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We report the results of a multiproxy study that combines structural analysis of a fracture–stylolite network and isotopic characterization of calcite vein cements and/or fault coating. Together with new paleopiezometric and radiometric constraints on burial evolution and deformation timing, these results provide a first-order picture of the regional fluid systems and pathways that were present during the main stages of contraction in the Tuscan Nappe and Umbria–Marche Apennine Ridge (northern Apennines). We reconstruct four steps of deformation at the scale of the belt: burial-related stylolitization, Apenninic-related layer-parallel shortening with a contraction trending NE–SW, local extension related to folding, and late-stage fold tightening under a contraction still striking NE–SW. We combine the paleopiezometric inversion of the roughness of sedimentary stylolites – that constrains the range of burial depth of strata prior to layer-parallel shortening – with burial models and U–Pb absolute dating of fault coatings in order to determine the timing of development of mesostructures. In the western part of the ridge, layer-parallel shortening started in Langhian time (∼15 Ma), and then folding started at Tortonian time (∼8 Ma); late-stage fold tightening started by the early Pliocene (∼5 Ma) and likely lasted until recent/modern extension occurred (∼3 Ma onward). The textural and geochemical (δ18O, δ13C, Δ47CO2 and 87Sr∕86Sr) study of calcite vein cements and fault coatings reveals that most of the fluids involved in the belt during deformation either are local or flowed laterally from the same reservoir. However, the western edge of the ridge recorded pulses of eastward migration of hydrothermal fluids (>140 ∘C), driven by the tectonic contraction and by the difference in structural style of the subsurface between the eastern Tuscan Nappe and the Umbria–Marche Apennine Ridge.

STICS ability to simulate long-term soil organic matter dynamics in crop-grassland rotations. iCROPM2020 Symposium - Crop modelling for the future. STICS model workshop

HAL Id : hal-02471202, version 1 https://cel.archives-ouvertes.fr/METIS_UMR7619/hal-02471202 HAL Id : hal-02471202, version 1 https://cel.archives-ouvertes.fr/METIS_UMR7619/hal-02471202; National audience

International audience; Cette epopee doit beaucoup a la regrettee Nadine Brisson, premiere capitaine de« l' embarcation Sties ». Nous lui dedions avec emotion ce chapitre, dont les axes reprennent ceux de l'hommage qui lui a ete rendu le 16 octobre 2012 conjointement par le departement Environnement et Agronomie (EA) de l'Inra et !'Association frans;aise d' agronomie 123. Le modele Sties (Simulateur multidisciplinaire pour les cultures standard) a plusde vingt ans. Il fait maintenant partie des cinq modeles de culture les plus cites au monde. Cette success story s' est fondee sur un projet collectif dont le creuset a ete le departement EA naissant. Ce texte tente une analyse reflexive des interactions entre un groupe elargi de chercheurs modelisateurs et la necessite de mobiliser des moyens sur une tres longue duree, marquee par le renouvellement des questions posees face a l'evolution rapide des usages et des contextes d' application.

In a conceptual UK geological disposal facility for nuclear waste within a high-strength, crystalline geology, a cement-based backfill material, known as Nirex Reference Vault Backfill (NRVB), will be used to provide a chemical barrier to radionuclide release. The NRVB is required to have specific properties to fulfil the operational requirements of the geological disposal facility (GDF); these are dependent on the chemical and physical properties of the cement constituent materials and also on the water content. With the passage of time, the raw materials eventually used to synthesise the backfill may not be the same as those used to formulate it. As such, there is a requirement to understand how NRVB performance may be affected by a change in raw material supply. In this paper, we present a review of the current knowledge of NRVB and results from a detailed characterisation of this material, comparing the differences in performance of the final product when different raw materials are used. Results showed that minor differences in the particle size, surface area and chemical composition of the raw material had an effect on the workability, compressive strength, the rate of hydration and the porosity, which may influence some of the design functions of NRVB. This study outlines the requirement to fully characterise cement backfill raw materials prior to use in a geological disposal facility and supports ongoing assessment of long-term post-closure safety.

