Autosuficiència energètica a la casa rural "Les Vinyes Grosses"

L’objectiu del present projecte és aconseguir l’autosuficiència energètica per a la casa rural “Les Vinyes Grosses”. Aquesta casa rural està situada a Sant Agustí de Lluçanès, comarca d’Osona. Es vol aconseguir fer una canvi de les instal·lacions que utilitzen energies no renovables a unes instal·lacions que funcionin amb energies renovables. Es pretén canviar la instal·lació de calefacció i aigua calenta que funciona amb gas-oil per una instal·lació que funcioni amb estella de pi roig que provingui de la mateixa finca. També es vol fer un canvi de la instal·lació elèctrica que funciona amb electricitat de la xarxa per una instal·lació elèctrica que utilitzi energia solar fotovoltàica. Per últim, es pretén que tota l’aigua consumida en la casa rural sigui aigua de la pluja en comptes d’utilitzar l’aigua de la xarxa. El cost total calculat per a realitzar aquests canvis d’instal·lacions és de 58.825 €, amb un temps d’amortització de 15,32 anys.

Efecte de la recurrència dels incendis sobre la vegetació i el sòl a les zons de bosc del Macizo Central Ourensano

En els últims 30 anys, el número d’incendis patits a Galicia han augmentat de manera important. En el Massís Central Ourensano l’home ha utilitzat el foc com a eina de gestió forestal per tal de permetre pasturar al bestiar i per tal de recuperar terres per a pastos i culius. Aquesta pràctica ha generat grans extensions de matollar sec europeu on hi hauria d’haver formacions boscoses. Partim de la necessitat de recuperar zones de bosc i ecosistema original i per això mesurem el comportament de les diferents espècies que trobem al matollar y al bosc en aquestes altituds davant la pertorbació que suposen els incendis recurrents. Per realitzar això s’ha mostrejat la vegetació de zones cremades en moments diferents o repetides vegades, mesurant superfície i alçades així com nombre d’individus de cada espècie. També s’han analitzat perfils del sòl per tal de conèixer amb més detall les característiques de cada zona. S’ha observat mitjançant el mostreig com per a la recuperació del matollar el factor determinant és el temps, encara que no trobem un sòl de bona qualitat i profund, en una mitjana de 8 anys trobem un matollar ben desenvolupat amb una bona diversitat d’espècies i grau de cobertura. En canvi, per tal d’arribar a un estat de la successió vegetal on trobem un bosc és necessari que existeixin comunitats arbòries a prop per tal de que arribin individus al matollar desenvolupat. Cal aleshores treballar en l’educació de la població i en la cerca d’alternatives a la gestió forestal vigent, donant èmfasi en la valoració econòmica dels ecosistemes en bon estat i facilitant que aquest bon estat proporcioni beneficis a la població local. Per això cal generar una infraestructura per atraure un turisme rural respectuós amb el medi al mateix temps que es duen altres iniciatives com la implantació de centrals de biomassa als pobles que puguin proporcionar calefacció o aigua calenta. Generant llocs de feina i estalvis a la població d’una zona on l’economia encara es basa potencialment en la ramaderia. Al mateix temps l’esforç monetari dedicat a les plantacions ha de dedicar-se a generar espais al territori amb espècies autòctones com el roure en aquells matollars que presentin condicions adients per a recuperar el bosc.

Cell size distribution in a random tessellation of space governed by the Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami model: Grain size distribution in crystallization

The space subdivision in cells resulting from a process of random nucleation and growth is a subject of interest in many scientific fields. In this paper, we deduce the expected value and variance of these distributions while assuming that the space subdivision process is in accordance with the premises of the Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami model. We have not imposed restrictions on the time dependency of nucleation and growth rates. We have also developed an approximate analytical cell size probability density function. Finally, we have applied our approach to the distributions resulting from solid phase crystallization under isochronal heating conditions

Driven fragmentation of granular gases

The dynamics of homogeneously heated granular gases which fragment due to particle collisions is analyzed. We introduce a kinetic model which accounts for correlations induced at the grain collisions and analyze both the kinetics and relevant distribution functions these systems develop. The work combines analytical and numerical studies based on direct simulation Monte Carlo calculations. A broad family of fragmentation probabilities is considered, and its implications for the system kinetics are discussed. We show that generically these driven materials evolve asymptotically into a dynamical scaling regime. If the fragmentation probability tends to a constant, the grain number diverges at a finite time, leading to a shattering singularity. If the fragmentation probability vanishes, then the number of grains grows monotonously as a power law. We consider different homogeneous thermostats and show that the kinetics of these systems depends weakly on both the grain inelasticity and driving. We observe that fragmentation plays a relevant role in the shape of the velocity distribution of the particles. When the fragmentation is driven by local stochastic events, the longvelocity tail is essentially exponential independently of the heating frequency and the breaking rule. However, for a Lowe-Andersen thermostat, numerical evidence strongly supports the conjecture that the scaled velocity distribution follows a generalized exponential behavior f (c)~exp (−cⁿ), with n ≈1.2, regarding less the fragmentation mechanisms

