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Livre : Flux géophysiques (Omta) - Géosciences


Livre : Flux géophysiques (Omta) - Géosciences

Géosciences mathématiques

Mathematical Geoscience est un manuel explicatif qui vise à fournir un aperçu complet d'un certain nombre de sujets différents au sein des sciences de la Terre et de l'environnement. De manière unique, il traite ses sujets du point de vue de la modélisation mathématique avec un niveau de sophistication approprié à leur enquête appropriée. Le matériel va du niveau d'introduction, où il peut être utilisé dans les cours de premier cycle ou des cycles supérieurs, aux questions de recherche d'intérêt actuel. Les chapitres se terminent par des notes et des références, qui fournissent un point d'entrée dans la littérature, tout en permettant des pointeurs discursifs vers d'autres pistes de recherche.

Le chapitre d'introduction fournit un résumé condensé des techniques mathématiques appliquées d'analyse, telles qu'elles sont utilisées dans la modélisation mathématique appliquée moderne. Suit une succession de chapitres sur le climat, la dynamique des océans et de l'atmosphère, les rivières, les dunes, la formation du paysage, l'écoulement des eaux souterraines, la convection du manteau, le transport du magma, les glaciers et les calottes glaciaires et les inondations sous-glaciaires.

Ce livre présente toute une gamme de sujets géoscientifiques importants en un seul volume et sert de point d'entrée à un domaine en pleine expansion de véritable recherche interdisciplinaire. En abordant l'interaction entre les mathématiques et le monde réel, ce livre séduira les étudiants diplômés, les professeurs et les chercheurs dans les domaines des mathématiques appliquées, des sciences de l'environnement et de l'ingénierie.

« Les géosciences mathématiques couvrent de nombreux sujets différents liés à la terre, aux océans et à l'atmosphère, mais on peut voir qu'ils appartiennent tous au très large domaine de la dynamique des fluides géophysiques. … Chaque chapitre contient une série d'exercices. … La géoscience mathématique n'est pas seulement un excellent manuel pour un cours avancé de modélisation mathématique pour les géoscientifiques et les mathématiciens appliqués, mais aussi une référence inestimable pour les chercheurs, comme je l'ai découvert par ma propre expérience. (Jean-Claude Mareschal, Géosciences mathématiques, Vol. 44, 2012)

« Ce livre… est destiné à « répondre aux besoins actuels et futurs d'interaction entre divers domaines scientifiques et technologiques d'une part et les mathématiques d'autre part ». les sciences et l'ingénierie de l'environnement. … les lecteurs ayant une formation mathématique qui s'intéressent aux problèmes des géosciences en bénéficieront probablement le plus. … une couverture mathématique longue mais vaste et intéressante de nombreux sujets importants en géoscience. (Neil Balmforth, SIAM Review, Vol. 54 (2), 2012)

«Ce texte interdisciplinaire de mathématiques appliquées traite des applications de modèles mathématiques à divers problèmes de dynamique des fluides géophysiques, de physique et de sciences de l'environnement qui impliquent des équations aux dérivées ordinaires et partielles. … il peut être utilisé comme texte de premier cycle ou de deuxième cycle en mathématiques appliquées, physique, sciences de l'environnement et de l'ingénierie. Il sera certainement utile pour les études avancées et la recherche en mathématiques appliquées, en sciences et en ingénierie. … Cela aidera à stimuler d'autres études et recherches par les étudiants et les professionnels de la recherche. (L. Debnath, Revues mathématiques, numéro 2012 d)

« Un aperçu complet de l'application des modèles mathématiques aux problèmes de l'environnement… . le livre est vraiment incroyable : les sujets vont de la modélisation du climat au transport du magma, en passant par l'évolution du paysage, l'océan, l'atmosphère et bien plus encore. … Ce livre est très amusant, même juste à feuilleter. … Le livre s'adresse aux lecteurs ayant une certaine familiarité avec les équations différentielles et le calcul avancé. … Les exercices sont une autre caractéristique forte du livre : ils sont créatifs, nombreux et stimulants. (William J. Satzer, The Mathematical Association of America, septembre 2011)


7 - Reconstructions tectoniques des plaques de nouvelle génération à l'aide de Gplates

La tectonique des plaques est la théorie cinématique qui décrit les mouvements et les événements à grande échelle de la coquille la plus externe de la Terre solide en termes de mouvements relatifs et d'interactions de grands fragments rigides et imbriqués de la lithosphère appelés plaques tectoniques. Les plaques se forment et disparaissent progressivement au fil du temps à la suite de processus tectoniques. Il existe actuellement une douzaine de plaques majeures à la surface de la Terre, et de nombreuses plaques mineures. La configuration actuelle des plaques tectoniques est illustrée à la figure 7.1. Lorsque les plaques imbriquées se déplacent les unes par rapport aux autres, elles interagissent aux limites des plaques, où les plaques adjacentes entrent en collision, divergent ou glissent les unes sur les autres. Les interactions des plaques entraînent une variété de phénomènes de surface observables, notamment la survenue de tremblements de terre et la formation de caractéristiques de surface à grande échelle telles que des montagnes, des bassins sédimentaires, des volcans, des arcs insulaires et des fosses océaniques profondes. À son tour, l'apparition de ces phénomènes et caractéristiques de surface indique l'emplacement des limites des plaques. Pour un examen détaillé de la théorie de la tectonique des plaques, consulter Wessel et Müller (2007).

Une reconstruction tectonique des plaques est le calcul des positions et orientations des plaques tectoniques à un instant de l'histoire de la Terre. La visualisation des reconstructions est un outil précieux pour comprendre l'évolution des systèmes et des processus de la surface et de la quasi-subsurface de la Terre. Les caractéristiques géologiques et géophysiques peuvent être « incorporées » dans les plaques simulées, pour être reconstruites avec les plaques, permettant à un chercheur de suivre les mouvements de ces caractéristiques dans le temps.


