Single-hole GPR reflection imaging of solute transport in a granitic aquifer

Identifying transport pathways in fractured rock is extremely challenging as flow is often organized in a few fractures that occupy a very small portion of the rock volume. We demonstrate that saline tracer experiments combined with single-hole ground penetrating radar (GPR) reflection imaging can be used to monitor saline tracer movement within mm-aperture fractures. A dipole tracer test was performed in a granitic aquifer by injecting a saline solution in a known fracture, while repeatedly acquiring single-hole GPR sections in the pumping borehole located 6 m away. The final depth-migrated difference sections make it possible to identify consistent temporal changes over a 30 m depth interval at locations corresponding to fractures previously imaged in GPR sections acquired under natural flow and tracer-free conditions. The experiment allows determining the dominant flow paths of the injected tracer and the velocity (0.4-0.7 m/min) of the tracer front. Citation: Dorn, C., N. Linde, T. Le Borgne, O. Bour, and L. Baron (2011), Single-hole GPR reflection imaging of solute transport in a granitic aquifer, Geophys. Res. Lett., 38, L08401, doi: 10.1029/2011GL047152.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

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

Magnetic microstructures from magnetic force microscopy and Monte Carlo simulation in CoFe-Ag-Cu granular films

CoFe-Ag-Cu granular films, prepared by rf sputtering, displayed magnetic domain microstructures for ferromagnetic concentrations above about 32% at, and below the percolation threshold. All samples have a fcc structure with an (111) texture perpendicular to the film plane. Magnetic force microscopy (MFM) showed a variety of magnetic domain microstructures, extremely sensitive to the magnetic history of the sample, which arise from the balance of the ferromagnetic exchange, the dipolar interactions and perpendicular magnetocrystalline anisotropy, MFM images indicate that in virgin samples, magnetic bubble domains with an out-of-plane component of the magnetization are surrounded by a quasicontinuous background of opposite magnetization domains. The application of a magnetic field in different geometries drastically modifies the microstructure of the system in the remanent state: i) for an in-plane field, the MFM images show that most of the magnetic moments are aligned along the film plane, ii) for an out-of-plane field, the MFM signal increases about one order of magnitude, and out-of-plane striped domains with alternating up and down magnetization are stabilized. Numerical simulations show that a variety of metastable domain structures (similar to those observed experimentally) can be reached, depending on magnetic history, in systems with competing perpendicular anisotropy, exchange and dipolar interactions.

Budgeting rockfall and modeling sedimentary delivery in torrent systems

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

Computer simulation study of liquid lithium at 470 and 843 K

Both structural and dynamical properties of 7Li at 470 and 843 K are studied by molecular dynamics simulation and the results are comapred with the available experimental data. Two effective interatomic potentials are used, i.e., a potential derived from the Ashcroft pseudopotential [Phys. Lett. 23, 48 (1966)] and a recently proposed potential deduced from the neutral pseudoatom method [J. Phys.: Condens. Matter 5, 4283 (1993)]. Although the shape of the two potential functions is very different, the majority of the properties calculated from them are very similar. The differences among the results using the two interaction models are carefully discussed.

Static and dynamic structure of liquid metals: Role of the different parts of the interaction potential

The influence of different parts of the interaction potential on the microscopic behavior of simple liquid metals is investigated by molecular dynamics simulation. The role of the soft-core repulsive, short-range attractive, and long-range oscillatory forces on the properties of liquid lithium close to the triple point is analyzed by comparing the results from simulations of identical systems but truncating the potential at different distances. Special attention is paid to dynamic collective properties such as the dynamic structure factors, transverse current correlation functions, and transport coefficients. It is observed that, in general, the effects of the short-range attractive forces are important. On the contrary, the influence of the oscillatory long-range interactions is considerably less, being the most pronounced for the dynamic structure factor at long wavelengths. The results of this work suggest that the influence of the attractive forces becomes less significant when temperature and density increase.

Self-dynamic structure factor of dense liquids: Theory and simulation

The self-intermediate dynamic structure factor Fs(k,t) of liquid lithium near the melting temperature is calculated by molecular dynamics. The results are compared with the predictions of several theoretical approaches, paying special attention to the Lovesey model and the Wahnstrm and Sjgren mode-coupling theory. To this end the results for the Fs(k,t) second memory function predicted by both models are compared with the ones calculated from the simulations.

