Abstract Impact cratering is a fundamental geomorphic process on planetary surfaces. More than 60% of known hypervelocity impact craters on Earth are either partially or completely buried beneath post-impact sediments and one-third have been discovered with geophysical methods. In this thesis, geophysical surveys (gravity, magnetics, seismic, bathymetric mapping) were conducted at the deeply buried (>400 m) Holleford impact crater (~2.35 km) and two probable impact structures (Charity Shoal, Skeleton Lake) in southern Ontario, Canada. 3-D potential field models were constructed to determine the subsurface geology and buried crater morphology, and to evaluate evidence for possible impact versus endogenic origins. Holleford Crater is a deeply buried, Late Proterozoic-Early Cambrian (ca. 550 ±100 Ma) simple impact crater (~2.4 km) in southeastern Ontario, Canada. Land-based magnetic and gravity surveys and modelling were conducted in this study, recorded a ~ -3 mGal Bouguer anomaly and small (~30 nT) magnetic anomaly over the crater basin. 3-D gravity modelling revealed a deeply buried simple impact basin in Mesoproterozoic basement with an estimated rim-to-rim diameter (D) of 1.8-2 km, a residual rim height of ~20-30 m and true depth (dt) >400 m. The southeast crater rim is dissected by a 150 m deep, 400 m wide erosional channel produced by fluvial rim dissection. The outflow is infilled by >50 m of Late Cambrian clastic sediments, indicating a probable Late Proterozoic to Early Paleozoic impact event. Charity Shoal is a 1.2-km-diameter, 20 m deep, circular bedrock shoal in eastern Lake Ontario. Marine seismic profiling and total field magnetic surveys (140-line km) were conducted over a 9-km2 area and combined with available multi-beam bathymetric data to evaluate the subsurface geology and structure origin. Seismic surveys revealed ~30 m of Quaternary sediments overlying Middle Ordovician (Trenton Group) carbonates in the central basin and evidence for folding and faulting of the structure rim. Magnetic surveys recorded an annular magnetic high (> 600 nT) and a central magnetic low (~500-600 nT) coincident with a ~-1.7 mGal Bouguer gravity anomaly. The continuity of Middle Ordovician bedrock below the structure rules out a post-Paleozoic intrusion and a pre-Paleozoic intrusion is ruled out with the gravity anomaly. A deeply-buried (> 450 m) impact crater is the only scenario consistent with geophysical evidence. The crater has a rim-to-rim diameter of ~1.2 km, and rim height of ~15-20 m. A 100-m wide breach in the southwestern rim records a possible outflow channel. Skeleton Lake is a suspected (~4.0 km) Paleozoic-age impact structure in Muskoka, Ontario. The lakebed morphology, subsurface structure and possible impact origin were investigated with high-resolution geophysical surveys (magnetics, bathymetry; ~140 line-km) and 3-D magnetic modelling. Bathymetric data reveal a deep (>65 m) central basin with arcuate (Paleozoic?) bedrock ridges that rise >30 m above the southwestern lakebed. Magnetic surveys recorded a >700 nT magnetic low, which truncates northwest-southeast regional magnetic trends. Low-amplitude, northwest-trending magnetic lineaments delineate basement shear zones below the basin centre. Through-going magnetic lineaments and lack of thermal alteration (e.g., dikes, fenitization) in Mesoproterozoic rocks indicate a volcanic origin is unlikely. A 1.2 km diameter volcanic plug with an Early Cambrian remanence (D = 82.2°, I = 82.7°) can reproduce some aspects of the magnetic anomaly but is at odds with the Bouguer gravity anomaly (~ -3 mGal). Forward modelling of a crater-form basin with induction and remanence magnetization yielded an estimated structure depth of ~1200 m. The basement surface model shows a complex basement topography with no apparent rim structure and elevated ‘pinnacles’ that may represent eroded remnants of a central uplift or a highly-dissected basement topography. The structure apparent diameter (> 4.2 km) and complex basement topography suggest a heavily-modified transitional crater, similar with the Gow (Saskatchewan, Canada) and Kärdla (Estonia) impact structures. This thesis demonstrates the subsurface exploration of confirmed and suspected impact structures, integrating seismic, potential field (magnetics, gravity) and digital elevation data within a 3-D geophysical modelling workflow. The approach provides important new insights into the surface and subsurface geology, morphology, and post-emplacement modification of the Holleford impact crater, and new geophysical constraints for evaluating two suspected impact structures. Geophysical data confirm that Charity Shoal and Skeleton Lake are deep-seated, crater-form depressions in Mesoproterozoic basement rocks. The weight of geophysical and geological evidence points to impact cratering processes as opposed to an endogenic (volcanic) origin for both structures. / Thesis / Doctor of Science (PhD)

