Contribution to the geology of Southern Turkey: new insights from the Mersin mélanges and from the Lycian and Antalya nappes

Abstract The study of fossil Tethyan continental margins implies the consideration of the oceanic domains to which they were connected. The advent of plate tectonics confirmed the importance of the detection of accretion-related mélanges. Ophiolitic mélanges are derived from both an upper ophiolitic obducting plate and a lower oceanic plate. Besides ophiolitic elements, the mélanges may incorporate parts of a magmatic arc and dismembered fragments of a passive continental margin. As the lower plate usually totally disappears during the obduction process, it can only be reconstructed from its elements found in the mélanges. Because of their key location at active margin boundaries, preserved accretion-related mélanges provide strong constraints on the geological evolution of former oceanic domains and their adjacent margins. The identification of Palaeotethyan remnants as accretionary series or reworked during the Late Triassic Eo-Cimmerian event, as well as the recognition of HugluPindos marginal sequences in southern Turkey and in the external Hellenides represent the main achievements of this work, making possible to establish new palaeogeographical correlations. The Mersin mélanges (Turkey), together with the Antalya and Mamonia (Cyprus) domains, are characterized by a series of exotic units found now south of the main Taurus range and compose the South-Taurides Exotic Units. The Mersin mélanges are subdivided in a Triassic and a Late Cretaceous unit. These units consist of the remnants of three major Tethyan oceans, the Palaeotethys, the Neotethys and the Huglu-Pindos. The definition and inventory of the Upper Antalya Nappes (Turkey) are still a matter of controversies and often conflicting interpretations. The recognition of Campanian radiolarians on top of the Kerner Gorge unit directly overlain by the Ordovician Seydi§ehir Fm. of the Tahtah Dag Nappe outlines a tectonic contact and demonstrates that the Upper Antalya Nappes system is composed of three different nappes, the Kerner Gorge, Bakirli and the Tahtah Dag nappes. Additionally, a limestone block in a doubtful tectonic position at the base of the Upper Antalya Nappes yielded for the first time two middle Viséan associations of foraminifers and problematic algae. The Tavas Nappe in the Lycian Nappes (Turkey) is classically divided into the Karadag, Teke Dere, Köycegiz and Haticeana units. As for the Mersin mélanges, the Tavas Nappe is highly composite and includes dismembered units belonging to the Palaeotethyan, Neotethyan and HugluPindos realms. The Karadag unit consists of a Gondwana-type platform succession ranging from the Late Devonian to the Late Triassic. It belongs to the Cimmerian Taurus terrane and was part of the northern passive margin of the Neotethys. The Teke Dere unit is composed of different parts of the Palaeotethyan succession including Late Carboniferous OIB-type basalts, Carboniferous MORB-type basalts, an Early Carboniferous siliciclastic series and a Middle Permian arc sequence. The microfauna and microflora identified in different horizons within the Teke Dere unit share strong biogeographical affinities with the northern Palaeotethyan borders. Kubergandian limestones in primary contact above the Early Carboniferous siliciclastics yielded a rich and diverse microfauna and microflora also identified in reworked cobbles within the Late Triassic Gevne Fm. of the Aladag unit (Turkey). The sedimentological evolution of the Köycegiz and Haticeana series is in many points similar to classical Pindos sequences. These series originated in the Huglu-Pindos Ocean along the northern passive margin of the Anatolian (Turkish transect) and Sitia-Pindos (Greek transect) terranes. Conglomerates at the base of the Lentas Unit in southern Crete (Greece) yielded a microfauna and microflora presenting also strong affinities with the northern borders of the Palaeotethys. This type of reworked sediments at the base of Pindos-like series would suggest a derivation from the Palaeotethyan active margin. -Résumé (French abstract) L'étude des marges continentales fossiles de l'espace téthysien implique d'étudier les domaines océaniques qui y étaient rattachés. Les progrès de la tectonique des plaques ont confirmé l'importance de la reconnaissance des mélanges d'accrétion. Les mélanges ophiolitiques dérivent d'une plaque supérieure ophiolitique qui obducte, et d'une plaque inférieure océanique. En plus d'éléments ophiolitiques, les mélanges peuvent aussi incorporer des parties d'un arc magmatique, ou des fragments d'une marge continentale passive. Comme la plaque inférieure disparaît généralement complètement durant le processus d'obduction, elle ne peut être reconstruite qu'au travers de ses éléments trouvés dans les mélanges. A cause de leur situation aux limites de marges actives, les mélanges d'accrétion bien préservés permettent de contraindre l'évolution géologique d'anciens océans et de leurs marges. L'identification de vestiges de la Paléotéthys en série d'accrétion ou remaniés lors de l'orogenèse éo-cimmérienne au Trias supérieur, ainsi que l'observation de séquences marginales de Huglu-Pinde en Turquie du sud et dans les Hellénides externes représentent les principaux résultats de ce travail, permettant d'établir de nouvelles corrélations paléogéographiques. Les mélanges de Mersin (Turquie), avec les domaines d'Antalya et de Mamonia (Chypre), sont caractérisés par des unités exotiques se trouvant au sud de la chaîne taurique, et forment les Unités Exotiques Sud-Tauriques. Les mélanges de Mersin sont subdivisés en une unité triasique, et une autre du Crétacé supérieur. Ces unités comprennent les reliques de trois principaux océans téthysiens, la Paléotéthys, la Néotéthys et Huglu-Pinde. L'inventaire et la définition des nappes supérieures d'Antalya (Turquie) sont encore matière à controverse et donne lieu à des interprétations conflictuelles. La découverte de radiolaires campaniens au sommet de l'unité de la Gorge de Kemer, directement recouverts par la formation ordovicienne de Seydisehir de la nappe du Tahtali Dag met en évidence un contact tectonique