Late Labradorian metamorphism and anorthosite-granitoid intrusion, Cape-Caribou River allochthon, Grenville Province, Labrador - Evidence from U-Pb geochronology

In the Cape Caribou River allochthon (CCRA), metaigneous and gneissic units occur as a shallowly plunging synform in the hanging wall of the Grand Lake thrust system (GLTS), a Grenvillian structure that forms the boundary between the Mealy Mountains and Groswater Bay terranes. The layered rocks of the CCRA are cut by a stockwork of monzonite dykes related to the Dome Mountain suite and by metadiabase-amphibolite dykes that probably form part of the ca. 1380 Ma Mealy swarm. The mafic dykes appear to postdate much of the development of subhorizontal metamorphic layering within the lower parts of the CCRA. The uppermost (least metamorphosed) units of the CCRA, the North West River anorthosite-metagabbro and the Dome Mountain monzonite suite, have been dated at 1625 +/- 6 and 1626 +/- 2 Ma, respectively. An amphibolite unit that concordantly underlies the anorthosite-metagabbro and is intruded discordantly by monzonite dykes has given metamorphic ages of 1660 +/- 3 and 1631 +/- 2 Ma. Granitoid gneisses that form the lowest level of the CCRA have given a migmatization age of 1622 +/- 6 Ma. The effects of Grenvillian metamorphism become apparent in the lower levels of the allochthon where gneisses, amphibolite, and mafic dykes have given new generation zircon ages of 1008 +/- 2, 1012 +/- 3, and 1011 +/- 3 Ma, respectively. A posttectonic pegmatite has also given zircon and monazite ages of 1016(-3)(+7) and 1013 +/- 3 Ma, respectively. Although these results indicate new growth of Grenvillian zircon, this process was generally not accompanied by penetrative deformation or melting. Thus, the formation of gneissic fabrics and the overall layered nature of the lower CCRA are a result primarily of Labradorian (1660-1620 Ma) tectonism and intrusion, and probably reflect early movement on an ancestral GLTS. Grenvillian heating and metamorphism (up to granulite facies) was strongly concentrated towards the base of the CCRA and probably occurred during northwestward thrusting of the allochthon over the Groswater Bay terrane.

Projecte d'instal·lació d'un mòdul autònom per producció de calefacció amb caldera de biomassa

L’Ajuntament d’un municipi de la comarca de la Selva disposa d’un complex esportiuformat per un edifici amb piscines climatitzades i un pavelló d’esports. Actualment laproducció de calefacció es realitza mitjançant calderes amb cremador de gasoil. Degut al’antiguitat d’aquests equips, a l’elevat cost que suposa la producció amb aquest tipus decombustible i tenint en compte que el municipi no disposa de xarxa de distribució de gasciutat, l’ajuntament contempla la possibilitat d’instal•lar un sistema de producciócentralitzat amb caldera de biomassa.L’objecte d’aquest projecte és el disseny i definició de la instal•lació d’una caldera deproducció d’aigua calenta sanitària i de calefacció mitjançant l’ús de biomassa tipuspellets de fusta integrada dins un mòdul prefabricat que inclou la sitja d’emmagatzematgei tots els elements necessaris, formant un sistema compacte i autònom per alsubministrament i distribució de l’aigua calenta per als dos edificis que formen el complexesportiu de la población. L’àmbit d’aplicació d’aquest projecte és:- Disseny i implantació del Mòdul autònom de producció de calefacció- Dimensionat dels circuits hidràulics de distribució a punts deCom a punt de partida per dimensionar la nova instal•lació de producció s’han tingut encompte les potències instal•lades actuals però també s’han realitat els càlculs de lesnecessitats actuals tenint en compte les exigències del nou Reglament d’Instal•lacionsTèrmiques en els Edificis (RITE 2007) quant a condicions interiors i d’estalvi energètic