La diversité variétale à l’échelle d’un territoire est-elle un levier pour améliorer les performances agronomiques de la luzerne ? Analyse d’une étude de simulation avec le modèle STICS. 2. Rencontres Francophones sur les Légumineuses (RFL2)

Metamorphic equilibration requires chemical communication between minerals and may be inhibited through sluggish volume diffusion and or slow rates of dissolution in a fluid phase. Relatively slow diffusion and the perceived robust nature of chemical growth zoning may preclude garnet porphyroblasts from readily participating in low temperature amphibolite-facies metamorphic reactions. Garnet is widely assumed to be a reactant in staurolite-isograd reactions, and the evidence for this has been assessed in the Late Proterozoic Dalradian pelitic schists of the Scottish Highlands. Three-D imaging of garnet porphyroblasts in staurolite-bearing schists reveal a good crystal shape and little evidence of marginal dissolution, however there is also lack of evidence for the involvement of either chlorite or chloritoid in the reaction. Staurolite forms directly adjacent to the garnet, and its nucleation is strongly associated with deformation of the muscovite-rich fabrics around the porphyroblasts. “Cloudy” fluid inclusion-rich garnet forms in both marginal and internal parts of the garnet porphyroblast and is linked both to the production of staurolite and to the introduction of abundant quartz inclusions within the garnet. Such cloudy garnet typically has a Mg-rich, Mn-poor composition and is interpreted to have formed during a coupled dissolution-reprecipitation process, triggered by a local influx of fluid. All garnet in the muscovite-bearing schists present in this area is potentially reactive, irrespective of the garnet composition, but very few of the schists contain staurolite. The staurolite-producing reaction appears to be substantially overstepped during the relatively high pressure Barrovian regional metamorphism reflecting the limited permeability of the schists in peak metamorphic conditions. Fluid influx and hence reaction progress appear to be strongly controlled by subtle differences in deformation history. The remaining garnet fails to achieve chemical equilibrium during the reaction creating distinctive patchy compositional zoning. Such zoning in metamorphic garnet created during coupled dissolution-reprecipitation reactions may be difficult to recognize in higher grade pelites due to subsequent diffusive re-equilibration. Fundamental assumptions about metamorphic processes are questioned by the lack of chemical equilibrium during this reaction and the restricted permeability of the regional metamorphic pelitic schists. In addition the partial loss of prograde chemical and textural information from the garnet porphyroblasts cautions against their routine use as a reliable monitor of metamorphic history. However the partial re-equilibration of the porphyroblasts during coupled dissolution-reprecipitation opens possibilities of mapping reaction progress in garnet as a means of assessing fluid access during peak metamorphic conditions.