Rising global antibiotic resistance has caused concerns over sources and pathways for the spread of contributing factors. Majority of the antimicrobials used in the U.S. are involved in veterinary medicine, primarily with livestock rearing. Animal manure land application integrates livestock farming and agroecosystems. This manure contains antibiotic resistant elements (AREs) (resistant bacteria, resistance genes, and veterinary antibiotics) that contribute towards antimicrobial resistance. Altering manure application techniques can reduce surface runoff of other contaminants such as excess N and P, pesticides, and hormones, that can impact water quality. Conventional tillage practices in the U.S. has reduced or stopped, making subsurface injection of manure a promising option when compared to surface application. Our research compared manure application methods, manure application seasons, cropping system, and manure-rainfall time gaps to gauge the impact on AREs in the environment. Two field-scale rainfall simulation studies were conducted along with one laboratory study. Using the injection method lowered concentrations of manure associated AREs entering surface runoff. When manure was surface applied and rainfall occurred 7 d after application, 9-30 times less resistant fecal coliform bacteria (FCB) entered surface runoff when compared to 1 d time gap for that broadcast method. Within a day of manure application, antibiotic resistance gene (ARG) profiles in soil began to differ from each other based on manure application and soil ARG richness in all manure-amended soil increased compared to the background. Runoff from injection plots contained 52 ARGs with higher abundance compared to runoff from surface applied plots. ARGs in the former were more correlated to soil and more correlated to manure in the latter. The highest antibiotic concentrations were in the injection slit soil of those plots. Antibiotic concentrations in samples corresponded positively to concentrations of resistant FCB and ARGs, and there was a positive correlation between resistant FCB and their associated ARGs (Spearman's ρ = 0.43-0.63). A CRIISPR-Cas12a assay for quantification of ARGs in environmental samples was just as precise as conventional methods. There is also potential for in-situ detection. These combined results can hopefully help farmers improve manure management practices that mitigate spread of AREs to surrounding water, crops, and soil. / Doctor of Philosophy / Rising global antibiotic resistance cause concerns over sources and pathways for the spread of contributing factors. Most of the antimicrobials used in the U.S. are involved in veterinary medicine, especially with livestock rearing. Overuse of antibiotics that are medically important to human medicine compromises the effectiveness of our medicines. Animal manure contains antibiotic resistant elements (AREs) such as resistant bacteria, resistance genes, and antibiotics) that contribute towards resistance issues. Once these AREs enter the environment, they can be taken up by crops, runoff into surface water or leached into ground water, or even reside within the animal products we consume. Altering manure application techniques is beneficial for nutrient conservation but also potentially for reducing ARE spread. With our research, we compared manure application methods, manure application seasons, cropping systems, and manure-rainfall time gaps to find ways to balance the need for manure application and the spread of resistance. We used two field-scale rainfall simulation studies along with one laboratory study. Overall, using the injection method resulted in significantly lower concentrations of manure associated AREs entering surface runoff. When manure was surface applied and rainfall occurred 7 d after application, less resistant fecal coliform bacteria (FCB) entered surface runoff when compared to the 1 d time gap for broadcast methods. Within a day of manure application, antibiotic resistance gene (ARG) profiles in soil began to differ from each other and soil ARG totals in all manure applied soil increased compared to the background. Runoff from injection plots contained more soil ARGs and runoff from surface applied plots containing more manure associated ARGs. The subsurface injection method also caused highest antibiotic concentrations in the injection slit soil of those plots. High antibiotic concentrations in samples generally meant high concentrations of resistant FCB and ARGs, and resistant FCB were also found with their associated ARGs as well. A CRISPR-Cas12a assay for quantification of ARGs in environmental samples was just as precise as conventional methods. There is also potential for onsite detection. These combined results can hopefully help farmers improve manure management practices that mitigate spread of AREs to surrounding water, crops, and soil.