et démontre que les nappes supérieures sont composées de trois différentes nappes, celle de la Gorge de Kemer, celle du Bakirli et celle Tahtali Dag. De plus, un bloc de calcaire dont la position tectonique demeure incertaine à la base des nappes supérieures a fourni pour la première fois deux associations viséennes de foraminifères et d'algues problématiques. La nappe de Tavas dans les nappes lyciennes (Turquie) est séparée en unités du Karadag, du Teke Dere, de Köycegiz et d'Haticeana. Comme pour les mélanges de Mersin, la nappe de Tavas est composite et inclut des unités appartenant à la Paléotéthys, à la Néotéthys et à Huglu-Pinde. L'unité du Karadag est une plateforme carbonatée de type Gondwana se développant du Dévonien supérieur au Trias supérieur. Elle appartient au domaine cimmérien du Taurus et formait la marge nord de la Néotéthys. L'unité du Teke Dere est composée de différentes écailles paléotéthysiennes et inclut des basaltes d'île océanique du Carbonifère supérieur, des basaltes de ride océanique du Carbonifère, une série siliciclastique du Carbonifère supérieur et un arc du Permien moyen. Les microfaunes et -flores trouvées à différents niveaux de la série du Teke Dere partagent de fortes affinités paléogéographiques avec les marges nord de la Paléotéthys. Des calcaires du Kubergandien en contact primaire au-dessus de la série siliciclastique a donné de riches microfaunes et -flores, également identifiées dans des galets remaniés dans la formation de Gevne du Trias supérieur de l'Aladag. L'évolution sédimentologique des séries de Köycegiz et d'Haticeana sont très similaires aux séries classiques du Pinde. Ces séquences prennent leur racine dans l'océan de Huglu-Pinde, le long de la marge passive nord anatolienne (profil turc) et de la marge de Sitia-Pinde (profil grec). Des conglomérats à la base de l'unité de Lentas au sud de la Crète (Grèce) ont donné des microfaunes et flores partageant également de fortes similitudes avec les bordures nord de la Paléotéthys. Le type de sédiments remaniés à la base d'unités de type Pinde suggère une dérivation depuis la marge active de la Paléotéthys. -Résumé grand public (non-specialized abstract) Au début du 20ème siècle, Alfred Wegener bouleverse les croyances géologiques de l'époque et publie plusieurs articles sur la dérive ou la translation des continents. En utilisant des arguments géographiques (similarités des lignes de côte), paléontologiques (faunes et flores similaires) et climatiques (dépôts tropicaux et glaciaires), Wegener explique qu'il y a plusieurs millions d'années, les terres émergées actuelles ne devaient former qu'un seul et grand continent. La fin du 20ème siècle verra l'avènement de la théorie de la tectonique des plaques suite à la reconnaissance du cycle de Wilson, des rides médio-océaniques, des anomalies magnétiques dans les océans et des sutures océaniques qui représentent les reliques d'océans disparus. Le Cycle de Wilson se caractérise par une suite d'évènements géologiques majeurs pouvant se résumer de la manière suivante : (1) séparation d'un craton continental en deux parties, créant une limite de plaque divergente. C'est ce que l'on appelle un rift; (2) développement et croissance d'un océan entre ces deux blocs. Des roches magmatiques remontent à la surface de la terre et forment une chaîne de montagne sous-marine que l'on appelle ride médio-océanique ou dorsale. L'océan continue de se développer, et des sédiments se déposent à sa surface formant la suite ophiolitique ou trinité de Steinmann; (3) après une phase d'expansion plus ou moins longue, les conditions imposées aux limites des plaques à la surface de la terre changent, et l'océan se met à se refermer par disparition progressive (subduction) de sa croûte océanique sous une croûte continentale par exemple. Ceci crée une nouvelle limite de plaque, convergente cette fois; (4) la subduction de la plaque océanique sous la plaque continentale provoque une remontée de magma formant des chaînes volcaniques à la surface de la Terre ; (5) une fois que la plaque océanique a complètement disparu, les deux blocs préalablement séparés par l'océan font collision, formant ainsi une chaîne de montagne. Les chaînes de montagnes sont de manière générale formées par un empilement plus ou moins complexe de nappes. C'est au coeur de certaines de ces nappes que se trouvent les vestiges de l'océan disparu. Un des objectifs de ce travail était la recherche de ces vestiges dans le domaine téthysien de la Méditerranée orientale. Pour ce faire, nous avons parcourus une grande partie du sud de la Turquie, nous sommes allés à Chypre, dans le Sultanat d'Oman, en Iran, en Crète, et nous avons visités quelques îles grecques du Dodécanèse. La région de la Méditerranée orientale est une zone qui a été tectoniquement très active, et qui continue de l'être de nos jours par des phénomènes de subduction (ex. les volcans de Santorin), et par des mouvements coulissants entre des plaques continentales (ex. la faille nord-anatolienne) qui donnent régulièrement lieu à des tremblements de terre. Pour le géologue, la complexité de ces zones d'étude réside dans le fait que les chaînes de montagne actuelles ne contiennent en général pas seulement les restes d'un océan, mais bien de plusieurs bassins océaniques qui se sont succédés dans l'espace et dans le temps. Les nappes qui se trouvent au sud de la Turquie et dans le Dodécanèse forment un important jalon dans la chaîne alpine qui s'étend depuis les Alpes jusque dans l'Himalaya. L'idée d'un continuum au coeur de ce système se basait principalement sur l'âge des océans et sur la reconnaissance de similarités dans l'évolution des séries sédimentaires. La localisation des vestiges de la Paléotéthys ainsi que l'identification des séries sédimentaires ayant appartenu à l'océan de HugluPinde repris sous forme de nappes en Turquie et en Grèce sont cruciales pour permettre de bonnes corrélations locales et régionales. La reconnaissance, la compréhension et l'interprétation de ces séries sédimentaires permettront d'élaborer un modèle d'évolution géodynamique régional, s'appuyant sur des faits de terrains indiscutables, et prenant en compte les contraintes globales que ce genre d'exercice implique.

