Earth Sciences Research Journal

APPLICATION OF GRAVIMETRY AND ELECTRIC TOMOGRAPHY METHODS TO OBTAIN STRATIGRAFIC PROFILES: CASE STUDY AT UNIVERSITY OF QUINDÍO AND PUERTO ESPEJO AREA, ARMENIA-COLOMBIA

Se describe la metodología usada para desarrollar campañas geofísicas de resistividad y gravimetría aplicadas al subsuelo. Estos son métodos totalmente indirectos cuyo propósito es determinar los contrastes de densidad y resistividad en el subsuelo, para relacionarlas con los diferentes tipos de suelos en las áreas de estudio, localizadas al sur y norte de la ciudad de Armenia-Quindío (Puerto Espejo y Universidad del Quindío respectivamente), para determinar la geometría de perfiles longitudinales basados en pozos geotécnicos existentes los cuales solo proveen información unidimensional. La importancia del subsuelo es analizada usando métodos eléctricos de resistividad y gravimetría en proyectos de ingeniería civil. Los factores más importantes que influencian los cambios en la resistividad eléctrica y valores gravimétricos para diferentes materiales geológicos también son analizados, así como los rangos de variación de estos valores, dependiendo de las condiciones climáticas y la formación de capas en cada área de estudio.Para la tomografía eléctrica, se usa el arreglo electródico Wenner - Schlumberger debido a su alta resolución vertical y horizontal. Para el método gravimétrico , se usa la técnica microgravimétrica porque permite mayor detalle en capas superficiales del subsuelo.Los resultados obtenidos son presentados en perfiles eléctricos y gravimétricos en Puerto Espejo y la Universidad del Quindío, los cuales fueron útiles como parámetros de calibración de los rangos de resistividad y gravimetría para los tipos de suelos encontrados en estas áreas de Colombia, dependiendo también de los factores de humedad y temperatura. El análisis y discusión de los resultados es lo que finalmente permite obtener conclusiones, importante para la escogencia de métodos de exploración geofísica como una alternativa para familiarizarse con las estructuras localizadas en el subsuelo .

The methodology used to develop resistivity and gravimetry geophysical surveying applied to the sub-surface is described. These are totally indirect methods whose purpose is to determine the density and resistivity contrasts in the sub-surface, in order to relate them with the different types of soils in the areas of study, located South and North In Armenia- Quindío (Puerto espejo and University of Quindío respectively), to determine the geometry of longitudinal profiles based on existing geotechnical boreholes which only provide unidimensional information.The importance of sub-surface is analyzed, using electric resistivity and gravimetry methods in Civil Engineering projects. The most important factors influencing the changes in electric resistivity and gravimetry values for differerent geological materials are also analyzed, as well as the ranges of variation of these values, depending on climate conditions and formation of layers in each area of study.For the electric tomography, the electrodic array Wenner -Schlumberger is used due to its high vertical and horizontal resolution. For the gravimetric method, the microgravimetry technic is used because this allows better detail in shallow layers of the sub- surface.Results obtained are presented in electric and gravimetric profiles in Puerto Espejo and University of Quindío , which are useful as calibration parameters of resistivity and gravity ranges for the types of soils found in these areas in Colombia, depending also on the humidity and temperature factors. The analysis and discussion of results is what finally permits to obtain conclusions, important for choosing the methods of geophysical exploration as an alternative to get familiar with the structures located in the sub-surface .

SEISMOLOGICAL OBSERVATORY AT QUINDIO UNIVERSITY (O.S.Q.): A FIRM LONG-TERM STEP TOWARD RESOLVING REGIONAL SEISMICITY

El Eje Cafetero (zona central de Colombia, cultivada con café), y en particular, el departamento del Quindío es constantemente golpeada por sismos de diferentes magnitudes. Los sismos son el resultado de la compleja tectónica regional debido a la interacción entre las placa Nazca, Caribe y Sur América. La convergencia de estas placas es responsable de la formación de los Andes. Por estas razones, el OSQ (Observatorio Sismológico del Quindío) e INGEOMINAS, como las entidades estatales encargadas de monitorear la actividad sísmica, han de contribuir, a si como los centros regionales de investigación, al desarrollo de los estudios sismológicos y el análisis de la actividad tectónica local, para así obtener nuevos conocimientos a cerca de los desastres naturales que amenazan a las comunidades en la región y entender mejor la estructura interna de la corteza en la región del Eje Cafetero.La combinación de diferentes modelos de velocidad para la región del Eje Cafetero ha permitido la definición de elementos clave para tener una mejor percepción de la estructura de la corteza. En consecuencia, la determinación de un modelo de velocidades mejorado para la región cafetera ha ayudado a localizar mejor los sismos y a determinar con mayor precisión los espesores de la corteza y la estructura del manto superior entre los terrenos adyacentes que fueron generados en diferentes períodos geológicos.La magnitud ML fue determinada para los campos cercanos e intermedios y usando el modelo presentado en este articulo, el problema del rango dinámico de saturación de los sismógrafos durante sismos relevantes en campo cercano es solucionado. La magnitud local de algunos sismos superficiales fue calculada usando sismos con distancias epicentrales entre 10Km y 300Km asi como las magnitudes de algunos sismos profundos con distancias hipocentrales entre 100 Km y 600 Km.La evaluación del potencial sísmico en la región del Eje Cafetero empieza con el registro de la sismicidad reciente en Chocó y en la parte norte del departamento del Valle, y está basada en el análisis comparativo entre esta sismicidad y la registrada antes de la ocurrencia de los sismos mas importantes de los últimos 42 años. Finalmente, considerando las dos fuentes de subducción, un sismo cuya magnitud de momento sísmico entre 6.7 y 7.3 podría esperarse en la próxima década, con una probabilidad de 87%.

