l'indice de diversité de Simpson et la richesse totale par site. L'étiage correspond à la période la plus favorable pour la faune et novembre réunit des conditions de faible hétérogénéité spatiale du milieu, de forte hétérogénéité spatiale de la faune, une richesse taxonomique maximale, une composition faunistique particulière, les abondances ainsi que les ressources primaires les plus élevées. La troisième partie est consacrée à l'étude du développement des oeufs de trois espèces d'Ephémères au laboratoire à des températures de 1.5 à 7°C, ainsi qu'aux implications écologiques sur le terrain. Ces espèces présentent des stratégies de développement très contrastées. Baetis alpinus a un développement synchrone et efficace, plus rapide en milieu plus chaud et lui permettant d'exploiter les courtes périodes de conditions favorables. Ecdyonurus picteti présente une durée de développement très longue, diminuant légèrement dans des conditions plus chaudes. L'importante variation interindividuelle suggère un déterminisme génétique de la durée de développement. Cette stratégie, associée aux conditions locales, conduit à un décalage extrême des éclosions et permet à l'espèce de se développer dans des habitats imprévisibles. Rhithrogena nivata est la seconde espèce d'Ephémères présentant une adaptation au froid. L'incubation des oeufs est longue et son succès dépend de la période des éclosions et des conditions hydrologiques. Cette espèce est capable d'exploiter des habitats extrêmement instables et froids, où la température est facteur limitant pour d'autres espèces. La quatrième partie traite du développement larvaire dans différents habitats de la plaine alluviale. Le développement complet est décrit pour les espèces étudiées de la ponte jusqu'à l'émergence. Rhithrogena nivata et loyolaea atteignent généralement le stade adulte en deux ans, le premier hiver étant passé sous forme d'oeuf et le second sous forme de larve. Le développement de Ecdyonurus picteti est difficile à documenter, mais s'avère cependant efficace dans un environnement rude et imprévisible. Baetis alpinus a été étudié séparément dans quatre habitats de la plaine ayant des régimes thermiques contrastés. La réussite et la durée du développement embryonnaire ainsi que les taux de croissance y sont variables. Des mécanismes de subvention entre habitats sont possibles par la migration de larves juvéniles ou plus développées, augmentant ainsi la réussite du développement et le maintien des populations dans le système. L'émergence devient synchrone, au détriment de l'optimisation de la taille et de la fécondité des adultes. Ces stratégies très différentes induisent une distribution spatiale et temporelle dans l'usage des ressources et des niches écologiques. La dernière partie synthétise les caractéristiques écologiques des trois compartiments du système que sont le Rhône amont, la Mutt et la zone alluviale. Leurs rôles particuliers et leurs interdépendances du point de vue de la structure et de la dynamique des communautés benthiques sont mis en avant.

Inference of chromosomal inversion dynamics from Pool-Seq data in natural and laboratory populations of Drosophila melanogaster.

Sequencing of pools of individuals (Pool-Seq) represents a reliable and cost-effective approach for estimating genome-wide SNP and transposable element insertion frequencies. However, Pool-Seq does not provide direct information on haplotypes so that, for example, obtaining inversion frequencies has not been possible until now. Here, we have developed a new set of diagnostic marker SNPs for seven cosmopolitan inversions in Drosophila melanogaster that can be used to infer inversion frequencies from Pool-Seq data. We applied our novel marker set to Pool-Seq data from an experimental evolution study and from North American and Australian latitudinal clines. In the experimental evolution data, we find evidence that positive selection has driven the frequencies of In(3R)C and In(3R)Mo to increase over time. In the clinal data, we confirm the existence of frequency clines for In(2L)t, In(3L)P and In(3R)Payne in both North America and Australia and detect a previously unknown latitudinal cline for In(3R)Mo in North America. The inversion markers developed here provide a versatile and robust tool for characterizing inversion frequencies and their dynamics in Pool-Seq data from diverse D. melanogaster populations.

