Harrisitic textures in the Centre Hill complex,Munro Township,Ontario: product of diffusion limited growth

Summary A spectacular occurrence of harrisitic textures has been observed near the upper margin of the Centre Hill complex, a cyclically layered mafic intrusion emplaced within komatiitic and tholeiitic volcanic rocks of the Archean Abitibi Subprovince in the Canadian Shield. The harrisitic textures, interpreted as pseudomorphs after fayalite, reach up to 50 cm in length and consistently extend away from the upper sill margin. They poikilitically enclose crystals of the surrounding matrix, indicating that they originally formed within a crystal-liquid mush. The harrisitic fayalite crystals are interpreted to have grown in situ under far from equilibrium conditions, where growth was limited by the supply of nutrients to the crystal boundaries. Mineral growth conditions were simulated using a diffusion limited aggregation (DLA) algorithm to produce branching clusters qualitatively similar to the observed textures. Based on this model, it is proposed that the original fayalite crystals formed in the late stages of differentiation cycles, where diffusivity was low due to increasing viscosity and Fe-Si enrichment of the interstitial melt. Mineral growth was initiated by an imposed thermal gradient established through the injection of primitive magma into the chamber.

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Textures harrisitiques dans le complexe de Centre Hill, canton de Munro, Ontario: produit de croissance limitée par la diffusion

Résumé De spectaculaires textures harrisitiques furent observées près de la marge supérieure du complexe de Centre Hill, une intrusion mafique à stratification cyclique mise en place à l'intérieur de roches volcaniques komatiitiques et tholéiitiques de la Sous-province de l'Abitibi du bouclier canadien. Les textures harrisitiques, interprétées comme étant des pseudomorphes après la fayalite, atteignent 50 cm de hauteur et s'étendent invariablement vers le centre du filon-couche. Ils englobent des cristaux de la matrice environnante, indiquant qu'ils se sont formés à l'origine dans un mélange de cristaux et de fondu silicaté. Les cristaux de fayalite semblent s'être développés en place dans des conditions éloignées de l'équilibre, où leur croissance était limitée par l'approvisionnement de substances nutritives á la bordure des cristaux. Les conditions de croissance furent simulées à l'aide d'un algorithme d'agrégation limitée par la diffusion (DLA), produisant des agrégats en forme de branches qualitativement similaire aux textures observées. A partir de ce modèle, il est interprété que les cristaux de fayalite se sont formes durant les stages tardifs de cycles de différentiation, où la diffusion était réduite dû à une augmentation de la viscosité et à un enrichissement en Fe et Si du liquide interstitiel. La croissance des cristaux fut initiée suite à l'établissement d'un gradient thermique relié à l'injection de magma primitif dans la chambre magmatique.

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With 3 Figures     

Indium and germanium in the structure of sphalerite: an example of coupled substitution with Copper

Summary The distribution of indium in sphalerite from hydrothermal veins in the Saint-Martinla-Sauveté district (Loire, France) was studied by microprobe. Several hundred analyses were carried out. Sphalerite, devoid of chalcopyrite inclusions, exhibits an oscillatory zoning which can be related to the variation of minor-element concentrations. Indium (up to 1.05 wt. %) is positively correlated with copper, and Cd with Fe. The distribution of these two pairs of elements is antithetic within (110) growth zones. In and Cu show a very complex distribution within some twinned sphalerite crystals and are preferentially concentrated in {111} growth zones. A variation of diffusion/growth velocity ratio is evoked to explain this behaviour. From core to rim of sphalerite crystals the Cd concentration decreases and that of In (and Cu) increases. This increase corresponds to the development of {111} faces, which become progressively more prominent. The slope of the regression line calculated from Cu and In values corresponding to In < 0.4 wt. % is subparallel to (Cu/In)_at = 1. This indicates the substitution mechanism Cu(I) + In(III) 2 Zn(II). However, the Cu concentration is generally higher than required by this equation. Cu_ex rises toward the rim of sphalerite crystals; Cu-rich and In-free zones exist in some crystals. Cu_ex concentration is generally above the CuS solubility limit in sphalerite. It is suggested that Fe(III) could assume the local charge balance of Cu(I). This hypothesis is compatible with the rise of Cu_ex in late growth zones and with the late crystallization of chalcopyrite with respect to sphalerite observed in these deposits. Consequently, the incorporation of In and Cu in sphalerite from the Saint-Martin-la-Sauveté district is governed by the following equation: M(I) + M(III) 2 Zn(II), where M(I) = Cu; M(III) = In, Fe.The microprobe study of Ge-rich sphalerite from the Saint-Salvy deposit (Tarn, France) showed that germanium substitutes for Zn in the sphalerite structure. A strong positive correlation of Ge with Cu is observed. The regression line is subparallel to (Cu/Ge)_at = 3, which implies the substitution mechanism: 2 Cu(I) + Cu(II) + Ge(IV) 4 Zn(II).Again a slight excess of copper (statistically 0.06 wt. %) is observed, which can be attributed to Fe(III) or to direct substitution of Zn(II) by Cu(II). The general substitution mechanism for trivalent and tetravalent elements in sphalerite may be written: (x + 2 y)M(I) + yM(II) + xM(III) + yM(IV) (4-4 y-2 x)Zn(II), where M(I) = Ag, Cu, M(II) = Cu, Fe, Cd, Hg, Zn; M(III) = In, Ga, Tl, Fe; M(IV) = Ge, Sn, Mo, W.

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Indium et germanium dans la structure de la sphalérite: exemple d'une substitution couplée avec le cuivre

Résumé La répartition de l'indium dans la sphalérite provenant des gisements filoniens du district de Saint-Martin-la-Sauveté (Loire, France), a été étudiée à la microsonde élec tronique. Plusieurs centaines d'analyses ont été effectuées. La sphalérite, exempte d'inclusions de chalcopyrite, présente un zonage oscillatoire qui peut être relié à des variations de la concentration d'éléments mineurs. L'indium (jusqu'à 1,05%p.) est positivement corrélé avec le cuivre et Cd l'est avec Fe. La distribution de ces deux paires d'éléments est antithétique, en particulier au sein des zones de croissance (110). Parfois, In et Cu présentent une répartition très complexe au sein des cristaux maclés de sphalérite. Par ailleurs, In et Cu sont de préférence concentrés dans les zones de croissance (111). La variation du rapport de diffusion-vitesse de croissance est évoquée pour expliquer ce comportement. La concentration de Cd décroit et celle de In (et Cu) augmente du centre vers la bordure des cristaux. Cette augmentation est concomitante du développement des faces {111} devenant de plus en plus proéminentes. La pente de la droite de régression calculée à partir des valeurs de Cu et In correspondant à In <0,4%p., est subparallèle à (Cu/In)_at=1. Ceci indique un mécanisme de substitution Cu(I) + In(III) 2 Zn(II). Cependant, la teneur en Cu est généralement plus élevée à celle exigée par cette équation. Cue,, augmente vers la périphérie des cristaux de sphalérite; certains d'entre eux présentent des zones riches en Cu mais exemptes de In. La concentration de Cue,, est généralement supérieure à la limite de solubilité de CuS dans la sphalérite. On suggère que Fe(III) peut localement équilibrer la charge de Cu(l). Cette hypothèse est compatible à la fois avec l'augmentation de Cue,, dans les zones de croissance tardives et avec une cristallisation tardive de chalcopyrite par rapport à la sphalérite, observée dans ces gisements. Par conséquent, l'incorporation de In et Cudans la sphalérite provenant du district de Saint-Martin-la-Sauveté est régie par l'équation suivanteL'étude, à la microsonde électronique, de la sphalérite riche en Ge du gisement de Saint-Salvy (Tarn, France) a révélé que le germanium remplace Zn dans le réseau de la sphalérite. Une forte corrélation positive de Ge avec Cu a été mise en évidence. Ladroite de régression est subparallèle à (Cu/Ge)_at = 3, impliquant le mécanisme de substitution suivant 2 Cu(I) + Cu(II) + Ge(IV) e 4 Zn(H).De nouveau, un léger excès de Cu (statistiquement 0,06%p.) est observé, imputable à Fe(III) ou à un remplacement direct de Zn(II) par Cu(II). D'une façon générale, le mécanisme de substitution d'éléments trivalents et tétravalents dans la structure de la sphalérite peut s'écrire (x + 2 y)M(I) + yM(II) + xM(III) + yM(IV) (4-4 y-2 x)Zn(II), où M(I) = Ag, Cu ; M(II) = Cu, Fe, Cd, Zn ; M(III) = In, Ga, Tl, Fe, M(IV) = Ge, Sn, Mo, W.

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With 6 Figures     

Simulations of solute transport in fractured porous media using 2D percolation networks with uncorrelated hydraulic conductivity fields

Two-dimensional percolation networks have been used to model a disordered and fractured porous medium. The advantage of percolation networks is that they allow the flow and transport properties of the system to be systematically studied as a function of the connectivity of the fractures and/or the permeable regions. The aim of this research is to study hydrodynamic dispersion in such networks, and to investigate the behavior of the longitudinal dispersion coefficient D_L with binary and log-normally distributed hydraulic conductivity fields. In particular, the study focuses on the behavior of D_L at the percolation threshold p_c, where the insufficiency of flow field homogenization and the limited number of tortuous paths for flow and transport force D_L to behave anomalously, i.e., to be scale- and time-dependent. The simulations indicate that the D_L population taken over a large number of the network realizations resembles a log-normal distribution, hence indicating that, unlike the hydraulic conductivity, D_L is not a self-averaged property whose variance should tend to zero when the size of the system tends to infinity. In addition, it was found that the power law that characterizes the scale dependence of D_L is contingent upon its computation method. Moreover, D_L is found to have a completely different behavior in networks with low and high connectivities.

