Structure of Alluvial Valleys from 3-D Gravity Inversion: The Low Andarax Valley (Almería, Spain) Test Case

This paper presents a gravimetric study (based on 382 gravimetric stations in an area about 32 km2) of a nearly flat basin: the Low Andarax valley. This alluvial basin, close to its river mouth, is located in the extreme south of the province of Almería and coincides with one of the existing depressions in the Betic Cordillera. The paper presents new methodological work to adapt a published inversion approach (GROWTH method) to the case of an alluvial valley (sedimentary stratification, with density increase downward). The adjusted 3D density model reveals several features in the topography of the discontinuity layers between the calcareous basement (2,700 kg/m3) and two sedimentary layers (2,400 and 2,250 kg/m3). We interpret several low density alignments as corresponding to SE faults striking about N140?145°E. Some detected basement elevations (such as the one, previously known by boreholes, in Viator village) are apparently connected with the fault pattern. The outcomes of this work are: (1) new gravimetric data, (2) new methodological options, and (3) the resulting structural conclusions.

Generalization of the collision cone approach for motion safety in 3-D environments

Avoidance of collision between moving objects in a 3-D environment is fundamental to the problem of planning safe trajectories in dynamic environments. This problem appears in several diverse fields including robotics, air vehicles, underwater vehicles and computer animation. Most of the existing literature on collision prediction assumes objects to be modelled as spheres. While the conservative spherical bounding box is valid in many cases, in many other cases, where objects operate in close proximity, a less conservative approach, that allows objects to be modelled using analytic surfaces that closely mimic the shape of the object, is more desirable. In this paper, a collision cone approach (previously developed only for objects moving on a plane) is used to determine collision between objects, moving in 3-D space, whose shapes can be modelled by general quadric surfaces. Exact collision conditions for such quadric surfaces are obtained and used to derive dynamic inversion based avoidance strategies.

Empilhamento pelo método superfície de reflexão comum 2-D com topografia e introdução ao caso 3-D

O método de empilhamento sísmico CRS simula seções sísmicas ZO a partir de dados de cobertura múltipla, independente do macro-modelo de velocidades. Para meios 2-D, a função tempo de trânsito de empilhamento depende de três parâmetros, a saber: do ângulo de emergência do raio de reflexão normal (em relação à normal da superfície) e das curvaturas das frentes de onda relacionadas às ondas hipotéticas, denominadas NIP e Normal. O empilhamento CRS consiste na soma das amplitudes dos traços sísmicos em dados de múltipla cobertura, ao longo da superfície definida pela função tempo de trânsito do empilhamento CRS, que melhor se ajusta aos dados. O resultado do empilhamento CRS é assinalado a pontos de uma malha pré-definida na seção ZO. Como resultado tem-se a simulação de uma seção sísmica ZO. Isto significa que para cada ponto da seção ZO deve-se estimar o trio de parâmetros ótimos que produz a máxima coerência entre os eventos de reflexão sísmica. Nesta Tese apresenta-se fórmulas para o método CRS 2-D e para a velocidade NMO, que consideram a topografia da superfície de medição. O algoritmo é baseado na estratégia de otimização dos parâmetros de fórmula CRS através de um processo em três etapas: 1) Busca dos parâmetros, o ângulo de emergência e a curvatura da onda NIP, aplicando uma otimização global, 2) busca de um parâmetro, a curvatura da onda N, aplicando uma otimização global, e 3) busca de três parâmetros aplicando uma otimização local para refinar os parâmetros estimados nas etapas anteriores. Na primeira e segunda etapas é usado o algoritmo Simulated Annealing (SA) e na terceira etapa é usado o algoritmo Variable Metric (VM). Para o caso de uma superfície de medição com variações topográficas suaves, foi considerada a curvatura desta superfície no algoritmo do método de empilhamento CRS 2-D, com aplicação a dados sintéticos. O resultado foi uma seção ZO simulada, de alta qualidade ao ser comparada com a seção ZO obtida por modelamento direto, com uma alta razão sinal-ruído, além da estimativa do trio de parâmetros da função tempo de trânsito. Foi realizada uma nálise de sensibilidade para a nova função de tempo de trânsito CRS em relação à curvatura da superfície de medição. Os resultados demonstraram que a função tempo de trânsito CRS é mais sensível nos pontos-médios afastados do ponto central e para grandes afastamentos. As expressões da velocidade NMO apresentadas foram aplicadas para estimar as velocidades e as profundidades dos refletores para um modelo 2-D com topografia suave. Para a inversão destas velocidades e profundidades dos refletores, foi considerado o algoritmo de inversão tipo Dix. A velocidade NMO para uma superfície de medição curva, permite estimar muito melhor estas velocidades e profundidades dos refletores, que as velocidades NMO referidas as superfícies planas. Também apresenta-se uma abordagem do empilhamento CRS no caso 3-D. neste caso a função tempo de trânsito depende de oito parâmetros. São abordadas cinco estratégias de busca destes parâmetros. A combinação de duas destas estratégias (estratégias das três aproximações dos tempos de trânsito e a estratégia das configurações e curvaturas arbitrárias) foi aplicada exitosamente no empilhamento CRS 3-D de dados sintéticos e reais.

