Boletín de Geología

Editorial

The relation between monogenetic and polygenetic dacitic volcanism. Case study from Tapias dome (<95 ka) and Cerro Machín volcano (<50 ka), Colombia

Abstract The Tapias lava dome is located ~5 km SE of the explosive, Cerro Machín polygenetic volcano, both located on the Colombian Central Cordillera. The edifices have been interpreted as generated by the same magmatic system; however, the genetic and temporal relations between both edifices have not been established. In this work, the Tapias dome is studied using petrographic characterizations, mineral-, whole-rock- and isotopic chemistry, geothermobarometric calculations, and a K/Ar radiogenic age, and subsequently it is explored the relationship with the Cerro Machín. The rocks from Tapias dome are porphyritic with phenocrysts of plagioclase (An28-48), amphibole (tschermakite and magnesiohastingsite), biotite, quartz, and Fe-Ti oxides, embedded in a glassy groundmass. Petrographically, two types of amphibole crystals were recognized: type I, which is homogeneous, and type II, which displays different rims. The composition of Tapias is dacitic (SiO2: 66.59 wt.%) with calc-alkaline affinity. Our geothermobarometric calculations indicate that type I amphibole crystallized at 871-874°C, between 10.2 and 10.4 km depth. The core of the type II amphibole crystallized at 852-920°C, between 8.5 and 12.3 km depth, while its rim did it at higher temperatures (880-973°C), but at similar depths (9.1-11.8 km). The K/Ar radiogenic age obtained for the groundmass shows an emplacement age not older than 95 ± 0.05 ka. When comparing the results to the Cerro Machín, it is noted that the mineral and compositional characteristics are nearly identical. These results suggest that indeed both volcanoes share the same magmatic system and are fed by magma hosted between ~9 and ~12 km depth. Moreover, it is proposed that the vent location of both edifices, as well as the time gap between the eruption at Tapias and the beginning of the activity at the Cerro Machín (~50 ka), are the result of crustal deformation caused by the interaction between the Otú-Pericos and Ibagué faults.

Resumen El domo Tapias es un edificio volcánico que se localiza ~5 km al SE del volcán poligenético explosivo Cerro Machín, ambos localizados en la Cordillera Central colombiana. La formación de estos volcanes ha sido interpretada a partir del mismo sistema magmático; sin embargo, la relación genética y temporal entre ellos no ha sido definida. En este trabajo, se analiza el domo Tapias a partir de petrografía, química mineral, química de roca total, isótopos, cálculos geotermobarométricos y una datación K/Ar, y posteriormente se explora la relación con el volcán Cerro Machín. Las rocas del domo Tapias son porfiríticas con fenocristales de plagioclasa (An28-48), anfíbol (tschermakita y magnesiohastingsita), biotita, cuarzo y óxidos de Fe-Ti, embebidos en una masa fundamental vítrea. Petrográficamente, se reconocen dos tipos de anfíbol: el tipo I, con apariencia homogénea, y el tipo II, con bordes diferentes. La composición de Tapias es dacítica (SiO2: 66,59 wt.%) de afinidad calco-alcalina. Los cálculos geotermobarométricos indican que: 1) los anfíboles tipo I cristalizaron a 871-874°C, entre 10,2 y 10,4 km de profundidad, y 2) los núcleos de los anfíboles tipo II cristalizaron a 852-920°C, entre 8,5 y 12,3 km de profundidad, mientras que los bordes, a temperaturas más altas (880-973°C), pero a profundidades similares (9,1-11,8 km). La edad K/Ar indica un emplazamiento no más antiguo que 95 ± 0,05 ka. Al comparar estos resultados con los reportados para el Cerro Machín, se observan unas características minerales y composicionales muy similares. Estos resultados sugieren que ambos volcanes son alimentados por el mismo magma hospedado entre ~9 y ~12 km de profundidad. Asimismo, se propone que el centro de emisión, así como el tiempo entre el emplazamiento de Tapias y el inicio de la actividad del Cerro Machín (~50 ka) son el resultado de deformación cortical relacionada con la interacción entre las fallas Otú-Pericos e Ibagué.

