Three-dimensional hydrodynamic numerical modelling of fold nappe formation, basement-cover deformation and slab detachment with applications to the helvetic nappe system (W Switzerland)

Many three-dimensional (3-D) structures in rock, which formed during the deformation of the Earth's crust and lithosphere, are controlled by a difference in mechanical strength between rock units and are often the result of a geometrical instability. Such structures are, for example, folds, pinch-and-swell structures (due to necking) or cuspate-lobate structures (mullions). These struc-tures occur from the centimeter to the kilometer scale and the related deformation processes con-trol the formation of, for example, fold-and-thrust belts and extensional sedimentary basins or the deformation of the basement-cover interface. The 2-D deformation processes causing these structures are relatively well studied, however, several processes during large-strain 3-D defor-mation are still incompletely understood. One of these 3-D processes is the lateral propagation of these structures, such as fold and cusp propagation in a direction orthogonal to the shortening direction or neck propagation in direction orthogonal to the extension direction. Especially, we are interested in fold nappes which are recumbent folds with amplitudes usually exceeding 10 km and they have been presumably formed by ductile shearing. They often exhibit a constant sense of shearing and a non-linear increase of shear strain towards their overturned limb. The fold axes of the Morcles fold nappe in western Switzerland plunges to the ENE whereas the fold axes in the more eastern Doldenhorn nappe plunges to the WSW. These opposite plunge direc-tions characterize the Rawil depression (Wildstrubel depression). The Morcles nappe is mainly the result of layer parallel contraction and shearing. During the compression the massive lime-stones were more competent than the surrounding marls and shales, which led to the buckling characteristics of the Morcles nappe, especially in the north-dipping normal limb. The Dolden-horn nappe exhibits only a minor overturned fold limb. There are still no 3-D numerical studies which investigate the fundamental dynamics of the formation of the large-scale 3-D structure including the Morcles and Doldenhorn nappes and the related Rawil depression. We study the 3-D evolution of geometrical instabilities and fold nappe formation with numerical simulations based on the finite element method (FEM). Simulating geometrical instabilities caused by sharp variations of mechanical strength between rock units requires a numerical algorithm that can accurately resolve material interfaces for large differences in material properties (e.g. between limestone and shale) and for large deformations. Therefore, our FE algorithm combines a nu-merical contour-line technique and a deformable Lagrangian mesh with re-meshing. With this combined method it is possible to accurately follow the initial material contours with the FE mesh and to accurately resolve the geometrical instabilities. The algorithm can simulate 3-D de-formation for a visco-elastic rheology. The viscous rheology is described by a power-law flow law. The code is used to study the 3-D fold nappe formation, the lateral propagation of folding and also the lateral propagation of cusps due to initial half graben geometry. Thereby, the small initial geometrical perturbations for folding and necking are exactly followed by the FE mesh, whereas the initial large perturbation describing a half graben is defined by a contour line inter-secting the finite elements. Further, the 3-D algorithm is applied to 3-D viscous nacking during slab detachment. The results from various simulations are compared with 2-D resulats and a 1-D analytical solution. -- On retrouve beaucoup de structures en 3 dimensions (3-D) dans les roches qui ont pour origines une déformation de la lithosphère terrestre. Ces structures sont par exemple des plis, des boudins (pinch-and-swell) ou des