Características geológicas y geotécnicas de los lodos de flotación de la Sierra Minera de Cartagena-La Unión (SE España)

We present the results of a geological and geotechnical characterization of the metallurgic waste from the Sierra Minera de Cartagena-La Union. We have studied eight tailings dams from which we collected and analysed 42 samples of metallurgic waste. We measured grainsize distribution, the specific gravity of solid particles, plasticity index, permeability, both in situ and in the laboratory, direct shear characteristicsand moisture content. According to size distribution the tailings can be classified as sandy silt. Their plasticity index ranges from medium to nil. The internal friction angle varies between 28 and 42 degrees. Cohesion is between 0 and 2.2 t/m2. The specific gravity of the solid particles ranges widely from 1.8 to 4 g/cm3. The saturated hydraulic conductivity values vary between 1.3x 10-5 and 3.2x 10-9 m/s.The water content measured in situ shows that the degree of saturation remains relatively high despite low rainfall and high evaporation rates. Several tailings dams have failed. The leading causes of tailings-dam failure are: 1) slope instability; 2) overflow; 3) erosion; and 4) subsidence or collapse. The main factor leading to dam failure is that the tailings stored in the ponds are highly saturated

Efecto de los usos del suelo en la emisión de dióxido de carbono del suelo a la atmósfera en un agroecosistema semiárido del Valle del Ebro