Estudi econòmic i tècnic de tres sistemes de climatització

Estudi de tres sistemes de climatització destinats a un edifici d’ oficines de lloguer, per tal de determinar quina seria l’ opció més adient des del punt de vista d’ una promotora que vol explotar aquest immoble. Amb aquest estudi, es pretén determinar quin sistema de climatització és més rentablea una promotora, tenint en compte que l’ edifici està destinat a lloguer, i per tant,haurem de tenir en compte no només els costos d’ implantació, sinó també elscostos d’ explotació. A l’hora d’ escollir entre el sistema més adient, també s’han tingut en compte els aspectes tècnics de cada sistema, encara que de cara a la promotora, els econòmics són els que tindranmés pes a l’hora de triar un sistema o un altre. S’han estudiat els següents equips: Equips propis d’expansió directa (més conegut com VRV), Equips de producció pròpia amb refredadora - caldera i fancoils, i Producció externa mitjançant el servei de Districlima

Avaluació de l'aplicació de la biomassa produïda a la Vall d'Alinyà per la producció d'energia calorífica

L’estudi analitza detalladament les energies que s’utilitzen actualment a la població d’Alinyà (Lleida, Catalunya, Espanya). Les energies més utilitzades amb fins calorífics provenen d’energies fòssils (95,3%). Aquest tipus d’energia, des de un punt de vista econòmic, és inviable donat l’augment continuat dels preus d’aquest tipus de combustibles. A més a més el petroli ha arribat al peak oil. Tenint en compte la delicada situació que viuen actualment els combustibles fòssils, en particular el petroli, fa pensar que el futur està encaminat a produir energia a partir d’altres fonts. Una bona opció és començar a utilitzar biomassa com a font energètica. La zona d’estudi presenta un stock de biomassa 8,4 vegades superior a la que es necessitaria a Alinyà per produir calor i ACS a totes les llars. Per això, en aquest estudi, s’estimen possibles escenaris on es podria aplicar la biomassa que es produeix a la Vall d’Alinyà. S’estima que les calderes individuals serien l’escenari més viable, ja que tècnicament són eficients i s’adeqüen a les característiques de les llars d’aquesta població. Posteriorment, es realitza un estudi de les emissions de CO2 i s’observa que, si s’utilitzés biomassa com a font energètica a Alinyà ,es reduirien 11,3 vegades (91,11%) les emissions de CO2.

Projecte executiu d’instal.lacions d’un CEIP

Disseny de les instal•lacions d’un CEIP (Col•legi d’EducacióInfantil i Primària) per encàrrec de l’Ajuntament del municipi de Vic. Les instal•lacions seran,bàsicament la calefacció, ACS, climatització, ventilació, fontaneria, electricitat, enllumenat interior i exterior, gas, sanejament, contra incendis, intrusió i parallamps

Ilmanvaihtokoneen ohjauksen taloudellisuusvaikutukset

Tämän insinöörityön tarkoituksena oli luoda Insinööritoimisto Olof Granlund Oy:lle malliprojekti ilmanvaihtokoneen ohjauksen mahdollisesta sähköenergian säästöpotentiaalista. Insinöörityötä voidaan myöhemmin käyttää referenssinä tarjottaessa yrityksen palvelua asiakkaille energiakatselmointityössä kiinteistöihin, joissa on suuria ilmanvaihtokone-yksiköitä. Ensin työssä esitellään käytössä olevat, tutkittavat ilmanvaihtokoneet ja niiden toiminta. Sitten selvitetään ilmanvaihtolaitteiden ja niiden ohjauksen eri osien toiminta, sekä ohjausinformaatio, joka välittyy eri laitteiden välillä. Seuraavaksi työssä tutkitaan rakennusautomaation osuutta, sen hyötyä ja rakennetta kiinteistössä. Tämän jälkeen selvitetään hankkeen viranomaismääräykset. Sitten selvitetään, mistä koostuvat kustannukset ilmanvaihtokoneen ohjauksen uusimisessa. Lopuksi vielä tutkitaan, kuinka pitkä on tehtävän investoinnin takaisinmaksuaika, sekä mitkä ovat saneerauksen hiilidioksidi-päästövaikutukset. insinöörityön Lopputuloksena syntyi yrityksen sisäinen kansio. Kansion esimerkkilaskelmia ja laskentamenetelmiä on tarkoitus käyttää jatkossa referenssinä kiinteistönpito-osastolla sähkö- ja lvi-ryhmissä, niiden henkilöiden käytössä, jotka ovat tekemisissä energiakatselmointien kanssa.

