An effective three-dimensional ordered mesoporous CuCo2O4 as electrocatalyst for Li-O2 batteries

Three-dimensional ordered mesoporous (3DOM) CuCo₂O₄ materials have been synthesized via a hard template and used as bifunctional electrocatalysts for rechargeable Li-O₂ batteries. The characterization of the catalyst by X-ray diffractometry and transmission electron microscopy confirms the formation of a single-phase, 3-dimensional, ordered mesoporous CuCo₂O₄ structure. The as-prepared CuCo₂O₄ nanoparticles possess a high specific surface area of 97.1 m² g^{- 1} and a spinel crystalline structure. Cyclic voltammetry demonstrates that mesoporous CuCo₂O₄ catalyst enhances the kinetics for either oxygen reduction reaction (ORR) or oxygen evolution reaction (OER). The Li-O₂ battery utilizing 3DOM CuCo₂O₄ shows a higher specific capacity of 7456 mAh g^{- 1} than that with pure Ketjen black (KB). Moreover, the CuCo₂O₄-based electrode enables much enhanced cyclability with a 610 mV smaller discharge-recharge voltage gap than that of the carbon-only cathode at a current rate of 100 mA g^{- 1}. Such excellent catalytic performance of CuCo₂O₄ could be associated with its larger surface area and 3D ordered mesoporous structure. The excellent electrochemical performances coupled with its facile and cost-effective way will render the 3D mesoporous CuCo₂O₄ nanostructures as attractive electrode materials for promising application in Li-O₂ batteries.

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

Games for groundwater governance: field experiments in Andhra Pradesh, India

Groundwater is a common-pool resource that is subject to depletion in many places around the world as a result of increased use of irrigation and water-demanding cash crops. Where state capacity to control groundwater use is limited, collective action is important to increase recharge and restrict highly water-consumptive crops. We present results of field experiments in hard rock areas of Andhra Pradesh, India, to examine factors affecting groundwater use. Two nongovernmental organizations (NGOs) ran the games in communities where they were working to improve watershed and water management. Results indicate that, when the links between crop choice and groundwater depletion is made explicit, farmers can act cooperatively to address this problem. Longer NGO involvement in the villages was associated with more cooperative outcomes in the games. Individuals with more education and higher perceived community social capital played more cooperatively, but neither gender nor method of payment had a significantly effect on individual behavior. When participants could repeat the game with communication, similar crop choice patterns were observed. The games provided an entry point for discussion on the understanding of communities of the interconnectedness of groundwater use and crop choice.

Modélisation de l'évolution hydroclimatique des flux et stocks d'eau verte et d'eau bleue du bassin versant de la Garonne