Los cambios en los usos del suelo han contribuido de manera importante al incremento de gases de efecto invernadero en la atmósfera, especialmente de dióxido de carbono, aumentando sus emisiones desde 1970 en un 80%. Estos cambios causan la alteración de los suelos provocando un impacto sobre el ciclo del carbono, aumentando las tasas de descomposición de la fracción orgánica creando así un flujo de CO2 a la atmosfera. Entre las recomendaciones del Panel Intergubernamental de expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, en inglés), y contemplado en el Protocolo de Kyoto, se encuentra el proceso de secuestro de carbono en suelos, que implica la eliminación del CO2 atmosférico por parte de las plantas y su almacenamiento como materia orgánica del suelo. Para poder favorecer dicho proceso, en un determinado tipo de ecosistema, es fundamental conocer cuáles son los factores que gobiernan la respiración del suelo y el impacto que tienen los diferentes usos en la emisión de CO2. En el presente trabajo se han estudiado 4 usos del suelo representativos del secano aragonés: un monocultivo de cebada en siembra directa (NT), un suelo abandonado labrado (AC), un suelo abandonado no alterado (AU) y un suelo forestal (FR) con el objetivo de conocer sus tasas de respiración, la influencia de diferentes parámetros edáficos en ellas, y proponer cambios en el uso del suelo que ayuden a mitigar estas emisiones. Además, se ha dedicado un apartado para conocer cómo influyen diferentes técnicas de fertilización nitrogenada (mineral y orgánica) en la respiración de un monocultivo de cebada en siembra directa. En cuanto a los usos, los resultados obtenidos tanto in situ como en laboratorio muestran una mayor respiración en AC, siendo los valores más bajos los de NT y FR. Una de las principales conclusiones es que la supresión del laboreo y del periodo de barbecho largo, así como la conversión de tierras abandonadas y marginales a cultivos y zonas forestales se presentan en este tipo de ecosistemas como prácticas de secuestro de carbono. En el estudio de aplicación de fertilizantes, no se observó ningún cambio en la respiración del suelo después de la aplicación de nitrógeno mineral. En cambio, el suelo fertilizado con purín sí que mostró picos de emisión durante las siguientes horas a la incorporación de éste, debido fundamentalmente a su alto contenido de carbono lábil.

A Miocene mud volcano and its plumbing system: A chaotic complex revisited (Monferrato, NW Italy)

Chaotic deposits are frequently reported in the geological literature and are commonly interpreted as olistostromes or tectonic melanges. A chaotic complex in the Cenozoic succession of Monferrato (NW Italy) consists of interbedded mud breccia and burrowed silty clays that are pierced by sheared mud breccias and embed carbonate-cemented blocks. These may be represented by microcrystalline limestones or strongly cemented matrix-supported breccias locally containing remains of chemosymbiotic organisms (lucinid bivalves). Moreover, cylindrical concretions, up to 15 cm in diameter and 1 m long, occur in the chaotic complex and crosscut bedding planes at high angles. The cement of all these lithified portions is mainly dolomite characterized by low delta(13)C values (from -10.3 to -23parts per thousand PDB) and delta(18)O values up to + 7parts per thousand PDB. The delta(13)C values testify to precipitation of carbonates induced by microbial oxidation of methane, whereas the markedly positive delta(18)C signature, ubiquitous in the cylindrical concretions, is the evidence for the presence and destabilization of gas hydrates. The studied section provides a well-exposed example of the geological record of the birth, life, and death of a mud volcano. Unsheared, soft mud breccias represent mud flows along the flanks of the volcano, whereas sheared mud breccias are the result of the injection of unconsolidated overpressured fine-grained sediments, both taking place during ``eruptive'' phases. They were followed by more quiet stages of hemipelagic sedimentation, burrowing, and CH4 seeping. The cylindrical concretions represent the first described ancient example of the chimneys observed in present-day mud-volcano settings. They are the remnants of a cold-seep plumbing network that crosscut the mud volcano edifice. The chimneys were the pathway for the expulsion toward the sea floor of gas- and sediment-charged fluids likely originated from destabilization of methane gas hydrates. The association of mud breccias and methane-derived carbonates may not be due to mass gravity flows but can be primary and, therefore, is a diagnostic criterion for recognizing chaotic deposits due to mud volcano activity in the geological record.

Transformations in occluded light fraction organic matter in a clayey oxisol: evidence from 13C-CPMAS-NMR and delta13C Signature

We hypothesised that, during occlusion inside granular aggregates of oxide-rich soils, the light fraction organic matter would undergo a strong process of decomposition, either due to the slow process of aggregate formation and stabilisation or due to digestion in the macro- and meso-fauna guts. This process would favour the accumulation of recalcitrant materials inside aggregates. The aim of this study was to compare the dynamics and the chemical composition of free and occluded light fraction organic matter in a natural cerrado vegetation (woodland savannah) and a nearby pasture (Brachiaria spp.) to elucidate the transformations during occlusion of light fraction in aggregates of a clayey Oxisol. Nuclear Magnetic Resonance of the 13C, with Cross Polarisation and Magic Angle Spinning (13C-CPMAS-NMR), and 13C/12C isotopic ratio were combined to study organic matter composition and changes in carbon dynamics, respectively. The occluded light fraction had a slower turnover than the free light fraction and the heavy fraction. Organic matter in the occluded fraction also showed a higher degree of decomposition. The results confirm that processes of soil organic matter occlusion in the typical "very fine strong granular" structure of the studied oxide-rich soil led to an intense transformation, selectively preserving stable organic matter. The small amount of organic material stored as occluded light faction, as well as its stability, suggests that this is not an important or manageable sink for sequestration of atmospheric CO2.