Modélisation des écoulements atmosphériques et océaniques : enseignements tirés d'expériences en laboratoire et de simulations numériques

Modélisation des écoulements atmosphériques et océaniques : aperçus des expériences en laboratoire et des simulations numériques fournit un large aperçu des progrès récents dans l'utilisation d'expériences en laboratoire et de simulations numériques pour modéliser les mouvements des fluides atmosphériques et océaniques. Ce volume examine non seulement de nouveaux sujets de recherche dans l'expérimentation en laboratoire, mais met également en évidence les développements récents dans les simulations informatiques correspondantes. Alors que la puissance de calcul augmente de façon exponentielle et que de meilleurs codes numériques sont développés, l'interaction entre les simulations numériques et les expériences de laboratoire gagne en importance au sein de la communauté scientifique. Les leçons tirées des comparaisons laboratoire-modèle dans ce volume serviront de source d'inspiration pour la prochaine génération d'expériences et de simulations. Les faits saillants du volume comprennent :

La modélisation des flux atmosphériques et océaniques sera une ressource précieuse pour les étudiants diplômés, les chercheurs et les professionnels dans les domaines de la géophysique, des sciences atmosphériques, de l'océanographie, de la climatologie, de l'hydrologie et des géosciences expérimentales.

Biographies de l'auteur

Thomas Gerd Von Larcher est chercheur au Département de mathématiques et d'informatique de l'Institut de mathématiques de l'Université libre de Berlin, en Allemagne. Il a terminé son doctorat en technologie de l'ingénierie. Il est l'auteur de quelques articles de recherche et chapitres de livres. Ses intérêts de recherche incluent la méthode des éléments finis, la mécanique des fluides, la dynamique des fluides computationnelle, la physique computationnelle, le transfert de chaleur, l'océanographie, l'écoulement des fluides, la modélisation numérique.

Paul D Williams est chercheur universitaire de la Royal Society à l'Université de Reading, au Département de météorologie et au National Center for Atmospheric Science. Il est au niveau Lectorat. Il est l'auteur de plus de 80 articles de recherche, dont une récente publication dans Nature Changement Climatique. Ses intérêts de recherche comprennent l'étude de l'atmosphère et de l'océan, ainsi que leur rôle dans le temps et le climat, à l'aide de modèles mathématiques et numériques et d'expériences en laboratoire. Il est également actuellement rédacteur en chef de Lettres de recherche géophysique.


Structure à partir du mouvement dans les géosciences

Jonathan Carrivick est maître de conférences en géomorphologie à l'École de géographie de l'Université de Leeds, au Royaume-Uni. Ses principaux intérêts de recherche se situent dans les systèmes glaciaires polaires, arctiques et alpins, et se concentrent particulièrement sur les crues glaciaires et les lacs proglaciaires. Il se spécialise dans les levés topographiques numériques, en particulier pour la construction de modèles de terrain pour l'entrée dans les simulations informatiques morphodynamiques, et pour la détection de changements géomorphologiques rapides et de couplage géomorphologique dans les glaciers, les versants alpins, les moraines et les rivières à lit de gravier et à substrat rocheux.

Dr Mark Smith est maître de conférences en recherche sur l'eau à l'École de géographie de l'Université de Leeds, au Royaume-Uni. Ses recherches portent sur les interactions des surfaces rugueuses avec les flux d'air et d'eau et les méthodes de quantification de cette rugosité, avec une application particulière à l'hydraulique fluviale, au transport sédimentaire et aux bilans énergétiques de surface. Il est un spécialiste des méthodes d'enquête à haute résolution ayant travaillé avec des scanners laser terrestres pendant plus d'une décennie et plus récemment en utilisant des ensembles de données Structure-from-Motion dans une gamme d'environnements, des rivières à lit de gravier, à l'érosion des badlands à la fonte des glaciers.

Dr Duncan Quincey est professeur agrégé en géomorphologie à l'École de géographie de l'Université de Leeds, au Royaume-Uni. Ses recherches portent sur l'évolution des environnements glaciaires et alpins, avec un intérêt particulier pour les processus contrôlant le développement des lacs et les crues soudaines. Il est un spécialiste de la télédétection avec des compétences dans le développement de méthodes optiques et SAR pour récupérer les données de vitesse de surface à partir d'images satellite et dans l'utilisation de nouvelles méthodes de télédétection, telles que Structure-from-Motion, pour modéliser les processus géophysiques.


3 méthodes

Nous utilisons les sismogrammes à composante verticale des 22 coulées de débris entre 2017 et 2019 enregistrées sur 6 stations (stations ILL12, ILL13, ILL14, ILL16, ILL17 et ILL18 sur la figure 1a) pour entraîner un modèle d'apprentissage automatique et tester sa capacité de détection. . L'ILL15 et l'ILL11 n'ont pas été utilisés, car le premier a été déployé plus tard dans la saison et le second est situé dans la vallée du Rhône enregistrant de forts signaux sonores anthropiques. Les propriétés d'écoulement des débris sont présentées dans le tableau S1. Nous avons divisé les sismogrammes de laves torrentielles en fenêtres temporelles de 100 s avec un chevauchement de 50 %. Cette longueur de fenêtre est suffisamment longue pour extraire des caractéristiques spectrales stables et fournit des ensembles de données d'apprentissage suffisamment volumineux.