mullions (cuspate-lobate) et sont présentés de l'échelle centimétrique à kilométrique. Mécaniquement, ces structures peuvent être expliquées par une différence de résistance entre les différentes unités de roches et sont généralement le fruit d'une instabilité géométrique. Ces différences mécaniques entre les unités contrôlent non seulement les types de structures rencontrées, mais également le type de déformation (thick skin, thin skin) et le style tectonique (bassin d'avant pays, chaîne d'avant pays). Les processus de la déformation en deux dimensions (2-D) formant ces structures sont relativement bien compris. Cependant, lorsque l'on ajoute la troisiéme dimension, plusieurs processus ne sont pas complètement compris lors de la déformation à large échelle. L'un de ces processus est la propagation latérale des structures, par exemple la propagation de plis ou de mullions dans la direction perpendiculaire à l'axe de com-pression, ou la propagation des zones d'amincissement des boudins perpendiculairement à la direction d'extension. Nous sommes particulièrement intéressés les nappes de plis qui sont des nappes de charriage en forme de plis couché d'une amplitude plurikilométrique et étant formées par cisaillement ductile. La plupart du temps, elles exposent un sens de cisaillement constant et une augmentation non linéaire de la déformation vers la base du flanc inverse. Un exemple connu de nappes de plis est le domaine Helvétique dans les Alpes de l'ouest. Une de ces nap-pes est la Nappe de Morcles dont l'axe de pli plonge E-NE tandis que de l'autre côté de la dépression du Rawil (ou dépression du Wildstrubel), la nappe du Doldenhorn (équivalent de la nappe de Morcles) possède un axe de pli plongeant O-SO. La forme particulière de ces nappes est due à l'alternance de couches calcaires mécaniquement résistantes et de couches mécanique-ment faibles constituées de schistes et de marnes. Ces différences mécaniques dans les couches permettent d'expliquer les plissements internes à la nappe, particulièrement dans le flanc inver-se de la nappe de Morcles. Il faut également noter que le développement du flanc inverse des nappes n'est pas le même des deux côtés de la dépression de Rawil. Ainsi la nappe de Morcles possède un important flanc inverse alors que la nappe du Doldenhorn en est presque dépour-vue. A l'heure actuelle, aucune étude numérique en 3-D n'a été menée afin de comprendre la dynamique fondamentale de la formation des nappes de Morcles et du Doldenhorn ainsi que la formation de la dépression de Rawil. Ce travail propose la première analyse de l'évolution 3-D des instabilités géométriques et de la formation des nappes de plis en utilisant des simulations numériques. Notre modèle est basé sur la méthode des éléments finis (FEM) qui permet de ré-soudre avec précision les interfaces entre deux matériaux ayant des propriétés mécaniques très différentes (par exemple entre les couches calcaires et les couches marneuses). De plus nous utilisons un maillage lagrangien déformable avec une fonction de re-meshing (production d'un nouveau maillage). Grâce à cette méthode combinée il nous est possible de suivre avec précisi-on les interfaces matérielles et de résoudre avec précision les instabilités géométriques lors de la déformation de matériaux visco-élastiques décrit par une rhéologie non linéaire (n>1). Nous uti-lisons cet algorithme afin de comprendre la formation des nappes de plis, la propagation latérale du plissement ainsi que la propagation latérale des structures de type mullions causé par une va-riation latérale de la géométrie (p.ex graben). De plus l'algorithme est utilisé pour comprendre la dynamique 3-D de l'amincissement visqueux et de la rupture de la plaque descendante en zone de subduction. Les résultats obtenus sont comparés à des modèles 2-D et à la solution analytique 1-D. -- Viele drei dimensionale (3-D) Strukturen, die in Gesteinen vorkommen und durch die Verfor-mung der Erdkruste und Litosphäre entstanden sind werden von den unterschiedlichen