Lead acetate toxicity in vitro: Dependence on the cell composition of the cultures.

It is well known that exposure to low doses of lead causes long-lasting neurobehavioural deficits, but the cellular changes underlying these behavioural changes remain to be elucidated. A protective role of glial cells on neurons through lead sequestration by astrocytes has been proposed. The possible modulation of lead neurotoxicity by neuron-glia interactions was examined in three-dimensional cultures of foetal rat telencephalon. Mixed-brain cell cultures or cultures enriched in either neurons or glial cells were treated for 10 days with lead acetate (10(-6) m), a concentration below the limit of cytotoxicity. Intracellular lead content and cell type-specific enzyme activities were determined. It was found that in enriched cultures neurons stored more lead than glial cells, and each cell type alone stored more lead than in co-culture. Moreover, glial cells but not neurons were more affected by lead in enriched culture than in co-culture. These results show that neuron-glia interactions attenuate the cellular lead uptake and the glial susceptibility to lead, but they do not support the idea of a protective role of astrocytes.

Phytochrome interacting factors 4 and 5 redundantly limit seedling de-etiolation in continuous far-red light.

Phytochromes are red/far-red photosensors that regulate numerous developmental programs in plants. Among them, phytochrome A (phyA) is essential to enable seedling de-etiolation under continuous far-red (FR) light, a condition that mimics the environment under a dense canopy. The ecological relevance of this response is demonstrated by the high mortality rate of phyA mutant plants that germinate in deep vegetational shade. phyA signaling involves direct interaction of the photoreceptor with phytochrome-interacting factors PIF1 and PIF3, members of the bHLH transcription factor family. Here we investigated the involvement of PIF4 and PIF5 in phyA signaling, and found that they redundantly control de-etiolation in FR light. The pif4 pif5 double mutant is hypersensitive to low fluence rates of FR light. This phenotype is dependent on FR light perception by phyA, but does not rely on alterations in the phyA level. Our microarray analysis shows that PIF4 and PIF5 are part of an inhibitory mechanism that represses the expression of some light-responsive genes in the dark, and that they are also needed for full expression of several growth-related genes in the light. Unlike PIF1 and PIF3, PIF4 and PIF5 are not degraded in response to FR light, indicating that they are light-regulated by a different mechanism. Our genetic analysis suggests that this is achieved through sequestration of these PIFs by the closely related bHLH transcription factor HFR1 (long hypocotyl in FR light).

Hydrologic Simulations of the Maquoketa River Watershed Using SWAT Working Paper 09-WP 49,June 2009

This paper describes the application of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model to the Maquoketa River watershed, located in northeast Iowa. The inputs to the model were obtained from the Environmental Protection Agency’s geographic information/database system called Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources (BASINS). Climatic data from six weather stations located in and around the watershed, and measured streamflow data from a U.S. Geological Survey gage station at the watershed outlet were used in the sensitivity analysis of SWAT model parameters as well as its calibration and validation for watershed hydrology and streamflow. A sensitivity analysis was performed using an influence coefficient method to evaluate surface runoff and base flow variations in response to changes in model input hydrologic parameters. The curve number, evaporation compensation factor, and soil available water capacity were found to be the most sensitive parameters among eight selected parameters when applying SWAT to the Maquoketa River watershed. Model calibration, facilitated by the sensitivity analysis, was performed for the period 1988 through 1993, and validation was performed for 1982 through 1987. The model performance was evaluated by well-established statistical methods and was found to explain at least 86% and 69% of the variability in the measured stream flow data for the calibration and validation periods, respectively. This initial hydrologic modeling analysis will facilitate future applications of SWAT to the Maquoketa River watershed for various watershed analysis, including water quality.