3.1 Données étiquetées

Pré-CD1: signaux de lave torrentielle avant le passage de CD1

Post-CD1: signaux de lave torrentielle après passage de CD1

Bruit: signaux non associés aux laves torrentielles

La division des signaux de laves torrentielles en deux classes répond au besoin de détection dans le bassin versant supérieur avant le passage de CD1. Nous nous attendons à ce que les données sismiques fassent la distinction entre les signaux pré-CD1 et post-CD1, car les amplitudes sismiques et les fréquences dominantes dépendent des distances entre le front d'écoulement et les stations d'enregistrement (Walter et al., 2017 Wenner et al., 2019 ). De plus, dans la partie inférieure de l'Illgraben, les barrages de contrôle provoquent plusieurs mètres de chute libre amplifiant la génération de signaux sismiques lorsque les rochers les traversent. Pour 20 événements, les heures d'arrivée au CD1 sont connues à partir des géophones au sein du barrage de contrôle. Pour deux événements, les détections de géophones n'étaient pas disponibles et nous avons plutôt utilisé des estimations à partir de l'emplacement de la source d'amplitude (ASL), qui trace l'emplacement du front d'écoulement en utilisant des amplitudes variables dans le temps des sismogrammes de lave torrentielle (Walter et al., 2017). Les trois classes de signaux différentes sont indiquées sur les figures 1c–1f et S25 et le partitionnement du signal en fenêtres temporelles de 100 s est présenté schématiquement sur la figure S26.

3.2 Compilation et traitement du catalogue

La construction de notre détecteur de lave torrentielle est une classification d'apprentissage automatique supervisé (Goodfellow et al., 2016), car nous demandons à un algorithme de classer un signal d'origine inconnue sur la base d'un modèle d'apprentissage automatique préalablement formé. L'apprentissage du modèle nécessite un catalogue de signaux étiquetés avec des signaux dont les classes sont connues à partir d'observations indépendantes. Nous compilons un tel ensemble de données étiquetées à partir de sismogrammes de coulées de débris définis par les heures de début et de fin des signaux sélectionnés manuellement (Figures 1d et 1f, voir le texte S1 pour plus de détails). Les sismogrammes de flux de débris sont définis comme étant les enregistrements situés entre le début du signal le plus ancien et la fin du signal le plus récent parmi toutes les stations. En incluant toutes les stations disponibles, cela donne 3 631 fenêtres temporelles pré-CD1 et 13 046 fenêtres temporelles post-CD1. Nous choisissons au hasard des fenêtres temporelles de bruit de 550 100 s de 2017, 2018 et 2019 et plusieurs sismogrammes de précipitations pour compiler le catalogue de bruit. Cela fournit 16 614 fenêtres temporelles de bruit.

Nous utilisons une approche de formation et de test en deux itérations : nous nous limitons d'abord aux 18 coulées de débris avec les signatures sismiques les plus propres. À partir de ceux-ci, nous utilisons toutes les fenêtres temporelles de 100 s de 15 événements avec des étiquettes pré-CD1 et post-CD1 pour entraîner le modèle et le tester sur les sismogrammes des coulées de débris restantes. Nous utilisons les 2/3 (11 076) des fenêtres temporelles de bruit sélectionnées au hasard pour l'apprentissage, et le reste (5 538) pour les tests. Dans la deuxième itération, nous répétons cet exercice avec des fenêtres temporelles de 20 coulées de débris pour la formation et de deux coulées de débris pour les tests. De plus, nous injectons des faux positifs (29 741 fenêtres temporelles) dès la première itération dans la classe de bruit. Cela porte la classe de bruit à 46 355 fenêtres temporelles.

3.2.1 Mise en œuvre et performances du détecteur

Plutôt que d'utiliser des signaux sismiques bruts, notre algorithme fonctionne sur 70 caractéristiques de signaux statistiques. Une caractéristique est un nombre scalaire, qui décrit les caractéristiques de la forme d'onde (par exemple, l'amplitude quadratique moyenne [RMS]), le contenu spectral (par exemple la moyenne et la variance de la transformée de Fourier discrète) et les variations du signal à travers le réseau (par exemple le rapport entre la valeur RMS maximale et RMS minimum). La liste complète des caractéristiques est donnée dans le tableau S2 et dans Provost et al. (2017). Cinquante-neuf caractéristiques sont extraites pour chaque station séparément. Onze caractéristiques du réseau sont calculées sur la base de toutes les stations disponibles (Figure S26b).

Nous utilisons le classificateur supervisé Random Forest (RF) (Breiman, 2001) comme algorithme d'apprentissage automatique, qui comprend des votes majoritaires parmi un ensemble d'arbres de décision aléatoires (Figure S27). Les arbres de décision sont formés par des opérations d'inégalité consécutives, qui déterminent si les caractéristiques sont plus petites ou plus grandes que les seuils prédéfinis. Ces seuils, l'ordre et le nombre d'opérations d'inégalité sont appris au cours de la phase d'apprentissage, tandis que les hyperparamètres (par exemple le nombre maximum d'opérations d'inégalité et le nombre total d'arbres de décision) sont déterminés comme décrit dans le texte S1.

La RF s'est avérée utile dans les applications sismologiques (par exemple, Rouet-Leduc et al., 2017 , 2019 ) et la détection de mouvements de masse (par exemple, Hibert et al., 2017 Maggi et al., 2017 Provost et al., 2017 Wenner et al. , 2020 ). Pour notre implémentation, nous utilisons la bibliothèque Python d'apprentissage automatique Scikit-learn (Pedregosa et al., 2011).

Dans la phase d'apprentissage, l'algorithme d'apprentissage automatique a accès aux fonctionnalités et à leurs étiquettes associées (pré-CD1, post-CD1 et bruit). Par la suite, les performances du modèle d'apprentissage automatique sont évaluées sur les données de test, qui n'ont pas été incluses dans la formation. Les véritables étiquettes des données de test sont comparées aux prédictions du modèle, qui peuvent être correctes ou non (Figure 2).

Évaluation du modèle d'apprentissage automatique (formation de deuxième itération). (a) Relations par paires des trois caractéristiques les plus importantes (voir le texte pour plus de détails). Les caractéristiques de chaque classe sont marquées de différentes couleurs. (b) Matrice de confusion normalisée avec étiquettes vraies et prédites (colonnes et lignes). (c) Résultats du détecteur basé sur la ML et (d) Détecteur basé sur l'ASL appliqués aux données continues de 2019. L'encart dans (c) montre un zoom sur la coulée de débris de test, qui ne faisait pas partie de l'ensemble de formation. Les lignes pointillées grises indiquent des détections individuelles et la ligne rouge montre l'alarme déclenchée après un nombre fixe de détections ultérieures.