Les infrastructures de transport est essentielle au maintien et à l'expansion des activités sociales et économiques dans les régions circumpolaires. À mesure que le climat se réchauffe, la dégradation du pergélisol sous les remblais a entraîné de graves dommages structuraux à la route, entraînant une augmentation importante des coûts d'entretien et une réduction de la durée de vie des infrastructures. Pendant ce temps, l'advection de chaleur déclenchée par les écoulements d’eau souterrains peut altérer le bilan énergétique du remblai et du pergélisol sous-jacent et modifier le régime thermique des remblais routiers. Cependant, peu de recherches ont été effectuées pour comprendre la synergie entre les processus thermiques de surface et souterrains des remblais routiers des régions froides. L'objectif de cette recherche était de comprendre les interactions thermiques entre l'atmosphère, le remblai routier, les écoulements d’eau et le pergélisol dans le contexte du changement climatique. Cette base, de connaissances est nécessaire pour la conception technique, l'entretien des routes et l'évaluation de la vulnérabilité des infrastructures. Les travaux de recherche ont permis de développer de nouvelles méthodes d'analyse thermique pour caractériser et identifier le rôle de l'advection thermique sur le changement de température d'un remblai routier expérimental au Yukon (Canada) en termes d’intensité, de vitesse et de profondeur de l'impact thermique. Les résultats montrent que l'augmentation de la température due aux flux de chaleur advectifs déclenchés par l’écoulement d'eau peut être jusqu'à deux ordres de grandeur plus rapide qu'en raison du seul réchauffement atmosphérique. La recherche a ensuite présenté un bilan énergétique de surface pour quantifier la quantité d'énergie entrant dans le centre et la pente du remblai avec des épaisseurs et des propriétés de neige variables. Le tout a été appuyé par des observations géothermique de plusieurs années et une grande quantité de données météorologiques. Les résultats illustrent que le bilan énergétique de surface est principalement contrôlé par le rayonnement net et moins par le flux de chaleur sensible. Le flux de chaleur transmis à la pente du remblai diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de l'épaisseur de la neige et diminue de façon linéaire avec l’installation du couvert de neige et la longueur de la période d’enneigement. De plus, un modèle de bilan énergétique de surface et un modèle cryohydrologique entièrement couplé ont été développés pour étudier l'impact thermique de l'advection de chaleur associée à l'écoulement de l'eau souterraine sur le dégel du pergélisol et le développement de taliks (c.-à-d. zone perpétuellement non gelée dans les zones de pergélisol). Le modèle couplé a réussi à reproduire la tendance à la hausse du plafond du pergélisol (erreur absolue moyenne <0,2 m) au cours de la période 1997-2018. Les résultats montrent que l'advection de chaleur a fourni une source d'énergie supplémentaire pour accélérer le dégel du pergélisol et a doublé le taux d’augmentation de l’épaisseur de la couche active 0,1 m·a-1 à 0,19 m·a-1, par rapport au scénario où aucun écoulement d'eau ne se produit. Le talik s'est initialement formé et développé en fonction du temps sous l’effet combiné des écoulement d’eau, de l'isolation de la neige, de la construction de la route et du réchauffement climatique. Le débit d'eau souterraine a relié des corps isolés de talik et a amené le remblai de la route dans un état thermique irréversible, en raison de la rétroaction de l'eau liquide (effet de chaleur latente) piégée dans le talik. Ces résultats montrent l'importance de l'advection de chaleur induite par l'écoulement d'eau sur le régime thermique de la sous-couche (c.-à-d. la couche de matériau de remblai) et du sous-sol (c.-à-d. le matériau natif sous un remblai) du remblai lorsque le remblai routier intercepte le drainage local. De plus, les résultats obtenus soulignent la nécessité de coupler les processus thermiques de surface et souterrains dans le but d'évaluer la stabilité thermique des routes subarctiques. / Transportation infrastructure is crucial to maintaining and expanding the social and economic activities in circumpolar regions. As the climate warms, degradation of the permafrost causes severe structural damages to the road embankment, leading to large increases in maintenance costs and reductions in its lifespan. Meanwhile, heat advection triggered by mobile water flow can alter energy balance of the embankment and underlying permafrost and modify the thermal regime of road embankments. However, little research has been done to understand the synergy between surface and subsurface thermal processes of cold region road embankments. The overall goal of this research was to elucidate thermal interactions between the atmosphere, the road embankment, mobile water flow, and permafrost within the context of climate change. This knowledge is needed for engineered design, road maintenance, and infrastructure vulnerability assessment. The research first used new thermal analysis to characterize and identify the role of heat advection on temperature change of an experimental road embankment, Yukon, Canada in terms of magnitude, rate and thermal impact depth. It shows that soil temperature increase due to advective heat fluxes triggered by mobile water flow can be up to two orders of magnitude faster than due to atmospheric warming only. The research then presented a novel surface energy balance to quantify the amount of ground heat flux entering the embankment center and slope with varying snow depth and properties, supported by multi-year thermal and meteorological observations. My results illustrate that the surface energy budget is mainly controlled by net radiation, and less by the sensible heat flux. The ground heat flux released at embankment slope