Synorogenic extension: Quantitative constraints on the age and displacement of the Zanskar shear zone (northwest Himalaya)

subsequent extension-induced exhumation. Geochronological dating of various Structural, thermobarometric, and geochronological data place limits on the age and tectonic displacement along the Zanskar shear zone, a major north-dipping synorogenic extensional structure separating the high-grade metamorphic sequence of the High Himalayan Crystalline Sequence from the overlying low-grade sedimentary rocks of the Tethyan Himalaya, A complete Barrovian metamorphic succession, from kyanite to biotite zone mineral assemblages, occurs within the I-km-thick Zanskar shear zone. Thermobarometric data indicate a difference In equilibration depths of 12 +/- 3 km between the lower kyanite zone and the garnet zone, which is Interpreted as a minimum estimate for the finite vertical displacement accommodated by the Zanskar shear zone. For the present-day dip of the structure (20 degrees), a simple geometrical model shows that a net slip of 35 +/- 9 km is required to regroup these samples to the same structural level. Because the kyanite to garnet zone rocks represent only part of the Zanskar shear zone, and because its original dip may have been less than the present-day dip, these estimates fur the finite displacement represent minimum values. Field relations and petrographic data suggest that migmatization and associated leucogranite intrusion in the footwall of the Zanskar shear zone occurred as a continuous profess starting at the Barrovian metamorphic peak and lasting throughout the subsequent extension-induced exhumation. Geochronological dataing of various leucogranitic plutons and dikes in the Zanskar shear zone footwall indicates that the main ductile shearing along the structure ended by 19.8 Ma and that extension most likely initiated shortly before 22.2 Ma.

Time-lapse and probabilistic inversion strategies for plane-wave electromagnetic data.