The geometry and dimensions of columnar jointing structures in volcanic rocks of Colombia

Resumen Las estructuras de disyunción columnar en rocas volcánicas corresponden al patrón de diaclasas que resulta de la contracción y deformación de los materiales durante el enfriamiento post emplazamiento. Estas pueden desarrollarse tanto en lavas como en depósitos de corrientes de densidad piroclástica (CDP) soldadas. En este estudio se analizaron visualmente 394 polígonos en 14 afloramientos de rocas volcánicas y depósitos volcaniclásticos soldados con disyunción columnar en Colombia, y computacionalmente, 349 polígonos definidos por procesamiento de imágenes. Estas medidas, junto con las variaciones relativas de tamaños de las columnas, fueron utilizadas para estimar la homogeneidad, el orden y la madurez de los patrones de disyunción. La relación entre tamaños de estrías y longitud de lado de columnas se usó para aproximar el mecanismo de disipación calórica dominante durante el emplazamiento de lavas y CDP. La inspección visual de afloramientos reveló que en lavas domina la geometría hexagonal, mientras que en depósitos de CDP dominan los pentágonos y tetrágonos. El análisis computacional indica que, en general, la disyunción columnar en Colombia tiende a organizarse en geometría hexagonal óptima. Específicamente, el afloramiento denominado Cristales, ubicado en el flanco suroriental del Nevado del Ruiz, en la cordillera Central, presenta el mayor grado de madurez; el Domo Victoria, un volcán monogenético de la cordillera Central, tiene el mayor grado de homogeneidad; y el sitio Los Ataúdes, ubicado en el flanco occidental de la cordillera Occidental, muestra el mayor grado de ordenamiento. Las estrías usualmente están entre 10 y 25% del lado de columnas. Los valores del número de Péclet entre 0,28 y 0,41 indican que en el emplazamiento de las lavas dominó la transferencia de calor conductiva, aunque no se puede descartar la disipación de calor convectiva asistida por diaclasas.

Abstract Columnar jointing structures in volcanic rocks correspond to the joint pattern that results from the contraction and deformation of materials during post-emplacement cooling. Data of 394 polygons in fourteen outcrops of volcanic rocks with columnar jointing in Colombia were visually inspected, and 349 polygons were defined by image processing with computer scripts. These polygonal geometries, along with the relative variations of the sizes of columns were used to estimate the homogeneity, order, and maturity of the jointing patterns. The relationship between stria size and column width was used to approximate the dominant heat transfer mechanism during the emplacement of lavas and pyroclastic density currents (PDC) deposits. Visual inspection of outcrops reveals that the hexagonal geometry dominates in lavas, whereas in PDC, the dominant geometries are pentagons and tetragons. Computational processing indicates that in general, columnar jointing in Colombia tends to be the optimal hexagonal organization, although other orders are observed. It is found that the Cristales outcrop, located on the southeastern flank of Nevado del Ruiz volcano, in the Cordillera Central, shows the highest degree of maturity; Domo Victoria, a monogenetic volcano in the Cordillera Central, has the most homogeneity, and Los Ataúdes site, on the eastern flank of Cordillera Occidental, is the most ordered. Striae sizes are usually 10-25% of column widths. Values of Péclet number in the range 0.28-0.41 indicate that heat transfer by conduction dominated during lava emplacement, although heat dissipation by joint-aided convection cannot be discarded.

Mineralogical, petrographic, and geochemical analyzes which confirm the hydrothermal origin of the sediments that overlie the peridotites of Cerro Matoso, Colombia

Abstract The Cerro Matoso deposit, one of the largest open-pit ferronickel mines in the world is formed by a sedimentary succession on top of an abducted ultramafic body that makes part of the Cauca ophiolite complex. The set of rocks was accreted in northwestern Colombia during the Cretaceous and exposed to weathering processes during the last Andean Orogeny. Sediment samples were collected and studied using petrographic microscopy, SEM, EPMA, ICP-MS, XRF, and oxygen as well as carbon isotopes analyses. Oxygen isotope results reflect pore-water temperatures reaching up to 130°C during mineral precipitation, which are consistent with serpentinization-derived fluids of mantle rocks that may be related to deep-sea hydrothermal activity. Negative δ13C values (-27.1 to -1‰ V-PDB) in bulk samples of the tabular succession correlate with the δ13C range of methane from modern serpentinite-derived fluids. The REE/Fe data (ratio <0.4) suggest that sediments differenced in black mudstone and fossiliferous green claystone correspond to metalliferous and hydrothermal sediments respectively, formed in the ancient mid-ocean Pacific ridge, far west of its present position. Positive Eu and negative Ce anomalies registered in the black mudstone succession correlate with a hydrothermal plume scenario.