exponentially decreased with the increase of snow depth, and was linearly reduced with earlier snow cover and longer snow-covered period. A fully integrated surface energy balance and cryohydrogeological model was implemented to investigate the thermal impact of heat advection associated with subsurface water flow on permafrost thaw and talik (i.e., perennially unfrozen zone in permafrost areas) development. The integrated model successfully reproduced the observed increasing trend of the active layer depth (mean absolute error < 0.2 m) over the 1997-2018 period. The results show that heat advection provided an additional energy source to expedite permafrost thaw, doubling the increasing rate of permafrost table depth from 0.1 m·a-1 to 0.19 m·a-1, compared with the scenario where no water flow occurs. Talik formation and development occurred over time under the combined effect of subsurface water flow, snow insulation, road construction and climate warming. Subsurface water flow connected isolated talik bodies and triggered an irreversible thermal state for the road embankment, due to a local feedback mechanism (latent heat effect) of trapped, unfrozen water in talik. These findings elucidate the importance of heat advection induced by mobile water flow on the thermal regime of embankment subbase (i.e., a layer of fill material) and subgrade (i.e., the native material under an embankment) when the road embankment intercepts the local drainage. Furthermore, the obtained results emphasize the need to couple surface and subsurface thermal processes to evaluate the thermal stability of sub-Arctic roads.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Methoden in der Rasterkraftmikroskopie, um die Qualität und Interpretierbarkeit von Oberflächenabbildungen auf der Nanometerskala, vor allem jener sehr weicher Proben, entscheidend zu verbessern. Der für polymere und biologische Materialien standardmäßig verwendete intermittierende Kontaktmodus führt auf weichen Oberflächen zu verfälschten Abbildungen der Topographie und der mechanischen Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden Techniken entwickelt, die einerseits zerstörungsfreie, tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie und andererseits Einzelmessungen mit variabler Dämpfung im intermittierenden Kontaktmodus ermöglichen. Die laterale Auflösung beider Methoden liegt dabei im Rahmen herkömmlicher Techniken (< 10 nm). Die Tiefenauflösung konnte im Vergleich zu anderen Methoden um eine Größenordnung auf unter 1 nm verbessert werden. Die neuen Methoden wurden auf einer breiten Palette polymerer Materialien angewandt. Die räumliche Struktur oberflächennaher Bereiche eines Blockcopolymerfilms konnte im Vergleich zu herkömmlichen Methoden deutlich genauer abgebildet werden. Gleiches wurde auf elastomerem Polypropylen erreicht. Es konnten weiche, amorphe Deckschichten auf teilkristallinen Polymeren nachgewiesen und vermessen werden, was in der organischen Elektronik eine wichtige Rolle spielen kann. Die innere Struktur selbstangeordneter Nanodrähte aus Oligothiophen-Aggregaten konnte aufgelöst werden und es wurde die Selbstanordnung von Kollagenfibrillen im gequollenen Zustand beobachtet.

Die künstliche Grundwasserabsenkung stellt eine wichtige Maßnahme für die Entwässerung von Baugruben und bergbaulich genutzten Flächen dar. Eine erfolgreiche und zielgerichtete Absenkung des Grundwasserspiegels setzt ein zweckmäßiges Design und die richtige Auswahl der genutzten Absenkungstechniken voraus. Dabei sind insbesondere die Dimension des abzusenkenden Bereichs, die Untergrundbeschaffenheit sowie zu erfüllende umweltschutzrechtliche Regelungen zu berücksichtigen. Zur Grundwasserabsenkung kommen üblicherweise verschiedene Ausführungen und Anordnungen von Pumpbrunnen zum Einsatz. Konventionelle Pumpbrunnen, welche für Absenkungsmaßnahmen eingesetzt werden, entnehmen Grundwasser aus dem Aquifer. Durch das fortwährende Abpumpen von in der Regel erheblichen Wassermengen können jedoch Umweltprobleme entstehen, und es ist mit zusätzlichen Entsorgungskosten für die Ableitung des geförderten Wassers zu rechnen. Im Gegensatz hierzu stellen vertikale Zirkulationsbrunnen (VCW) einen innovativen Ansatz dar, der eine lokale Grundwasserabsenkung ohne Nettowasserentnahme aus dem Aquifer erlaubt. Ein VCW kann als ein Einbohrlochsystem aufgefasst werden, bei dem im oberen Bereich eines Brunnens Wasser entnommen und dieses in einem separaten, weiter unten installierten Brunnenbereich wieder injiziert wird. Die erfolgreiche Anwendung dieser neuen Grundwasserabsenkungstechnik erfordert die genaue Kenntnis der Faktoren, welche für die Grundwasserströmungsverhältnisse relevant sind und somit die Absenkung bestimmen. Traditionelle Berechnungsansätze vernachlässigen oft vertikale Grundwasserbewegungen und sind deshalb für die Beschreibung der komplexen Strömungsverhältnisse in unmittelbarer Nähe eines VCW nicht geeignet. Aus diesem Grund steht die systematische Untersuchung der Grundwasserströmung unter Berücksichtigung vertikaler Strömungskomponenten im Hauptfokus dieser Arbeit. Die Untersuchungen beschäftigen sich in erster Linie mit der Entwicklung einer geeigneten Simulationsmethode, mit der Evaluierung des Einflusses relevanter hydrogeologischer Parameter sowie mit der Durchführung und Auswertung von Pumpversuchen an einem Feldstandort. Die hier vorgestellte neue Simulationsmethode koppelt den sogenannten Arbitrary‐Lagrangian‐Eulerian‐(ALE)‐Algorithmus mit der Grundwasserströmungsgleichung. Die Simulationsergebnisse werden mit mehreren analytischen Lösungen verglichen und verifiziert. Das entwickelte numerische Modell berücksichtigt auch Vertikalströmungen und eignet sich somit zur Simulation der Grundwasserströmung in der Nähe von VCW. Folglich kann nun die Lage des Grundwasserspiegels, vor allem für ungespannte Grundwasserleiter, präzise berechnet werden. Nach erfolgter