La gestion intégrée de la ressource en eau implique de distinguer les parcours de l’eau qui sont accessibles aux sociétés de ceux qui ne le sont pas. Les cheminements de l’eau sont nombreux et fortement variables d’un lieu à l’autre. Il est possible de simplifier cette question en s’attardant plutôt aux deux destinations de l’eau. L’eau bleue forme les réserves et les flux dans l’hydrosystème : cours d’eau, nappes et écoulements souterrains. L’eau verte est le flux invisible de vapeur d’eau qui rejoint l’atmosphère. Elle inclut l’eau consommée par les plantes et l’eau dans les sols. Or, un grand nombre d’études ne portent que sur un seul type d’eau bleue, en ne s’intéressant généralement qu’au devenir des débits ou, plus rarement, à la recharge des nappes. Le portrait global est alors manquant. Dans un même temps, les changements climatiques viennent impacter ce cheminement de l’eau en faisant varier de manière distincte les différents composants de cycle hydrologique. L’étude réalisée ici utilise l’outil de modélisation SWAT afin de réaliser le suivi de toutes les composantes du cycle hydrologique et de quantifier l’impact des changements climatiques sur l’hydrosystème du bassin versant de la Garonne. Une première partie du travail a permis d’affiner la mise en place du modèle pour répondre au mieux à la problématique posée. Un soin particulier a été apporté à l’utilisation de données météorologiques sur grille (SAFRAN) ainsi qu’à la prise en compte de la neige sur les reliefs. Le calage des paramètres du modèle a été testé dans un contexte differential split sampling, en calant puis validant sur des années contrastées en terme climatique afin d’appréhender la robustesse de la simulation dans un contexte de changements climatiques. Cette étape a permis une amélioration substantielle des performances sur la période de calage (2000-2010) ainsi que la mise en évidence de la stabilité du modèle face aux changements climatiques. Par suite, des simulations sur une période d’un siècle (1960-2050) ont été produites puis analysées en deux phases : i) La période passée (1960-2000), basée sur les observations climatiques, a servi de période de validation à long terme du modèle sur la simulation des débits, avec de très bonnes performances. L’analyse des différents composants hydrologiques met en évidence un impact fort sur les flux et stocks d’eau verte, avec une diminution de la teneur en eau des sols et une augmentation importante de l’évapotranspiration. Les composantes de l’eau bleue sont principalement perturbées au niveau du stock de neige et des débits qui présentent tous les deux une baisse substantielle. ii) Des projections hydrologiques ont été réalisées (2010-2050) en sélectionnant une gamme de scénarios et de modèles climatiques issus d’une mise à l’échelle dynamique. L’analyse de simulation vient en bonne part confirmer les conclusions tirées de la période passée : un impact important sur l’eau verte, avec toujours une baisse de la teneur en eau des sols et une augmentation de l’évapotranspiration potentielle. Les simulations montrent que la teneur en eau des sols pendant la période estivale est telle qu’elle en vient à réduire les flux d’évapotranspiration réelle, mettant en évidence le possible déficit futur des stocks d’eau verte. En outre, si l’analyse des composantes de l’eau bleue montre toujours une diminution significative du stock de neige, les débits semblent cette fois en hausse pendant l’automne et l’hiver. Ces résultats sont un signe de l’«accélération» des composantes d’eau bleue de surface, probablement en relation avec l’augmentation des évènements extrêmes de précipitation. Ce travail a permis de réaliser une analyse des variations de la plupart des composantes du cycle hydrologique à l’échelle d’un bassin versant, confirmant l’importance de prendre en compte toutes ces composantes pour évaluer l’impact des changements climatiques et plus largement des changements environnementaux sur la ressource en eau.

Geologie und Hydrogeologie im Raum Bad Pyrmont unter besonderer Berücksichtigung des Quellensystems

The hydrodynamics and hydrochemistry of salt and fresh water from solid rock aquifer systems in the Pyrmont area are described and interpreted on the basis of recent investigations including geoelectrics, isotope hydrology, soil air analysis. Theories on the source of the springs in this area are developed, which explain the different compositions of the springs and make it possible to protect them. Data from new and re-interpretated drill holes, borehole logs and outcrops suggest a revision of the geological structure of the Pyrmont dome. Bad Pyrmont is situated on a wide dome of Triassic rocks in the southern part of the Lower Saxony uplands. Inversion of the relief has caused the development of an erosional basin surrounded by prominent ridges. Deep faults developed at the crest of the dome as this part of the structure was subjected to the strongest tectonic stress. Subrosion of the Zechstein salts in the western part of the dome has caused the main salt bed to wedge out below the western part of the dome along a N-S striking structure; this structure is refered to as the „Salzhang“ (salt slope). West of the „Salzhang“, where subrosion has removed the salt bed that prevents gas rising from below, carbon dioxide of deep volcanic origin can now rise to the surface. Hydraulic cross sections illustrate the presence of extensive and deep-seated groundwater flow within the entire Pyrmont dome. While groundwater flow is directed vertically downwards in the ridges surrounding the dome, centripetal horizontal flow predominates the intermediate area. In the central part of the dome, groundwater rises to join the River Emmer, which is the main receiving water course in the central part of the eroded basin. The depth of the saltwater/freshwater interface is determinated by the weight of the superimposed freshwater body. Hydrochemical cross sections show the shape and position of the interface and document a certain degree of hydrochemical zonation of the gently mineralized fresh water. Genetic relationships between the two main water types and the hydrochemical zones of the freshwater body are discussed. The knowledge of the hydrogeological relationship in the Bad Pyrmont aquifer systems permits a spatially narrow coexistence of wells withdrawing groundwater for different purposes (medicinal, mineral, drinking and industrial water).