mechani-schen Eigenschaften der Gesteinseinheiten kontrolliert und sind häufig das Resulat von geome-trischen Istabilitäten. Zu diesen strukturen zählen zum Beispiel Falten, Pich-and-swell Struktu-ren oder sogenannte Cusbate-Lobate Strukturen (auch Mullions). Diese Strukturen kommen in verschiedenen Grössenordungen vor und können Masse von einigen Zentimeter bis zu einigen Kilometer aufweisen. Die mit der Entstehung dieser Strukturen verbundenen Prozesse kontrol-lieren die Entstehung von Gerbirgen und Sediment-Becken sowie die Verformung des Kontaktes zwischen Grundgebirge und Stedimenten. Die zwei dimensionalen (2-D) Verformungs-Prozesse die zu den genannten Strukturen führen sind bereits sehr gut untersucht. Einige Prozesse wäh-rend starker 3-D Verformung sind hingegen noch unvollständig verstanden. Einer dieser 3-D Prozesse ist die seitliche Fortpflanzung der beschriebenen Strukturen, so wie die seitliche Fort-pflanzung von Falten und Cusbate-Lobate Strukturen senkrecht zur Verkürzungsrichtung und die seitliche Fortpflanzung von Pinch-and-Swell Strukturen othogonal zur Streckungsrichtung. Insbesondere interessieren wir uns für Faltendecken, liegende Falten mit Amplituden von mehr als 10 km. Faltendecken entstehen vermutlich durch duktile Verscherung. Sie zeigen oft einen konstanten Scherungssinn und eine nicht-lineare zunahme der Scherverformung am überkipp-ten Schenkel. Die Faltenachsen der Morcles Decke in der Westschweiz fallen Richtung ONO während die Faltenachsen der östicher gelegenen Doldenhorn Decke gegen WSW einfallen. Diese entgegengesetzten Einfallrichtungen charakterisieren die Rawil Depression (Wildstrubel Depression). Die Morcles Decke ist überwiegend das Resultat von Verkürzung und Scherung parallel zu den Sedimentlagen. Während der Verkürzung verhielt sich der massive Kalkstein kompetenter als der Umliegende Mergel und Schiefer, was zur Verfaltetung Morcles Decke führ-te, vorallem in gegen Norden eifallenden überkippten Schenkel. Die Doldenhorn Decke weist dagegen einen viel kleineren überkippten Schenkel und eine stärkere Lokalisierung der Verfor-mung auf. Bis heute gibt es keine 3-D numerischen Studien, die die fundamentale Dynamik der Entstehung von grossen stark verformten 3-D Strukturen wie den Morcles und Doldenhorn Decken sowie der damit verbudenen Rawil Depression untersuchen. Wir betrachten die 3-D Ent-wicklung von geometrischen Instabilitäten sowie die Entstehung fon Faltendecken mit Hilfe von numerischen Simulationen basiert auf der Finite Elemente Methode (FEM). Die Simulation von geometrischen Instabilitäten, die aufgrund von Änderungen der Materialeigenschaften zwischen verschiedenen Gesteinseinheiten entstehen, erfortert einen numerischen Algorithmus, der in der Lage ist die Materialgrenzen mit starkem Kontrast der Materialeigenschaften (zum Beispiel zwi-schen Kalksteineinheiten und Mergel) für starke Verfomung genau aufzulösen. Um dem gerecht zu werden kombiniert unser FE Algorithmus eine numerische Contour-Linien-Technik und ein deformierbares Lagranges Netz mit Re-meshing. Mit dieser kombinierten Methode ist es mög-lich den anfänglichen Materialgrenzen mit dem FE Netz genau zu folgen und die geometrischen Instabilitäten genügend aufzulösen. Der Algorithmus ist in der Lage visko-elastische 3-D Ver-formung zu rechnen, wobei die viskose Rheologie mit Hilfe eines power-law Fliessgesetzes beschrieben wird. Mit dem numerischen Algorithmus untersuchen wir die Entstehung von 3-D Faltendecken, die seitliche Fortpflanzung der Faltung sowie der Cusbate-Lobate Strukturen die sich durch die Verkürzung eines mit Sediment gefüllten Halbgraben bilden. Dabei werden die anfänglichen geometrischen Instabilitäten der Faltung exakt mit dem FE Netz aufgelöst wäh-rend die Materialgranzen des Halbgrabens die Finiten Elemente durchschneidet. Desweiteren wird der 3-D Algorithmus auf die Einschnürung während der 3-D viskosen Plattenablösung und Subduktion angewandt. Die 3-D Resultate werden mit 2-D Ergebnissen und einer 1-D analyti-schen Lösung verglichen.