Post-Plutonic Magmatism: from the Source to the Emplacement of an Upper Crustal Dyke Swarm, Adamello Massif, Italy

Magmas of the arc-tholeiitic and calc-alkaline differentiation suites contribute substantially to the formation of continental crust in subduction zones. Different geochemical-petrological models have been put forward to achieve evolved magmas forming large volumes of tonalitic to granitic plutons, building an important part of the continental crust. Primary magmas produced in the mantle wedge overlying the subducted slab migrate through the mantle and the crust. During the transfer, magma can accumulate in intermediate reservoirs at different levels where crystallization leads to differentiation and the heat transfer from the magma, together with gained heat from solidification, lead to partial melting of the crust. Partial melts can be assimilated and mix with more primitive magma. Moreover, already formed crystal cumulates or crystal mushes can be recycled and reactivated to transfer to higher crustal levels. Magma transport in the crust involves fow through fractures within a brittle elastic rock. The solidified magma filled crack, a dyke, can crosscut previously formed geological structures and thus serves as a relative or absolute time marker. The study area is situated in the Adamello massif. The Adamello massif is a composite of plutons that were emplaced between 42 and 29 million years. A later dyke swarm intruded into the southern part of the Adamello Batholith. A fractionation model covering dyke compositions from picrobasalts to dacites results in the cummulative crystallization of 17% olivine, 2% Cr-rich spinel, 18% clinopyroxene, 41% amphibole, 4% plagioclase and 0.1% magnetite to achieve an andesitic composition out of a hydrous primitive picrobasalt. These rocks show a similar geochemical evolution as experimental data simulating fractional crystallization and associated magma differentiation at lower crustal depth (7-10 kbar). The peraluminous, corundum normative composition is one characteristic of more evolved dacitic magmas, which has been explained in a long lasting debate with two di_erent models. Melting of mafic crust or politic material provides one model, whereas an alternative is fractionation from primary mantle derived melts. Amphibole occurring in basaltic-andesitic and andesitic dyke rocks as fractionating cumulate phase extracted from lower crustal depth (6-7.5 kbar) is driving the magmas to peraluminous, corundum normative compositions, which are represented by tonalites forming most of the Adamello Batholith. Most primitive picrobasaltic dykes have a slightly steepened chondrite normalized rare earth elements (REE) pattern and the increased enrichment of light-REE (LREE) for andesites and dacites can be explained by the fractional crystallization model originating from a picrobasalt, taking the changing fractionating phase assemblage and temperature into account. The injection of hot basaltic magma (~1050°C) in a closely spaced dyke swarm increases the surface of the contact to the mainly tonalitic wallrock. Such a setting induces partial melting of the wall rock and selective assimilation. Partial melting of the tonalite host is further expressed through intrusion breccias from basaltic dykes. Heat conduction models with instantaneous magma injection for such a dyke swarm geometry can explain features of partial melting observed in the field. Geochemical data of minerals and bulk rock further underline the selective or bulk assimilation of the tonalite host rock at upper crustal levels (~2-3 kbar), in particular with regard to light ion lithophile elements (LILE) such as Sr, Ba and Rb. Primitive picrobasalts carry an immiscible felsic assimilant as enclaves that bring along refractory rutile and zircon with textures typically found in oceanic plagiogranites or high pressure/low-temperature metamorphic rocks in general. U-Pb data implies a lower Cretaceous age for zircon not yet described as assimilant in Eocene to Oligocene magmatic rocks of the Central Southern Alps. The distribution of post-plutonic dykes in large batholiths such as the Adamello is one of the key features for understanding the regional stress field during the post-batholith emplacement cooling history. The emplacement of the regional dyke swarm covering the southern part of the Adamello massif was associated with consistent left lateral strike-slip movement along magma dilatation planes, leading to en echelon segmentation of dykes. Through the dilation by magma of pre-existing weaknesses and cracks in an otherwise uniform host rock, the dyke propagation and according orientation in the horizontal plane adjusted continuously perpendicular to least compressive remote stress σ3, resulting in an inferred rotation of the remote principal stress field. Les magmas issus des zones de subduction contribuent substantiellement à la formation de la croûte continentale. Les plutons tonalitiques et granitiques représentent, en effet, une partie importante de la croûte continentale. Des