Kalibrierung des numerischen Modells anhand von Felddaten wurde eine Sensitivitätsanalyse relevanter Parameter im Hinblick auf die erzielte Absenkung und deren Auswirkungen auf die Grundwasserströmungssituation durchgeführt. Die dabei erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Grundwasserabsenkung proportional zur Pumprate, indirekt proportional zur hydraulischen Leitfähigkeit und fast unabhängig von der Anisotropie des Grundwasserleiters um den VCW ist. Des Weiteren zeigte sich, dass die Lage des oberen Entnahmepunktes einen größeren Einfluss auf die Absenkung als die Lage des darunter liegenden Injektionspunktes hat. Die Größe des von der Grundwasserzirkulation beeinflussten Bereiches hängt dagegen neben dem Abstand dieser beiden Punkte hauptsächlich auch von der Anisotropie des Aquifermaterials ab. Um den Einfluss der Hydrostratigraphie auf die Grundwasserströmung zu untersuchen, wurden die Eigenschaften der einzelnen Schichten genau charakterisiert. Hierfür wurden Direct‐Push‐, Pump‐, Injektions‐ sowie Zirkulationsversuche an einem Feldstandort durchgeführt. Zudem wurden Bohrkerne entnommen und mithilfe von Siebanalysen vertikale Korngrößenverteilungsprofile im Labor bestimmt. Die eingesetzten experimentellen Methoden stellen in Kombination mit numerischen Simulationsrechnungen eine gute Basis dar, um die Rolle der Schichtstruktur im Aquifer besser beurteilen zu können. Die Untersuchungen leisten somit einen wichtigen Beitrag für das zukünftige Design und den Betrieb von VCW für Grundwasserabsenkungszwecke in ungespannten Grundwasserleitern. Zudem zeigt die hier vorliegende Arbeit das große Potential dieser neuen Grundwasserabsenkungstechnik als vielversprechende Alternative zu konventionellen Absenkungsverfahren auf.

Le golfe de Gascogne (GdG), un milieu riche en processus physiques a été étudié à partir de simulations numériques. L’étude est construite autour d'échelles allant du GdG à la sous méso-échelle. Dans la première partie, nous avons examiné la variabilité interannuelle de la température et de la salinité de surface sur une période de 53 ans : nous avons pu décrire deux tendances en lien avec I'Atlantique Nord-Est. Le refroidissement et la dessalure jusqu'en 1976 seraient liés à la grande anomalie de salinité, le réchauffement et la salinification actuels liés à I'augmentation de CO2 atmosphérique. Le GdG se caractérise par un courant de pente, lberian Poleward Current (lPC) : sa variabilité serait liée au vent du Sud-Ouest qui renforce l'lPC par un courant géostrophique dans le Bassin lbérique. L’un des résultats intéressant trouvé dans les simulations et confìrmé par les observations est l'apparition des anomalies froides liées à des upwellings en alternance avec des anomalies chaudes "La Navidad". Ces upwellings seraient liés au vent de Nord dans le Bassin lbérique mais au courant d'Ouest le long des côtes Nord espagnoles. Dans une deuxième partie, nous nous sommes attachés à la méso et sous méso-échelle à travers la détection des tourbillons et la variabilité des spectres d'énergie. Un indice basé sur le rapport entre I'anomalie de densité de surface et I'anomalie de niveau de la mer permet de détecter les tourbillons de subsurface et de les distinguer des tourbillons de surface. Une application de cet indice à partir des données satellites confirme le potentiel de détection des Slope Water Oceanic eDDIES (tourbillons de subsurface caractéristiques du GdG). La description de l'énergie cinétique turbulente (EKE) dans le GdG montre une variabilité spatiale avec un maximum le long de la côte Nord espagnole liée à I'lPC. Les pentes des spectres (k-4.2 pour la SSH, en k-2.4 pour la SST et en k-2.4 pour l'énergie cinétique) sont différents des observations satellites, mais comparables avec les précédentes études. Ces pentes de spectres ont également une variabilité saisonnière avec un maximum en hiver et un minimum en été, liée au cycle saisonnier de I'EKE. / The Bay of Biscay (BoB), an environment rich in physical processes has been studied from numerical simulations. Thestudy is built around scales from the size of BoB until sub mesoscale.ln the first part, we examined the interannual variability of the sea surface temperature and saliniÇ over a period of 53years: we were able to describe two trends related to the North-East Atlantic. Cooling and freshening until 1976 thatcould be related to the Great Salinity Anomaly and current salinification related to the atmospheric increase of CO2.The Bay of Biscay is characterized by a slope current, the lberian Poleward Current (lPC): its variability is linked to theSouth West wind strengthens the IPC by a geostrophic current in the lberian Basin. One of the interesting results foundin simulations and confirmed by observations is the appearance of cold anomalies related to upwellings and alternatingwith warm anomalies 'La Navidad'. These upwellings could be linked to the north wind in the lberian Basin but to the West current along the northern Spanish coast.ln the second part, we are committed to the meso and sub mesoscale eddies through a method of detection and throughthe variability of energy spectra. An index based on the ratio of surface density anomaly and sea level anomaly allowsdetecting subsurface vortices and distinguishing them from the surface ones. The application of this index from thesatellite data confirms the detection potential of Slope Water Oceanic Eddies (subsurface vortices of BoB).The description of the Eddy Kinetic Energy (EKE) in the BoB. shows a spatial variability with maximum along the Spanishnorth coast linked to the lPC. The slopes of the spectra (k-4.2 for SSH, k-2.4 for SST and k-2.4 for the kinetic energy) are different from satellite observations, but comparable with previous studies. These spectral slopes have a seasonalvariability with a maximum in winter and minimum in summe¡ related to the seasonal cycle of EKE.