Resumen El yacimiento Cerro Matoso, una de las minas de ferroníquel a cielo abierto más grandes del mundo, está formado por una sucesión sedimentaria que reposa sobre un cuerpo ultramáfico adosado al continente, que forma parte del Complejo Ofiolítico del Cauca. El conjunto de rocas fue adosado en el noroeste de Colombia durante el Cretácico, y fue expuesto a procesos de meteorización durante la última orogenia andina. Las muestras de sedimentos fueron recolectadas y estudiadas mediante microscopía petrográfica, SEM, EPMA, ICP-MS, FRX y análisis de isótopos de oxígeno y carbono. Los resultados de los isótopos de oxígeno reflejan temperaturas del agua intersticial que alcanzan los 130°C durante la precipitación mineral, lo que es coherente con fluidos derivados de la serpentinización de las rocas ultramáficas que pueden estar relacionados con actividad hidrotermal en el fondo del mar. Los valores negativos de δ13C (−27,1 a −1‰ V-PDB) en muestras (roca total) de la sucesión sedimentaria, se correlacionan con el rango de δ13C del metano de fluidos modernos derivados de serpentinita. Los datos REE/Fe (relación <0.4) sugieren que los sedimentos denominados lodolitas negras y arcillolitas verdes fosilíferas corresponden a sedimentos metalíferos e hidrotermales respectivamente, formados en la antigua dorsal meso-oceánica del océano Pacífico, muy al oeste de su posición actual. Las anomalías positivas de Eu y negativas de Ce registradas en la sucesión de lodolitas negras se correlacionan con un escenario de plumas hidrotermales.

Mineralogical analysis of a residual soil from Medellín Dunite (Colombia) and its influence on physical properties and unsaturated undrained shear strength

Abstract The residual soils have a physical-mechanical behavior that reflects their formation process. In the present work, a residual soil derived from Medellín Dunite was characterized mineralogically and its influence on the physical properties and unsaturated undrained shear strength was evaluated. The samples were taken in the area adjacent to “Canteras de Colombia”, in Bello municipality (Antioquia, Colombia), on the east side of the Medellín-Bogotá highway. To obtain a relationship between mineralogy and physical-mechanical properties, mineralogical characterization with X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and Mössbauer spectroscopy was done to determine the mineral phases present at three depths above 1.80 m in a soil profile derived from Medellín Dunite. The index properties and undrained shear strength of these soils were determined, the latter by the unconfined compressive strength (UCS) test and unconsolidated-undrained (UU) triaxial compression test. The residual soils of Medellín Dunite, have a particular mineralogical composition, which has a significant bearing on their physical-mechanical behavior. The more superficial soils (0.00 a 0.30 m) are richer in iron oxides and hydroxides (hematite, maghemite, and goethite) and aluminum hydroxides (gibbsite), forming bonds between the particles that produce soil aggregation. They are of lateritic behavior and fragile, and present, more significant cohesion and larger undrained shear strength than deeper soils (0.30 m to 1.80 m), these present lower content of oxides and oxi-hydroxides and higher content of silicates like clinochlore and tremolite.

Resumen Los suelos residuales presentan un comportamiento físico-mecánico que es el reflejo de su proceso de formación. En la presente investigación, un suelo residual derivado de la Dunita de Medellín fue caracterizado mineralógicamente, y se evaluó su influencia en algunas propiedades físicas y en la resistencia al corte no drenada en condición no saturada. Los suelos estudiados se localizan en el sector contiguo a “Canteras de Colombia”, en el municipio de Bello (Antioquia, Colombia), sobre el costado oriental de la autopista Medellín-Bogotá. En la zona de estudio, se seleccionó un talud y se tomaron muestras del suelo a diferentes profundidades (por encima de 1,8 m) dentro del perfil de meteorización. La caracterización mineralógica para determinar las fases minerales presentes en los suelos se hizo utilizando difracción de rayos X (DRX), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y espectroscopía de Mössbauer. Fueron determinadas las propiedades índice del suelo y la resistencia al corte no drenada, esta última mediante los ensayos de resistencia a la compresión no confinada (UCS) y resistencia a la compresión triaxial no consolidada-no drenada (UU). Los suelos residuales derivados de la Dunita de Medellín presentan una composición mineralógica particular, que al parecer tiene un efecto significativo en su comportamiento físico-mecánico. Los suelos más superficiales (0,00 a 0,30 m) se encuentran enriquecidos en óxidos y oxi-hidróxidos de hierro (hematita, magemita y goetita) e hidróxidos de aluminio (gibsita), formando enlaces entre-partículas que producen agregación a los suelos. Estos son de comportamiento laterítico y frágil, y presentan mayor cohesión y mayor resistencia al corte no drenada que los suelos residuales de los horizontes más profundos (0,30 m a 1,80 m), que a su vez presentan menor contenido de óxidos y oxi-hidróxidos y mayor contenido de silicatos como clinocloro y tremolita.