L'algorithme RF renvoie l'importance de la caractéristique qui explique comment le modèle atteint ses prédictions (Breiman, 2001). La figure 2a montre les relations par paires entre les trois caractéristiques les plus importantes. Dans chaque sous-parcelle, deux entités sont tracées l'une contre l'autre et les distributions univariées des mêmes entités sont tracées sur la diagonale avec des tracés de densité. Les trois caractéristiques les plus importantes sont les caractéristiques du réseau : (1) rapport entre le RMS maximal et le RMS minimal dans le réseau, (2) nombre de stations avec RMS maximal et (3) cohérence maximale (corrélation croisée normalisée) entre les paires de stations. Cela montre que : (1) le modèle d'apprentissage automatique repose fortement sur les amplitudes RMS relatives à travers le réseau et le rapport d'amplitude RMS est le plus faible pour la classe pré-CD1. (2) Certaines fenêtres temporelles de bruit sont fortement corrélées. (3) ILL18 a le plus grand RMS pour la classe pré-CD1, tandis que ILL12 et ILL13 montrent le plus grand RMS pour la classe post-CD1.

Nous utilisons une matrice de confusion (Figure 2b) et une courbe de caractéristique de fonctionnement du récepteur (ROC) (Figure S30, en SI) pour évaluer les performances de notre modèle. La matrice de confusion, également appelée matrice d'erreur (Stehman, 1997 ), évalue les performances de classification dans un format de tableau avec de vraies étiquettes en colonnes et des étiquettes prédites en lignes. Pour un classificateur idéal, tous les échantillons se situent sur la diagonale où l'étiquette prédite est égale à la vraie étiquette et les valeurs diagonales sont normalisées à 1.

Dans le manuscrit principal, nous présentons les résultats de la deuxième itération, les résultats de la première itération sont présentés dans SI, figures S29-30. La matrice de confusion de la figure 2b montre l'erreur de classification la plus élevée pour la classe pré-CD1 avec 14 % des fenêtres temporelles pré-CD1 classées comme bruit. Cependant, ∼ 30 % de ces fenêtres temporelles « confondues » sont les trois premières fenêtres temporelles des sismogrammes pré-CD1, et le nombre normalisé de vrais positifs passe de 0,83 à 0,87 (pré-CD1 - la classification erronée du bruit diminue à 0,11) si nous supprimons ces fenêtres de temps de l'ensemble de test. Alors que ces échantillons initiaux sont étiquetés comme pré-CD1, ils peuvent constituer du bruit pour les stations situées plus loin du torrent. Sur la base de la diagonale de la matrice de confusion, nous nous attendons à ce que notre détecteur identifie les signaux de coulée de débris avec une précision proche de 90 %.

3.3 Détections et alarmes

Détection: une fenêtre temporelle unique dans laquelle le vote majoritaire sur les stations en ligne prédit la classe pré-CD1 ou post-CD1

Alarme: >2 détections ultérieures pour la classe pré-CD1 et >10 détections ultérieures pour la classe post-CD1

S'il n'y a pas de majorité parmi les stations en ligne, le détecteur gèle l'état d'alarme actuel et attend la prédiction de la fenêtre de temps suivante pour mettre à jour l'état d'alarme. La définition de l'alarme introduit un décalage temporel entre une détection initiale de lave torrentielle (200 s pour la classe pré-CD1 et 16 min 40 s pour la classe post-CD1, voir l'encadré de la figure 2c pour une représentation visuelle). Ce délai est faible pour la classe pré-CD1 qui est cruciale pour l'avertissement, et minimise en même temps le nombre de fausses alarmes.


Géo-électromagnétisme

Le géo-électromagnétisme étudie les concepts théoriques et les applications des méthodes de prospection électrique. Ce livre est divisé en sept chapitres qui abordent spécifiquement les concepts électromagnétiques de base et les fonctions mathématiques spéciales. Ce texte traite d'abord des approches numériques et analytiques pour délimiter les principes de la résistivité de la terre, suivi d'une description du modèle à trois couches. Ces sujets sont suivis d'une discussion sur la théorie de la polarisation électrique induite. Les chapitres suivants sont consacrés à la théorie électromagnétique pertinente du flux de courant à basse fréquence dans la conduite avec des champs variables. La discussion se déplace ensuite vers les problèmes géophysiques associés aux sources dipolaires électriques verticales, en mettant l'accent sur la plage quasi-statique dans laquelle toutes les distances significatives sont petites par rapport à la longueur d'onde en espace libre. Les derniers chapitres décrivent le développement analytique pertinent de la théorie magnétotellurique et les principes théoriques des méthodes électromagnétiques transitoires utilisées dans l'exploration géophysique. Les géophysiciens, les théoriciens et les étudiants de premier cycle trouveront ce livre inestimable.

Le géo-électromagnétisme étudie les concepts théoriques et les applications des méthodes de prospection électrique. Ce livre est divisé en sept chapitres qui abordent spécifiquement les concepts électromagnétiques de base et les fonctions mathématiques spéciales. Ce texte traite d'abord des approches numériques et analytiques pour délimiter les principes de la résistivité de la terre, suivi d'une description du modèle à trois couches. Ces sujets sont suivis d'une discussion sur la théorie de la polarisation électrique induite. Les chapitres suivants sont consacrés à la théorie électromagnétique pertinente du flux de courant à basse fréquence dans la conduite avec des champs variables. La discussion se déplace ensuite vers les problèmes géophysiques associés aux sources dipolaires électriques verticales, en mettant l'accent sur la plage quasi-statique dans laquelle toutes les distances significatives sont petites par rapport à la longueur d'onde en espace libre. Les derniers chapitres décrivent le développement analytique pertinent de la théorie magnétotellurique et les principes théoriques des méthodes électromagnétiques transitoires utilisées dans l'exploration géophysique. Les géophysiciens, les théoriciens et les étudiants de premier cycle trouveront ce livre inestimable.