L'utilisation efficace des systèmes géothermaux, la séquestration du CO2 pour limiter le changement climatique et la prévention de l'intrusion d'eau salée dans les aquifères costaux ne sont que quelques exemples qui démontrent notre besoin en technologies nouvelles pour suivre l'évolution des processus souterrains à partir de la surface. Un défi majeur est d'assurer la caractérisation et l'optimisation des performances de ces technologies à différentes échelles spatiales et temporelles. Les méthodes électromagnétiques (EM) d'ondes planes sont sensibles à la conductivité électrique du sous-sol et, par conséquent, à la conductivité électrique des fluides saturant la roche, à la présence de fractures connectées, à la température et aux matériaux géologiques. Ces méthodes sont régies par des équations valides sur de larges gammes de fréquences, permettant détudier de manières analogues des processus allant de quelques mètres sous la surface jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur. Néanmoins, ces méthodes sont soumises à une perte de résolution avec la profondeur à cause des propriétés diffusives du champ électromagnétique. Pour cette raison, l'estimation des modèles du sous-sol par ces méthodes doit prendre en compte des informations a priori afin de contraindre les modèles autant que possible et de permettre la quantification des incertitudes de ces modèles de façon appropriée. Dans la présente thèse, je développe des approches permettant la caractérisation statique et dynamique du sous-sol à l'aide d'ondes EM planes. Dans une première partie, je présente une approche déterministe permettant de réaliser des inversions répétées dans le temps (time-lapse) de données d'ondes EM planes en deux dimensions. Cette stratégie est basée sur l'incorporation dans l'algorithme d'informations a priori en fonction des changements du modèle de conductivité électrique attendus. Ceci est réalisé en intégrant une régularisation stochastique et des contraintes flexibles par rapport à la gamme des changements attendus en utilisant les multiplicateurs de Lagrange. J'utilise des normes différentes de la norme l2 pour contraindre la structure du modèle et obtenir des transitions abruptes entre les régions du model qui subissent des changements dans le temps et celles qui n'en subissent pas. Aussi, j'incorpore une stratégie afin d'éliminer les erreurs systématiques de données time-lapse. Ce travail a mis en évidence l'amélioration de la caractérisation des changements temporels par rapport aux approches classiques qui réalisent des inversions indépendantes à chaque pas de temps et comparent les modèles. Dans la seconde partie de cette thèse, j'adopte un formalisme bayésien et je teste la possibilité de quantifier les incertitudes sur les paramètres du modèle dans l'inversion d'ondes EM planes. Pour ce faire, je présente une stratégie d'inversion probabiliste basée sur des pixels à deux dimensions pour des inversions de données d'ondes EM planes et de tomographies de résistivité électrique (ERT) séparées et jointes. Je compare les incertitudes des paramètres du modèle en considérant différents types d'information a priori sur la structure du modèle et différentes fonctions de vraisemblance pour décrire les erreurs sur les données. Les résultats indiquent que la régularisation du modèle est nécessaire lorsqu'on a à faire à un large nombre de paramètres car cela permet d'accélérer la convergence des chaînes et d'obtenir des modèles plus réalistes. Cependent, ces contraintes mènent à des incertitudes d'estimations plus faibles, ce qui implique des distributions a posteriori qui ne contiennent pas le vrai modèledans les régions ou` la méthode présente une sensibilité limitée. Cette situation peut être améliorée en combinant des méthodes d'ondes EM planes avec d'autres méthodes complémentaires telles que l'ERT. De plus, je montre que le poids de régularisation des paramètres et l'écart-type des erreurs sur les données peuvent être retrouvés par une inversion probabiliste. Finalement, j'évalue la possibilité de caractériser une distribution tridimensionnelle d'un panache de traceur salin injecté dans le sous-sol en réalisant une inversion probabiliste time-lapse tridimensionnelle d'ondes EM planes. Etant donné que les inversions probabilistes sont très coûteuses en temps de calcul lorsque l'espace des paramètres présente une grande dimension, je propose une stratégie de réduction du modèle ou` les coefficients de décomposition des moments de Legendre du panache de traceur injecté ainsi que sa position sont estimés. Pour ce faire, un modèle de résistivité de base est nécessaire. Il peut être obtenu avant l'expérience time-lapse. Un test synthétique montre que la méthodologie marche bien quand le modèle de résistivité de base est caractérisé correctement. Cette méthodologie est aussi appliquée à un test de trac¸age par injection d'une solution saline et d'acides réalisé dans un système géothermal en Australie, puis comparée à une inversion time-lapse tridimensionnelle réalisée selon une approche déterministe. L'inversion probabiliste permet de mieux contraindre le panache du traceur salin gr^ace à la grande quantité d'informations a priori incluse dans l'algorithme. Néanmoins, les changements de conductivités nécessaires pour expliquer les changements observés dans les données sont plus grands que ce qu'expliquent notre connaissance actuelle des phénomenès physiques. Ce problème peut être lié à la qualité limitée du modèle de résistivité de base utilisé, indiquant ainsi que des efforts plus grands devront être fournis dans le futur pour obtenir des modèles de base de bonne qualité avant de réaliser des expériences dynamiques. Les études décrites dans cette thèse montrent que les méthodes d'ondes EM planes sont très utiles pour caractériser et suivre les variations temporelles du sous-sol sur de larges échelles. Les présentes approches améliorent l'évaluation des modèles obtenus, autant en termes d'incorporation d'informations a priori, qu'en termes de quantification d'incertitudes a posteriori. De plus, les stratégies développées peuvent être appliquées à d'autres méthodes géophysiques, et offrent une grande flexibilité pour l'incorporation d'informations additionnelles lorsqu'elles sont disponibles. -- The efficient use of geothermal systems, the sequestration of CO2 to mitigate climate change, and the prevention of seawater intrusion in coastal aquifers are only some examples that demonstrate the need for novel technologies to monitor subsurface processes from the surface. A main challenge is to assure optimal performance of such technologies at different temporal and spatial scales. Plane-wave electromagnetic (EM) methods are sensitive to subsurface electrical conductivity and consequently to fluid conductivity, fracture connectivity, temperature, and rock mineralogy. These methods have governing equations that are the same over a large range of frequencies, thus allowing to study in an analogous manner processes on scales ranging from few meters close to the surface down to several hundreds of kilometers depth. Unfortunately, they suffer from a significant resolution loss with depth due to the diffusive nature of the electromagnetic fields. Therefore, estimations of subsurface models that use these methods should incorporate a priori information to better constrain the models, and provide appropriate measures of model uncertainty. During my thesis, I have developed approaches to improve the static and dynamic characterization of the subsurface with plane-wave EM methods. In the first part of this thesis, I present a two-dimensional deterministic approach to perform time-lapse inversion of plane-wave EM data. The strategy is based on the incorporation of prior information into the inversion algorithm regarding the expected temporal changes in electrical conductivity. This is done by incorporating a flexible stochastic regularization and constraints regarding the expected ranges of the changes by using Lagrange multipliers. I use non-l2 norms to penalize the model update in order to obtain sharp transitions between regions that experience temporal changes and regions that do not. I also incorporate a time-lapse differencing strategy to remove systematic errors in the time-lapse inversion. This work presents improvements in the characterization of temporal changes with respect to the classical approach of performing separate inversions and computing differences between the models. In the second part of this thesis, I adopt a Bayesian framework and use Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations to quantify model parameter uncertainty in plane-wave EM inversion. For this purpose, I present a two-dimensional pixel-based probabilistic inversion strategy for separate and joint inversions of plane-wave EM and electrical resistivity tomography (ERT) data. I compare the uncertainties of the model parameters when considering different types of prior information on the model structure and different likelihood functions to describe the data errors. The results indicate that model regularization is necessary when dealing with a large number of model parameters because it helps to accelerate the convergence of the chains and leads to more realistic models. These constraints also lead to smaller uncertainty estimates, which imply posterior distributions that do not include the true underlying model in regions where the method has limited sensitivity. This situation can be improved by combining planewave EM methods with complimentary geophysical methods such as ERT. In addition, I show that an appropriate regularization weight and the standard deviation of the data errors can be retrieved by the MCMC inversion. Finally, I evaluate the possibility of characterizing the three-dimensional distribution of an injected water plume by performing three-dimensional time-lapse MCMC inversion of planewave EM data. Since MCMC inversion involves a significant computational burden in high parameter dimensions, I propose a model reduction strategy where the coefficients of a Legendre moment decomposition of the injected water plume and its location are estimated. For this purpose, a base resistivity model is needed which is obtained prior to the time-lapse experiment. A synthetic test shows that the methodology works well when the base resistivity model is correctly characterized. The methodology is also applied to an injection experiment performed in a geothermal system in Australia, and compared to a three-dimensional time-lapse inversion performed within a deterministic framework. The MCMC inversion better constrains the water plumes due to the larger amount of prior information that is included in the algorithm. The conductivity changes needed to explain the time-lapse data are much larger than what is physically possible based on present day understandings. This issue may be related to the base resistivity model used, therefore indicating that more efforts should be given to obtain high-quality base models prior to dynamic experiments. The studies described herein give clear evidence that plane-wave EM methods are useful to characterize and monitor the subsurface at a wide range of scales. The presented approaches contribute to an improved appraisal of the obtained models, both in terms of the incorporation of prior information in the algorithms and the posterior uncertainty quantification. In addition, the developed strategies can be applied to other geophysical methods, and offer great flexibility to incorporate additional information when available.