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Resumen Simulaciones de transporte de solutos en medio heterogéneo utilizando redes de precolación 2D con campos de conductividad no correlacionados. Se han utilizado redes de percolación en dos dimensiones para modelizar un medio poroso fracturado y desordenado. La ventaja de redes de percolación es que permiten estudiar sistemáticamente las propiedades de flujo y transporte del sistema en función de la conectividad de las fracturas y/o regiones permeables. El objetivo de esta investigación es estudiar la dispersión hidrodinámica en las redes mencionadas, e investigar el comportamiento del coeficiente de dispersión longitudinal DL con campos de conductividad hidráulica que tienen distribución log-normal y binaria. El estudio se enfoca particularmente en el comportamiento de DL cuando se alcanza el threshold de percolación pc, donde la insuficiencia de homogenización del campo de flujo y el número limitado de trayectorias tortuosas de flujo y fuerza de transporte DL se comportan de manera anómala, i.e., son dependientes del tiempo y la escala. Las simulaciones indican que la población DL tomada en un número grande en las redes realizadas se asemeja a una distribución log-normal, indicando por lo tanto que, a diferencia de la conductividad hidráulica, DL no es una propiedad auto-promediable cuya variación tienda a cero cuando el tamaño del sistema tiende al infinito. Se encontró además que la ley potencia que caracteriza la dependencia en escala de DL es dependiente del método de cálculo. Más aún, se encontró que DL tiene un comportamiento completamente distinto en las redes de alta y baja conectividad.

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Résumé Des réseaux de percolation bi-dimensionnels ont été utilisés pour modéliser des milieux poreux fracturés et désordonnés. Lavantage de ces réseaux est quils permettent détudier les propriétés découlement et de transport en fonction de la connexité des fractures et/ou des zones perméables. Lobjectif est dappréhender la dispersion hydrodynamique et dinvestiguer le comportement du coefficient de dispersion longitudinal D_L pour des réseaux ayant une distribution des conductivités hydrauliques binaire et log-normale. En particulier, le comportement de D_L a été étudié au seuil de percolation p_c, là où linhomogénéité des vitesses du fluide et le nombre limité de chemins tortueux disponibles pour lécoulement et le transport entraînent un comportement anormal de D_L, à savoir, une dépendance vis-à-vis des échelles de temps et despace. Les simulations montrent que les populations de D_L définies pour un grand nombre de réseaux ressemblent à des distributions log-normales, indiquant que, contrairement à la conductivité hydraulique, D_L nest pas une propriété dont la variance tend vers zéro lorsque la taille du système tend vers linfini. Il a également été trouvé que les lois de puissance qui caractérisent la dépendance déchelle de D_L découlent directement de la méthode de calcul. Enfin, les simulations engendrent un comportement très différent de D_L dans des réseaux faiblement ou fortement connectés.

     

Contre la prolifération «cancériforme»: les synthèse étagées,la reflexion sur la méthode

Résumé Partant du dynamisme de l'humanité, qui cherche à survivre et à progresser par la transmission de la connaissance, et constatant que celle-ci, en raison de la prolifération bibliographique sans cesse croissante et de plus en plus anarchique, devient de plus en plus difficile, l'auteur propose des réformes de certaines murs scientifiques. Ces réformes portent sur les aspects suivants. Information: 1. Limiter le nombre de langues pour l'expression scientifique; problème très difficile ... 2. Réduire le volume de l'information (et non de son contenu!); question de discipline et de «civisme». Sélection: 1. Faciliter la sélection des publications à lire: soigner les titres et les résumés pour faciliter la tâche des chroniqueurs et des lecteurs. 2. Resserrer, au niveau des publications nationales et internationales, les critères de sélection; insister sur la méthode qui préside à la démonstration, tendre à dégager des faits ou des lois ayant quelque chance d'être valables à l'échelle planétaire. Synthèse: Un développement scientifique un peu plus coordonné peut être schématisé par un édifice pyramidal, s'étalant et s'élevant sans cesse, s'enrichissant et se «nécrosant» par places (fig. 1a et b). Dans ce cadre nous exposons le principe des synthèses étagées. Ces synthèses étagées doivent être tentées à divers niveaux d'intervention. Au niveau des réunions internationales (colloques, congrès etc. ...) en particulier il est urgent de revaloriser les mises au point, réalisées sous la forme de conférences générales et de rapports de synthèse rédigés par des coordonnateurs. La réflexion sur la méthode, sur les mécanismes mentaux qui président à l'acte scientifique, sur les liens entre théories et «archétypes mentaux» est une nécessité absolue si l'on veut établir une telle réforme sur des bases logiques solides. Enfin les scientifiques doivent faire leur cette formule: «La clarté est la bonne foi des philosophes» (Vauvenargues). Tout en se plaçant sur le plan très général des sciences dans leur ensemble, et en particulier des sciences dites «naturelles», l'auteur a emprunté ses exemples à la Géologie et surtout à la «Gîtologie» (Lagerstättenkunde). Il ne se fait aucune illusion sur les difficultés des réformes qu'il propose, non plus que sur l'ardeur qui pourrait être mise dans leur application ... On peut lui opposer, en particulier, que le dynamisme «biologique» du développement scientifique s'y oppose Mais, à ce compte, les maladies ont leur dynamisme propre; est-ce une raison pour ne pas chercher à les enrayer, ou du moins à en limiter les dégats?«Science sans conscience n'est que ruine de l'âme» (Rabelais Pantagruel, chap. VIII 1532).«Tous les esprits qui sont capables d'une telle synthèse ont le devoir impérieux de l'entreprendre. Autrement l'énorme foisonnement de nos connaissances risque de devenir un fatras informe écrasant l'humanité sous sa masse» (H. Prat Métamorphose explosive de l'humanité 1960 p. 9).     

The degree of oxidation of iron in synthetic iron-magnesian biotites

Summary Chemical analytical and pyrolytical methods have been used to study the Fe⁺²/Fe⁺³ ratios and dehydroxylation reactions in synthetic biotites. It has been found for the biotites with Fe/(Fe + Mg) of 20 to 70 mole % that the oxidation degree decreases from 26 to 16% with increasing iron. Based on the measured amounts of water and hydrogen released during pyrolysis it is inferred that the deprotonization is a dominant reaction at low temperatures (T 600°C), accompanied by dehydration as the temperature increases. Depending on the composition, a complete dehydroxylation takes place at T 900 °C, and the measured amount of water corresponds to the iron oxidation degree in the starting samples. The results of this study have important implications with respect to determination of the formation conditions of biotite-bearing rocks, and also for improvement of the techniques for determination of different valence of iron and water.

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Le degré d'oxidation du fer en biotites synthétiques contenants le fer et le magnésium

Résumé Des méthodes chimiques et pyrolitiques ont été utilisées pour l'étude des rapports Fe⁺²/Fe⁺³ et de la réaction de la déhydroxilation en biotites synthétiques. On a trouvé pour les biotites avec Fe/(Fe + Mg) de 20-70 mole % que le degré d'oxidation décroît à partir de 26 jusqu'à 16% pendent que le contenu du fer s'accroît. Sur la base de la quantité d'eau et hydrogène liberée pendant la pyrolyse, on infère que la déprotonisation est une réaction dominante à températures basses (T = 600°C), mais quand la température s'accroît, la déprotonisation est accopagnée de la déhydratation. Dépendant de la composition il y a une déhydroxilation complète à T = 900°C, et la quantité de l'eau mesurée correspond au degré d'oxidation du fer dans les specimens initials. Les résultats de cette étude infuencent la détermination des conditions de formation des roches contenantes biotite et aussi l'amélioration des techniques de la détermination du fer de valences différentes et de l'eau.

     

La formation actuelle d'un gisement sous-marin de sulfures fumerolliens a Vulcano (mer tyrrhénienne)

Les solfatares de l'e de Vulcano sont bien connues et l'auteur rappelle leur extrème variabilité depuis la dernière éruption du volcan trachytique de la Fossa (1890). Parce qu'elles provoquent la formation actuelle d'un gisement de sulfures, les fumerolles de la rive W et du fond du Porto di Levante ont été tout spécialement étudiées. Il s'agit essentiellement d'émissions sous-marines de CO₂ et de vapeur d'eau à la température d'ébullition qui traversent des tufs et des sables imbibés d'eau de mer entre le niveau de la plage et 15–20 m de profondeur. Les tufs, au départ très poreux, contiennent actuellement jusqu'à 29% de pyrite et de marcassite; ces sulfures de fer se présentent: 1. en couches colloformes sur les diaclases, associés à l'alunite, au soufre et à l'opale; la mélantérite, la chalcantite, le gypse, etc. ... apparaissent après l'échantillonnage. 2. en remplacement de la titanomagnétite, des pyroxènes et de la mésostase des lapilli. 3. en cristaux subautomorphes isolés dans les espaces intergranulaires. 4. en mouches incrustées sur les lapilli, remplissant progressivement les espaces intra- et intergranulaires. 5. en sphérules de 5 types: fibroradiées, framboidales, à enveloppes ... A côté de la marcassite toujours bien cristallisée, la pyrite procède d'au moins deux générations: des cristaux bien définis de pyrite claire ou des enduits homogénes de pyrite brunâtre; cette dernière semble provenir de la recristallisation d'une phase sulfurée instable.