Chemistry, isotope values (δD, δ18O, δ34S(SO4)) and temperatures of the water inflows in two Gotthard tunnels, Swiss Alps

Water inflows in the Gotthard Highway Tunnel and in the Gotthard Exploration Tunnel are meteoric waters infiltrating at different elevations, on both sides of an important orographic divide. Limited interaction of meteoric waters with gneissic rocks produces Ca-HCO3 and Na-Ca-HCO3 waters, whereas prolonged interaction of meteoric waters with the same rocks generates Na-HCO3 to Na-SO4 waters. Waters circulating in Triassic carbonate-evaporite rocks have a Ca-SO4 composition. Calcium-Na-SO4 waters are also present. They can be produced through interaction of either Na-HCO3 waters with anhydrite or Ca-SO4 waters with a local gneissic rock, as suggested by reaction path modeling. An analogous simulation indicates that Na-HCO3 waters are generated through interaction of Ca-HCO3 waters with a local gneissic rock. The two main SO4-sources present in the Alps are leaching of upper Triassic sulfate minerals and oxidative dissolution of sulfide minerals of crystalline rocks. Values of delta S-34(SO4) < <similar to>+ 9 parts per thousand, are due to oxidative dissolution of sulfide minerals, whereas delta S-34(SO4) > similar to+ 9 parts per thousand are controlled either by bacterial SO4 reduction or leaching of upper Triassic sulfate minerals. Most waters have temperatures similar to the expected values for a geothermal gradient of 22 degreesC/km and are close to thermal equilibrium with rocks. However relatively large, descending flows of cold waters and ascending flows of warm waters are present in both tunnels and determine substantial cooling and heating, respectively, of the interacting rocks. The most import upflow zone of warm, Na-rich waters is below Guspisbach, in the Gotthard Highway Tunnel, at 6.2-9.0 km from the southern portal. These warm waters have equilibrium temperatures of 65-75 degreesC and therefore constitute an important low-enthalpy geothermal resource. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Structure et évolution thermique de la croûte supérieure des chaînes de subduction : approches thermologique et modélisation numérique, dans les North Cascades (U.S.A) et de la zone de faille Motagua (Guatemala)