Pinelands National Reserve /

"*GPO:2008--339-126/80035."

Integração de modelos espaciais e temporais para predições de níveis freáticos extremos

O objetivo deste trabalho foi avaliar cenários de níveis freáticos extremos, em bacia hidrográfica, por meio de métodos de análise espacial de dados geográficos. Avaliou-se a dinâmica espaço‑temporal dos recursos hídricos subterrâneos em área de afloramento do Sistema Aquífero Guarani. As alturas do lençol freático foram estimadas por meio do monitoramento de níveis em 23 piezômetros e da modelagem das séries temporais disponíveis de abril de 2004 a abril de 2011. Para a geração de cenários espaciais, foram utilizadas técnicas geoestatísticas que incorporaram informações auxiliares relativas a padrões geomorfológicos da bacia, por meio de modelo digital de terreno. Esse procedimento melhorou as estimativas, em razão da alta correlação entre altura do lençol e elevação, e agregou sentido físico às predições. Os cenários apresentaram diferenças quanto aos níveis considerados extremos - muito profundos ou muito superficiais - e podem subsidiar o planejamento, o uso eficiente da água e a gestão sustentável dos recursos hídricos na bacia.

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

Estudo paramétrico da recuperação de petróleo pesado por aquecimento eletromagnético resistivo

Electrical resistive heating (ERH) is a thermal method used to improve oil recovery. It can increase oil rate and oil recovery due to temperature increase caused by electrical current passage through oil zone. ERH has some advantage compared with well-known thermal methods such as continuous steam flood, presenting low-water production. This method can be applied to reservoirs with different characteristics and initial reservoir conditions. Commercial software was used to test several cases using a semi-synthetic homogeneous reservoir with some characteristics as found in northeast Brazilian basins. It was realized a sensitivity analysis of some reservoir parameters, such as: oil zone, aquifer presence, gas cap presence and oil saturation on oil recovery and energy consumption. Then it was tested several cases studying the electrical variables considered more important in the process, such as: voltage, electrical configurations and electrodes positions. Energy optimization by electrodes voltage levels changes and electrical settings modify the intensity and the electrical current distribution in oil zone and, consequently, their influences in reservoir temperature reached at some regions. Results show which reservoir parameters were significant in order to improve oil recovery and energy requirement in for each reservoir. Most significant parameters on oil recovery and electrical energy delivered were oil thickness, presence of aquifer, presence of gas cap, voltage, electrical configuration and electrodes positions. Factors such as: connate water, water salinity and relative permeability to water at irreducible oil saturation had low influence on oil recovery but had some influence in energy requirements. It was possible to optimize energy consumption and oil recovery by electrical variables. Energy requirements can decrease by changing electrodes voltages during the process. This application can be extended to heavy oil reservoirs of high depth, such as offshore fields, where nowadays it is not applicable any conventional thermal process such as steam flooding

Análise paramétrica da simulação composicional do processo de Drenagem Gravitacional Assistida por Gás (GAGD)

In Brazil and around the world, oil companies are looking for, and expected development of new technologies and processes that can increase the oil recovery factor in mature reservoirs, in a simple and inexpensive way. So, the latest research has developed a new process called Gas Assisted Gravity Drainage (GAGD) which was classified as a gas injection IOR. The process, which is undergoing pilot testing in the field, is being extensively studied through physical scale models and core-floods laboratory, due to high oil recoveries in relation to other gas injection IOR. This process consists of injecting gas at the top of a reservoir through horizontal or vertical injector wells and displacing the oil, taking advantage of natural gravity segregation of fluids, to a horizontal producer well placed at the bottom of the reservoir. To study this process it was modeled a homogeneous reservoir and a model of multi-component fluid with characteristics similar to light oil Brazilian fields through a compositional simulator, to optimize the operational parameters. The model of the process was simulated in GEM (CMG, 2009.10). The operational parameters studied were the gas injection rate, the type of gas injection, the location of the injector and production well. We also studied the presence of water drive in the process. The results showed that the maximum vertical spacing between the two wells, caused the maximum recovery of oil in GAGD. Also, it was found that the largest flow injection, it obtained the largest recovery factors. This parameter controls the speed of the front of the gas injected and determined if the gravitational force dominates or not the process in the recovery of oil. Natural gas had better performance than CO2 and that the presence of aquifer in the reservoir was less influential in the process. In economic analysis found that by injecting natural gas is obtained more economically beneficial than CO2