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Though the solfataras of Vulcano Island are well known, the author brings to mind the excessive variability of these fumaroles after the last eruption of 1890 of the trachytic Fossa volcano. The fumaroles on the W-shore and on the bottom of the bay of Porto di Levante have especially been studied because they are giving rise to a present day sulphide deposit. The fumaroles are mainly submarine exhalations of CO₂ and steam that ascend through tuffs and volcanic sands soaked with sea water between the beach level and a depth of about 15–20 m. The tuffs which were very porous when deposited contain now up to 29% pyrite and marcasite; these iron-sulphides occur in the 5 following patterns: 1. colloform crusts on the joints associated with alunite, sulphur and opal. Melanterite, chalcanthite and gypsum crystallize after the sampling. 2. replacement of titanomagnétite, pyroxenes and groundmass of some lapilli. 3. subidiomorphic crystals isolated in the intergranular cavities. 4. patches encrusted on the lapillis filling gradually the intergranular cavities. 5. spherules in 5 kinds: fibro-radiated spherules, framboidal spherules with or without concentric sheating, etc. Compared with marcasite that is always well crystallized, the pyrite shows at least two generations: a well crystallized light yellow pyrite and a homogeneous brownish pyrite coating; the latter must have originated from the recrystallization of an unstable sulphuretted phase.

     

On the theory of the evaluation of joint orientation measurements

SummaryOn the Theory of the Evaluation of Joint Orientation Measurements The current procedure for the evaluation of sets of joint-orientation measurements in terms of regional stresses is critically reviewed. It is shown that the counting circles on a sphere for constructing density diagrams are not circles on an equal-area (Lambert) projection of such a sphere; the correct curves are presented. It is shown that the search for modal maxima in the density diagrams corresponds to a nonparametric statistic for which it is difficult to give confidence limits. General considerations about the statistics of experiments yield the result that 12–15 joint measurements in an outcrop are sufficient to define 3 maxima, if such maxima exist at all.In order to give confidence limits, it is best to introduce a parametric model for the distribution of joint orientations. For a single cluster of orientations the probability density function is chosen as proportional to exp (k ² cos² ) where is the polar deviation angle from the mean direction; since the basic joint-orientations havethree fundamental directions, three probability density functions of the above type have to be superposed. These are determined by giving 11 parameters which can be determined by a function-minimization procedure from a given set of measurements. This procedure is best carried out on a computer. In this fashion, confidence limits for the preferred joint directions can be obtained.For the determination of the stresses, only two preferred sets of joints are required reducing the necessary number of parameters to 7. According to the usual theory of the statistics of trials, it is seen that 21 measurements are required to determine them. Thus, using a parametric statistic, it is seen that 21 measurements of joint orientations in an outcrop should suffice to determine the stress field that produced them. If the sharpness of the distributions is assumed as a priori known, this reduces again to the 15 or 20 measurements required for a non-parametric evaluation.

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ZusammenfassungZur Theorie der Auswertung von Kluftstellungsmessungen Die gegenwärtig übliche Methode zur Auswertung von Kluftstellungsmessungen wird kritisch untersucht. Es wird gezeigt, daß die Zählkreise auf der Einheitskugel zur Bestimmung von Kluftpoldichten auf dem Lambertschen Netz keine Kreise ergeben; die richtigen zu benützenden Zählfenster sind in der Arbeit abgebildet. Es wird gezeigt, daß die Bestimmung von Poldichtemaxima einer nichtparametrischen statistischen Methode entspricht, für welche es schwierig ist, Vertrauensgrenzen anzugeben. Allgemeine Betrachtungen über die Statistik von Experimenten ergeben das Resultat, daß zur Bestimmung von 3 Kluftpolmaxima in einem Poldichtediagramm für einen Aufschluß nur 12–15 Kluftmessungen notwendig sind, wenn solche Maxima überhaupt existieren.Um Vertrauensgrenzen anzugeben, ist es am besten, ein parametrisches Verteilungsmodell für die Kluftstellungen einzuführen. Für einen Polhaufen mit einem einzigen Maximum wird die Dichtefunktion proportional zu exp (k ² cos² ) gewählt, wo die Poldistanz von der Richtung des Maximums bedeutet. Da man im allgemeinen für den Kluftkörper drei charakteristische Kluftstellungen erwartet, muß die Dichtefunktion durch die Überlagerung dreier Funktionen obigen Typs gebildet werden. Eine solche wird dann durch 11 Parameter spezifiziert, welche durch eine Funktionsminimisierung aus einer Meßserie bestimmt werden können. Die Minimisierung wird am besten auf einem Elektronenrechner ausgeführt; man erhält auf diese Weise Vertrauensgrenzen.Zur Bestimmung der Spannungen braucht man nur zwei Polmaxima, so daß sich die Zahl der zu bestimmenden Parameter auf 7 reduziert. Nach der üblichen Theorie der Statistik der Experimente benötigt man dann 21 Kluftstellungsmessungen an einem Aufschluß. Die parametrische Betrachtungsweise führt daher zum Resultat, daß man nur 21 Kluftmessungen benötigt, um das Spannungsfeld, das die Klüfte produzierte, zu bestimmen. Wenn die Schärfe der Verteilungen als gegeben angenommen wird, reduziert sich die Zahl weiter bis auf etwa 15 Messungen, was wieder der aus nichtparametrischen Betrachtungen abgeleiteten Zahl entspricht.

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RésuméContribution à la théorie de l'évaluation des déterminations de l'orientation des clivages Une revue critique de la méthode actuellement en usage pour l'évaluation des déterminations des orientations des clivages dans un affleurement est donnée. Il est démontré que les cercles sur une sphère d'unité ne deviennent pas des cercles dans une projection de Lambert; les figures correctes sont présentées; il faut les utiliser pour déterminer la densité des pôles des clivages dans un graphe. Les maxima de densité des pôles sont ainsi déterminés par une méthode non-paramétrique pour laquelle il est difficile de donner des limites de confiance. Des considérations générales concernant la statistique des épreuves donnent le résultat qui'l ne faut que de 12 à 15 déterminations individuelles de clivages pour déterminer les 3 maxima du parallelépipède fondamental de la roche; — si ces maxima existent.Afin d'obtenir les limites de confiance, il faut choisir une méthode paramétrique où l'on donne une distribution hypothétique pour les orientations des clivages. Pour une seule accumulation des pôles, on prend une distribution proportionale à exp (k ² cos² ) où est la distance polaire entre la direction du maximum et la direction considérée. En general, le parallelépipède fondamental de la roche est determiné par trois maxima; ainsi la distribution fondamentale des densités doit être construite par une superposition de 3 distributions du type indiqué en haut. C'est une fonction qui contient 11 paramètres, qui peuvent être déterminés par une minimisation fonctionnelle exécutée à l'aide d'un ordinateur. Dans cette façon, on obtient des limites de confiance.Afin de déterminer les contraintes régionales il ne faut que 2 maxima des pôles; ainsi le nombre de paramètres se reduit a 7. En conséquence de la théorie usuelle des épreuves, il faut 21 déterminations d'orientations des clivages dans un affleurement. Ainsi, la méthode paramétrique démontre qu'il ne faut la connaissance que de 21 clivages pour déterminer la direction des contraintes principales qui les ont produits. Si la dispersion de la distribution fondamentale est prise comme connue, ce nombre se reduit de plus à 15 environs, ce qui est à peu près le même nombre auquel on avait arrivé dans les considérations non-paramétriques.

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With 9 Figures     

Aspèct Isotopique δ34S‰ d'un Processus de Mobilisation et de Réconcentration de Sulfures en Amas à Structure Filoniénne

Résumé Beaucoup de minéralisations sulfurées filoniennes sont encaissées dans des formations qui contiennent les mêmes éléments mais à l'état disséminé. En ce cas, on admet généralement que ces éléments ont été mobilisés et reconcentrés dans des structures tectoniques distensives. Le même mécanisme peut encore être envisagé quand de telles minéralisations sont spatialement éloignées des formations réservoirs de soufre et de métaux. Connaissant la composition isotopique des sulfures filoniens ainsi que les conditions physico-chimiques de leur dépôt il est possible de calculer la valeur théorique de la composition isotopique des sulfures du réservoir. Celle-ci peut alors être comparée aux compositions isotopiques effectives des sulfures provenant des différents réservoirs potentiels dans le but de déterminer quel est le réservoir de soufre et de métaux le plus probable. Une série d' analyses isotopiques a été entreprise sur les sulfures des minéralisations de Henderson et de Campbell Chibougamau Main Mine. Ces minéralisations du type Cu-Au sont en relation spatiale avec des zones de cisaillement développées dans le complexe du Lac Doré. La composition isotopique moyenne de la pyrite de Henderson vaut –2.9. Cette valeur est très proche de la moyenne des compositions isotopiques de la pyrite de Chibougamau Main Mine (–2.8). La composition isotopique moyenne de la chalcopyrite de Henderson est de –3.2. En se fondant sur le modèle thermodynamique proposé d'une part, sur les compositions isotopiques de la pyrite et de la chalcopyrite d'une minéralisation stratiforme encaissée dans le réservoir présumé d'autre part, il est possible de conclure que les sulfures des minéralisations filoniennes ont été remobilisés des formations volcano-sédimentaires.