L’épuration des effluents d’industries agroalimentaires (IAA), en Champagne – Ardenne notamment, est assurée majoritairement à travers l’épandage des effluents bruts sur les sols agricoles. Néanmoins, il est nécessaire de s’assurer de la compatibilité environnementale de cette technique avec la préservation de la qualité des eaux souterraines. Il est important de noter dans ce contexte que les effluents ne sont pas rejetés directement dans l’aquifère mais sur le sol, avec certaines précautions. Ce dernier exerce un pouvoir épurateur, grâce à la fois à son complexe argilo-humique et à son activité microbienne. Ce pouvoir est variable suivant l’élément : très proche de 100 % pour les bactéries, matières en suspension (MES), ions chargés positivement ; variable pour les petites molécules et/ou ions chargés négativement. Les objectifs de cette étude expérimentale sont de caractériser la dynamique de micropolluants métalliques et organiques susceptibles d’être présents dans les effluents agro-industriels et d’appréhender les risques pour les eaux souterraines au droit des parcelles agricoles épandues. La stratégie est de mesurer des flux d’eau et des teneurs in situ à la base d’un sol agricole représentatif, sur des micro-parcelles sujettes à un épandage et sur un traitement témoin sans épandage. L’étude cible en priorité les micropolluants tout en vérifiant les paramètres agro-environnementaux habituels. Ce travail a été réalisé sur le site expérimental INRA de FAGNIERES (51) sur lequel sont installées depuis 1970 des cases lysimétriques. A proximité a été implanté un dispositif à plaques lysimètriques sur lequel ont été suivies des apports d’effluents de différentes filières agro-industrielles. Le dispositif est installé sur une rendzine développée dans un paléosol crayeux à poches de cryoturbation, et appartient à la classe la plus répandue en Champagne crayeuse. Les sols de craie sont plus sensibles à la lixiviation à cause d’une moindre capacité totale de stockage en eau que les sols limoneux épais (Beaudoin et al., 2005) et d’un moins bon synchronisme entre les besoins des plantes et la minéralisation d’azote par le sol. Les résultats de cette expérimentation ont donc tendance à maximiser les risques liés à l’épandage d’effluents liquides. La mise en place de 4 plaques lysimétriques par traitement conduit à obtenir des volumes drainés moyens cohérents avec ceux mesurés sous le lysimètre historique de référence. Les volumes drainés sous les deux parcelles témoin sont plus importants que sous les traitements avec épandage d’effluent ; cela est probablement dû à des positionnements des plaques des témoins sous des cheminées de craie. Dans l’objectif d’atteindre un transfert de solutés représentatif de la normale, le constat d’un déficit pluviométrique en deuxième et troisième année d’expérimentation a conduit à procéder à une irrigation de 100 mm en mars 2015 et 200 mm en mars-avril 2016, à partir du réseau d’eau potable. Les lames d’eau drainées en 3 ans atteignent ou dépassent 500 mm d’eau, ce qui permet d’estimer que la majeure partie des solutés épandus, non adsorbables ou non biotransformés, a migré au-delà de la profondeur de prélèvement des solutés. Cette analyse est faite à la fois d’après les références de vitesse de migration du front des solutés et par l’observation de la dynamique d’épuisement du stock de chlorure, apporté par l’effluent ou l’irrigation. Les suivis de la qualité des lixiviats pour les paramètres agro-environnementaux classiques (DCO, COT, nitrate) montrent que les transferts des solutés non adsorbables ou non biotransformés depuis la surface a eu lieu. La comparaison des concentrations des lixiviats sous les micro-parcelles avec apport d’effluent et du témoin confirme que le pouvoir épurateur du sol est très élevé. Un calcul rigoureux du pouvoir épurateur n’est pas possible, parce que les lysimètres ne sont pas fermés et parce que l’intégration temporelle des concentrations en fonction des volumes drainés est impossible, du fait de l’existence de nombreuses valeurs inférieures aux seuils de quantification. Les mesures des micro-polluants ont été effectuées sur l’ensemble des volumes collectés. Les évolutions temporelles de concentration des substances montrent pendant ces trois campagnes de mesures: 1/ de très faibles variations des composés halogénés (AOX), avec des valeurs très proches des limites de quantification, qui sont non corrélées aux quantités apportées par les effluents; 2/ l’absence des substances dangereuses recherchées dans les lixiviats ; 3/ l’absence d’impact de l’épandage des effluents sur le paramètre Matières Inhibitrices mesuré sur les lixiviats. L’étude a permis de montrer, dans les eaux de drainage, l’absence des substances dangereuses et des autres paramètres listés dans le cadre des redevances des Agences de l’Eau et plus largement. Cette étude ne permet pas de statuer ni sur le niveau d’atténuation naturelle ni sur les risques de transferts de pollution vers la chaine alimentaire, ou vers le sol, par accumulation, ou vers l’air, par volatilisation. Cela nécessiterait des études à long terme et à large échelle, s’appuyant d’abord sur la bibliographie et les travaux du PIREN-Seine.

Realistic estimation of grain nitrogen (N; N in grain yield) is crucial for assessing N management in crop rotations, but there is little information on the performance of commonly used crop models for simulating grain N. Therefore, the objectives of the study were to (1) test if continuous simulation (multi-year) performs better than single year simulation, (2) assess if calibration improves model performance at different calibration levels, and (3) investigate if a multi-model ensemble can substantially reduce uncertainty in reproducing grain N. For this purpose, 12 models were applied simulating different treatments (catch crops, CO2 concentrations, irrigation, N application, residues and tillage) in four multi-year rotation experiments in Europe to assess modelling accuracy. Seven grain and seed crops in four rotation systems in Europe were included in the study, namely winter wheat, winter barley, spring barley, spring oat, winter rye, pea and winter oilseed rape. Our results indicate that the higher level of calibration significantly increased the quality of the simulation for grain N. In addition, models performed better in predicting grain N of winter wheat, winter barley and spring barley compared to spring oat, winter rye, pea and winter oilseed rape. For each crop, the use of the ensemble mean significantly reduced the mean absolute percentage error (MAPE) between simulations and observations to less than 15%, thus a multi–model ensemble can more precisely predict grain N than a random single model. Models correctly simulated the effects of enhanced N input on grain N of winter wheat and winter barley, whereas effects of tillage and irrigation were less well estimated. However, the use of continuous simulation did not improve the simulations as compared to single year simulation based on the multi-year performance, which suggests needs for further model improvements of crop rotation effects.