Enquadramento dos corpos hídricos subterrâneos do Distrito Federal : parâmetros hidrogeoquímicos e ambientais

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, 2016.

WATER RESOURCES, HEALTH, AND THE SUSTAINABILITY OF INTERVENTIONS TO ACHIEVE WATER AND SANITATION TARGETS OF THE MILLENNIUM DEVELOPMENT GOALS IN A CHANGING WORLD

This dissertation addresses sustainability of rapid provision of safe water and sanitation required to meet the Millennium Development Goals. Review of health-related literature and global statistics demonstrates engineers' role in achieving the MDGs. This review is followed by analyses relating to social, environmental, and health aspects of meeting MDG targets. Analysis of national indicators showed that inadequate investment, poor or nonexistent policies and governance are challenges to global sanitation coverage in addition to lack of financial resources and gender disparity. Although water availability was not found to be a challenge globally, geospatial analysis demonstrated that water availability is a potentially significant barrier for up to 46 million people living in urban areas and relying on already degraded water resources for environmental income. A daily water balance model incorporating the National Resources Conservation Services curve number method in Bolivian watersheds showed that local water stress is linked to climate change because of reduced recharge. Agricultural expansion in the region slightly exacerbates recharge reductions. Although runoff changes will range from -17% to 14%, recharge rates will decrease under all climate scenarios evaluated (-14% to -27%). Increasing sewer coverage may place stress on the readily accessible natural springs, but increased demand can be sustained if other sources of water supply are developed. This analysis provides a method for hydrological analysis in data scarce regions. Data required for the model were either obtained from publicly available data products or by conducting field work using low-cost methods feasible for local participants. Lastly, a methodology was developed to evaluate public health impacts of increased household water access resulting from domestic rainwater harvesting, incorporating knowledge of water requirements of sanitation and hygiene technologies. In 37 West African cities, domestic rainwater harvesting has the potential to reduce diarrheal disease burden by 9%, if implemented alone with 400 L storage. If implemented in conjunction with point of use treatment, this reduction could increase to 16%. The methodology will contribute to cost-effectiveness evaluations of interventions as well as evaluations of potential disease burden resulting from reduced water supply, such as reductions observed in the Bolivian communities.

Effect of gamma-irradiation on total organic carbon and trihalomethane formation potential

This research was conducted to study the use of radiation in water treatment as an alternative to chlorination which has caused health concerns due to the formation of harmful disinfection by-products. Groundwater solutions from the Biscayne aquifer were radiated with Cobalt-60 gamma radiation and studied for changes in dissolved organic carbon (DOC), UV absorbance at 254 nm (UV254), fluorescence and trihalomethane formation potential (THMFP). Molecular fractionations were conducted by ultrafiltration. Effect of the combination of radiation/peroxide was studied for DOC and UV254. Radiation showed significant removal in DOC and THMFP. Similar results were seen in the fluorescence and UV absorbance experiments. Radiation/peroxide did not improve the DOC removal. Radiation of the groundwater samples broke the larger molecular weight fractions in to smaller fractions.

Lattice Boltzmann Modeling and Specialized Laboratory Techniques to Determine the Permeability of Megaporous Karst Rock

The Pleistocene carbonate rock Biscayne Aquifer of south Florida contains laterally-extensive bioturbated ooltic zones characterized by interconnected touching-vug megapores that channelize most flow and make the aquifer extremely permeable. Standard petrophysical laboratory techniques may not be capable of accurately measuring such high permeabilities. Instead, innovative procedures that can measure high permeabilities were applied. These fragile rocks cannot easily be cored or cut to shapes convenient for conducting permeability measurements. For the laboratory measurement, a 3D epoxy-resin printed rock core was produced from computed tomography data obtained from an outcrop sample. Permeability measurements were conducted using a viscous fluid to permit easily observable head gradients (~2 cm over 1 m) simultaneously with low Reynolds number flow. For a second permeability measurement, Lattice Boltzmann Method flow simulations were computed on the 3D core renderings. Agreement between the two estimates indicates an accurate permeability was obtained that can be applied to future studies.