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Many sulphide concentrations occur in formations containing the same elements in a disseminated state. It is generally admitted that these elements may be mobilised and reconcentrated into open spaces. The same mechanism has been envisaged in cases where vein deposits are spatially separated from the rocks which acted as a reservoir for sulphur and metals. Knowing the isotopic composition of the sulphide from the veins as well as the physico-chemical conditions of deposition, the theoretical value of the sulphur isotopic composition of the reservoir can be calculated and this can be compared with the values of the sulphides from the different reservoirs in order to indicate the most likely source. A series of isotopic analyses were untertaken on the sulphides from Henderson and Campbell Chibougamau Main Mines. These two deposits belong to the Cu-Au type of mineralisation associated with shear zones within the Lac Doré Complex. The mean isotopic composition of pyrite at Henderson is –2.9 which is close to the mean values measured at Campbell Chibougamau Main Mine (–2.8). The mean value of the chalcopyrite from the Henderson Mine is –3.2. Different possibilities concerning the provencance of sulphur are discussed. Based on existing thermodynamic model and on a set of new isotopic datas (pyrite and chalcopyrite) from volcanogenic mineralisation, it is possible to conclude that measured values correspond to mobilised volcanogenic sulfur.

     

The conceptualization model problem—surprise

The foundation of model analysis is the conceptual model. Surprise is defined as new data that renders the prevailing conceptual model invalid; as defined here it represents a paradigm shift. Limited empirical data indicate that surprises occur in 20–30% of model analyses. These data suggest that groundwater analysts have difficulty selecting the appropriate conceptual model. There is no ready remedy to the conceptual model problem other than (1) to collect as much data as is feasible, using all applicable methods—a complementary data collection methodology can lead to new information that changes the prevailing conceptual model, and (2) for the analyst to remain open to the fact that the conceptual model can change dramatically as more information is collected. In the final analysis, the hydrogeologist makes a subjective decision on the appropriate conceptual model. The conceptualization problem does not render models unusable. The problem introduces an uncertainty that often is not widely recognized. Conceptual model uncertainty is exacerbated in making long-term predictions of system performance.

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Resumen La base para hacer un análisis de un modelo es el modelo conceptual. Se define aquí la sorpresa como los datos nuevos que convierten en incoherente al modelo conceptual previamente aceptado; tal como se define aquí esto representa un cambio de paradigma. Los datos empíricos limitados indican que estas sorpresas suceden entre un 20 a un 30% de los análisis de modelos. Esto sugiere que los analistas de modelos de agua subterránea tienen dificultades al seleccionar el modelo conceptual apropiado. No hay otra solución disponible a este problema del modelo conceptual diferente de: (1) Recolectar tanta información como sea posible, mediante la utilización de todos los métodos aplicables, lo cual puede resultar en que esta nueva información ayude a cambiar el modelo conceptual vigente, y (2) Que el analista de modelos se mantenga siempre abierto al hecho de que un modelo conceptual puede cambiar de manera total, en la medida en que se colecte mas información. En el análisis final el hidrogeólogo toma una decisión subjetiva en cuanto al modelo conceptual apropiado. El problema de la conceptualización no produce modelos inútiles. El problema presenta una incertidumbre, la cual a menudo no es tenida en cuenta de manera adecuada. Esta incertidumbre en los modelos conceptuales se aumenta, cuando se hacen predicciones a largo plazo del comportamiento de un sistema dado.

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Résumé Cest le modèle conceptuel qui se trouve à base dune analyse sur un modèle. On considère comme une surprise lorsque le modèle est invalidé par des données nouvelles; dans les termes définis ici la surprise est équivalente à un change de paradigme. Des données empiriques limitées indiquent que les surprises apparaissent dans 20 à 30% des analyses effectuées sur les modèles. Ces données suggèrent que lanalyse des eaux souterraines présente des difficultés lorsquil sagit de choisir le modèle conceptuel approprié. Il nexiste pas un autre remède au problème du modèle conceptuel que: (1) rassembler autant des données que possible en utilisant toutes les méthodes applicables—la méthode des données complémentaires peut conduire aux nouvelles informations qui vont changer le modèle conceptuel, et (2) lanalyste doit rester ouvert au fait que le modèle conceptuel peut bien changer lorsque des nouvelles informations apparaissent. Dans lanalyse finale le hydrogéologue prend une décision subjective sur le modèle conceptuel approprié. Le problème du le modèle conceptuel ne doit pas rendre le modèle inutilisable. Ce problème introduit une incertitude qui nest pas toujours reconnue. Les incertitudes du modèle conceptuel deviennent plus importantes dans les cases de prévisions à long terme dans lanalyse de performance.

     

Investigating cross-contamination of aquifers

Shallow aquifers can cross-contaminate deeper aquifers through penetration of an intervening aquitard, via sandy intervals in the aquitard, along well casings, across long well screens, or around aquitard pinchouts. Distinguishing among these potential pathways requires the use of evaluation tools that may support or eliminate certain pathways. These tools include groundwater gradient and aquitard penetration calculations, aquifer pumping test interpretation techniques, chemical concentration plots and statistical methods, hydraulic conductivity-based travel time calculations, pumping-concentration tests, methods for evaluating leaky wells, and methods for evaluating aquitard continuity. Based on analysis of several of these techniques at three sites experiencing aquifer cross-contamination, the authors conclude that calculation of flow rates for various pathways is the single most useful method to confirm or refute specific pathways. Evaluation of leaky wells and aquitard continuity generally must be coupled with other tools to adequately test specific pathways. While fingerprinting, statistical analysis or ratio analysis of contaminants from various sources and receptors was not completed for any of the evaluated sites, the authors believe that these techniques have strong potential for confirming or eliminating pathways. Future research in this area is suggested. Furthermore, the interpretation of pumping-concentration tests is not well developed and needs further assessment.

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Resumen Acuíferos someros pueden ocasionar contaminación transversal de acuíferos profundos mediante la penetración de un acuitardo intermedio, a través de intervalos arenosos en el acuitardo, a lo largo del revestimiento de pozos, o en las inmediaciones de lentes de acuitardos. Para distinguir entre estas trayectorias potenciales se requiere el uso de herramientas de evaluación que pueden apoyar o eliminar ciertas trayectorias. Estas herramientas incluyen cálculos de gradientes de agua subterránea y penetración de acuitardos, técnicas de interpretación de pruebas de bombeo de acuíferos, diagramas de concentración química y métodos estadísticos, estimaciones de conductividad hidráulica en base al tiempo de viaje, pruebas de concentración de bombeo, métodos para evaluar pozos con fugas, y métodos para evaluar la continuidad de acuitardos. Basándose en el análisis de varias de estas técnicas en tres sitios que experimentan contaminación transversal de acuíferos, los autores concluyen que la estimación de ritmos de flujo para varias trayectorias es el único método más útil para confirmar o rechazar trayectorias de flujo específicas. La evaluación de pozos con fugas y continuidad de acuitardos generalmente debe estar acompañada con otras herramientas para probar adecuadamente trayectorias específicas. Aunque no se completó para ninguno de los sitios evaluados técnicas de huellas, análisis estadístico o análisis de relaciones de contaminantes de varias fuentes y receptores, los autores creen que estas técnicas tienen fuerte potencial en la confirmación o eliminación de trayectorias. Se sugiere investigación futura en esta área. Además, la interpretación de pruebas de concentración de bombeo no se ha desarrollado bien y necesita evaluación posterior.

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Résumé Les aquifères de surface peuvent contaminer les aquifères plus profonds à travers un aquitard, un intersection sableuse dans laquitard, le long des forages et de leur crépines, ou de la terminaison biseautée des aquitards. Distinguer et sélectionner ces différents modes de contamination nécessite lutilisation doutils dévaluation. Ces outils incluent le gradient découlement des eaux souterraines et le calcul de pénétration des aquitards, les techniques dinterprétation des essais de pompage, les méthodes dinterprétation chimiques et de traitement statistique, les calculs des temps de transferts sur base de la conductivité, les tests de pompage couplé aux analyses de concentration, les méthodes pour évaluer linfiltration directe alimentant les forages, et les méthodes permettant dévaluer la continuité des aquitards. Basé sur lanalyse de plusieurs de ces techniques sur trois sites expérimentales présentant des contaminations transversale, les auteurs concluent que le calcul des rapports découlement est la méthode la plus simple pour confirmer ou refuser les voies spécifiques. Alors que le traçage, les analyses statistiques et les analyses de la contamination provenant de différentes sources et récepteurs nétait pas complètes pour la plus part des différents sites évalués nétaient pas compléments certains, les auteurs croient que ces techniques ont un potentiel fort pour confirmer ou éliminer ces techniques. Des recherches futures dans cette zone est suggérée. Par ailleurs, linterprétation des tests de pompage couplés à lanalyse des concentrations nest pas développée et nécessite de meilleurs estimations.