Chapitre 5 - Coulées de lave

Il existe de nombreux types de modèles de mise en place de coulées de lave. Un type de modèle numérique vise à appliquer et à relier des équations décrivant les taux de refroidissement, la rhéologie et la dynamique des coulées de lave pour simuler la propagation des coulées de lave. Généralement appliqué à la mise en place de coulées de laves basaltiques, c'est ce type de modèle que nous considérons ici. Au sein de ce type de modèle, nous pouvons définir deux sous-types de simulation : à volume limité et à refroidissement limité. En appliquant et en reliant les lois régissant la capacité d'un fluide de Bingham à se répandre sous l'influence de la gravité, les simulations limitées en volume et en refroidissement répartissent les volumes de contrôle sur une topographie numérique. Les approches à volume limité étendent et amincissent un volume d'éruption fini jusqu'à ce qu'une feuille avec une épaisseur critique définie par la limite d'élasticité de la lave soit atteinte. Pour un modèle à refroidissement limité, les pertes de chaleur dues au rayonnement, à la convection et à la conduction sont estimées pour calculer les taux de refroidissement et de cristallisation du cœur. Ceux-ci peuvent être utilisés pour estimer les propriétés rhéologiques (viscosité, limite d'élasticité) de la lave. Les propriétés rhéologiques peuvent être utilisées pour estimer l'épaisseur de l'écoulement grâce à un modèle de limite d'élasticité, ainsi que la vitesse à l'aide des équations de Jeffreys ou de Navier-Stokes. De tels modèles de simulation d'écoulement reposent, à leur tour, sur des modèles bien contraints qui définissent et relient les pertes de chaleur, les vitesses de refroidissement, la cristallinité, la rhéologie, la vitesse et l'épaisseur des coulées de lave.


Dalles stagnantes et leurs flux de retour à partir de la tomographie à fréquence finie des discontinuités de 410 km et 660 km

La traction de la dalle est généralement considérée comme la force dominante qui entraîne le mouvement global des plaques tectoniques. Ce mode de convection est bien contraint dans le manteau supérieur mais le modèle de convection dans le manteau moyen est plus spéculatif. Dans cette étude, nous présentons des modèles globaux à haute résolution de la structure de discontinuité de 410 km et 660 km à partir de la tomographie à fréquence finie des précurseurs SS. Les nouveaux modèles révèlent une forte corrélation positive entre les deux discontinuités sous les grandes zones de subduction. Dans les régions où des plaques stagnantes à grande échelle ont été signalées dans la zone de transition du manteau (MTZ), les deux discontinuités se produisent à des profondeurs supérieures à la moyenne mondiale. Cette structure est bien corrélée avec les anomalies de vitesse des ondes sismiques, suggérant de possibles flux de retour du manteau inférieur réchauffant la MTZ peu profonde au-dessus des plaques stagnantes. En utilisant un modèle simple pour les dalles stagnantes dans des simulations géodynamiques, nous montrons que ce mode d'échange de masse entre le manteau supérieur et le manteau inférieur se produit principalement à proximité des dalles et que les flux de retour deviennent plus forts à mesure que l'étendue de la stagnation des dalles augmente. .


Manuel de géosciences mathématiques

Ce manuel en libre accès publié à l'occasion du 50e anniversaire de l'IAMG, présente une compilation de contributions de recherche novatrices invitées par des géoscientifiques primés qui ont contribué à façonner l'IAMG. Il contient 45 chapitres classés en cinq grandes parties (i) théorie, (ii) applications générales, (iii) exploration et estimation des ressources, (iv) revues et (v) réminiscences couvrant des sujets connexes tels que les géosciences mathématiques, la morphologie mathématique, géostatistiques, fractales et multifractales, statistiques spatiales, géostatistiques multipoints, analyse de données compositionnelles, informatique, géocalcul, méthodes numériques et théorie du chaos dans les géosciences.