Les premiers mètres à centaines de mètres de la proche surface terrestre sont le siège de processus naturels dont la compréhension requiert une caractérisation fine de la subsurface, via une estimation quantifiée de ses paramètres. Le géoradar est un outil de prospection indirecte à même d'ausculter les milieux naturels et d'en estimer les propriétés électriques (permittivité et conductivité). Basé sur la propagation d'ondes électromagnétiques à des fréquences allant du MHz à quelques GHz, le géoradar est utilisé à des échelles et pour des applications variées concernant la géologie, l'hydrologie ou le génie civil. Dans ce travail de thèse, je propose une méthode d'imagerie quantitative des propriétés électriques sur des sections 2D de la subsurface, à partir de données radar acquises à la surface du sol. La technique mise en oeuvre est l'inversion des formes d'ondes, qui utilise l'intégralité du champ d'ondes enregistré.Dans une première partie, je présente les principes physiques et l'outil de modélisation numérique utilisés pour simuler la propagation des ondes électromagnétiques dans les milieux hétérogènes à deux dimensions. Pour cela, un algorithme de différences finies en domaine fréquentiel développé dans le cadre des ondes visco-acoustiques est adapté au problème électromagnétique 2D grâce à une analogie mathématique.Dans une deuxième partie, le problème d'imagerie est formulé sous la forme d'une optimisation multi-paramètre puis résolu avec l'algorithme de quasi-Newton L-BFGS. Cet algorithme permet d'estimer l'effet de la matrice Hessienne, dont le rôle est crucial pour la reconstruction de paramètres de différents types comme la permittivité et la conductivité. Des tests numériques montrent toutefois que l'algorithme reste sensible aux échelles utilisées pour définir ces paramètres. Dans un exemple synthétique représentatif de la proche surface, il est cependant possible d'obtenir des cartes 2D de permittivité et de conductivité à partir de données de surface, en faisant intervenir des facteurs d'échelle et de régularisation visant à contraindre les paramètres auxquelles l'inversion est la moins sensible. Ces facteurs peuvent être déterminés en analysant la qualité de l'ajustement aux données, sans hypothèse a priori autre que la contrainte de lissage introduite par la régularisation.Dans une dernière partie, la méthode d'imagerie est confrontée à deux jeux de données réelles. Dans un premier temps, l'examen de données expérimentales permet de tester la précision des simulations numériques vis-à-vis de mesures effectuées en environnement contrôlé. La connaissance des cibles à imager permet en outre de valider la méthodologie proposée pour l'imagerie multiparamètre dans des conditions très favorables puisqu'il est possible de calibrer le signal source et de considérer l'espace libre environnant les cibles comme modèle initial pour l'inversion.Dans un deuxième temps, j'envisage le traitement d'un jeu de données radar multi-offsets acquises au sein d'un massif calcaire. L'interprétation de ces données est rendue beaucoup plus difficile par la complexité du milieu géologique environnant, ainsi que par la méconnaissance des caractéristiques précises des antennes utilisées. L'application de la méthode d'inversion des formes d'ondes à ces données requiert donc une étape préliminaire impliquant une analyse de vitesse plus classique, basée sur les arrivées directes et réfléchies, et des simulations numériques dans des modèles hypothétiques à même d'expliquer une partie des données. L'estimation du signal source est effectuée à partir d'arrivées sélectionnées, simultanément avec des valeurs moyennes de conductivité et de hauteur d'antennes de façon à reproduire au mieux les amplitudes observées. Un premier essai d'inversion montre que l'algorithme est capable d'expliquer les données dans la gamme de fréquences considérée et de reconstruire une ébauche des principaux réflecteurs. / The quantitative characterization of the shallow subsurface of the Earth is a critical issue for many environmental and societal challenges. Ground penetrating radar (GPR) is a geophysical method based on the propagation of electromagnetic waves for the prospection of the near subsurface. With central frequencies between 10~MHz and a few GHz, GPR covers a wide range of applications in geology, hydrology and civil engineering. GPR data are sensitive to variations in the electrical properties of the medium which can be related, for instance, to its water content and bring valuable information on hydrological processes. In this work, I develop a quantitative imaging method for the reconstruction of 2D distributions of permittivity and conductivity from GPR data acquired from the ground surface. The method makes use of the full waveform inversion technique (FWI), originating from seismic exploration, which exploits the entire recorded radargrams and has been proved successful in crosshole GPR applications.In a first time, I present the numerical forward modelling used to simulate the propagation of electromagnetic waves in 2D heterogeneous media and generate the synthetic GPR data that are compared to the recorded radargrams in the inversion process. A frequency-domain finite-difference algorithm originally developed in the visco-acoustic approximation is adapted to the electromagnetic