     

A comparison of electrical and electromagnetic methods for the detection of hydraulic pathways in a fractured rock aquifer,Clare Valley,South Australia

Within fractured rock, the irregular and often unpredictable distribution and geometry of hydraulically conductive fractures produces large spatial variations in bore yield and groundwater quality. As fractures act as conduits for flow of both groundwater and electrical charge, methods which can efficiently detect the distribution of electrical pathways can be used to infer characteristics of significant hydrological parameters. This study compares the capabilities and limitations of electrical data obtained from direct current (DC) and electromagnetic (EM) surface azimuthal measurements, and from DC borehole-to-surface and cross-borehole measurements, for the interpretation of major hydrological structures in Clare Valley, South Australia. Electrical and EM surface methods are limited by poor depth sensitivity and the presence of conductive overburden, but provide useful tools for determining directional variations in resistivity at sites lacking bedrock exposure and boreholes. Application of borehole-to-surface methods yielded a better-resolved interpretation of sub-vertical fracture strike and was useful in identifying lateral variations in bedrock heterogeneity. Improved flexibility and sensitivity to measurements at depth permitted cross-borehole electrical tomography data to be used in reconstructing the spatial distribution of sub-horizontal, laterally extensive, electrically conductive zones. While the technique is restricted to small-scale sites with multiple boreholes, inferences can be made on fluid connections over a much larger regional scale. It is important to note, however, that while electrical methods provide valuable information about in-situ hydraulic pathways, they do not provide a complete hydraulic characterisation. Such a task requires integration of surface and borehole geophysics, geologic mapping, sampling and pumping tests of wells with packed-off intervals.

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Resumen La geometría, y con frecuencia impredecible, distribución irregular de fracturas hidráulicamente conductivas dentro de roca fracturada genera variaciones espaciales grandes en producción de pozos y calidad de agua subterránea. Debido a que las fracturas actúan como conductos de flujo de agua y carga eléctrica, los métodos que detectan eficientemente la distribución de trayectorias eléctricas pueden utilizarse para inferir las características de parámetros hidrológicos significativos. Este estudio compara las capacidades y limitaciones de datos eléctricos obtenidos de mediciones azimutales superficiales electromagnéticas (EM) y de corriente directa (DC), y de mediciones de DC realizadas en la superficie y pozos así como mediciones realizadas entre pozos para la interpretación de estructuras hidrológicas principales en el Valle Clare, sur de Australia. Los métodos superficiales eléctricos y EM están limitados por sensitividad de profundidad pobre y la presencia de cubierta conductiva, pero aportan herramientas útiles para determinar variaciones direccionales de resistividad en sitios que carecen de pozos y afloramientos rocosos. La aplicación de métodos superficiales y de pozos aportan una mejor interpretación del rumbo de fracturas sub-verticales y fue útil en identificar variaciones laterales en la heterogeneidad del macizo rocoso. El mejoramiento de flexibilidad y sensitividad en las mediciones profundas permitió que los datos de tomografía eléctrica de los pozos fuera utilizado en la reconstrucción de la distribución espacial de zonas eléctricas conductivas, sub-horizontales y lateralmente extensas. Aunque la técnica está restringida a sitios de pequeña escala con múltiples pozos, puede realizarse inferencias sobre relaciones entre fluidos en una escala regional mucho más grande. Sin embargo, es importante notar que aunque los métodos eléctricos aportan información valiosa acerca de las trayectorias hidráulicas in-situ, aún no proporcionan una caracterización hidráulica completa. Esta tarea requiere integrar geofísica superficial y de pozos, mapeo geológico, muestreo y pruebas de bombeo en pozos con intervalos sin empaque.

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Résumé Au sein des roches fracturées, lirrégularité et limprédictible distribution et géométrie des fractures par lesquelles sécoulent leau souterraine produit de larges variations spatiales entre les débits des forages et les paramètres de la qualité de leau. Comme les fractures conduisent et leau et les charges électriques, les méthodes qui peuvent de manière efficiente détecter la distribution des courants électriques peuvent être utilisées pour analyser les caractéristiques des principaux paramètres hydrologiques. Cette étude compare les capacités et les limites des données produites par Courant Direct (DC en Anglais) et par mesure Electromagnétique azimutale de surface (EM en Anglais), et par DC entre surface et forage et entre plusieurs forages, pour linterprétation de la structure hydrologique de la Vallée de Clare, Australie du Sud. Les méthodes électriques et électromagnétiques sont limitées par la faible sensitivité à la profondeur et la présence dune couverture conductrice, mais procure des outils utiles pour déterminer les variations directionnelles en terme de résistivité là où la roche nest pas affleurante et dans les puits. Lapplication de la méthode dinvestigation «forage à surface» apporte une meilleure interprétation des fractures sub-verticales et des hétérogénéités latérales. Les tomographies électriques entre forage bénéficient de la flexibilité et de la sensibilité des mesures en profondeur, et permettent de délimiter lextension latérale des hétérogénéités sub-horizontales de zones conductrices. Alors que la technique est restreinte à de petits sites comprenant de nombreux forages, il est possible de reconstituer les connections hydrauliques à des échelles régionales. Il est important de noter que les méthodes fournissent des informations intéressantes mais pas des caractérisations hydrauliques complètes. Pour cela les données pourraient être complétées par des études plus poussées intégrant les différentes prospections géophysique, les données des cartes géologiques, des échantillonnages et des essais de pompage à différents intervalles de profondeur.

     

Diamond genesis — A synthesis of opposing views

Estimates of the pressure and temperature in the region of kimberlite magma generation are compatible with the formation of diamond in its own thermodynamic stability field as deduced from high pressure experimental synthesis of diamond. However, if diamond growth is allowed only within its stability field, preservation during ascent of kimberlite magma and many properties of diamond distribution in kimberlite pipes as well as some of the geochemical properties of diamond are very difficult to explain. Metastable diamond growth in the laboratory is well established and its occurrence in natural systems is proposed. A theory of genesis with synthesis of diamond seed nucleii in kimberlite magma at depth in the mantle and with continued metastable growth during ascent and in kimberlite magma pools at the base of the crust is proposed. Eruption of kimberlite pipes to the surface terminates diamond growth.

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Résumé Les estimations de la pression et de la température dans la région de formation du magma kimberlitique sont compatibles avec la formation du diamant dans son propre domaine de stabilité thermodynamique comme déduit des données obtenues par la synthèse du diamant à haute pression. Néanmoins, en admettant la croissance du diamant seulement dans son propre domaine de stabilité, il est très difficile d'expliquer sa preservation pendant l'ascension du magma kimberlitique, beaucoup de ses caractéristiques de répartition dans les pipes kimberlitiques ainsi que certaines propriétés géochimiques. L'évolution du diamant métastable en laboratoire est bien connue et nous suggérons donc l'existence de cet état dans les systèmes naturels. On propose une théorie envisageant la formation du diamant en partant d'une synthèse de noyaux de germes de diamant dans le magma kimberlitique à profondeur dans le manteau suivie d'une évolution métastable continuelle pendant l'ascension de ce magma kimberlitique et dans les chambres magmatiques à la base de la croûte terrestre. L'éruption des pipes kimberlitiques à la surface termine la croissance du diamant.

     

Optimizing the control of rock failure in servo-controlled laboratory tests

SummaryOptimizing the Control of Rock Failure in Servo-Controlled Laboratory Tests Recent studies of rock failure have been made with a closed loop servo-controlled testing machine. Feedback from the failing specimen is electronically compared with a pre-determined program and the hydraulic system is continuously and automatically adjusted to ensure that feedback and program are coincident. It is suggested that optimum control of rock failure in any laboratory test is achieved when the closed loop feedback represents the most sensitive indicator of failure. Any required experimental output can then be independently monitored. This method was applied to a variety of rock specimens loaded in uniaxial compression using lateral displacement as feedback. It was possible to control the failure of some rocks which had failed explosively in previous tests where the axial displacement had been programmed to increase monotonically.

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ZusammenfassungOptimale Aufzeichnung des Bruchablaufes von Gestein in servo-gesteuerten Laborversuchen Studien zum Bruch von Gesteinsproben wurden kürzlich mit einem elektronisch geregelten Belastungssystem vorgenommen. Bei diesem System werden Meßdaten der über die maximale Bruchverformung hinaus deformierten Probe mit einem vorgegebenen Verformungs-Programm elektronisch verglichen und das hydraulische Belastungs-System wird dementsprechend kontinuierlich geregelt.Ein optimaler Ablauf des Bruchvorganges wird gewährleistet, wenn das Regelsystem durch möglichst feinstufige Meßdaten der Bruchverformung gesteuert wird. Jede gewünschte zusätzliche physikalische Größe kann dann unabhängig davon gemessen werden.Die Meßmethode wurde bei einachsigen Belastungsversuchen von verschiedenen Gesteinsproben angewendet, wobei zur Steuerung des Regelsystems die gemessene Verformung normal zur Belastungsrichtung gewählt wurde. Dabei war es möglich, auch den Bruch solcher Gesteinsproben zu beherrschen, welche bei früheren Versuchen, bei denen der Vorgang aufgrund der Verformung in Belastungsrichtung mit stetigem Verlauf programmiert wurde, explosionsartig geborsten waren.

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RésuméPour un meilleur contrôle de la rupture des roches dans les essais de laboratoire sur machines asservies Des études récentes sur la rupture des roches ont fait usage de machines d'essai asservies.La réponse de l'éprouvette en cours de rupture est comparée électroniquement à un programme fixé à l'avance, et le système hydraulique est ajusté continuellement et automatiquement pour faire coïncider la réponse avec le programme.On suggère que le meilleur contrôle sera obtenu, quel que soit l'essai, si le signal utilisé représente l'indicateur le plus sensible de la progression de la rupture. Toute autre grandeur physique qui est jugée nécessaire peut alors être enregistrée indépendamment.Cette méthode a été appliquée à la compression monoaxiale de diverses roches, en employant comme signal la déformation transversale. On a pu ainsi régulariser la rupture de certaines roches, qui était explosive dans des essais antérieurs où la déformation axiale augmentait suivant un programme monotone.(Dans cet article, la rupture est un processus, comportant notamment la naissance et le développement de fissures, qui ne peut être observé, avec les machines d'essai classiques, à cause de l'explosion due à une libération brutale de l'énergie de déformation emmaganisée dans la presse. Le contrôle de la rupture, au sens anglais, correspond à une régularisation de ce processus. Note de la Rédaction.)