Cette thèse cible l'étude de la structure thermique de la croûte supérieure (<10km) dans les arcs magmatiques continentaux, et son influence sur l'enregistrement thermochronologique de leur exhumation et de leur évolution topographique. Nous portons notre regard sur deux chaînes de montagne appartenant aux Cordillères Américaines : Les Cascades Nord (USA) et la zone de faille Motagua (Guatemala). L'approche utilisée est axée sur la thermochronologie (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, couplée avec la modélisation numérique de la structure thermique de la croûte. Nous mettons en évidence la variabilité à la fois spatiale et temporelle du gradient géothermique, et attirons l'attention du lecteur sur l'importance de prendre en compte la multitude des processus géologiques perturbant la structure thermique dans les chaînes de type cordillère, c'est à dire formées lors de la subduction océanique sous un continent.Une nouvelle approche est ainsi développée pour étudier et contraindre la perturbation thermique autour des chambres magmatiques. Deux profiles âge-elevation (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, ont été collectées 7 km au sud du batholithe de Chilliwack, Cascades Nord. Les résultats montrent une variabilité spatiale et temporelle du gradient géothermique lors de l'emplacement magmatique qui peut être contrainte et séparé de l'exhumation. Durant l'emplacement de l'intrusion, la perturbation thermique y atteint un état d'équilibre (-80-100 °C/km) qui est fonction du flux de magma et de ia distance à la source du magma, puis rejoint 40 °C/km à la fin du processus d'emplacement magmatique.Quelques nouvelles données (U-Th)/He, replacées dans une compilation des données existantes dans les Cascades Nord, indiquent une vitesse d'exhumation constante (-100 m/Ma) dans le temps et l'espace entre 35 Ma et 2 Ma, associée à un soulèvement uniforme de la chaîne contrôlé par l'emplacement de magma dans la croûte durant toute l'activité de l'arc. Par contre, après ~2 Ma, le versant humide de la chaîne est affecté par une accélération des taux d'exhumation, jusqu'à 3 km de croûte y sont érodés. Les glaciations ont un triple effet sur l'érosion de cette chaîne: (1) augmentation des vitesses d'érosion, d'exhumation et de soulèvement la où les précipitations sont suffisantes, (2) limitation de l'altitude contrôlé par la position de Γ Ε LA, (3) élargissement du versant humide et contraction du versant aride de la chaîne.Les modifications des réseaux de drainage sont des processus de surface souvent sous-estimés au profil d'événements climatiques ou tectoniques. Nous proposons une nouvelle approche couplant une analyse géomorphologique, des données thermochronologiques de basse température ((U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon), et l'utilisation de modélisation numérique thermo-cinématique pour les mettre en évidence et les dater; nous testons cette approche sur la gorge de la Skagit river dans les North Cascades.De nouvelles données (U-Th)/He sur zircons, complétant les données existantes, montrent que le déplacement horizontal le long de la faille transformante continentale Motagua, la limite des plaques Caraïbe/Amérique du Nord, a juxtaposé un bloc froid, le bloc Maya (s.s.), contre un bloque chaud, le bloc Chortis (s.s.) originellement en position d'arc. En plus de donner des gammes d'âges thermochronologiques très différents des deux côtés de la faille, le déplacement horizontal rapide (~2 cm/a) a produit un fort échange thermique latéral, résultant en un réchauffement du côté froid et un refroidissement du côté chaud de la zone de faille de Motagua.Enfin des données (U-Th-Sm)/He sur apatite témoignent d'un refroidissement Oligocène enregistré uniquement dans la croûte supérieure de la bordure nord de la zone de faille Motagua. Nous tenterons ultérieurement de reproduire ce découplage vertical de la structure thermique par la modélisation de la formation d'un bassin transtensif et de circulation de fluides le long de la faille de Motagua. - This thesis focuses on the influence of the dynamic thermal structure of the upper crust (<10km) on the thermochronologic record of the exhumational and topographic history of magmatic continental arcs. Two mountain belts from the American Cordillera are studied: the North Cascades (USA) and the Motagua fault zone (Guatemala). I use a combined approach coupling apatite and zircon (U-Th-Sm}/He thermochronology and thermo- kinematic numerical modelling. This study highlights the temporal and spatial variability of the geothermal gradient and the importance to take into account the different geological processes that perturb the thermal structure of Cordilleran-type mountain belts (i.e. mountain belts related to oceanic subduction underneath a continent}.We integrate apatite and zircon (U-Th)/He data with numerical thermo-kinematic models to study the relative effects of magmatic and surface processes on the thermal evolution of the crust and cooling patterns in the Cenozoic North Cascades arc (Washington State, USA). Two age-elevation profiles that are located 7 km south of the well-studied Chiliiwack intrusions shows that spatial and temporal variability in geothermal gradients linked to magma emplacement can be contrained and separated from exhumation processes. During Chiliiwack batholith emplacement at -35-20 Ma, the geothermal gradient of the country rocks increased to a very high steady-state value (80-100°C/km), which is likely a function of magma flux and the distance from the magma source area. Including temporally varying geothermal gradients in the analysis allows quantifying the thermal perturbation around magmatic intrusions and retrieving a relatively simple denudation history from the data.The synthesis of new and previously published (U-Th)/He data reveals that denudation of the Northern Cascades is spatially and temporally constant at -100 m/Ma between ~32 and ~2 Ma, which likely reflects uplift due to magmatic crustal thickening since the initiation of the Cenozoic stage of the continental magmatic arc. In contrast, the humid flank of the North Cascades is affected by a ten-fold acceleration in exhumation rate at ~2 Ma, which we interpret as forced by the initiation of glaciations; around 3 km of crust have been eroded since that time. Glaciations have three distinct effects on the dynamics of this mountain range: (1) they increase erosion, exhumation and uplift rates where precipitation rates are sufficient to drive efficient glacial erosion; (2) they efficiently limit the elevation of the range; (3) they lead to widening of the humid flank and contraction of the arid flank of the belt.Drainage reorganizations constitute an important agent of landscape evolution that is often underestimated to the benefit of tectonic or climatic events. We propose a new method that integrates geomorphology, low-temperature thermochronometry (apatite and zircon {U-Th-Sm)/He), and 3D numerical thermal-kinematic modelling to detect and date drainage instability producing recent gorge incision, and apply this approach to the Skagit River Gorge, North Cascades.Two zircon (U-Th)/He age-elevation profiles sampled on both sides of the Motagua Fault Zone (MFZ), the boundary between the North American and the Caribbean plates, combined with published thermochronological data show that strike-slip displacement has juxtaposed the cold Maya block (s.s.) against the hot, arc derived, Chortis block (s.s ), producing different age patterns on both sides of the fault and short-wavelength lateral thermal exchange, resulting in recent heating of the cool side and cooling of the hot side of the MFZ.Finally, an apatite (U-Th-Sm)/He age-elevation profile records rapid cooling at -35 Ma localized only in the upper crust along the northern side of the Motagua fault zone. We will try to reproduce these data by modeling the thermal perturbation resulting from the formation of a transtensional basin and of fluid flow activity along a crustal- scale strike-slip fault.