National audience

Les cultures intermédiaires multi-services (CIMS), semées en été-début d’automne, piègent l’azote minéral du sol avant la période de drainage. Elles sont d’ailleurs une des mesures du programme d’action de la Directive Nitrate pour lutter contre la pollution des aquifères par le nitrate d’origine agricole. Pour limiter ces pertes, les cultures intermédiaires s’avèrent très efficaces avec des réductions jusqu’à 90% par rapport à un sol nu en interculture. Cette efficacité est accrue si la CIMS est une nonlégumineuse (bien que les légumineuses demeurent efficaces) et la durée de développement est longue. Cependant, une biomasse importante réduit d’autant plus le drainage, par augmentation de l’évapotranspiration, pouvant poser problème pour la ressource en eau. Mais les CIMS ne diminuent généralement pas la quantité d’eau disponible au semis de la culture suivante sauf en cas de destruction très tardive de la CIMS. A leur destruction, les CIMS reminéralisent l’azote piégé d’autant plus vite que leur C/N est bas et jusqu’à 50% de l’azote acquis est rendu disponible dans les 6 mois, pour la culture suivante. Selon l’intensité de la lixiviation et la quantité d’azote absorbé par le couvert des effets de préemption d’azote peuvent être observés, particulièrement en climats secs, nécessitant de compenser avec la fertilisation minérale. A long terme, un effet positif sur la culture suivante est observé, dû à une plus forte teneur en matière organique du sol et une minéralisation accrue. Afin de combiner au mieux ces différents services, une adaptation locale de la gestion de ces CIMS est nécessaire selon les conditions pédoclimatiques et les objectifs recherchés au cours de l’interculture., Sown in the summer/early autumn, multi-services cover crops trap mineral nitrogen from the soil before the drainage period. For this reason, they are one of the tools in the Nitrate Directive to limit nitrate pollution of aquifers coming from agriculture. Cover crops are very effective to limit these losses, up to 90% of reduction as compared to bare soil during the fallow period. This efficacy is increased when cover crop is non-legume (although legumes remain effective) and growing period is long. However, high biomass reduces drainage by increasing evapotranspiration, which can be a problem for water resource. Nevertheless, cover crops generally do not reduce available water for the subsequent cash crop, except if destruction is too late. At destruction, cover crops release mineral nitrogen, more quickly as their C/N is low and up to 50% of the nitrogen uptake within the following 6 months. Depending on the intensity of leaching and the amount of nitrogen absorbed by the cover crop, nitrogen pre-emptive effects can be observed, particularly in dry climate, requiring compensation with mineral fertilization. In the long term, a positive effect on the subsequent crop is observed, due to a higher organic matter content of the soil and increased mineralization. To better combine the different services offered by cover crops, local adaptation is needed, according to the pedoclimatic conditions and specific objectives during fallow period.

CT 3 ; EnjS 4 ; Département E.A. ; Modèle STICS; Modeling with STICS the effects of no-tillage vs tillage in cropping systems under constrasting pedoclimatic conditions. iCROPM 2016 International Crop Modelling Symposium