B.S. Daya Sagar est professeur titulaire à l'Unité de science des systèmes et d'informatique (SSIU) de l'Institut indien de statistique de Bangalore, en Inde. Le Dr Sagar a obtenu sa maîtrise et son doctorat. diplômes en géo-ingénierie et télédétection de la Faculté d'ingénierie, Université d'Andhra, Visakhapatnam, Inde, en 1991 et 1994 respectivement. Il est également le premier chef de la SSIU. Auparavant, il a travaillé au Collège d'ingénierie de l'Université d'Andhra et au Centre de détection et de traitement d'imagerie à distance (CRISP) à l'Université nationale de Singapour à divers postes entre 1992 et 2001. Il a été professeur agrégé et chercheur à la Faculté d'ingénierie et de technologie (FET), Université multimédia, Malaisie, de 2001 à 2007. Depuis 2017, il est professeur invité à l'Université de Trente, en Italie. Ses intérêts de recherche incluent la morphologie mathématique, les GISci, le traitement d'images numériques, les fractales et les multifractales, leurs applications dans l'extraction, l'analyse et la modélisation de motifs géophysiques. Il a publié plus de 85 articles dans des revues scientifiques et est l'auteur et/ou l'éditeur invité de 11 livres et/ou numéros thématiques spéciaux pour des revues. Il a récemment écrit un livre intitulé "Mathematical Morphology in Geomorphology and GISci". Il a récemment co-édité deux numéros spéciaux sur "Filtering and Segmentation with Mathematical Morphology" pour IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing et "Applied Earth Observation and Remote Sensing in India" pour IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observation and Remote Sensing . Il est membre élu de la Royal Geographical Society (1999), de l'Indian Geophysical Union (2011) et a été membre de la New York Academy of Science de 1995 à 1996. Il a reçu le Dr. Balakrishna Memorial Award de l'Académie des sciences d'Andhra Pradesh en 1995, la médaille d'or Krishnan de l'Indian Geophysical Union en 2002, et le "Georges Matheron Award-2011 (with Lecturership)" de l'International Association for Mathematical Geosciences. . Il est le président fondateur du chapitre IEEE GRSS de la section de Bangalore. Il fait partie des comités de rédaction de Computers & Geosciences et Frontiers: Environmental Informatics.
Qiuming Cheng a fait son doctorat. en sciences de la Terre sous la supervision du Dr Frits Agterberg à l'Université d'Ottawa en 1994. Le Dr Cheng a passé un an à la Commission géologique du Canada en tant que PDF sous la supervision du Dr Graeme Bonham-Carter, et est rapidement devenu membre du corps professoral à l'Université York, Toronto, Canada en 1995 avec des nominations conjointes au Département des sciences et de l'ingénierie de la Terre et de l'Espace et au Département de géographie. Il a été promu professeur associé en 1997 et professeur titulaire en 2002. Il a reçu une bourse Changjiang Scholar Professorship en Chine par le ministère chinois de l'Éducation où il a créé et dirige le State Key Lab of Geological Processes and Mineral Resources (GPMR) situé sur les deux campus de l'Université des géosciences de Chine à Pékin et à Wuhan. Actuellement, il est titulaire d'une chaire nationale spéciale mille talents de Chine, en tant que directeur fondateur du laboratoire GPMR. Le Dr Cheng s'est spécialisé dans les géosciences mathématiques avec une concentration de recherche sur la modélisation mathématique non linéaire des processus terrestres et les techniques géoinformatiques pour la prédiction des ressources minérales. Il est auteur et co-auteur de plus de 300 articles de recherche. Il a reçu plusieurs prix prestigieux dont la Médaille Krumbein, la plus haute distinction décernée par l'Association internationale des géosciences mathématiques (IAMG). Le Dr Cheng a été président élu de l'Association internationale pour les géosciences mathématiques (IAMG) en 2012-2016. Il est le président de l'Union internationale des sciences géologiques (IUGS) pour la période entre 2016 et 2020. Le Dr Cheng est un leader international dans l'application des mathématiques non linéaires et de la géoinformatique à l'analyse, la modélisation et la prédiction d'un large éventail de processus géologiques. et évaluation quantitative des ressources minérales. Les principaux intérêts de recherche du Dr Cheng portent sur l'étude interdisciplinaire des propriétés non linéaires des systèmes terrestres, ainsi que sur l'évaluation et la prévision quantitatives des ressources naturelles et des impacts environnementaux. Ses recherches sur la théorie de l'analyse de la densité fractale et de la singularité locale et les modèles géomathématiques ont eu un impact majeur dans plusieurs disciplines géoscientifiques, y compris celles concernées par les flux thermiques des dorsales océaniques, les flambées magmatiques pendant la croissance de la croûte continentale et la formation des supercontinents, les tremblements de terre, les inondations, les phénomènes hydrothermaux. la minéralisation et la prédiction de gisements minéraux profondément enfouis.
Frits Agterberg est un géologue mathématique canadien né aux Pays-Bas qui a servi à la Commission géologique du Canada à Ottawa. Il a fréquenté l'Université d'Utrecht aux Pays-Bas de 1954 à 1961. Avec d'autres membres fondateurs, il a joué un rôle déterminant dans la création de l'Association internationale pour les géosciences mathématiques (IAMG) en 1968. Il a reçu la médaille William Christian Krumbein de l'IAMG en 1978 et il a été conférencier distingué de l'IAMG. en 2004. En 2017, il a reçu le titre de membre honoraire de l'IAMG. Il est auteur ou co-auteur de plus de 250 articles scientifiques et de cinq livres. Il a servi l'IAMG de plusieurs manières, notamment en tant que président de 2004 à 2008. Après avoir soutenu sa thèse de doctorat sur la géologie structurale des Alpes italiennes à l'Université d'Utrecht et une bourse d'un an à l'Université du Wisconsin à Madison, il est devenu " statisticien pétrologue » dans son premier emploi à la Commission géologique du Canada (CGC) en 1962. On lui a demandé de créer la Section de géomathématiques de la CGC en 1971. Il a pris sa retraite de la CGC en 1996 mais a toujours un bureau à son siège social à Ottawa. En 1968, il s'est associé à l'Université d'Ottawa où il a enseigné un cours de « Statistiques en géologie » pendant 25 ans et a supervisé six étudiants au doctorat en géomathématiques. De 1978 à 1989, il a dirigé le Projet de stratigraphie quantitative du Programme international de corrélation géologique. De 1981 à 2001, le Dr Agterberg a été correspondant de l'Académie royale des arts et des sciences des Pays-Bas. Au cours des 20 dernières années, principalement en collaboration avec Qiuming Cheng, ses collègues et étudiants de la China University of Geosciences à Wuhan et Pékin et à l'Université York, Toronto, il a travaillé sur des applications de multifractales pour étudier la distribution spatiale des métaux dans les roches. et les corps minéralisés.

“The book is an excellent resource for students, young scientists, practicing geologists, geophysicists, and geoscientists who want to better understand mathematical methods. … The handbook is a comprehensive reference that should have a place on the bookshelves of graduate students and researchers in the field of geosciences who are interested in using mathematical methods to analyze data.” (Yuriy Kostyuchenko, Mohamed Abioui and Andrea Di Cencio, Mathematical Geosciences, Vol. 52, 2020)


Borehole Geophysics

Borehole geophysics is the science of recording and analyzing measurements of physical properties made in wells or test holes. Probes that measure different properties are lowered into the borehole to collect continuous or point data that is graphically displayed as a geophysical log. Multiple logs typically are collected to take advantage of their synergistic nature--much more can be learned by the analysis of a suite of logs as a group than by the analysis of the same logs individually. Borehole geophysics is used in ground-water and environmental investigations to obtain information on well construction, rock lithology and fractures, permeability and porosity, and water quality. The geophysical logging system consists of probes, cable and drawworks, power and processing modules, and data recording units. State-of-the-art logging systems are controlled by a computer and can collect multiple logs with one pass of the probe.