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With 5 Figures     

Géochimie de l'uranium dans les minéraux phylliteux et les roches du massif granitique de Mortagne-sur-Sèvre, (Vendée) France

Résumé L'étude géochimique traitée ici concerne le massif granitique de Mortagne-sur-Sèvre (Vendée), dont la bordure Nord est jalonnée par d'importants gisements d'uranium en cours d'exploitation. L'échantillonnage de surface dont on dispose (70 prélèvements) provient d'une bande transversale (35 km de long) à la structure générale du massif. Le lien éventuel des teneurs d'uranium avec la zonalité du massif est recherché dans les roches de surface. Les teneurs montrent des variations dépendant de facteurs d'ordre pétrographique et tectonique entre les formations encaissantes et les granites à deux micas dont le caractère plus uranifère est dû à la présence d'inclusions microscopiques d'uraninite fréquentes dans les micas. Les teneurs obtenues sur les micas séparés mettent en évidence le rôle concentrateur de la biotite et de la chlorite pour l'uranium alors que la muscovite ne le retient guère. De ce fait, la conversion biotite chlorite ou biotite muscovite libère l'uranium des structures minérales. Ces transformations s'accompagnent d'une expulsion importante de fer à l'état ferrique et d'uranium en quantité variable. L'évolution décrite, qui fournit un mécanisme de préconcentration géochimique de l'uranium, se retrouve encore amplifiée à l'échelle minière: les granites et syénites de l'Ecarpière ont subi une muscovitisation parallèle, suivie d'une silicification dans les zones les plus tectonisées, qui constitue pour l'uranium un phénomène mobilisateur très important dans la genèse des gisements.

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This geochemical study concerns the granitic massif of Mortagne-sur-Sèvre (Vendée) whose northern border contains several uranium deposits under exploitation. About 70 samples taken on the surface of a transversal band (35 km of length), cutting across the general structure of the massif, were analysed for Uranium. These determinations show that the variations of Uranium contents are of petrographical and of tectonical nature between the host rock and the two-mica granite whose relative high Uranium content is due to microscopic inclusions of uraninite in the micas. The determination of Uranium in the separated micas shows clearly the enriching character of biotites and chlorites whereas the muscovites are poor in Uranium. It is seen that the conversion of biotite chlorite or biotite muscovite leads to the liberation of Uranium from the mineral structure. These transformations are accompanied by the expulsion of important quantities of ferric iron and of variable amounts of Uranium. The described evolution which furnishes a mechanism of geochemical enrichment for Uranium is also found to be amplified in the mining field: the granites and the syenites of Ecarpiere have suffered a parallel muscovitization and silification which constitutes for Uranium an enriching phenomenon during the formation of deposits.

     

Determination of the post-failure behavior of brittle rock using a servo-controlled testing machine

Summary Determination of the Post-Failure Behavior of Brittle Rock Using a Servo-Controlled Testing Machine. The use of the servo-controlled testing machine to control fracture when a rock specimen is deformed beyond its peak strength is discussed. This region of deformation can not usually be examined because excess energy released by the loading system produces rapid disintegration of the specimen. In the test method described the energy release is controlled by a high frequency electronic servo-control system acting in combination with a hydraulic system of very short response time. The control causes the excess energy to be withdrawn before it can be released into the disintegrating specimen, by removing pressurized fluid from the hydraulic system.Theoretical considerations reveal that the condition for controlled fracture is determined by the ability of the hydraulic loading system to unload rapidly. This may be expressed in terms of a dynamic stiffness,K _r , of the hydraulic system. For sufficiently small deformation rates and short servo-control response times the fracture process can be controlled, even though the unloading slope of the stress-strain curve of the rock specimen tends to become infinitely steep.The experimental technique is described in detail and some results obtained in studying the post-failure behavior of Tennessee Marble under uni-axial and bi-axial compression using the new system are presented.

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Zusammenfassung Bestimmung des Verhaltens von sprödem Gestein nach dem Bruch mittels eines servogesteuerten Prüfgerätes. Es wird über ein neues Verfahren berichtet, den Bruch spröden Gesteins zu kontrollieren, nachdem seine maximale Bruchlast überschritten ist. Dieser Bereich ist im allgemeinen der Untersuchung nicht zugänglich, da bei der Verwendung herkömmlicher Belastungs-Maschinen vom Belastungs-System ein Überschuß an Energie frei wird, der für eine explosionsartige Zerstörung des Gesteins verantwortlich ist. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird das Freiwerden der im System gespeicherten Energie durch ein hochfrequentes, elektronisch geregeltes Servo-System in Verbindung mit einer Hydraulik mit kurzer Verzögerungszeit kontrolliert. Es wird dabei der Gesteinsprobe zu jedem Zeitpunkt nur so viel Energie zugeführt wie zur Aufrechterhaltung für den stabilen Bruch notwendig ist.Die theoretische Betrachtung des Systems zeigt, daß die Bedingung für den stabilen Bruch entlang der Post-Failure-Charakteristik durch die Fähigkeit des Belastungs-Systems bestimmt wird, rasch zu entladen. Der Begriff einer dynamischen Steife wird definiert. Für genügend kleine Verformungsgeschwindigkeiten und kurze Verzögerungszeiten des Servo-Systems kann der Bruch auch dann kontrolliert werden, wenn die Neigung der Post-Failure-Kurve sich sehr großen Werten (– ) nähert.Der Versuchsaufbau und die Versuchsdurchführung werden beschrieben und es werden einige Post-Failure-Kurven für Tennessee Kalkstein unter einachsiger und zweiachsiger Druckbeanspruchung wiedergegeben, wobei das neue Verfahren verwendet wurde.

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Résumé Détermination du comportement après la rupture des roches fragiles au moyen d'une machine d'essai asservie. On présente un nouveau système pour contrôler la rupture des roches fragiles lorsque leur limite de rupture est dépassée. En général, il n'est pas possible d'étudier le comportement des roches dans ce domaine. L'emploi d'une machine d'essai traditionnelle libère inévitablement lorsque la limite de rupture est dépassée, un excès d'énergie qui provoque une violente désintégration de la roche. L'appareil, décrit dans cet article, contrôle la libération de l'énergie accumulée dans le système à l'aide d'un servosystème électronique à haute fréquence règlant un mécanisme hydraulique à temps de réponse très court. De cette facon, il est possible de limiter l'énergie transmise à la roche à la quantité nécessaire pour développer une rupture stable.L'analyse théorique du système révèle que la possibilité d'obtention d'une rupture stable, la limite de rupture ayant été dépassée, est déterminée par la rapidité avec laquelle le système hydraulique peut se décharger. Le concept de rigidité dynamique est défini. Si les vitesses de déformation sont petites et si les temps de réponse du servosystème sont courts, il est possible de contrôler la rupture, même lorsque la pente du diagramme effort-déformation tend à devenir infiniment raide, la limite de rupture étant dépassée.Le dispositif expérimental et l'exécution d'un essai sont décrits. Quelques diagrammes complets (y compris la partie descendante) d'un marbre du Tennessee pour les cas de compression simple et de compression double utilisant ce nouveau système sont présentés.

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With 7 Figures     

Modified borehole jack method for elastic property determination in rocks

SummaryModified Borehole Jack Method for Elastic Property Determination in Rocks This paper describes a method of determining thein-situ elastic properties of rock masses with friction-strain gauges and a lengthened borehole jack.The method involves impressing tangentially-oriented friction gauges on opposite quadrants of a borehole wall, while the remaining quadrants are loaded by the borehole jack with a unidirectional self-equilibrating pair of forces. The tangential normal strains generated at the borehole wall are thus measured concurrently with the loading. To determine the modulus of the rock mass, equations were developed relating the measured tangential normal strains and the applied ram pressures.Several factors which may influence the interpretation of data were thoroughly analyzed. It was shown that variations in the pressure distribution and area of plate-wall contact have negligible effects on the accuracy of data interpretation. End effects were minimized by lengthening the jack and carrying out strain measurements at the central region only where stresses and strains are homogeneous and plane strain conditions exist.The new method has the same desirable mechanical and operational features as the well-known Goodman-Jack method. Most important, however, its theoretical basis is exact with no estimated coefficients required in the reduction of observed data. While the method requires an ideal elastic material, it has a number of other applications for in-situ measurements besides modulus determination. The modified method could be utilized for determining linearity, anisotropy, inhomogeneity, tensile strength and, with an additional operation, the in-situ stress field.