International audience; In this study we show for the first time how quantitative stress estimates can be derived by combining calcite twinning and stylolite roughness stress fingerprinting techniques in a fold-and-thrust belt. First, we present a new method that gives access to stress inversion using tectonic stylolites without access to the stylolite surface and compare results with calcite twin inversion. Second, we use our new approach to present a high-resolution deformation and stress history that affected Meso-Cenozoic limestone strata in the Monte Nero Anticline during its late Miocene-Pliocene growth in the Umbria-Marche Arcuate Ridge (northern Apennines, Italy). In this area an extensive stylolite-joint/vein network developed during layer-parallel shortening (LPS), as well as during and after folding. Stress fingerprinting illustrates how stress in the sedimentary strata did build up prior to folding during LPS. The stress regime oscillated between strike slip and compressional during LPS before ultimately becoming strike slip again during late stage fold tightening. Our case study shows that high-resolution stress fingerprinting is possible and that this novel method can be used to unravel temporal relationships that relate to local variations of regional orogenic stresses. Beyond regional implications, this study validates our approach as a new powerful toolbox to high-resolution stress fingerprinting in basins and orogens combining joint and vein analysis with sedimentary and tectonic stylolite and calcite twin inversion techniques.

National audience

National audience; Dans la continuité des travaux initiés par Eric Gomez dans le cadre de sa thèse de doctorat (2002), le centre de Géosciences de MINES ParisTech a maintenu le développement de la chaîne de modélisation "STICS-MODCOU'. A partir de pratiques agricoles spatialisées sur un bassin, cette chaîne permet de générer des flux de pollution diffuse (nitrates), flux ensuite introduits dans les différents compartiments de l'hydrosystème (formations non saturées, aquifères, cours d'eau). L'actualisation de ces modélisations couplées a été réalisée à partir de 2011 pour aider à la réalisation de l'état des lieux, première échéance de la Directive Cadre sur l'Eau. Ces travaux ont nécessité la création de cinq nouveaux sous-modèles hydrogéologiques du bassin Seine-Normandie et leur couplage avec le modèle agronomique STICS. Les principaux résultats obtenus ont permis : d'évaluer l'état actuel de la contamination nitrique des masses d'eau en complément des suivis ponctuels du Réseau de Contrôle de Surveillance (RCS) et de Contrôle Opérationnel (RCO), de valider la représentativité du RCS et RCO en comparant, pour chaque masse d'eau, les indications de contamination données par les stations surveillées et les résultats de la simulation, de confirmer les objectifs de bon état aux échéances 2015/2021/2027 ou de la nécessaire évolution à apporter à ces mêmes objectifs. Un des points forts de la modélisation est en effet de pouvoir prolonger les simulations dans le futur à court et moyen terme, à pressions constantes ou avec un scénario prédéfini afin d'estimer l'évolution de la pollution nitrique des différentes masses d'eau et de valider la pertinence des objectifs fixés. A partir de 2013, afin de pouvoir s'appuyer sur ces modèles dans le cadre de la préparation du SDAGE et de l'élaboration du programme de mesures 2016/2021 de l'Agence de l'Eau Seine-Normandie, il a été proposé d'intégrer dans la chaîne de modélisation les toutes dernière avancées scientifiques réalisées principalement au niveau du modèle agronomique STICS (nouvelle version logicielle et intégration du module de transfert des phytosanitaires développés dans le cadre du PIREN-Seine) et des bases de données associées (pratiques agricoles et sols). C'est le sujet de la communication présentée lors de ce colloque. L'objectif poursuivi est, à la fois, de reconstituer de façon spatio-temporelle l'évolution des concentrations en nitrates mesurées aux ouvrages dans l'ensemble des formations aquifères modélisées et de prévoir, via la simulation de scénarios tendanciels, les grandes évolutions des concentrations attendues à moyen terme, à partir des niveaux actuels reconstitués et de la reproduction de leurs dynamiques de mise en place. Cette actualisation de la plate-forme de modélisation s'est décomposée en plusieurs étapes principales, dont : (i) L'implémentation au modèle agronomique (version 8.3-octobre 2014) d'une structure informatique permettant de le déployer à l'échelle du bassin (spatialisation) et