Heterogeneous 40Ar* distributions in naturally deformed muscovite: in situ UV-laser ablation evidence for micro structurally controlled intragrain diffusion

Micas are commonly used in Ar-40/Ar-39 thermochronological studies of variably deformed rocks yet the physical basis by which deformation may affect radiogenic argon retention in mica is poorly constrained. This study examines the relationship between deformation and deformation-induced microstructures on radiogenic argon retention in muscovite, A combination of furnace step-heating and high-spatial resolution in situ UV-laser ablation Ar-40/Ar-39 analyses are reported for deformed muscovites sampled from a granitic pegmatite vein within the Siviez-Mischabel Nappe, western Swiss Alps (Penninic domain, Brianconnais unit). The pegmatite forms part of the Variscan (similar to 350 Ma) Alpine basement and exhibits a prominent Alpine S-C fabric including numerous mica `fish' that developed under greenschist facies metamorphic conditions, during the dominant Tertiary Alpine tectonic phase of nappe emplacement. Furnace step-heating of milligram quantities of separated muscovite grains yields an Ar-40/Ar-39 age spectrum with two distinct staircase segments but without any statistical plateau, consistent with a previous study from the same area. A single (3 X 5 mm) muscovite porphyroclast (fish) was investigated by in situ UV-laser ablation. A histogram plot of 170 individual Ar-40/Ar-39 UV-laser ablation ages exhibit a range from 115 to 387 Ma with modes at approximately 340 and 260 Ma. A variogram statistical treatment of the (40)Ad/Ar-39 results reveals ages correlated with two directions; a highly correlated direction at 310 degrees and a lesser correlation at 0 degrees relative to the sense of shearing. Using the highly correlated direction a statistically generated (Kriging method) age contour map of the Ar-40/Ar-39 data reveals a series of elongated contours subparallel to the C-surfaces which where formed during Tertiary nappe emplacement. Similar data distributions and slightly younger apparent ages are recognized in a smaller mica fish. The observed intragrain age variations are interpreted to reflect the partial loss of radiogenic argon during Alpine (similar to 35 Ma) greenschist facies metamorphism. One-dirnensional diffusion modelling results are consistent with the idea that the zones of youngest apparent age represent incipient shear band development within the mica porphyroclasts, thus providing a network of fast diffusion pathways. During Alpine greenschist facies metamorphism the incipient shear bands enhanced the intragrain loss of radiogenic argon. The structurally controlled intragrain age variations observed in this investigation imply that deformation has a direct control on the effective length scale for argon diffusion, which is consistent with the heterogeneous nature of deformation. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Biomechanical characterization and in vitro mechanical injury of elderly human femoral head cartilage: comparison to adult bovine humeral head cartilage.

OBJECTIVES: In vitro mechanical injury of articular cartilage is useful to identify events associated with development of post-traumatic osteoarthritis (OA). To date, many in vitro injury models have used animal cartilage despite the greater clinical relevance of human cartilage. We aimed to characterize a new in vitro injury model using elderly human femoral head cartilage and compare its behavior to that of an existing model with adult bovine humeral head cartilage. DESIGN: Mechanical properties of human and bovine cartilage disks were characterized by elastic modulus and hydraulic permeability in radially confined axial compression, and by Young's modulus, Poisson's ratio, and direction-dependent radial strain in unconfined compression. Biochemical composition was assessed in terms of tissue water, solid, and glycosaminoglycan (GAG) contents. Responses to mechanical injury were assessed by observation of macroscopic superficial tissue cracks and histological measurements of cell viability following single injurious ramp loads at 7 or 70%/s strain rate to 3 or 14 MPa peak stress. RESULTS: Confined compression moduli and Young's moduli were greater in elderly human femoral cartilage vs adult bovine humeral cartilage whereas hydraulic permeability was less. Radial deformations of axially compressed explant disks were more anisotropic (direction-dependent) for the human cartilage. In both cartilage sources, tissue cracking and associated cell death during injurious loading was common for 14 MPa peak stress at both strain rates. CONCLUSION: Despite differences in mechanical properties, acute damage induced by injurious loading was similar in both elderly human femoral cartilage and adult bovine humeral cartilage, supporting the clinical relevance of animal-based cartilage injury models. However, inherent structural differences such as cell density may influence subsequent cell-mediated responses to injurious loading and affect the development of OA.