RAGBRAI Learn about the Land; Day 4, July 2010

The University of Iowa Office of the State Archaeologist and Team Archaeology are back on RAGBRAI for our third year of Archaeology on the Road, and pleased to partner this year with the IDNR: Geological and Water Survey and the U.S. Geological Survey under the theme “Human and Natural History Partners.” Archaeology on the Road brings you the unique cultural history and prehistory of Iowa on the RAGBRAI route, pointing out interesting and significant archaeological sites and sharing Iowa’s past along the way. Look for our booth at Expo and then again on Days 1, 5 and 6 on the route, and also keep an eye out for our Team Archaeology

RAGBRAI Learn about the Land; Day 5, July 2010

The University of Iowa Office of the State Archaeologist and Team Archaeology are back on RAGBRAI for our third year of Archaeology on the Road, and pleased to partner this year with the IDNR: Geological and Water Survey and the U.S. Geological Survey under the theme “Human and Natural History Partners.” Archaeology on the Road brings you the unique cultural history and prehistory of Iowa on the RAGBRAI route, pointing out interesting and significant archaeological sites and sharing Iowa’s past along the way. Look for our booth at Expo and then again on Days 1, 5 and 6 on the route, and also keep an eye out for our Team Archaeology

RAGBRAI Learn about the Land; Day 2, July 2010

The University of Iowa Office of the State Archaeologist and Team Archaeology are back on RAGBRAI for our third year of Archaeology on the Road, and pleased to partner this year with the IDNR: Geological and Water Survey and the U.S. Geological Survey under the theme “Human and Natural History Partners.” Archaeology on the Road brings you the unique cultural history and prehistory of Iowa on the RAGBRAI route, pointing out interesting and significant archaeological sites and sharing Iowa’s past along the way. Look for our booth at Expo and then again on Days 1, 5 and 6 on the route, and also keep an eye out for our Team Archaeology

RAGBRAI Learn about the Land; Day 3, July 2010

The University of Iowa Office of the State Archaeologist and Team Archaeology are back on RAGBRAI for our third year of Archaeology on the Road, and pleased to partner this year with the IDNR: Geological and Water Survey and the U.S. Geological Survey under the theme “Human and Natural History Partners.” Archaeology on the Road brings you the unique cultural history and prehistory of Iowa on the RAGBRAI route, pointing out interesting and significant archaeological sites and sharing Iowa’s past along the way. Look for our booth at Expo and then again on Days 1, 5 and 6 on the route, and also keep an eye out for our Team Archaeology

RAGBRAI Learn about the Land; Day 6, July 2010

The University of Iowa Office of the State Archaeologist and Team Archaeology are back on RAGBRAI for our third year of Archaeology on the Road, and pleased to partner this year with the IDNR: Geological and Water Survey and the U.S. Geological Survey under the theme “Human and Natural History Partners.” Archaeology on the Road brings you the unique cultural history and prehistory of Iowa on the RAGBRAI route, pointing out interesting and significant archaeological sites and sharing Iowa’s past along the way. Look for our booth at Expo and then again on Days 1, 5 and 6 on the route, and also keep an eye out for our Team Archaeology