Velocity cross-correlations and atomic momentum transfer in simple liquids with different potential cores

Time correlation functions between the velocity of a tagged particle and velocities of particles within specified ranges of initial separations have been obtained by molecular dynamics simulation. These correlation functions have allowed us to analyze the momentum transfer between particles in different coordination shells. Two simple liquids at very different densities and two purely repulsive potentials with very different softnesses have been considered. The longitudinal correlations, which are the velocity cross-correlations along the initial direction defined by the centers of two given particles, have been calculated separately. It has been proven that these correlations should be attributed to particles both in front of and behind the central one. As with propagating longitudinal modes, they are strongly dependent on the softness of the potential core. Some characteristic features of the velocity correlation functions after the initial rise should be related to nonlongitudinal correlations. It has been shown that velocity cross-correlations between distinct particles cannot only be attributed to the direct interactions among particles, but also to the motions induced by the movement of a tagged particle on their neighbors.

When telegrapher's equation furnishes a better approximation to transport equation than the difussion approximation

It has been suggested that a solution to the transport equation which includes anisotropic scattering can be approximated by the solution to a telegrapher's equation [A.J. Ishimaru, Appl. Opt. 28, 2210 (1989)]. We show that in one dimension the telegrapher's equation furnishes an exact solution to the transport equation. In two dimensions, we show that, since the solution can become negative, the telegrapher's equation will not furnish a usable approximation. A comparison between simulated data in three dimensions indicates that the solution to the telegrapher's equation is a good approximation to that of the full transport equation at the times at which the diffusion equation furnishes an equally good approximation.

Magnetic relaxation of a one-dimensional model for small particle systems with dipolar interactions: Monte Carlo simulation

Atribution as a function of the time are analyzed and this study leads to a deeper knowledge of the microscopic processes involved in the magnetic relaxation

Control of transepithelial Na+ transport and Na-K-ATPase by oxytocin and aldosterone.

Short- and long-term effect of oxytocin on Na+ transport and Na-K-ATPase biosynthesis in the toad bladder, and the potential interaction of this hormone with aldosterone have been studied, leading to the following observations. An early Na+ transport response (oxytocin, 50 mU/ml) peaked at 10-15 min of hormone addition. At maximal stimulation a three- to fourfold increase in Na+ transport was observed, a sustained Na+ transport response (about two-fold control base line) was observed as long as the hormone was present in the medium and for up to 20 h of incubation. Pretreatment for 30 min with actinomycin D (2 micrograms/ml) did not inhibit the early response, but significantly impaired the sustained response, suggesting that de novo protein synthesis was required. The simultaneous addition of the two hormones led within 60 min to a marked potentiation of the action on Na+ transport. This synergism could be mimicked by exogenous cyclic adenosine monophosphate (cAMP). Oxytocin alone (18 h exposure, 50 mU/ml) increased the relative rate of synthesis of both alpha and beta subunits of Na-K-ATPase (1.9- and 1.6-fold, respectively; P less than 0.05), whereas aldosterone (80 nM) increased the relative rate of synthesis of the same subunits (2.6- and 2.2-fold, respectively; P less than 0.02). Finally, in contrast to what was observed at the physiological level, the interaction of oxytocin and aldosterone did not lead to a similar potentiation at the biochemical level, i.e., induction of Na-K-ATPase biosynthesis (2.7- and 2.9-fold, for alpha and beta subunits, respectively; P less than 0.025).

Monte Carlo simulation of a whole-body counter using IGOR phantoms.

Whole-body counting is a technique of choice for assessing the intake of gamma-emitting radionuclides. An appropriate calibration is necessary, which is done either by experimental measurement or by Monte Carlo (MC) calculation. The aim of this work was to validate a MC model for calibrating whole-body counters (WBCs) by comparing the results of computations with measurements performed on an anthropomorphic phantom and to investigate the effect of a change in phantom's position on the WBC counting sensitivity. GEANT MC code was used for the calculations, and an IGOR phantom loaded with several types of radionuclides was used for the experimental measurements. The results show a reasonable agreement between measurements and MC computation. A 1-cm error in phantom positioning changes the activity estimation by >2%. Considering that a 5-cm deviation of the positioning of the phantom may occur in a realistic counting scenario, this implies that the uncertainty of the activity measured by a WBC is ∼10-20%.