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ZusammenfassungModifizierte Methode zur Bestimmung der elastischen Kenngröen von Fels mittels einer Bohrlochaufweitungssonde Es wird eine Methode zur Bestimmung der elastischen Kenngrößen von Fels aus In-situ-Versuchen mittels Reibungs-Dehn-meßstreifen und einer verlängerten Bohrlochaufweitungssonde beschrieben.Tangential orientierte Reibungsmeßstreifen werden an gegenüberliegenden Quadranten des Bohrloches angebracht, während die beiden anderen Quadranten mit der Bohrlochaufweitungssonde belastet werden, um Belastung und Verformung gleichzeitig zu messen. Gleichungen wurden entwickelt um daraus den Modul der Steinmasse zu bestimmen.Es wird gezeigt, daß eine ungleichmäßige Verteilung des Druckes und die Platten-Wand-Kontaktfläche einen unbedeuteten Einfluß auf die Exaktheit der Ergebnisse haben. Randeinflüsse wurden verringert, indem Messungen nur in der Mitte der Sonde ausgeführt wurden.Diese neue Methode hat dieselben Vorteile wie die bekannte Goodman-Jack Methode. Am wichtigsten ist aber, daß ihre theoretische Basis exakt ist. Obwohl die Methode nur in einem ideal elastischen Material anwendbar ist, kann sie außer für Modul-Bestimmung auch für andere In-situ-Messungen gebraucht werden, wie z. B. Linearität, Anisotropie, Inhomogenität, Zugfestigkeit und den primären Spannungszustand.

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RésuméMéthode modifiée pour déterminer les repères élastiques de rochers par une sonde d'élargissement de trous de sonde Cet article décrit une méthode de mesure des propriétés élastiquesin-situ des masses rocheuses, à l'aide d'indicateurs de déformation à friction, et d'un vérin alongé pour trou de sondage.La méthode consiste à imprimer des indicateurs de déformation à friction sur les quadrants opposés de la paroie d'un trou de sondage, et à charger les deux autre quadrants avec deux forces de même direction qui s'équilibrent, utilisant le vérin pour trou de sondage. Les déformations tangentielles normales créées sur la paroie du trou de sondage sont ainsi mesurées avec la charge correspondante. Afin de pouvoir déterminer le module d'élasticité de la masse rocheuse on a développé les équations qui relient les déformations normales tangentielles mesurées aux pressions appliquées.On a analysé en detail plusieurs facteurs qui pourraient influencer l'interprétation des données. On a montré que des variations dans la distribution de la pression, et dans la surface de contact entre le piston et la paroie, ont un effet négligeable sur la précision de l'interprétation des données. Les effets d'extrémités ont été réduits au minimum en alongeant le piston, et en ne mesurant les déformations que dans la région centrale, où les contraintes et déformations sont homogènes et des conditions de deformation plane existent.La nouvelle méthode a les mêmes caractéristiques mécaniques et opérationnelles désirables que la méthode bien connue Goodman-Jack. Encore plus important est le fait que sa base théorique est exacte, et il n'est pas nécessaire d'utiliser des coefficients estimés pour réduire les résultats observés. Bien que la méthode exige un milieu élastique idéal, elle peut être utilisée pour des mesuresin-situ autres que les mesures du module d'élasticité. La méthode modifiée pourrait être utilisée pour déterminer la linéarité, l'anisotropie, le manque d'homogénéité, la résistance à la traction et, avec une opération supplémentaire, le champ des forcesin-situ.

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With 6 Figures     

On the importance of mechanical action and thermal gradient in the formation of metal-bearing deposits

The authors demonstrate that precise facts arising from experimental mineralogy enable an important role to be ascribed to the mechanical actions and thermal gradients in the study of the migrations and concentrations of the chemical elements to be found within the lithosphere. The mechanical actions associated with tectonic are, in the production of a micro-porosity, capable of transforming mechanically non-uniform rocks into immense reservoirs for fluids. The tectonic deformations can bring about reduction of the porosity if moderate or, on the contrary, can lead to a considerable opening-up by intragranular microfissuration commencing at different stress levels depending on the nature and tectonic history of the rocks. In this way, under the influence of comparable mechanical action, certain rocks may consolidate, whilst adjacent rocks may open up. Finally, micro-fissuration is capable of facilitating the release of essential fluids and gasses (H₂O, CO₂) and of increasing the solubility of many minerals. The fluid-impregnated porous rocks are subjected to the geothermal gradient. The effect of thermal diffusion and gravity provides concentrations, even in the case of diluted solutions, sufficient to induce crystallisation without displacement of the liquid. Calculations based on an elementary theory show that, with entirely plausible geothermal gradients, the times and the thicknesses of porous rock necessary to produce crystallisation are low when compared to the overall geological scale. This process is as permanent as is the geothermal gradient. The mode of concentration takes full account of the layered aspect of the venous deposits without the necessity to envisage large displacements of liquid. It also takes account of the preferential concentration of the metalbearing deposits on the domes of the batholiths.

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Résumé Les auteurs montrent que des faits précis issus de la minéralogie expérimentale permettent d'attribuer un rôle important aux actions mécaniques et aux gradients thermiques dans l'étude des migrations et des concentrations d'éléments chimiques au sein de la lithosphère. Les actions mécaniques liées à la tectonique sont à l'origine d'une microporosité susceptible de transformer les roches mécaniquement non uniformes en immenses réservoirs de fluides. Les déformation tectoniques peuvent entraîner des tassements de cette porosité, si elles sont modérées, ou, au contraire, une large ouverture par microfissuration intragranulaire à partir de seuils de contraintes qui diffèrent selon la nature et l'histoire tectonique des roches. C'est ainsi que, sous des actions mécaniques comparables, certaines roches peuvent se tasser, tandis que les roches adjacentes peuvent s'ouvrir. Enfin, la microfissuration est susceptible de faciliter la libération des fluides essentiels (H₂O, CO₂) et d'accroître la solubilité de nombreux minéraux. Les roches poreuses et imprégnées de fluides sont soumises à un gradient thermique: le gradient géothermique. L'effet thermogravitationnel résultant de la thermodiffusion et de la gravité, peut permettre, à partir de solutions même diluées, d'obtenir des concentrations suffisantes pour donner lieu à des cristallisations sans déplacement de liquide. Les calculs réalisés à partir d'une théorie élémentaire montrent qu'avec des gradients géothermiques plausibles, les temps et les épaisseurs de roches poreuses, nécessaires pour réaliser des cristallisations, sont faibles à l'échelle géologique. Ce processus est aussi permanent que le gradient géothermique. Ce mode de concentration rend parfaitement compte de l'aspect rubanné des dépôts filoniens sans qu'il soit nécessaire d'imaginer d'importants déplacements de liquide. Il rend compte aussi de la concentration préférentielle de gîtes métallifères sur les coupoles des batholites éruptifs.

     

Preliminary assessment of the impacts of deep foundations and land reclamation on groundwater flow in a coastal area in Hong Kong, China

Many coastal areas have been intensively urbanized because people living and working on or near coastlines are increasing. Land reclamation from the sea and high-rise buildings are common approaches to satisfying the growing needs for more housing and other land use. Coastal areas are usually the ultimate discharge zones of groundwater systems. Using a coastal area in Hong Kong as a case study, this paper discusses the change in a groundwater system due to land reclamation and construction of building foundations in a coastal area. The upper part of the study area is in a nearly natural state, whereas the lower part is probably one of the most extensively developed areas in the world. It is evident that the groundwater flow system in this area has been changed over the last century. The piezometers in the transitional zone between the natural slopes and the urbanized areas indicate significant response to rainfall and obvious upward groundwater flow. To understand these piezometric responses to rainfall, a cross section is selected for detailed study using a two-dimensional multilayered numerical model. The parameters and structure of the aquifer system are calibrated by comparing the simulated and observed water levels. To reproduce the observed behavior of the groundwater system, the model has to include two important characteristics: a highly permeable zone at the rockhead and a reduction in hydraulic conductivity of 14–20 times in the urbanized area. The simulation demonstrates that both land reclamation along the coastline and deep foundations have contributed to the modification of the flow system, but the deep foundations have the most profound impact, especially when a high conductivity zone is present at the rockhead.

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Resumen Muchas áreas costeras han sido urbanizadas de manera intensiva, debido a la presión creciente de la gente que quiere vivir y trabajar en estos sitios. Los terrenos arrebatados al mar y los edificios de gran altura, son las respuestas comunes para satisfacer las necesidades de mas vivienda y usos nuevos para el suelo. Las áreas costeras son comúnmente las zonas de descarga final de los sistemas de agua subterránea. A través de un área costera en Hong Kong, tomada como estudio de caso, este artículo discute el cambio causado en un sistema de agua subterránea, debido a la recuperación de terrenos anteriormente cubiertos por el mar y a la construcción de cimientos de edificios en la zona costera. La parte más alta de la área de estudio está casi en su estado natural, mientras que la parte baja es probablemente una de las áreas más extensas en su tipo y más desarrolladas en el mundo. Es evidente que el sistema de flujo del agua subterránea en esta área ha sido cambiado a lo largo del último siglo. Los piezómetros en la zona transicional, entre los taludes naturales y las áreas urbanizadas, muestran una respuesta notable a la lluvia y un flujo evidente hacia arriba del agua subterránea. Para entender estas respuestas piezométricas a la lluvia, se seleccionó una sección vertical para estudio detallado, utilizando un modelo numérico bidimensional multicapa. Los parámetros y estructura del sistema acuífero son calibrados mediante la comparación de los niveles de agua observados y simulados. Para reproducir el comportamiento observado del sistema de agua subterránea, el modelo ha incluido dos características importantes: Una zona altamente permeable en la parte más elevada y una reducción de 14 a 20 veces en la conductividad hidráulica, dentro de la zona urbanizada. La simulación demuestra que tanto los terrenos recuperados del mar, como las cimentaciones profundas a lo largo de la línea de costa, han contribuido a la modificación del sistema de flujo, pero las cimentaciones profundas han causado el mayor impacto, especialmente cuando se presenta una zona de alta conductividad en la parte más elevada del área.