Borehole geophysics is the science of recording and analyzing measurements of physical properties made in wells or test holes. Probes that measure different properties are lowered into the borehole to collect continuous or point data that is graphically displayed as a geophysical log. Multiple logs typically are collected to take advantage of their synergistic nature--much more can be learned by the analysis of a suite of logs as a group than by the analysis of the same logs individually. Borehole geophysics is used in ground-water and environmental investigations to obtain information on well construction, rock lithology and fractures, permeability and porosity, and water quality. The geophysical logging system consists of probes, cable and drawworks, power and processing modules, and data recording units. State-of-the-art logging systems are controlled by a computer and can collect multiple logs with one pass of the probe.

Borehole-geophysical logging can provide a wealth of information that is critical in gaining a better understanding of subsurface conditions needed for ground-water and environmental studies. Geophysical logs provide unbiased continuous and in-situ data and generally sample a larger volume than drilling samples.

The different hydrogeologic units found in the subsurface display a wide range of capabilities to store and transmit ground water and contaminants. Borehole-geophysical logging provides a highly efficient means to determine the character and thickness of the different geologic materials penetrated by wells and test holes. This information is essential for proper placement of casing and screens in water-supply wells and for characterizing and remediating ground-water contamination.


    The quality of ground water is highly variable and ground-water contamination may be caused by man-made or natural sources. Integration of borehole-geophysics logging with water-quality sampling provides a more complete picture, whether the objective is to develop a water-supply well or remediate a contaminated aquifer.
    Wells are the access points to the ground-water system, and knowledge of their construction and condition are important whether they are being used for ground-water supply, monitoring, or remediation. The location and condition of casing and screen can be rapidly evaluated with geophysical logging.

What are the common geophysical logs and how are they used?

Common geophysical logs include caliper, gamma, single-point resistance, spontaneous potential, normal resistivity, electromagnetic induction, fluid resistivity, temperature, flowmeter, television, and acoustic televiewer.

    record borehole diameter. Changes in borehole diameter are related to well construction, such as casing or drilling-bit size, and to fracturing or caving along the borehole wall. Because borehole diameter commonly affects log response, the caliper log is useful in the analysis of other geophysical logs, including interpretation of flowmeter logs.
    record the amount of natural gamma radiation emitted by the rocks surrounding the borehole. The most significant naturally occurring sources of gamma radiation are potassium-40 and daughter products of the uranium- and thorium-decay series. Clay- and shale-bearing rocks commonly emit relatively high gamma radiation because they include weathering products of potassium feldspar and mica and tend to concentrate uranium and thorium by ion absorption and exchange.
    record the electrical resistance from points within the borehole to an electrical ground at land surface. In general, resistance increases with increasing grain size and decreases with increasing borehole diameter, fracture density, and dissolved-solids concentration of the water. Single-point resistance logs are useful in the determination of lithology, water quality, and location of fracture zones.
    record potentials or voltages developed between the borehole fluid and the surrounding rock and fluids. Spontaneous-potential logs can be used in the determination of lithology and water quality. Collection of spontaneous-potential logs is limited to water- or mud-filled open holes.
    record the electrical resistivity of the borehole environment and surrounding rocks and water as measured by variably spaced potential electrodes on the logging probe. Typical spacing for potential electrodes are 16 inches for short-normal resistivity and 64 inches for long-normal resistivity. Normal-resistivity logs are affected by bed thickness, borehole diameter, and borehole fluid and can only be collected in water- or mud-filled open holes.
    record the electrical conductivity or resistivity of the rocks and water surrounding the borehole. Electrical conductivity and resistivity are affected by the porosity, permeability, and clay content of the rocks and by the dissolved-solids concentration of the water within the rocks. The electromagnetic-induction probe is designed to maximize vertical resolution and depth of investigation and to minimize the effects of the borehole fluid.
    record the electric resistivity of water in the borehole. Changes in fluid resistivity reflect differences in dissolved-solids concentration of water. Fluid-resistivity logs are useful for delineating water-bearing zones and identifying vertical flow in the borehole.
    record the water temperature in the borehole. Temperature logs are useful for delineating water-bearing zones and identifying vertical flow in the borehole between zones of differing hydraulic head penetrated by wells. Borehole flow between zones is indicated by temperature gradients that are less than the regional geothermal gradient, which is about 1 degree Fahrenheit per 100 feet of depth.
    record the direction and rate of vertical flow in the borehole. Borehole-flow rates can be calculated from downhole-velocity measurements and borehole diameter recorded by the caliper log. Flowmeter logs can be collected under non-pumping and(or) pumping conditions. Impeller flowmeters are the most widely used but they generally cannot resolve velocities of less than 5 ft/min. Heat-pulse and electromagnetic flowmeters can resolve velocities of less than 0.1 ft/min.
    record a color optical image of the borehole. In addition to being recorded on video-cassette-recorder tape, the optical image can be viewed in real time on a television monitor. Well construction, lithology and fractures, water level, cascading water from above the water level, and changes in borehole water quality (chemical precipitates, suspended particles, and gas) can be viewed directly with the camera.
    record a magnetically oriented, photographic image of the acoustic reflectivity of the borehole wall. Televiewer logs indicate the location and strike and dip of fractures and lithologic contacts. Collection of televiewer logs is limited to water- or mud-filled open holes.

