Uncertainty,entropy, scaling and hydrological stochastics. 1. Marginal distributional properties of hydrological processes and state scaling / Incertitude,entropie, effet d'échelle et propriétés stochastiques hydrologiques. 1. Propriétés distributionnelles marginales des processus hydrologiques et échelle d'état

Abstract

The well-established physical and mathematical principle of maximum entropy (ME), is used to explain the distributional and autocorrelation properties of hydrological processes, including the scaling behaviour both in state and in time. In this context, maximum entropy is interpreted as maximum uncertainty. The conditions used for the maximization of entropy are as simple as possible, i.e. that hydrological processes are non-negative with specified coefficients of variation (CV) and lag one autocorrelation. In this first part of the study, the marginal distributional properties of hydrological variables and the state scaling behaviour are investigated. Application of the ME principle under these very simple conditions results in the truncated normal distribution for small values of CV and in a nonexponential type (Pareto) distribution for high values of CV. In addition, the normal and the exponential distributions appear as limiting cases of these two distributions. Testing of these theoretical results with numerous hydrological data sets on several scales validates the applicability of the ME principle, thus emphasizing the dominance of uncertainty in hydrological processes. Both theoretical and empirical results show that the state scaling is only an approximation for the high return periods, which is merely valid when processes have high variation on small time scales. In other cases the normal distributional behaviour, which does not have state scaling properties, is a more appropriate approximation. Interestingly however, as discussed in the second part of the study, the normal distribution combined with positive autocorrelation of a process, results in time scaling behaviour due to the ME principle.     

In Situ Determination of Au and Cu in Natural Pyrite by Near‐Infrared Femtosecond Laser Ablation‐Inductively Coupled Plasma‐Quadrupole Mass Spectrometry: No Evidence for Matrix Effects

Gold and copper concentrations were determined in natural pyrite by near‐infrared femtosecond LA‐ICP‐QMS, using both sulfide reference materials (pyrrhotite Po‐726 and in‐house natural chalcopyrite Cpy‐RM) and NIST SRM 610 as external calibrators. Firstly, using NIST SRM 610 as the external calibrator, we calculated the Au concentration in Po‐726 and the Cu concentration in Cpy‐RM. The calculated concentration averages for Au and Cu were similar to the values published for Po‐726 and Cpy‐RM, respectively. Secondly, we calculated Au and Cu concentrations taking NIST SRM 610 as an unknown sample and using Po‐726 and Cpy‐RM as external calibrators. Again, the average values obtained closely reflected the preferred concentrations for NIST SRM 610. Finally, we calculated Au and Cu concentrations in natural pyrite using sulfide and silicate reference materials as external calibrators. In both cases, calculated concentrations were very similar, independent of the external calibrator used. The aforementioned data, plus the fact that we obtained very small differences in relative sensitivity values (percentage differences are between 5% and 17% for ⁵⁷Fe, ⁶³Cu and ¹⁹⁷Au) on analyses of silicate and sulfide RMs, indicate that there were no matrix effects related to the differences in material composition. Thus, it is possible to determine Au and Cu in natural sulfides using NIST silicate glasses as an external calibrator.     

Processus dynamiques dans la distribution des sédiments de la plate-forme continentale du Rio Grande do Sul (Brésil)

Resume

Ce travail présente les processus qui ont contribué à la distribution des sédiments superficiels de la plateforme continentale du Rio Grande do Sul-Brésil. Cette plateforme est recouverte par quatre populations granulométriques : sable très grossier à moyen, sable fin à très fin, silt et argile. Un régime sédimentaire terrigène prédomine sur la plate-forme et le talus continental de la région étudiée, avec la présence considérable de sédiments reliques et palimpsestes. Les sédiments modernes sont restreints et liés à l’influence du fleuve de la Plata et de la lagune des Patos. La présence de sédiments grossiers au bord externe de la plate-forme continentale peut être expliquée par la conjonction de l’effet de seuil et des ondes internes qui ne permettent pas, dans les régions Nord et Sud, le dépôt de sédiments fins sur les sédiments plus grossiers. Dans la région centrale, ces effets sont réduits par la structure morphologique dénommée « Cône du Rio Grande », ce qui explique la présence de sédiments fins dans cette zone.     