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Résumé La plupart des zones côtières ont été intensivement urbanisé due à la croissance de la population qui travaille et vive sur les zones littorales. La récupération des terrains sur la mer ainsi que la construction des grandes immeubles sont les moyens usuels utilisés pour satisfaire les demandes accrues de logement. Dhabitude les zones côtières représentent lexutoire final des aquifères. En utilisant la zones côtière de Hong Kong comme un étude de cas cet article analyse les changements dans les systèmes aquifères produits par la récupération des terrains et par les fondations des grandes immeubles. Tendis que la partie supérieure de la zone étudiée se trouve presque à létat naturel, la partie inférieure représente une des zones les plus développée du monde. Il est donc évident que la circulation des eaux souterraines a été modifiée pendant le dernière siècle. Les piézomètres remplacés entre les versants et la zone urbanisée montrent une réponse significative aux précipitations ainsi quune hausse générale des niveaux. Pour mieux comprendre la réponse des niveaux aux plues on a modélisé lécoulement dans une coupe vericale en utilisant un modèle numérique multicouches. Les paramètres et la strucure du système aquifère ont été calés en comparant les niveaux calculés et mesurés. Affin de reproduire les niveaux mesurés le modèle doit considérer deux caratéristiques importantes: une zone périglaciaire à grande perméabilité et une diminution jusqu à vingt fois de la perméabilité dans les zone urbanisées. La simulation a mis en évidence que les récupération des terrains au long du littoral aussi bien que les fondations profondes ont modifié lécoulement mais que les dernières ont limpact le plus important surtout lorsquil sagit de la zone périglaciaire à grande perméabilité.

     

Hydrogeological investigation of mud-mound springs developed over a weathered basalt aquifer on the Liverpool Plains,New South Wales,Australia

The growth and collapse of mud mounds at a site on the Liverpool Plains in northern New South Wales, Australia has been observed over a 12-year period. The mud mounds appeared in a flat field for the first time in living memory in 1989, but their prior existence in the early Holocene is indicated by archaeological data. The piezometric head in bores drilled through a 7-m bed of clayey silt and screened in weathered basalt at a depth of 8 m was more than 2 m above ground level. Clay has been carried in suspension by water seeping to the ground surface where it has accumulated and formed a mound. Approximately eight years after their initial appearance, the growth of the mounds stopped and within a further three years they had almost completely disappeared.Mechanisms for the growth and decay of the mounds are reviewed. The chemistry of the shallow bore water and the water seeping from the surface of the mounds was dominated by sodium bicarbonate with a 4 mEq/l increase between the weathered basalt and the surface of the mound. Inverse modelling (PHREEQC) is used to determine possible chemical reactions that can account for this increase.

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Electronic Supplementary Material Supplementary material is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s10040-003-0278-0.

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Resumen Se ha observado durante 12 años el crecimiento y el colapso de montículos de lodo en un emplazamiento ubicado en las Llanuras de Liverpool, en el estado australiano de Nueva Gales del Sur. Según la memoria existente, los montículos de lodo aparecieron en un campo llano por vez primera en 1989, pero, por datos arqueológicos, se conoce de su existencia a comienzos del Holoceno. Los niveles piezométricos en sondeos perforados a través de 7 m de limos arcillosos y ranurados en el basalto meteorizado a 8 m son superiores en más de 2 m a la superficie del terreno. La arcilla es portada en suspensión por el agua que descarga hacia la superficie del terreno, donde se acumula y forma el montículo. Unos 8 años después de su aparición, el crecimiento de los montículos se detiene y éstos acaban prácticamente desapareciendo en otros 3 años.Se revisa los mecanismos que originan el crecimiento y desaparición de los montículos. La química de las aguas someras de los sondeos y del agua que se filtra desde la superficie de los montículos está dominada por bicarbonato sódico, con un incremento de 4 meq/L entre el basalto meteorizado y la superficie del montículo. Se utiliza la modelación inversa (PHREEQC) para determinar las reacciones químicas que pueden explicar dicho aumento.

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Résumé La croissance et l'effondrement de monticules de vase situés dans les plaines de Liverpool, dans le nord des Nouvelles Galles du Sud, ont été observés pendant 12 ans. Les monticules de vase sont apparus en terrain plat pour la première fois de mémoire d'homme en 1989; mais leur existence antérieure dès le début de l'Holocène est attesté par des données archéologiques. Le niveau piézométrique dans des forages traversant 7 m de silt argileux et recouvrant un basalte altéré à 8 m était de plus de 2 m au-dessus de la surface du sol. L'argile a été apportée en suspension par l'eau suintant à la surface du sol où elle s'est accumulée pour former un monticule. Environ 8 ans après leur première apparition, la croissance des monticules s'est arrêtée et ils ont presque complètement disparu dans les 3 ans qui ont suivi.Les mécanismes de croissance et de régression de ces monticules sont passés en revue. La chimie de l'eau des forages à proximité de la surface et de l'eau filtrant à la surface des monticules était dominée par le bicarbonate de sodium, avec une augmentation de 4 meq/l entre le basalte altéré et la surface du monticule. Une modélisation inverse (PHREEQC) a été mise en uvre pour déterminer les réactions possibles pouvant rendre compte de cet accroissement.

     

Contribution to the study of Greek thermal springs: hydrogeological and hydrochemical characteristics and origin of thermal waters

A large number of chemical analyses of Greek thermal waters were evaluated in order to investigate spring water origin, water–rock interaction mechanisms, and estimate the thermal potential of the geothermal areas. Four water types were distinguished from geochemical diagrams. The relatively fresher waters include samples of Ca–HCO₃ and Mg–HCO₃ type waters originating from the schistose Rhodope Massif and the Quaternary basin of Aridea, respectively. Samples of the Na–HCO3 water type are typical of springs located in the post-orogenic basins of northern Greece. These hot, deep-rising Na–HCO₃ waters circulate in a CO₂-rich environment that favours the solubility of alkaline ions such as Na from siliceous rocks. Most of the samples belong to the Na–Cl water type and originate from Greek islands and coastal springs. These are characterized by the mixing of deep thermal solutions with seawater and fresh water. The presence of CO₂ in thermal and mineral springs is due to the metamorphism of buried marine carbonate horizons while H₂S is due to both local pyrite oxidation and the reduction of sulphates. The use of geothermometers suggested that the investigated geothermal areas have low enthalpy fluids at depth, while higher temperatures are likely present in Milos, Lesvos, Nisyros islands and Xanthi Basin.

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Resumen Se ha evaluado un gran número de análisis químicos de aguas termales griegas con objeto de investigar el origen del agua en los manantiales, los mecanismos de interacción agua-roca, y estimar el potencial termal de las áreas geotérmicas. Se distinguieron cuatro tipos de aguas a partir de diagramas geoquímicos. Las aguas relativamente frescas incluyen muestras de agua tipo Ca–HCO₃ y Mg–HCO₃ que se originan en los esquistos del Macizo Rhodope y la cuenca Cuaternaria de Aridea, respectivamente. Las muestras de agua tipo Na–HCO₃ son típicas de manantiales localizados en las cuencas post-orogénicas del norte de Grecia. Estas aguas calientes y profundas, de tipo Na–HCO₃, circulan en un ambiente rico en CO₂ que favorece la solubilidad de iones alcalinos, tal como Na proveniente de rocas silícicas. La mayoría de las muestras pertenecen al tipo de agua Na–Cl y se originan en islas y manantiales costeros griegos. Estas aguas se caracterizan por la mezcla de soluciones termales profundas con agua de mar y agua dulce. La presencia de CO₂ en manantiales termales y minerales se debe a el metamorfismo de horizontes carbonatados marinos enterrados mientras que el H₂S se debe a oxidación local de pirita y reducción de sulfatos. El uso de geotermómetros sugiere que las áreas termales investigadas tienen fluidos de baja entalpía a profundidad, mientras que las temperaturas más elevadas es probable que se presenten en Milos, Lesvos, islas de Nisyros y la cuenca Xanthi.

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Résumé Un grand nombre danalyses chimiques des eaux thermales grecques ont été menées de manière à investiguer lorigine des eaux des sources thermales, les mécanismes dinteraction avec les roches traversées, et destimer le potentiel des zones géothermiques. Quatre types deau ont été distinguées sur base des diagrammes géochimiques. Les eaux les plus fraîches correspondent respectivement aux échantillons des eaux calco et magnéso carbonatées du massif schisteux de Rhodope et du bassin quaternaire dAridea. Les échantillons deaux sodi carbonatées proviennent typiquement des sources localisées dans les bassins posts-orogéniques du Nord de la Grèce. Ces chaudes et très profondes eaux sodi carbonatées circulent dans des environnements riches en CO₂ qui favorisent la solubilité des ions alcalins, tel que le sodium, des roches siliceuses. La plus part des échantillons ont un facies chloruré sodique et proviennent des îles grecques ou des environnement côtier. Ces eaux sont caractérisées par des mélanges entre eaux profondes avec des eaux de mer et des eaux de surface. La présence de CO₂ dans les eaux de sources thermales et minérales est due au métamorphisme des horizons de calcaires marins et couverts, tandis que la présence de H₂S est due à loxydation locale de la pyrite et à la réduction des sulfates. Lutilisation de géothermomètres suggère que les zones géothermiques étudiées contiennent des eaux à faible enthalpie en profondeur, bien que des températures assez élevées soient rencontrées à Milos, Lesvos, sur les îles Nisyros et dans le bassin de Xanthi.