ADVANCES IN BOREHOLE GEOPHYSICS FOR GROUNDWATER INVESTIGATIONS

Detailed information on subsurface conditions is essential for the development and management of ground-water resources and the characterization and remediation of contaminated sites. Borehole geophysical techniques provide a highly efficient means for the collection of such information. Recent advances in methods and equipment have greatly increased the ability of geoscientists to obtain subsurface information in ground-water investigations through borehole geophysical techniques.

    that are specifically designed for ground-water applications are available. The geophysical loggers are PC-based and have menu-driven software for the collection, display, and analysis of digital log data. Drawworks for shallow investigations are highly portable, and some have plastic-coated logging cables for easy decontamination. Many of the logging probes can be used in boreholes with a diameter as small as 5 centimeters. Many probes are capable of collecting multiple geophysical parameters with a single logging run, thereby greatly increasing the efficiency of the logging operation. replaced normal-resistivity logging in the oil industry many years ago. Induction probes have been designed specifically for small-diameter monitoring wells. Induction logs can be collected in water-, air-, and mud-filled holes and through PVC casing. Major factors that affect induction-log response in sand-and-gravel aquifers are the concentration of dissolved solids in the ground water and the silt and clay content of the aquifer. Induction logs, which are commonly run in combination with gamma logs, are used to identify lithology and zones of electrically conductive contamination such as landfill leachate and saltwater intrusion. that use heat-pulse and electromagnetic methods can measure extremely low vertical flow rates in boreholes. Conventional impeller flowmeters that are widely used in ground-water studies have a lower measurement limit of about 2 meters per minute, whereas the high-resolution flowmeters have lower measurement limits of less than 0.03 meters per minute. Flowmeters can be used to measure borehole flow under ambient as well as pumped conditions. Borehole-flow measurements made under ambient conditions can help to delineate transmissive fractures and other permeable zones and to indicate the direction of vertical hydraulic gradients they also are useful in interpreting fluid-conductivity logs and borehole water-quality data. Borehole-flow measurements made under pumped conditions can be used to develop hydraulic-conductivity profiles of aquifers. commonly are used in ground-water studies to inspect the condition of well casing and screens they also can be used to directly view (1) lithologic texture, grain size, and color (2) water levels and cascading water and (3) bedrock fractures. Television logs can be obtained in clear water and above the water level. The most sophisticated television systems are magnetically oriented and provide a 360-degree digital image of the borehole wall. provide a magnetically oriented, 360-degree, photographlike image of the acoustic reflectivity of the borehole wall. Televiewers have been used in the oil industry for many years and are being used increasingly in ground-water applications. Televiewer logs, which indicate acoustic transit time and reflected amplitude, can be obtained from water- or mud-filled holes. The newest digital televiewer systems allow interactive determination of fracture orientation. provides a method to detect fracture zones at distances as far as 30 meters or more from the borehole in electrically resistive rocks. Radar measurements can be made in a single borehole (transmitter and receiver in same borehole) or by cross-hole tomography (transmitter and receiver in separate boreholes). Single-hole, directional radar can be used to identify the location and orientation of fracture zones, and cross-hole tomography can be used to delineate fracture zones between boreholes. The movement of a saline tracer through fracture zones can be monitored by borehole radar.

TRAINING AND TECHNOLOGY TRANSFER

A major component of the Office of Ground Water/Branch of Geophysical Application and Support program in geophysical training and technology transfer is based in the New York Water Science Center. The multi-faceted program includes demonstrations, field training, workshops, and courses at the project, Water Science Center, Region, and Survey-wide level. State-of-the-art geophysical equipment is used for training and demonstrations including borehole radar, electromagnetic induction, digital televiewer and television, heat-pulse flowmeter, and wireline packer.

Johnson, C.D., 1994, Use of a borehole color video camera to identify lithologies, fractures, and borehole conditions in bedrock wells in the Mirror Lake Area, Grafton County, New Hampshire, in U.S. Geological Survey Toxic Substance Hydrology Program - Proceedings of the Technical Meeting, Colorado Springs, Colorado, September 20-24, 1993: U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 94-4015, p. 89-93.

Lane, J.W., Haeni, F.P., and Williams, J.H., 1994, Detection of bedrock fractures and lithologic changes using borehole radar at selected sites in Proceedings of the Fifth International Conference on Ground Penetrating Radar, Kitchener, Ontario, Canada, June 12-16, 1994: Waterloo, Ontario, Waterloo Centre for Groundwater Research, p. 557-592.

Lane, J.W., Haeni, F.P., Placzek, G., and Wright, D.L., 1996, Use of borehole-radar methods to detect a saline tracer in fractured crystalline bedrock, Mirror Lake, Grafton County, New Hampshire, in Proceedings of the 6th Annual International Conference on Ground Penetrating Radar, Sendai, Japan, September 30-October 3, 1996, p. 185-190.

Paillet, F.L., Crowder, R.E., and Hess, A.E., 1996, High-resolution flowmeter logging applications with the heat-pulse flowmeter: Journal of Environmental Engineering Geophysics, v. 1, no. 1, p. 1-11.

Williams, J.H. and Lane, J.W., 1998, Advances in borehole geophysics for ground-water investigations: U.S. Geological Survey Fact Sheet 002-98, 4 p.

Young, S.C. and Pearson, H.S., 1995, The electromagnetic borehole flowmeter - description and application: Ground Water Monitoring and Remediation Review, v. 15, no. 4, p. 138-147.

For more information on borehole geophysics:

Keys, W.S., 1990, Borehole geophysics applied to ground-water investigations: U.S. Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigation, book 2, chap. E2, 150 p.

American Society for Testing and Materials, 1995, Standard Guide for Planning and Conducting Borehole Geophysical Logging (D5753-95): Annual Book of ASTM Standards, 8 p.


Voir la vidéo: TP Géophysique Méthode Gravimétrique Part 2 Trait de Coupe (Septembre 2021).