de prendre en compte la variabilité spatio-temporelle des forçages météorologiques, des systèmes de cultures et des différentes catégories et types de sol. Cette nouvelle procédure, entièrement externalisée au code source du modèle permettra, à l'avenir, de suivre les évolutions de STICS au fur et à mesure de leurs publications, (ii) l'utilisation des travaux de description spatialisée des systèmes de culture sur le bassin (BDD ARSeiNe, INRA-SAD Aster), également mis à jour sur la période 2006-2011. L'avancée en parallèle de cette étude avec ceux de la modélisation a permis d'optimiser le mode d'utilisation des informations mobilisables pour le modèle agronomique, (iii) la réacutalisation, entre autres des classes de pédotransfert (INRA-Infosol) utilisées pour l'estimation des stocks d'azote organique via les données de mesures du RMQS (Réseau de Mesure de la Qualité des Sols), auxquels la lixiviation de l'azote s'avère particulièrement sensible, (iv) l'élaboration, en étroite collaboration avec l'INRA-AgroImpact, d'un protocole d'expertise détaillé des sorties de STICS afin d'en évaluer la fiabilité macro-régionale. Cette procédure a principalement visé, selon une méthode itérative, à décrire la variabilité spatio-temporelle d'indicateurs agronomiques, à étudier la cohérence entre entrées et sorties du modèle ainsi qu'à vérifier l'existence de relations robustes entre variables. L'obtention de ces résultats a entrainé une nouvelle phase de calage hydrodynamique de l'ensemble des modèles couvrant le bassin Seine-Normandie (au nombre de 7) via des chroniques de mesures recensées sur près de 1000 ouvrages. Les résultats obtenus permettront de mettre à jour les fiches synthétiques compilées à la masse d'eau (cycle DCE 2016-2021). Les simulations tendancielles sont effectuées en utilisant les données météorologiques du modèle de circulation générale Aladin-Climat (CNRM). Elles sont associées à un ensemble de nouveaux profils représentatifs d'évolution de concentration de gaz à effets de serre définis dans le cadre du 5ème rapport du GIEC. Les données associées au profil intermédiaire défini ([CO2]éq-co2 vers 2100 de 800 ppm, scénario RCP 4.5) ont été retenues pour les simulations réalisées dans le cadre de ces travaux. Outre la simulation de scénarios déjà mis en oeuvre sur la période 2014-2030 lors des précédentes applications de la chaîne (maintien des pratiques actuelles, réduction globale de -20% des intrants azotés, scénario "témoin" à zéro intrants azotés), il a été proposé d'évaluer l'impact du programme de mesures proposé par l'AESN sur les modifications de pratiques localisées sur le bassin. Celui-ci comporte deux aspects régionalisés : (i) au niveau des zones vulnérables (définies par les décrets d'application de la directive Nitrates) visant notamment la couverture des sols avant les cultures de printemps (=mise en place de CIPAN), (ii) au sein des AAC prioritaires du bassin : réduction de 20 % de la fertilisation sur 20 % de la SAU et remise en herbe de 1% de la SAU. Tous ces travaux ont nécessité et nécessite encore une grande collaboration multidisciplinaire entre les modélisateurs des hydrosystèmes (MINES ParisTech / ARMINES) et les différentes spécialités des unités de recherches impliquées de l'Institut National de la Recherche Agronomique (INRA SAD UR ASTER / Unité AgroImpact / Unité InfoSol).

Session 2; Stics et exercices internationaux d'inter-comparaison de modeles de culture. 10. Colloque Modèle de culture STICS

National audience

National audience

STICS a été largement utilisé dans de nombreux contextes agro-environnementaux, en particulier en France. Il a été testé en situation labourée et climat tempéré a contrario des systèmes de non-labour en zones tropicales. Quelques études ont évalué STICS dans des conditions tropicales, mais elles sont basées sur d'anciennes versions du modèle où les processus biologiques de dégradation du mulch de résidus de culture ne sont pas décrits. Nos hypothèses sont : i) les bilans d'eau, d'azote et de carbone à court, moyen ou long terme sont davantage sensibles aux modalités de décomposition du mulch qu'à la structure du sol, quand on compare les impacts du non travail du sol et du labour ; ii) le comportement et le devenir du mulch dépendent fortement des interactions advenant au sein du système techno-pédo- climatique. Notre stratégie a été de tester la capacité de STICS (v8.3.1) à simuler les systèmes de culture basés sur le non-labour et avec une couverture permanente d'un paillis de résidus de plantes sous les climats contrastés de plusieurs sites expérimentaux.