problem in 2D via an acoustic-electromagnetic mathematical analogy.In a second time, the inversion scheme is formulated as a fully multiparameter optimization problem which is solved with the quasi-Newton L-BFGS algorithm. In this formulation, the effect of an approximate inverse Hessian is expected to mitigate the trade-off between the impact of permittivity and conductivity on the data. However, numerical tests on a synthetic benchmark of the literature display a large sensitivity of the method with respect to parameter scaling, showing the limits of the L-BFGS approximation. On a realistic subsurface benchmark with surface-to-surface configuration, it has been shown possible to ally parameter scaling and regularization to reconstruct 2D images of permittivity and conductivity without a priori assumptions.Finally, the imaging method is confronted to two real data sets. The consideration of laboratory-controlled data validates the proposed workflow for multiparameter imaging, as well as the accuracy of the numerical forward solutions. The application to on-ground GPR data acquired in a limestone massif is more challenging and necessitates a thorough investigation involving classical processing techniques and forward simulations. Starting permittivity models are derived from the velocity analysis of the direct arrivals and of the reflected events. The estimation of the source signature is performed together with an evaluation of an average conductivity value and of the unknown antenna height. In spite of this procedure, synthetic data do not reproduce the observed amplitudes, suggesting an effect of the radiation pattern of the shielded antennae. In preliminary tests, the inversion succeeds in fitting the data in the considered frequency range and can reconstruct reflectors from a smooth starting model.

Cette recherche doctorale porte sur la modélisation 3D de la dynamique des teneurs en eau dans le sol et le soussol lorsque les écoulements sont à saturation variable. La modélisation est basée sur une version généralisée de la loi de Darcy-Buckingham et de l’équation de Richards multidimensionnelle. Les recherches présentées dans cette thèse concernent différents volets, présentés ci-dessous, dont le fil conducteur est l’analyse de phénomènes d’écoulements en milieux poreux, contenant de fortes hétérogénéités et/ou perturbés par des fluctuations temporelles. Dans le cadre d’un partenariat de recherche entre l’IMFT et l'IRSN sur la problématique du stockage souterrain de déchets radioactifs, nous avons modélisé en 3D la dynamique du front de désaturation d’une couche argileuse autour d’une galerie souterraine ventilée, à l’aide du code volumes finis BIGFLOW 3D. Ce travail a permis de mettre au point une approche d’immersion pour la modélisation des écoulements en milieux composites. Un autre volet de cette thèse concerne une étude analytique et numérique des profils verticaux de succion et de teneur en eau lors d’une infiltration verticale, non-saturante, dans un sol hétérogène finement stratifié. Des solutions analytiques exactes et approchées sont obtenues en régime permanent, à l’aide de transformations de variables, et sont comparées avec des solutions numériques pour différents degrés d’hétérogénéité. De même, les phénomènes de « barrière capillaire » sont étudiés d’une part analytiquement et d’autre part, par expérimentations numériques transitoires d’infiltration sur des systèmes bicouches, en présence d’une nappe plus ou moins profonde. D’autre part, les écoulements nonsaturés sont étudiés, cette fois, en présence d’un forçage transitoire fortement oscillatoire, dans une colonne de sable fin homogène, sous l’effet de fluctuations périodiques du niveau de la surface libre. Une méthode multi-front mise au point lors d’une thèse précédente à l’IMFT est validée numériquement en montrant que cette méthode simule efficacement la dynamique oscillatoire des flux et des profils de pression avec un nombre limité de « fronts ». De plus, nous avons analysé la phénoménologie capillaire/gravitaire des écoulements oscillatoires dans la colonne grâce à un suivi dynamique du plan de flux nul. Enfin, nous présentons, comme extension aux travaux précédents, une étude préliminaire des phénomènes 3D d’infiltration et de redistribution d’eau, notamment lorsque l’hétérogénéité du sol est de type aléatoire. Les premiers essais d’infiltration permettent de tester, en réplique unique, des méthodes de prises de moyennes spatiales des champs de succion et teneur en eau et évaluer la taille minimum du domaine de calcul 3D permettant d’obtenir des profils verticaux moyens représentatifs de l’infiltration dans une réplique unique du sol aléatoire. / This doctoral research, defended at the Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, is devoted to modeling water pressure and water content in soils and in subsurface geologic formations, in the case of variably saturated flow. One of the main scientific objectives of this work is to analyze the response of unsaturated flow systems, and particularly capillary and gravitational effects, in the presence of material heterogeneities, discontinuities, and/or space-time fluctuations. Modeling is based on a generalized version of Darcy- Buckingham’s law, and of Richards’ flow equation. Overall, the topics developed in