magmas primaires produits dans le 'mantle wedge ', partie du manteau se trouvant au-dessus de la plaque plongeante dans des zones de subduction, migrent à travers le manteau puis la croûte. Pendant ce transfert, le magma peut s'accumuler dans des réservoirs intermédiaires à différentes profondeurs. Le stockage de magma dans ces réservoirs engendre, d'une part, la différentiation des magmas par cristallisation fractionnée et, d'autre part, une fusion partielle la croûte continentale préexistante associée au transfert de la chaleur des magmas vers l'encaissant. Ces liquides magmatiques issus de la croûte peuvent, ensuite, se mélanger avec des magmas primaires. Le transport du magma dans la croûte implique notamment un flux de magma à travers différentes fractures recoupant les roches encaissantes élastiques. Au cours de ce processus de migration, des cumulats de cristaux ou des agrégats de cristaux encore non-solidifiés, peuvent être recyclés et réactivés pour être transportés à des niveaux supérieures de la croûte. Le terrain d'étude est situé dans le massif d'Adamello. Celui-ci est composé de plusieurs plutons mis en place entre 42 et 29 millions d'années. Dans une phase tardive de l'activité magmatique liée à ce batholite, une série de filons de composition variable allant de picrobasalte à des compositions dacitiques s'est mise en place la partie sud du massif. Deux modèles sont proposés dans la littérature, pour expliquer la formation des magmas dacitiques caractérisés par des compositions peralumineux (i.e. à corindon normatif). Le premier modèle propose que ces magmas soient issus de la fusion de matériel mafique et pélitique présent dans la partie inférieur de la croûte, alors que le deuxième modèle suggère une évolution par cristallisation fractionnée à partir de liquides primaires issus du manteau. Un modèle de cristallisation fractionnée a pu être développé pour expliquer l'évolution des filons de l'Adamello. Ce modèle explique la formation des filons dacitiques par la cristallisation fractionnée de 17% olivine, 2% spinelle riche en Cr, 18% clinopyroxène, 41% amphibole, 4% plagioclase et 0.1% magnetite à partir de liquide de compositions picrobasaltiques. Ce modèle prend en considération les contraintes pétrologiques déduites de l'observation des différents filons ainsi que du champ de stabilité des différentes phases en fonction de la température. Ces roches montrent une évolution géochimique similaire aux données expérimentales simulant la cristallisation fractionnée de magmas évoluant à des niveaux inférieurs de la croûte (7-10 kbar). Le modèle montre, en particulier, le rôle prépondérant de l'amphibole, une phase qui contrôle en particulier le caractère peralumineux des magmas différentiés ainsi que leurs compositions en éléments en traces. Des phénomènes de fusion partielle de l'encaissant tonalitique lors de la mise en place de _lons mafiques sont observée sur le terrain. L'injection du magma basaltique chaud (~1050°C) sous forme de filons rapprochés augmente la surface du contact avec l'encaissante tonalitique. Une telle situation produit la fusion partielle des roches encaissantes nécessaire à l'incorporation d'enclaves mafiques observés au sein des tonalites. Pour comprendre les conditions nécessaires pour la fusion partielle des roches encaissantes, des modèles de conduction thermique pour une injection simultanée d'une série de filons ont été développées. Des données géochimiques sur les minéraux et sur les roches totales soulignent qu'au niveau supérieur de la croûte, l'assimilation sélective ou totale de l'encaissante tonalitique modifie la composition du liquide primaire pour les éléments lithophiles tel que le Sr, Ba et Rb. Un autre aspect important concernant la pétrologie des filons de l'Adamello est la présence d'enclaves felsiques dans les filons les plus primitifs. Ces enclaves montrent, en particulier, des textures proches de celles rencontrées dans des plagiogranites océaniques ou dans des roches métamorphiques de haute pression/basse température. Ces enclaves contiennent du zircon et du rutile. La datations de ces zircons à l'aide du géochronomètre U-Pb indique un âge Crétacé inférieur. Cet âge est important, car aucune roche de cet âge n'a été considérée comme un assimilant potentiel pour des roches magmatiques d'âge Eocène à Oligocène dans les Alpes Sud Centrales. La réparation spatiale des filons post-plutoniques dans des grands batholites tel que l'Adamello, est une caractéristique clé pour la compréhension des champs de contraintes lors du refroidissement du batholite. L'orientation des filons va, en particulier, indiqué la contrainte minimal au sein des roches encaissante. La mise en place de la série de filon recoupant la partie Sud du massif de l'Adamello est associée à un décrochement senestre, un décrochement que l'on peut lié aux contraintes tectoniques régionales auxquelles s'ajoutent l'effet de la dilatation produite par la mise en place du batholite lui-même. Ce décrochement senestre produit une segmentation en échelon des filons.