Nucleation and growth of metamorphic minerals in contact aureoles

THESIS ABSTRACT Nucleation and growth of metamorphic minerals are the consequence of changing P-T-X-conditions. The thesis presented here focuses on processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments using a combination of geochemical analytics (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data, and numerical models. It is shown, that a combination of textural modeling and stable isotope analysis allows a distinction between several possible reaction paths for olivine growth in a siliceous dolomite contact aureole. It is suggested that olivine forms directly from dolomite and quartz. The formation of olivine from this metastable reaction implies metamorphic crystallization far from equilibrium. As a major consequence, the spatial distribution of metamorphic mineral assemblages in a contact aureole cannot be interpreted as a proxy for the temporal evolution of a single rock specimen, because each rock undergoes a different reaction path, depending on temperature, heating rate, and fluid-infiltration rate. A detailed calcite-dolomite thermometry study was initiated on multiple scales ranging from aureole scale to the size of individual crystals. Quantitative forward models were developed to evaluate the effect of growth zoning, volume diffusion and the formation of submicroscopic exsolution lamellae (<1 µm) on the measured Mg-distribution in individual calcite crystals and compare the modeling results to field data. This study concludes that Mg-distributions in calcite grains of the Ubehebe Peak contact aureole are the consequence of rapid crystal growth in combination with diffusion and exsolution. The crystallization history of a rock is recorded in the chemical composition, the size and the distribution of its minerals. Near the Cima Uzza summit, located in the southern Adamello massif (Italy), contact metamorphic brucite bearing dolomite marbles are exposed as xenoliths surrounded by mafic intrusive rocks. Brucite is formed retrograde pseudomorphing spherical periclase crystals. Crystal size distributions (CSD's) of brucite pseudomorphs are presented for two profiles and combined with geochemistry data and petrological information. Textural analyses are combined with geochemistry data in a qualitative model that describes the formation periclase. As a major outcome, this expands the potential use of CSD's to systems of mineral formation driven by fluid-infiltration. RESUME DE LA THESE La nucléation et la croissance des minéraux métamorphiques sont la conséquence de changements des conditions de pression, température et composition chimique du système (PT-X). Cette thèse s'intéresse aux processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux au cours d'un épisode de métamorphisme de contact, en utilisant la géochimie analytique (composition chimique, isotopique et en éléments traces), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique. Il est montré que la combinaison d'un modèle textural avec des analyses en isotopes stables permet de distinguer plusieurs chemins de réactions possibles conduisant à la croissance de l'olivine dans une auréole de contact riche en Silice et dolomite. Il est suggéré que l'olivine se forme directement à partir de la dolomie et du quartz. Cette réaction métastable de formation de l'olivine implique une cristallisation métamorphique loin de l'équilibre. La principale conséquence est que la distribution spatiale des assemblages de minéraux métamorphiques dans une auréole de contact ne peut pas être considérée comme un témoin de l'évolution temporelle d'un type de roche donné, puisque chaque type de roche suit différents chemins de réactions, en fonction de la température, la vitesse de réchauffement et le taux d'infiltration du fluide. Une étude thermométrique calcite-dolomite détaillée a été réalisée à diverses échelles, depuis l'échelle de l'auréole de contact jusqu'à l'échelle du cristal. Des modèles numériques quantitatifs ont été développés pour évaluer l'effet des zonations de croissance, de la diffusion volumique et de la formation de lamelles d'exsolution submicroscopiques (<1µm) sur la distribution du magnésium mesuré dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats de ce modèle ont été comparés ä des échantillons naturels. Cette étude montre que la distribution du Mg dans les grains de calcite de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA) résulte d'une croissance cristalline rapide, associée aux processus de diffusion et d'exsolution. L'histoire de cristallisation d'une roche est enregistrée dans la composition chimique, la taille et la distribution de ses minéraux. Près du sommet Cima Uzza situé au sud du massif d'Adamello (Italie), des marbres dolomitiques à brucite du métamorphisme de contact forment des xénolithes dans une intrusion mafique. La brucite constitue des pseudomorphes rétrogrades du périclase. Les distributions de taille des cristaux (CSD) des pseudomorphes de brucite sont présentées pour deux profiles et sont combinées aux données géochimiques et pétrologiques. Les analyses textorales sont combinées aux données géochimiques dans un modèle qualitatif qui décrit la formation du périclase. Ceci élargit l'utilisation potentielle de la C5D aux systèmes de formation de minéraux controlés par les infiltrations fluides. THESIS ABSTRACT (GENERAL PUBLIC) Rock textures are essentially the result of a complex interaction of nucleation, growth and deformation as a function of changing physical conditions such as pressure and temperature. Igneous and metamorphic textures are especially attractive to study the different mechanisms of texture formation since most of the parameters like pressure-temperature-paths are quite well known for a variety of geological settings. The fact that textures are supposed to record the crystallization history of a rock traditionally allowed them to be used for geothermobarometry or dating. During the last decades the focus of metamorphic petrology changed from a static point of view, i.e. the representation of a texture as one single point in the petrogenetic grid towards a more dynamic view, where multiple metamorphic processes govern the texture formation, including