Hydrogeochemical characterization of groundwater in the city of Minas, department of Lavalleja, Uruguay

Resumen La evaluación fisicoquímica del agua extraída de fuentes subterráneas se convierte en una herramienta fundamental para la interpretación de la interacción existente entre agua-roca, teniendo como precedente el conocimiento del carácter geológico del territorio, y confiere una estimación inicial de posibles anomalías composicionales a causa de agentes externos que pueden alterar la calidad del recurso, condición que sugeriría estudios detallados sobre el origen, extensión y grado de afectación de estas fuentes contaminantes. El estudio hidrogeoquímico en la ciudad de Minas, Uruguay, se desarrolla en aras de contribuir al conocimiento hidrogeológico local, así como para definir si las aguas captadas actualmente por los habitantes son químicamente adecuadas para los usos a los que se destinan, tales como consumo humano y riego, o si requieren algún tratamiento de potabilización. La clasificación de aguas demostró que en la zona dominan las facies bicarbonatadas cálcicas y/o magnésicas, con un tiempo de residencia corto en el acuífero. Así mismo, se define que ciertos iones exceden los límites permitidos por la norma de potabilidad uruguaya. De acuerdo con el mapa de vulnerabilidad hidrogeológica de la ciudad de Minas, los pozos muestreados se encuentran principalmente sobre zonas catalogadas con vulnerabilidad alta a muy alta a la contaminación, ya que las características intrínsecas de los acuíferos favorecen la exposición de estos sistemas a escenarios puntuales de contaminación, como el enriquecimiento en nitratos por actividades antrópicas no controladas.

Abstract The physicochemical evaluation of the water extracted from groundwater sources becomes a fundamental tool for the interpretation of the existing interaction between water-rock. This has as a precedent the knowledge of the geological character of the territory and confers an initial estimate of possible compositional anomalies to cause external agents that can alter the quality of the resource. Hence, a condition that would suggest detailed studies on the origin, extension, and degree of affectation of these polluting sources. The hydrogeochemical study in the city of Minas, Uruguay, is developed to contribute to local hydrogeological knowledge, as well as to define if the waters currently collected by the inhabitants are chemically adequate for the uses to which they are destined, such as human consumption and irrigation or require some purification treatment. The water classification showed that calcium and/or magnesium bicarbonate facies dominate the area, with a short residence time in the aquifer. Likewise, certain ions exceed the limits allowed by the Uruguayan potability standard. According to the hydrogeological vulnerability map of the city of Minas, the sampled wells are mainly located in areas cataloged with high to very high vulnerability to contamination, so the intrinsic characteristics of the aquifers promoting the exposure of these systems to specific pollution scenarios, such as nitrate enrichment due to uncontrolled anthropogenic activities.

Zoning of the geothermal gradient in the Oriente Basin of Ecuador from Bottom Hole Temperatures

Resumen La cuenca Oriente (Cretácico-Cenozoico tardío) es una de las más complejas y atractivas cuencas sedimentarias de antepaís de los Andes septentrionales. Está constituida por diversos ciclos tectónicos y sedimentarios, desarrollada sobre un basamento Precámbrico. Con el fin de evaluar el potencial geotérmico teórico y los usos potenciales del calor en la cuenca, datos de temperaturas de fondo de pozos (BHT) de 1683 pozos petroleros profundos, distribuidos en 202 campos individuales, han sido ploteados en un mapa georreferenciado, cubriendo un área de 57.400 km2. El tratamiento estadístico de los datos para el cálculo del gradiente geotérmico incluyó correcciones de las BHT, de acuerdo con el método propuesto por Willet y Chapman. A partir de los datos trazados, se hace evidente que a lo largo del Corredor Sacha-Shushufindi, muestra valores bajos de gradiente (7,38 a 26,1ºC/km). Por el contrario, los valores altos de gradiente (26,1 a 69,01ºC/km) están presentes en el Sistema Subandino y en el Sistema Capirón-Tiputini. La distribución de anomalías de temperatura parece estar relacionada con el control estructural NNE-SSO de la cuenca, cuyo patrón de permeabilidad es bien conocido. La extracción de calor para usos comerciales se ve altamente facilitada por la existencia de pozos profundos que penetran en zonas de alto gradiente, lo que ahorra los costos generalmente prohibitivos de la perforación profunda.