this PhD thesis focus on several related aspects of variably saturated water flow in the subsurface. These aspects all occur at once in most applications (drying/wetting,heterogeneity, temporal forcing), but they are "decoupled" here for convenience. A preliminary research (collaborative project IMFT / IRSN) was developed to study the 2D/3D drying process at the porous wall of a deep cylindrical excavation in response to hydrometeorological signals. This project has motivated the design and testing of a novel approach to include cavities in the modeling domain. A detailed study of steady state infiltration was developed for the case of finely stratified soils, with parameters that vary continuously and cyclically with depth. Exact and approximate analytical solutions are calculated based on variable transformation methods and on perturbation type approximations, and they are tested numerically using a finite volume code (BIGFLOW 3D). The sensitivity of suction fluctuations vs. stratification wavelength is investigated, as well as the effect of the degree of heterogeneity, and of water table depth. Capillary barrier effects are studied for the case of unsaturated infiltration in multilayer soil systems characterized by a discontinuity of soil properties at interfaces. Numerical experiments are developed for transient infiltration towards a water table through a two-layer system, the goal being to analyze possible capillary barrier effects under various scenarios. On the other hand, we study numerically the case of a partially saturated / unsaturated soil column submitted to highly variable oscillatory pressure at the bottom of the column: this leads to vertical flow oscillations in the unsaturated zone above the water table influenced by tides (coastal beach sand). We analyze the dynamics of this oscillatory flow, where capillary and gravitational effects compete; for this purpose we use a novel method that tracks the positions of the zero flux plane in the unsaturated column. Finally, we also present, as an extension to the previous studies, a preliminary investigation of multidimensional infiltration/redistribution phenomena, particularly for the case of fully 3D random-type soil heterogeneity. The first numerical experiments of 3D infiltration are undertaken based on the single realization approach to soil heterogeneity, and assuming a uniform distribution of wetting at soil surface.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Methoden in der Rasterkraftmikroskopie, um die Qualität und Interpretierbarkeit von Oberflächenabbildungen auf der Nanometerskala, vor allem jener sehr weicher Proben, entscheidend zu verbessern. Der für polymere und biologische Materialien standardmäßig verwendete intermittierende Kontaktmodus führt auf weichen Oberflächen zu verfälschten Abbildungen der Topographie und der mechanischen Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden Techniken entwickelt, die einerseits zerstörungsfreie, tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie und andererseits Einzelmessungen mit variabler Dämpfung im intermittierenden Kontaktmodus ermöglichen. Die laterale Auflösung beider Methoden liegt dabei im Rahmen herkömmlicher Techniken (< 10 nm). Die Tiefenauflösung konnte im Vergleich zu anderen Methoden um eine Größenordnung auf unter 1 nm verbessert werden. Die neuen Methoden wurden auf einer breiten Palette polymerer Materialien angewandt. Die räumliche Struktur oberflächennaher Bereiche eines Blockcopolymerfilms konnte im Vergleich zu herkömmlichen Methoden deutlich genauer abgebildet werden. Gleiches wurde auf elastomerem Polypropylen erreicht. Es konnten weiche, amorphe Deckschichten auf teilkristallinen Polymeren nachgewiesen und vermessen werden, was in der organischen Elektronik eine wichtige Rolle spielen kann. Die innere Struktur selbstangeordneter Nanodrähte aus Oligothiophen-Aggregaten konnte aufgelöst werden und es wurde die Selbstanordnung von Kollagenfibrillen im gequollenen Zustand beobachtet.

We present an implicit approach for constructing smooth isolated or interconnected 3-D inscribed volumes which can be employed for volumetric modeling of various kinds of spongy or porous structures, such as volcanic rocks, pumice stones, Cancellus bones *, liquid or dry foam, radiolarians, cheese, and other similar materials. The inscribed volumes can be represented in their normal or positive forms to model natural pebbles or pearls, or in their inverted or negative forms to be used in porous structures, but regardless of their types, their smoothness and sizes are controlled by the user without losing the consistency of the shapes. We introduce two techniques for blending and creating interconnections between these inscribed volumes to achieve a great flexibility to adapt our approach to different types of porous structures, whether they are regular or irregular. We begin with a set of convex polytopes such as 3-D Voronoi diagram cells and compute inscribed volumes bounded by the cells. The cells can be irregular in shape, scale, and topology, and this irregularity transfers to the inscribed volumes, producing natural-looking spongy structures. Describing the inscribed volumes with implicit functions gives us a freedom to exploit volumetric surface combinations and deformations operations effortlessly / Graduate