Development of Novel Time-Domain Electromagnetic Methods for Offshore Groundwater Studies: A Data Application from Bat Yam, Israel

Recent marine long-offset transient electromagnetic (LOTEM) measurements yielded the offshore delineation of a fresh groundwater body beneath the seafloor in the region of Bat Yam, Israel. The LOTEM application was effective in detecting this freshwater body underneath the Mediterranean Sea and allowed an estimation of its seaward extent. However, the measured data set was insufficient to understand the hydrogeological configuration and mechanism controlling the occurrence of this fresh groundwater discovery. Especially the lateral geometry of the freshwater boundary, important for the hydrogeological modelling, could not be resolved. Without such an understanding, a rational management of this unexploited groundwater reservoir is not possible. Two new high-resolution marine time-domain electromagnetic methods are theoretically developed to derive the hydrogeological structure of the western aquifer boundary. The first is called Circular Electric Dipole (CED). It is the land-based analogous of the Vertical Electric Dipole (VED), which is commonly applied to detect resistive structures in the subsurface. Although the CED shows exceptional detectability characteristics in the step-off signal towards the sub-seafloor freshwater body, an actual application was not carried out in the extent of this study. It was found that the method suffers from an insufficient signal strength to adequately delineate the resistive aquifer under realistic noise conditions. Moreover, modelling studies demonstrated that severe signal distortions are caused by the slightest geometrical inaccuracies. As a result, a successful application of CED in Israel proved to be rather doubtful. A second method called Differential Electric Dipole (DED) is developed as an alternative to the intended CED method. Compared to the conventional marine time-domain electromagnetic system that commonly applies a horizontal electric dipole transmitter, the DED is composed of two horizontal electric dipoles in an in-line configuration that share a common central electrode. Theoretically, DED has similar detectability/resolution characteristics compared to the conventional LOTEM system. However, the superior lateral resolution towards multi-dimensional resistivity structures make an application desirable. Furthermore, the method is less susceptible towards geometrical errors making an application in Israel feasible. In the extent of this thesis, the novel marine DED method is substantiated using several one-dimensional (1D) and multi-dimensional (2D/3D) modelling studies. The main emphasis lies on the application in Israel. Preliminary resistivity models are derived from the previous marine LOTEM measurement and tested for a DED application. The DED method is effective in locating the two-dimensional resistivity structure at the western aquifer boundary. Moreover, a prediction regarding the hydrogeological boundary conditions are feasible, provided a brackish water zone exists at the head of the interface. A seafloor-based DED transmitter/receiver system is designed and built at the Institute of Geophysics and Meteorology at the University of Cologne. The first DED measurements were carried out in Israel in April 2016. The acquired data set is the first of its kind. The measured data is processed and subsequently interpreted using 1D inversion. The intended aim of interpreting both step-on and step-off signals failed, due to the insufficient data quality of the latter. Yet, the 1D inversion models of the DED step-on signals clearly detect the freshwater body for receivers located close to the Israeli coast. Additionally, a lateral resistivity contrast is observable in the 1D inversion models that allow to constrain the seaward extent of this freshwater body. A large-scale 2D modelling study followed the 1D interpretation. In total, 425 600 forward calculations are conducted to find a sub-seafloor resistivity distribution that adequately explains the measured data. The results indicate that the western aquifer boundary is located at 3600 m - 3700 m before the coast. Moreover, a brackish water zone of 3 Omega*m to 5 Omega*m with a lateral extent of less than 300 m is likely located at the head of the freshwater aquifer. Based on these results, it is predicted that the sub-seafloor freshwater body is indeed open to the sea and may be vulnerable to seawater intrusion.