The Future of Mobile Services and Wireless Applications in the Finnish Healthcare Sector

Työn päätavoitteena oli tutkia mobiilipalveluita ja langattomia sovelluksia Suomen terveydenhuollon sektorilla. Tutkimus havainnollistaa avain-alueita, missä mobiilipalvelut ja langattomat sovellukset voivat antaa lisäarvoa perinteiseen lääketieteen harjoittamiseen, ja selvittää, mitkä ovat tähän kehitykseen liittyvät suurimmat ongelmat ja uhkat sekä tutkimustuloksiin pohjautuvat mahdolliset palvelut ja sovellukset 5-10 vuoden kuluttua. Tutkimus oli luonteeltaan kvalitatiivinen ja tutkimuksen toteuttamiseen valittiin tulevaisuudentutkimus ja erityisesti yksi sen menetelmistä, delfoi-menetelmä. Tutkimuksen aineisto kerättiin kahdelta puolistrukturoidulta haastattelukierrokselta. Työn empiirinen osuus keskittyi kuvailemaan Suomen terveydenhuollon sektoria, siinä meneillään olevia projekteja sekä teknisiä esteitä. Lisäksi pyrittiin vastaamaan tutkimuksen pääkysymykseen. Tutkimustulokset osoittivat, että tärkeät alueet, joihin langaton kommunikaatio tulisi vaikuttamaan merkittävästi, ovat ensiaputoiminta, kroonisten potilaiden etämonitorointi, välineiden kehittäminen langattomaan kommunikaatioon kotihoidon parantamiseksi ja uusien toimintamallien luomiseksi sekä lääketieteellinen yhteistyö jakamalla terveydenhuoltoon liittyvät informaation lähteet. Työn tulosten perusteellavoitiin antaa myös muutamia toimenpide-ehdotuksia jatkotutkimuksia varten.

Wireless Applications Evaluation and Development Process: Case -Paper Industry Logistics

Sähköisen liiketoiminnan ja mobiliteetin konvergenssi yhdessä teknologisen innovaation kiihtyvän vauhdin kanssa ovat saaneet aikaan kiinnostusta langattomia liiketoimintaratkaisuja kohtaan. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia sähköisen liiketoiminnan langattomien sovellusten arviointi- ja kehitysprosessia. Työ keskittyy tarkastelemaan paperiteollisuuden toimitusketjun langatonta seurantaa. Tutkimuksessa esitetään langattoman sähköisen liiketoiminnan määritelmä, kuvaillaan langattomuuden eri sovellusalueita ja sovellusten arviointi- ja kehitysprosessin strategisia sekä teknologisia ulottuvuuksia. Työ luo viitekehyksen, jonka avulla tarkastella langattomien teknologioiden merkitystä logistiikassa. Tutkimuksen merkittävin tulos on prosessimalli sovellusten arvioimiseksi ja kehittämiseksi. Mallilla kehitetty langaton sovellus osoittautui tarkastelussa hyödylliseksi toimitusketjun hallinnassa.

Puhe IP-verkossa operaattorin näkökulmasta

Tässä diplomityössä tutkittiin operaattorin IP-verkossa toteutettavia puhepalveluita. Tutkimus perustui käytännön tarpeeseen. VoIP-tekniikalla toteutetuista puheluista on nopeasti tullut vakavasti otettava haastaja perinteiselle piirikytkentäiselle puhelintekniikalle. IP-tekniikka mahdollistaa data-, puhe- sekä videopalvelujen integroimisen yhteen verkkoon. Lisäksi IP-verkko on edullinen, laajalle levinnyt ja tehokas. Nämä ominaisuudet tekevät siitä houkuttelevan vaihtoehdon puhepalvelujen alustaksi. Verkkojen yhdistyminen mahdollistaa uudentyyppisen kommunikointiympäristön, jossa voidaan käyttää monenlaisia sovelluksia ja apuvälineitä ihmisten välisen kommunikoinnin helpottamiseksi. Tähän työhön sisältyi testilaitteiston hankkiminen ja asentaminen. Laitteistolla oli pystyttävä toteuttamaan operaattorin VoIP-järjestelmä, jolla oli kyettävä toteuttamaan usealle yritykselle IP-vaihdepalvelut. Laitteistoa testattiin itse aiheutetuilla virhetilanteilla sekä koekäyttäjillä. Testauksessa selvitettiin järjestelmän soveltuvuutta operaattorin tuotantokäyttöön.