Análise de resolução em tomografia interpoços em 3-D

A aplicação de métodos de inversão aos dados de múltiplos levantamentos sísmicos interpoços permite a reconstrução de modelos de vagarosidade em 3-D de alta resolução adequados para monitoramento de processos de recuperação avançada de petróleo e caracterização de reservatórios. Entretanto, a falta de cobertura volumétrica uniforme de raios de levantamentos interpoços exige informação adicional ao sistema tomográfico para obtenção de soluções estáveis. A discretização do modelo em uma malha 3-D com células prismáticas triangulares e a decomposição em valores singulares são utilizadas para avaliar a reconstrução tomográfica em 3-D. O ângulo da projeção de modelos-alvo no subespaço ortogonal ao espaço nulo efetivo da matriz tomográfica é um critério adequado para se otimizar a malha de discretização do modelo interpretativo e a geometria de aquisição dos dados de modo a melhorar o condicionamento da reconstrução tomográfica. Esta abordagem pode ser utilizada durante as iterações lineares para redefinir a malha ou avaliar a necessidade de informação a priori adicional ao sistema tomográfico.

Modelagem direta de dados de eletrorresistividade 3-D

Dentre os métodos geofísicos, o da Eletrorresistividade é um dos mais tradicionais, com o seu desenvolvimento ocorrido há mais de 80 anos. Durante esse tempo o seu uso acompanhou o avanço no poder de processamento numérico e mais recentemente, a modelagem e inversão tridimensional tornou-se uma possibilidade para o geofísico. Apresentamos, neste trabalho, a técnica de elementos finitos aplicada ao método da eletrorresistividade 3-D, através do cálculo do potencial secundário. Para o desenvolvimento da metodologia, simulamos o levantamento do método da eletrorresistividade 3-D com os arranjos Dipolo-Dipolo e Schlumberger, visando medir as variações laterais e verticais da resistividade aparente do solo. Estes arranjos consistem na injeção de corrente elétrica na superfície e de medidas de diferenças de potencial elétrico, resultante da interação da corrente elétrica com o solo. Sendo que, as fontes e receptores são localizados de acordo com os arranjos escolhidos para o levantamento. Neste trabalho, as curvas de sondagem e as pseudo-secções de resistividade aparente, são obtidas através da modelagem de eletrorresistividade 3-D, usando malha de elementos finitos regular. Para efeito de validação, os resultados são comparados com a resposta 3-D obtida a partir dos potenciais totais.

3-D reflection seismic imaging of the Hontomin structure in the Basque-Cantabrian Basin (Spain)

Peer reviewed

3-D reflection seismic imaging of the Hontomin structure in the Basque-Cantabrian Basin (Spain)

Peer reviewed

Ex vivo investigation of novel wound healing therapies and development of a 3-D human skin equivalent wound model