Analyse quantitative du rifting et de la relaxation thermique de la partie occidentale de la marge transformante nord-africaine: le Rif externe (Maroc)

Résumén

Un résumé de la cinématique du Rif externe central et occidental, de la période de rifting aux événements tectoniques récents, est proposé. L’évolution du Rif externe est abordée sur le plan quantitatif par le biais des principaux mécanismes physiques qui ont pu affecter cette partie de la marge nord-africaine durant le Jurassique, le Crétacé et le Paléocène (processus de dilatation thermique lors du rifting et de contraction thermique lors du refroidissement de la lithosphère, effondrement par flexure de la marge nord-africaine lors de la collision). Les géométries et densités obtenues sont comparées avec les données gravimétriques et de sismique réfraction.

Un des aspects du modèle de Wernicke (1985), la dissymétrie du rifting de la marge africaine, semble se vérifier par l’analyse et à la modélisation de la subsidence. Mais celle-ci montre l’existence d’une fusion adiabatique tardive du manteau supérieur dont le modèle de cisaillement simple ne tient pas compte. Le soulèvement de la marge à la fin du rifting ne serait pas dû uniquement à une dilatation thermique car les données de terrain montrent des discordances angulaires importantes sur la marge africaine. Ce soulèvement est attribué localement à la poussée des rides médio-océaniques naissantes de l’Atlantique et du sillon transformant nord-africain.

La modélisation de la subsidence tectonique permet d’expliquer l’absence d’intumescence sous le Rif. Elle est attribuée aux taux d’amincissement crustaux élevés durant les phases d’extension triasico-jurassiques. Cette approche quantitative confirme l’existence d’un bassin intra-continental avorté au sud-ouest et d’une marge continentale sensu stricto au nord-est. Si l’océanisation paraît plus tardive dans la partie rifaine du sillon transformant nord-africain (Callovien) que dans l’Atlantique Central (Bajocien), la subsidence post-rift ne se distingue pas de celle d’une marge passive classique.     

Extension tardi-orogénique et formation des bassins intracontinentaux: le bassin stéphanien des Cévennes

Résumé

Le bassin carbonifère des Cévennes, voisin du décrochement sénestre de Villefort, a été étudié en intégrant les données sédimentologiques, les données structurales du socle et du remplissage, ainsi que les données de la pétrologie métamorphique du socle. Le remplissage du bassin est contrôlé par des failles subméridiennes induisant une subsidence localisée en début d’ouverture. Cette subsidence devient plus régionale en fin d’histoire. Un grenat mangane- sifère est associé aux minéraux du faciès schistes verts, des blastes d’andalousite recoupent l’ensemble. Cette association minéralogique indique un gradient de température de 50°C/km. Ce gradient est semblable au gradient estimé dans le bassin sur la matière organique. La schistosité porte trois familles de linéation : 1- une famille à biotite-chlorite-quartz, orientée N45 ± 20° et associée à la mise en place des nappes cévenoles; 2- une famille à minéraux phylliteux dont l’orientation est située autour de N90 et associée à l’ouverture du bassin; 3- une famille à minéraux phylliteux orientée NO horizontale sur des plans de schistosité redressés près de la faille de Villefort. La schistosité régionale est affectée par des plis asymétriques, des bandes de cisaillement et des zones cata- clasées, le tout ayant une cinématique en faille normale vers l’Est. Les relations entre ces différentes structures suggèrent un continuum de déformation depuis des niveaux ductiles jusqu’à des niveaux fragiles. Le remplissage du bassin est affecté par des décrochements parallèles à la faille de Ville- fort. Le bassin des Cévennes s’est donc ouvert dans un contexte extensif est-ouest sur une croûte épaissie. La région a ensuite été reprise par des décrochements nord-sud dont celui de Villefort.     

Simulation des changements climatiques au cours du XXIe siècle incluant l'ozone stratosphériqueSimulation of climate changes during the 21st century including stratospheric ozone

Two climate simulations of 150 years, performed with a coupled ocean/sea-ice/atmosphere model including stratospheric ozone, respectively with and without heterogeneous chemistry, simulate the tropospheric warming associated with an increase of the greenhouse effect of carbon dioxide and other trace gases since 1950 and their impact on sea–ice extent, as well as the stratospheric cooling and its impact on ozone concentration. The scenario with heterogeneous chemistry reproduces the formation of the ozone hole over the South Pole from the 1970s and its deepening until the present time, and shows that the ozone hole should progressively fill during the coming decades. To cite this article: J.-F. Royer et al., C. R. Geoscience 334 (2002) 147–154.     