Development of the Simulation Environment for the Mobile Phone User Interfaces

Diplomityössä käsitellään Nokia Mobile Phonesin matkapuhelimien käyttöliittymäohjelmistojen suunnittelu-ja testausympäristön kehitystä. Ympäristöön lisättiin kaksi ohjelmistomodulia avustamaan simulointia ja versionhallintaa. Visualisointityökalulla matkapuhelimen toiminta voidaan jäljittää suunnittelu- kaavioihin tilasiirtyminä, kun taas vertailusovelluksella kaavioiden väliset erot nähdään graafisesti. Kehitetyt sovellukset parantavat käyttöliittymien suunnitteluprosessia tehostaen virheiden etsintää, optimointia ja versionhallintaa. Visualisointityökalun edut ovat merkittävät, koska käyttöliittymäsovellusten toiminta on havaittavissa suunnittelu- kaavioista reaaliaikaisen simuloinnin yhteydessä. Näin virheet ovat välittömästi paikannettavissa. Lisäksi työkalua voidaan hyödyntää kaavioita optimoitaessa, jolloin sovellusten kokoja muistintarve pienenee. Graafinen vertailutyökalu tuo edun rinnakkaiseen ohjelmistosuunnitteluun. Eri versioisten suunnittelukaavioiden erot ovat nähtävissä suoraan kaaviosta manuaalisen vertailun sijaan. Molemmat työkalut otettiin onnistuneesti käyttöön NMP:llä vuoden 2001 alussa.

Centralized Identity Management for Web Applications

Internet-palvelujen määrä kasvaa jatkuvasti. Henkilöllä on yleensä yksi sähköinen identiteetti jokaisessa käyttämässään palvelussa. Autentikointitunnusten turvallinen säilytys käy yhä vaikeammaksi, kun niitä kertyy yhdet jokaisesta uudesta palvelurekisteröitymisestä. Tämä diplomityö tarkastelee ongelmaa ja ratkaisuja sekä palvelulähtöisestä että teknisestä näkökulmasta. Palvelulähtöisen identiteetinhallinnan liiketoimintakonsepti ja toteutustekniikat – kuten single sign-on (SSO) ja Security Assertion Markup Language (SAML) – käydään läpi karkeiden esimerkkien avulla sekä tutustuen Nokia Account -hankkeessa tuotetun ratkaisun konseptiin ja teknisiin yksityiskohtiin. Nokia Account -palvelun ensimmäisen version toteutusta analysoidaan lopuksi identiteetinhallintapalveluiden suunnitteluperiaatteita ja vaatimuksia vasten.

Evaluation of Software Development Practices through Error Analysis

This thesis studies evaluation of software development practices through an error analysis. The work presents software development process, software testing, software errors, error classification and software process improvement methods. The practical part of the work presents results from the error analysis of one software process. It also gives improvement ideas for the project. It was noticed that the classification of the error data was inadequate in the project. Because of this it was impossible to use the error data effectively. With the error analysis we were able to show that there were deficiencies in design and analyzing phases, implementation phase and in testing phase. The work gives ideas for improving error classification and for software development practices.

Error de inclinación paleomagnética en materiales aluviales del Oligoceno superior del sector Suroriental de la Cuenca del Ebro (Region Surpirenaica, NE de España).

En el sector suroriental de la Cuenca del Ebro, la inclinación paleomagnética obtenida en las sucesiones aluviales oligocenas es considerablemente menor que la esperable, si se considera la paleolatitud de referencia calculada para esa región durante el Oligoceno. Este error de inclinación puede deberse a diversos factores, como el control hidrodinámica de las partículas magnéticas en el medio deposicional, la compactación diferencial del sedimento durante el enterramiento, o bien a la deformación tectónica. Este trabajo se ha centrado en su estudio en dos sucesiones dominantemente aluviales, donde previamente se había establecido su magnetoestratigrafia. Las litofacies aluviales y lacustres estudiadas se han agrupado en cinco grupos: areniscas grises, areniscas rojas y versicolores, limos rojos, lutitas rojas y calizas. Se ha demostrado la existencia de una correlación entre la abundancia de filosilicatos y el error de inclinación. De esta manera, las litofacies con un bajo porcentaje de filosilicatos (calizas y areniscas grises) presentan errores de unos 5', estadisticarnente no significativos, con respecto a la inclinación de referencia. Por el contrario, en materiales con un porcentaje más elevado de filosilicatos (limos y arcillas) el error puede llegar a los 25'. Este hecho no tiene repercusión en la interpretación de las polaridades magnéticas, pero si en las reconstmcciones palinspásticas y paleogeográficas basadas en los cálculos de paleolatitudes a partir de las paleoinclinaciones. Los resultados obtenidos demuestran la necesidad de cautela en la propuesta de conclusiones basadas exclusivamente en este tipo de información.