Dynamics of Fréedericksz transition in a fluctuating magnetic field

Fréedericksz transition under twist deformation in a nematic layer is discussed when the magnetic field has a random component. A dynamical model which includes the thermal fluctuations of the system is presented. The randomness of the field produces a shift of the instability point. Beyond this instability point the time constant characteristic of the approach to the stationary stable state decreases because of the field fluctuations. The opposite happens for fields smaller than the critical one. The decay time of an unstable state, calculated as a mean first-passage time, is also decreased by the field fluctuations.

Evaporation and coarsening dynamics with open boundaries

We present a study of the evaporation dynamics of a substance undergoing a coarsening process. The system is modeled by the Cahn-Hilliard equation with absorbing boundaries. We have found that the dynamics, although of a diffusive nature, is much slower than the usual one without coarsening. Analytical and simulation results are in reasonable agreement.

Excitability transitions and wave dynamics under spatiotemporal structured noise

We present an analytic and numerical study of the effects of external fluctuations in active media. Our analytical methodology transforms the initial stochastic partial differential equations into an effective set of deterministic reaction-diffusion equations. As a result we are able to explain and make quantitative predictions on the systematic and constructive effects of the noise, for example, target patterns created out of noise and traveling or spiral waves sustained by noise. Our study includes the case of realistic noises with temporal and spatial structures.

Dynamics of sweeping through an instability: Passage-time statistics for colored noise

A calculation of passage-time statistics is reported for the laser switch-on problem, under the influence of colored noise, when the net gain is continuously swept from below to above threshold. Cases of fast and slow sweeping are considered. In the weak-noise limit, asymptotic results are given for small and large correlation times of the noise. The mean first passage time increases with the correlation time of the noise. This effect is more important for fast sweeping than for slow sweeping.

Unraveling dynamics of human physical activity patterns in chronic pain conditions.

Chronic pain is a complex disabling experience that negatively affects the cognitive, affective and physical functions as well as behavior. Although the interaction between chronic pain and physical functioning is a well-accepted paradigm in clinical research, the understanding of how pain affects individuals' daily life behavior remains a challenging task. Here we develop a methodological framework allowing to objectively document disruptive pain related interferences on real-life physical activity. The results reveal that meaningful information is contained in the temporal dynamics of activity patterns and an analytical model based on the theory of bivariate point processes can be used to describe physical activity behavior. The model parameters capture the dynamic interdependence between periods and events and determine a 'signature' of activity pattern. The study is likely to contribute to the clinical understanding of complex pain/disease-related behaviors and establish a unified mathematical framework to quantify the complex dynamics of various human activities.

Dynamics of a paramagnetic colloidal particle driven on a magnetic-bubble lattice

We present a theoretical study of the recently observed dynamical regimes of paramagnetic colloidal particles externally driven above a regular lattice of magnetic bubbles [P. Tierno, T. H. Johansen, and T. M. Fischer, Phys. Rev. Lett. 99, 038303 (2007)]. An external precessing magnetic field alters the potential generated by the surface of the film in such a way to either drive the particle circularly around one bubble, ballistically through the array, or in triangular orbits on the interstitial regions between the bubbles. In the ballistic regime, we observe different trajectories performed by the particles phase locked with the external driving. Superdiffusive motion, which was experimentally found bridging the localized and delocalized dynamics, emerge only by introducing a certain degree of randomness into the bubbles size distribution.

The prediction of chemical reactivity from first principles: Collision and reaction dynamics

Aquest treball fa una revisió de mesures experimentals i càlculs teòrics sobre la dinàmica de col·lisions i reaccions moleculars. Els experiments se centren en col·lisions, a energies intermèdies, que involucren sistemes del tipus ió-àtom i iómolècula, per les quals es mesuren seccions eficaces totals, estat a estat, així com aquelles que discerneixen les diferents contribucions del moment angular d'espín. Els resultats obtinguts s'interpreten satisfactòriament en termes d'acoblaments no adiabàtics entre els diferents estats electrònics dels sistemes col·lisionants. Els càlculs teòrics utilitzen la metodologia quasiclàssica, així com metodologies mecanoquàntiques recentment desenvolupades, tant aproximades com exactes. S'han obtingut resultats totalment convergits per sistemes tipus, mentre que s'han analitzat, de manera detallada i extensiva, les característiques dinàmiques de sistemes triatòmic, tetraatòmic i pentaatòmic.

Front dynamics in turbulent media

A study of a stable front propagating in a turbulent medium is presented. The front is generated through a reaction-diffusion equation, and the turbulent medium is statistically modeled using a Langevin equation. Numerical simulations indicate the presence of two different dynamical regimes. These regimes appear when the turbulent flow either wrinkles a still rather sharp propagating interfase or broadens it. Specific dependences of the propagating velocities on stirring intensities appropriate to each case are found and fitted when possible according to theoretically predicted laws. Different turbulent spectra are considered.

Dynamics of transient pattern formation in nematic liquid crystals

We analyze the dynamics of a transient pattern formation in the Fréedericksz transition corresponding to a twist geometry. We present a calculation of the time-dependent structure factor based on a dynamical model which incorporates consistently the coupling of the director field with the velocity flow and also the effect of fluctuations. The appearance and development of a characteristic periodicity is described in terms of the time dependence of the maximum of the structure factor. We find a well-defined time for the appearance of the pattern and a subsequent stage of pattern development in which the characteristic periodicity tends to an asymptotic value.