Étude expérimentale des transformations de phase dans un gradient thermique : application au granite de Soultz-sous-Forêts,France

The circulation of an injected fluid in the deep granite of the Soultz-sous-Forêts HDR (‘Hot Dry Rock’) site causes important textural and mineralogical modifications. In order to determine the potential crystallization sequences along the fluid pathway, several experiments under thermal gradient were conducted at 600 bar (between 300 and 200 °C). After 40 days, the observed sequences of the newly formed products along the thermal gradient are always as follows, from high to low temperatures: quartz, feldspars, and finally interstratified clays, this implying a significant mobility of aluminium in the solution. To cite this article: A. Baldeyrou et al., C. R. Geoscience 335 (2003).     

GSD‐1G and MPI‐DING Reference Glasses for In Situ and Bulk Isotopic Determination

This paper contains the results of an extensive isotopic study of United States Geological Survey GSD‐1G and MPI‐DING reference glasses. Thirteen different laboratories were involved using high‐precision bulk (TIMS, MC‐ICP‐MS) and microanalytical (LA‐MC‐ICP‐MS, LA‐ICP‐MS) techniques. Detailed studies were performed to demonstrate the large‐scale and small‐scale homogeneity of the reference glasses. Together with previously published isotopic data from ten other laboratories, preliminary reference and information values as well as their uncertainties at the 95% confidence level were determined for H, O, Li, B, Si, Ca, Sr, Nd, Hf, Pb, Th and U isotopes using the recommendations of the International Association of Geoanalysts for certification of reference materials. Our results indicate that GSD‐1G and the MPI‐DING glasses are suitable reference materials for microanalytical and bulk analytical purposes.     

Uncertainty,entropy, scaling and hydrological stochastics. 2. Time dependence of hydrological processes and time scaling / Incertitude,entropie, effet d'échelle et propriétés stochastiques hydrologiques. 2. Dépendance temporelle des processus hydrologiques et échelle temporelle

Abstract

The well-established physical and mathematical principle of maximum entropy (ME), is used to explain the distributional and autocorrelation properties of hydrological processes, including the scaling behaviour both in state and in time. In this context, maximum entropy is interpreted as maximum uncertainty. The conditions used for the maximization of entropy are as simple as possible, i.e. that hydrological processes are non-negative with specified coefficients of variation and lag-one autocorrelation. In the first part of the study, the marginal distributional properties of hydrological processes and the state scaling behaviour were investigated. This second part of the study is devoted to joint distributional properties of hydrological processes. Specifically, it investigates the time dependence structure that may result from the ME principle and shows that the time scaling behaviour (or the Hurst phenomenon) may be obtained by this principle under the additional general condition that all time scales are of equal importance for the application of the ME principle. The omnipresence of the time scaling behaviour in numerous long hydrological time series examined in the literature (one of which is used here as an example), validates the applicability of the ME principle, thus emphasizing the dominance of uncertainty in hydrological processes.     

Matrix Corrections and Error Analysis in High‐Precision SIMS 18O/16O Measurements of Ca–Mg–Fe Garnet

We report technical and data treatment methods for making accurate, high‐precision measurements of ¹⁸O/¹⁶O in Ca–Mg–Fe garnet utilising the Cameca IMS 1280 multi‐collector ion microprobe. Matrix effects were similar to those shown by previous work, whereby Ca abundance is correlated with instrumental mass fractionation (IMF). After correction for this effect, there appeared to be no significant secondary effect associated with Mg/Fe²⁺ for routine operational conditions. In contrast, investigation of the IMF associated with Mn‐ or Cr‐rich garnet showed that these substitutions are significant and require a more complex calibration scheme. The Ca‐related calibration applied to low‐Cr, low‐Mn garnet was reproducible across different sample mounts and under a range of instrument settings and therefore should be applicable to similar instruments of this type. The repeatability of the measurements was often better than ± 0.2‰ (2s), a precision that is similar to the repeatability of bulk techniques. At this precision, the uncertainties due to spot‐to‐spot repeatability were at the same magnitude as those associated with matrix corrections (± 0.1–0.3‰) and the uncertainties in reference materials (± 0.1–0.2‰). Therefore, it is necessary to accurately estimate and propagate uncertainties associated with these parameters – in some cases, uncertainties in reference materials or matrix corrections dominate the uncertainty budget.