Calculation analysis of energy saving tools for fan and pump applications

This thesis analyses the calculation of FanSave and PumpSave energy saving tools calculation. With these programs energy consumption of variable speed drive control for fans and pumps can be compared to other control methods. With FanSave centrifugal and axial fans can be examined and PumpSave deals with centrifugal pumps. By means of these programs also suitable frequency converter can be chosen from the ABB collection. Programs need as initial values information about the appliances like amount of flow and efficiencies. Operation time is important factor when calculating the annual energy consumption and information about it are the length and profile. Basic theory related to fans and pumps is introduced without more precise instructions for dimensioning. FanSave and PumpSave contain various methods for flow control. These control methods are introduced in the thesis based on their operational principles and suitability. Also squirrel cage motor and frequency converter are introduced because of their close involvement to fans and pumps. Second part of the thesis contains comparison between results of FanSave’s and PumpSave’s calculation and performance curve based calculation. Also laboratory tests were made with centrifugal and axial fan and also with centrifugal pump. With the results from this thesis the calculation of these programs can be adjusted to be more accurate and also some new features can be added.

Adaptive MCMC methods with applications in environmental and geophysical models

This work presents new, efficient Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulation methods for statistical analysis in various modelling applications. When using MCMC methods, the model is simulated repeatedly to explore the probability distribution describing the uncertainties in model parameters and predictions. In adaptive MCMC methods based on the Metropolis-Hastings algorithm, the proposal distribution needed by the algorithm learns from the target distribution as the simulation proceeds. Adaptive MCMC methods have been subject of intensive research lately, as they open a way for essentially easier use of the methodology. The lack of user-friendly computer programs has been a main obstacle for wider acceptance of the methods. This work provides two new adaptive MCMC methods: DRAM and AARJ. The DRAM method has been built especially to work in high dimensional and non-linear problems. The AARJ method is an extension to DRAM for model selection problems, where the mathematical formulation of the model is uncertain and we want simultaneously to fit several different models to the same observations. The methods were developed while keeping in mind the needs of modelling applications typical in environmental sciences. The development work has been pursued while working with several application projects. The applications presented in this work are: a winter time oxygen concentration model for Lake Tuusulanjärvi and adaptive control of the aerator; a nutrition model for Lake Pyhäjärvi and lake management planning; validation of the algorithms of the GOMOS ozone remote sensing instrument on board the Envisat satellite of European Space Agency and the study of the effects of aerosol model selection on the GOMOS algorithm.

Fetal laser therapy: applications in the management of fetal pathologies.

Fetoscopic coagulation of placental anastomoses is the treatment of choice for severe twin-to-twin transfusion syndrome. In the present day, fetal laser therapy is also used to treat amniotic bands, chorioangiomas, sacrococcygeal teratomas, lower urinary tract obstructions and chest masses, all of which will be reviewed in this article. Amniotic band syndrome can cause limb amputation by impairing downstream blood flow. Large chorioangiomas (>4 cm), sacrococcygeal teratomas or fetal hyperechoic lung lesions can lead to fetal compromise and hydrops by vascular steal phenomenon or compression. Renal damage, bladder dysfunction and lastly death because of pulmonary hypolasia may be the result of megacystis caused by a posterior urethral valve. The prognosis of these pathologies can be dismal, and therapy options are limited, which has brought fetal laser therapy to the forefront. Management options discussed here are laser release of amniotic bands, laser coagulation of the placental or fetal tumor feeding vessels and laser therapy by fetal cystoscopy. This review, largely based on case reports, does not intend to provide a level of evidence supporting laser therapy over other treatment options. Centralized evaluation by specialists using strict selection criteria and long-term follow-up of these rare cases are now needed to prove the value of endoscopic or ultrasound-guided laser therapy.