Abstract The Oriente Basin (Late Cretaceous-Cenozoic) is one of the most complex and attractive foreland sedimentary basins of the northern Andes. It is made up of various tectonic and sedimentary cycles developed on a Precambrian basement. To evaluate the theoretical geothermal potential and the potential uses of heat in the basin, data on Bottom Hole Temperatures (BHT) of 1683 deep oil wells, distributed in 202 individual fields, have been plotted on a geo-referenced map, covering an area of 57.400 km2. The statistical treatment of the data for the calculation of the geothermal gradient included corrections of the BHT according to the method proposed by Willet and Chapman. From the plotted data, it becomes clear that the Sacha-Shushufindi Corridor shows low gradient values (7.38 to 26.1ºC/ km). Instead, high gradient values (26.1 to 69.01ºC/km) are present in the Sub-Andean System and Capirón-Tiputini System. The distribution of temperature anomalies seems to be related to the NNE-SSO structural control of the basin, whose permeability pattern is well known. The extraction of heat for commercial uses is highly facilitated by the existence of deep wells that penetrate high-gradient zones, saving the generally prohibitive costs of deep drilling.

Neural model to estimate permeability from well logs and core data

Abstract A case study testing the effectiveness of neural networks for permeability determination in heterogeneous media using basic rock properties is presented. The dataset used consists of 213 core samples from the Morrow and Viola formations in Kansas, United States. The characterizing parameters of the cores are porosity (ϕ), water and oil saturations (Sw and So), and grain density (GD), and the additional variables from well logs are induction resistivity (ILD), gamma ray (GR) and neutron-porosity (NPHI). The neural predictions are compared with permeability values obtained from three semi-empirical models (Timur, Coates, and Pape) widely used in reservoir characterization. It is concluded that the neural network provides the best overall prediction quantified by the highest correlation coefficients (R and R2) far above those achieved with conventional methods in formations with rock heterogeneity and complex diagenetic nature. Applying Timur’s method R was 0.58 and R2 was 0.343, for Coates’ model R was 0.60 and R2 0.365 and for Pape’s model R was 0.60 and R2 was 0.372, while for the neural model, 0.97 and 0.94 were obtained for R and R2, respectively.

Resumen Se presenta un caso de estudio donde se pone a prueba la efectividad de las redes neuronales para determinar la permeabilidad en medios rocosos heterogéneos a partir de propiedades básicas de las rocas. El conjunto de datos usado se conforma de 213 muestras de núcleo de las formaciones Morrow y Viola encontradas en el estado de Kansas, Estados Unidos. Los parámetros caracterizadores de las muestras de núcleos son porosidad (ϕ), saturación de agua y aceite (Sw y So) y densidad de grano (GD), y las variables adicionales de registros de pozo son registro resistivo (ILD), rayos gamma (GR) y neutrón-porosidad (NPHI). Las predicciones neuronales son comparadas con resultados obtenidos por tres modelos semiempíricos (Timur, Coates y Pape) ampliamente usados en la caracterización de yacimientos. Se concluye que la red neuronal provee la mejor predicción por sobre todos los modelos presentados cuantificándose mediante el coeficiente de correlación (R y R2) más alto, muy por encima de aquellos valores obtenidos mediante los métodos convencionales en formaciones con heterogeneidad en rocas y compleja naturaleza diagenética. Aplicando el método de Timur el R resultó de 0,58 y el R2 de 0,343, con el modelo de Coates se obtuvo un R de 0,60 y un R2 de 0,365; con el modelo de Pape el R fue de 0,60 y el R2 fue de 0,372, mientras que con el modelo neuronal se obtuvieron 0,97 y 0,94 para R y R2, respectivamente.