non-equilibrium processes. This thesis tries to advance our understanding on the processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments and their dynamic interplay by using a combination of geochemical analyses (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data and numerical models. In a first part the thesis describes the formation of metamorphic olivine porphyroblast in the Ubehebe Peak contact aureole (USA). It is shown that not the commonly assumed succession of equilibrium reactions along a T-t-path formed the textures present in the rocks today, but rather the presence of a meta-stable reaction is responsible for forming the olivine porphyroblast. Consequently, the spatial distribution of metamorphic minerals within a contact aureole can no longer be regarded as a proxy for the temporal evolution of a single rock sample. Metamorphic peak temperatures for samples of the Ubehebe Peak contact aureole were determined using calcite-dolomite. This geothermometer is based on the temperature-dependent exchange of Mg between calcite and dolomite. The purpose of the second part of this thesis was to explain the interfering systematic scatter of measured Mg-content on different scales and thus to clarify the interpretation of metamorphic temperatures recorded in carbonates. Numerical quantitative forward models are used to evaluate the effect of several processes on the distribution of magnesium in individual calcite crystals and the modeling results were then compared to measured field. Information about the crystallization history is not only recorded in the chemical composition of grains, like isotope composition or mineral zoning. Crystal size distributions (CSD's) provide essential information about the complex interaction of nucleation and growth of minerals. CSD's of brucite pseudomorphs formed retrograde after periclase of the southern Adamello massif (Italy) are presented. A combination of the textural 3D-information with geochemistry data is then used to evaluate reaction kinetics and to constrain the actual reaction mechanism for the formation of periclase. The reaction is shown to be the consequence of the infiltration of a limited amount of a fluid phase at high temperatures. The composition of this fluid phase is in large disequilibrium with the rest of the rock resulting in very fast reaction rates. RESUME DE LA THESE POUR LE GRAND PUBLIC: La texture d'une roche résulte de l'interaction complexe entre les processus de nucléation, croissance et déformation, en fonction des variations de conditions physiques telles que la pression et la température. Les textures ignées et métamorphiques présentent un intérêt particulier pour l'étude des différents mécanismes à l'origine de ces textures, puisque la plupart des paramètres comme les chemin pression-température sont relativement bien contraints dans la plupart des environnements géologiques. Le fait que les textures soient supposées enregistrer l'histoire de cristallisation des roches permet leur utilisation pour la datation et la géothermobarométrie. Durant les dernières décennies, la recherche en pétrologie métamorphique a évolué depuis une visualisation statique, c'est-à-dire qu'une texture donnée correspondait à un point unique de la grille pétrogénétique, jusqu'à une visualisation plus dynamique, où les multiples processus métamorphiques qui gouvernent 1a formation d'une texture incluent des processus hors équilibre. Cette thèse a pour but d'améliorer les connaissances actuelles sur les processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux lors d'épisodes de métamorphisme de contact et l'interaction dynamique existant entre nucléation et croissance. Pour cela, les analyses géochimiques (compositions chimiques en éléments majeurs et traces et composition isotopique), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique ont été combinés. Dans la première partie, cette thèse décrit la formation de porphyroblastes d'olivine métamorphique dans l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA). Il est montré que la succession généralement admise des réactions d'équilibre le long d'un chemin T-t ne peut pas expliquer les textures présentes dans les roches aujourd'hui. Cette thèse montre qu'il s'agirait plutôt d'une réaction métastable qui soit responsable de la formation des porphyroblastes d'olivine. En conséquence, la distribution spatiale des minéraux métamorphiques dans l'auréole de contact ne peut plus être interprétée comme le témoin de l'évolution temporelle d'un échantillon unique de roche. Les pics de température des échantillons de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak ont été déterminés grâce au géothermomètre calcite-dolomite. Celui-ci est basé sur l'échange du magnésium entre la calcite et la dolomite, qui est fonction de la température. Le but de la deuxième partie de cette thèse est d'expliquer la dispersion systématique de la composition en magnésium à différentes échelles, et ainsi d'améliorer l'interprétation des températures du métamorphisme enregistrées dans les carbonates. Des modèles numériques quantitatifs ont permis d'évaluer le rôle de différents processus sur la distribution du magnésium dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats des modèles ont été comparés aux échantillons naturels. La composition chimique des grains, comme la composition isotopique ou la zonation minérale, n'est pas le seul témoin de l'histoire de la cristallisation. La distribution de la taille des cristaux (CSD) fournit des informations essentielles sur les interactions entre nucléation et croissance des minéraux. La CSD des pseudomorphes de brucite retrograde formés après le périclase dans le sud du massif Adamello (Italie) est présentée dans la troisième partie. La combinaison entre les données textorales en trois dimensions et les données géochimiques a permis d'évaluer les cinétiques de réaction et de contraindre les mécanismes conduisant à la formation du périclase. Cette réaction est présentée comme étant la conséquence de l'infiltration d'une quantité limitée d'une phase fluide à haute température. La composition de cette phase fluide est en grand déséquilibre avec le reste de la roche, ce qui permet des cinétiques de réactions très rapides.