It has previously been found that complexes comprised of vitronectin and growth factors (VN:GF) enhance keratinocyte protein synthesis and migration. More specifically, these complexes have been shown to significantly enhance the migration of dermal keratinocytes derived from human skin. In view of this, it was thought that these complexes may hold potential as a novel therapy for healing chronic wounds. However, there was no evidence indicating that the VN:GF complexes would retain their effect on keratinocytes in the presence of chronic wound fluid. The studies in this thesis demonstrate for the first time that the VN:GF complexes not only stimulate proliferation and migration of keratinocytes, but also these effects are maintained in the presence of chronic wound fluid in a 2-dimensional (2-D) cell culture model. Whilst the 2-D culture system provided insights into how the cells might respond to the VN:GF complexes, this investigative approach is not ideal as skin is a 3-dimensional (3-D) tissue. In view of this, a 3-D human skin equivalent (HSE) model, which reflects more closely the in vivo environment, was used to test the VN:GF complexes on epidermopoiesis. These studies revealed that the VN:GF complexes enable keratinocytes to migrate, proliferate and differentiate on a de-epidermalised dermis (DED), ultimately forming a fully stratified epidermis. In addition, fibroblasts were seeded on DED and shown to migrate into the DED in the presence of the VN:GF complexes and hyaluronic acid, another important biological factor in the wound healing cascade. This HSE model was then further developed to enable studies examining the potential of the VN:GF complexes in epidermal wound healing. Specifically, a reproducible partial-thickness HSE wound model was created in fully-defined media and monitored as it healed. In this situation, the VN:GF complexes were shown to significantly enhance keratinocyte migration and proliferation, as well as differentiation. This model was also subsequently utilized to assess the wound healing potential of a synthetic fibrin-like gel that had previously been demonstrated to bind growth factors. Of note, keratinocyte re-epitheliasation was shown to be markedly improved in the presence of this 3-D matrix, highlighting its future potential for use as a delivery vehicle for the VN:GF complexes. Furthermore, this synthetic fibrin-like gel was injected into a 4 mm diameter full-thickness wound created in the HSE, both keratinocytes and fibroblasts were shown to migrate into this gel, as revealed by immunofluorescence. Interestingly, keratinocyte migration into this matrix was found to be dependent upon the presence of the fibroblasts. Taken together, these data indicate that reproducible wounds, as created in the HSEs, provide a relevant ex vivo tool to assess potential wound healing therapies. Moreover, the models will decrease our reliance on animals for scientific experimentation. Additionally, it is clear that these models will significantly assist in the development of novel treatments, such as the VN:GF complexes and the synthetic fibrin-like gel described herein, ultimately facilitating their clinical trial in the treatment of chronic wounds.

3-D reconstruction of an ancient Egyptian mummy using X-ray computer tomography

Computer tomography has been used to image and reconstruct in 3-D an Egyptian mummy from the collection of the British Museum. This study of Tjentmutengebtiu, a priestess from the 22nd dynasty (945-715 BC) revealed invaluable information of a scientific, Egyptological and palaeopathological nature without mutilation and destruction of the painted cartonnage case or linen wrappings. Precise details on the removal of the brain through the nasal cavity and the viscera from the abdominal cavity were obtained. The nature and composition of the false eyes were investigated. The detailed analysis of the teeth provided a much closer approximation of age at death. The identification of materials used for the various amulets including that of the figures placed in the viscera was graphically demonstrated using this technique.

Towards automated and in-situ, near-real time 3-D reconstruction of coral reef environments

Coral reefs are biologically complex ecosystems that support a wide variety of marine organisms. These are fragile communities under enormous threat from natural and human-based influences. Properly assessing and measuring the growth and health of reefs is essential to understanding impacts of ocean acidification, coastal urbanisation and global warming. In this paper, we present an innovative 3-D reconstruction technique based on visual imagery as a non-intrusive, repeatable, in situ method for estimating physical parameters, such as surface area and volume for efficient assessment of long-term variability. The reconstruction algorithms are presented, and benchmarked using an existing data set. We validate the technique underwater, utilising a commercial-off-the-shelf camera and a piece of staghorn coral, Acropora cervicornis. The resulting reconstruction is compared with a laser scan of the coral piece for assessment and validation. The comparison shows that 77% of the pixels in the reconstruction are within 0.3 mm of the ground truth laser scan. Reconstruction results from an unknown video camera are also presented as a segue to future applications of this research.

Alternating direction implicit numerical method for the space and time fractional Bloch-Torrey equation in 3-D

Recently, some authors have considered a new diffusion model–space and time fractional Bloch-Torrey equation (ST-FBTE). Magin et al. (2008) have derived analytical solutions with fractional order dynamics in space (i.e., _ = 1, β an arbitrary real number, 1 < β ≤ 2) and time (i.e., 0 < α < 1, and β = 2), respectively. Yu et al. (2011) have derived an analytical solution and an effective implicit numerical method for solving ST-FBTEs, and also discussed the stability and convergence of the implicit numerical method. However, due to the computational overheads necessary to perform the simulations for nuclear magnetic resonance (NMR) in three dimensions, they present a study based on a two-dimensional example to confirm their theoretical analysis. Alternating direction implicit (ADI) schemes have been proposed for the numerical simulations of classic differential equations. The ADI schemes will reduce a multidimensional problem to a series of independent one-dimensional problems and are thus computationally efficient. In this paper, we consider the numerical solution of a ST-FBTE on a finite domain. The time and space derivatives in the ST-FBTE are replaced by the Caputo and the sequential Riesz fractional derivatives, respectively. A fractional alternating direction implicit scheme (FADIS) for the ST-FBTE in 3-D is proposed. Stability and convergence properties of the FADIS are discussed. Finally, some numerical results for ST-FBTE are given.