The Coffee Belt (the central coffee-growing zone in Colombia ), and more particularly, the state of Quindio is constantly hit by earthquakes of different magnitudes. Earthquakes result from the complex regional tectonics, brought about by interaction between the Nazca, Caribbean , and South American plates. The convergence of these plates is responsible for the formation of the Andes . For these reasons, the OSQ (Sesimological Observatory of Quindio, from its acronym in Spanish) and INGEOMINAS, as government offices in charge of monitoring earthquake activity, have to contribute, along with research centers of the region, to the development of seismological studies and analysis of local tectonic activity in order to obtain new knowledge regarding natural disasters which are threat to the communities in region and be able to better understand the internal crustal structure in the Coffee Belt region. The combination of different velocity models for the Coffee Belt region has allowed the definition of key elements to have better insight about the structure of the crust. Consequently, determining an improved new velocity model for the Colombian coffee-growing region has helped to a better location of earthquakes and to a more accurate determination of differences in crustal thickness and the structure of the upper mantle between adjacent terrains that were built during different geological periods. The ML magnitude was determined for the near and intermediate fields, and, using the model presented in this article, the problem of dynamic range saturation of seismographs during relevant earthquakes in near field is overcome. The local magnitude of some shallow earthquakes was calculated using shocks with epicentral distances ranging between 10km and 300km as well as the magnitudes of some deep earthquakes with hypocentral distances ranging between 100km and 600km.Seismic potential assessment in the Coffee Belt region begins with recent seismicity recorded in Chocó and the northern part of Valle (a state in Colombia) and is based on comparative analysis between this seismicity and the one recorded before the occurrence of the most important earthquakes in the last 42 years. Finally, taking into consideration the two subduction sources, an earthquake with seismic moment magnitude ranging between 6.7 and 7.3 could be expected within the next decade, having a probability of 87%.

NEW GEOLOGICAL AND GEOPHYSICAL CONTRIBUTIONS IN THE SECTION IBAGUÉ - ARMENIA , CENTRAL CORDILLERA - COLOMBIA

Ha sido interpretada la sección geológica entre las ciudades de Ibagué y Armenia basada en observaciones geofísicas y estructurales en busca de establecer el estilo estructural dominante y la configuración del basamento en profundidad. Inicialmente se realizaron mediciones gravimétricas y magnetométricas levantadas cada 500 m entre estas ciudades, las cuales permitieron soportar el desarrollo del experimento sísmico Armenia- Quake . El alcance del experimento sísmico permitió detectar reflectores hasta aproximadamente 17 km de profundidad en un área de influencia de aproximadamente 25 km. La interpretación integral de la información geológica y geofísica permite concluir que el Complejo Cajamarca define una estructura sinclinal amplia cerca al Municipio de Cajamarca. Partiendo de dicha información se pudo reconocer la presencia de un basamento compuesto por cuñas de rocas basálticas y sedimentarias asociadas a las formaciones Quebradagrande y Arquía . Igualmente se reconoce la existencia de una gran flexión de la paleo-placa oceánica relacionada a la formación Barroso, la cual se encuentra limitada al occidente por la falla Cauca- Almaguer . La estructura en flexión y la evolución compresiva del estado de esfuerzos en esta región de América del Sur podrían ser las responsables del depósito y posterior plegamiento de la formación Cinta de Piedra que constituye en gran medida la Serranía de Santa Bárbara.

Based on geophysical and structural observations a geologic section between the cities of Ibagué and Armenia ( Colombia ) has been interpreted to establish the dominant structural style and the basement configuration at depth. Gravimetric and magnetic measurement were initially taken each 500 m along these cities, which helped in the development of the Armenian-Quake seismic experiment. The experiment illuminated reflectors down to approximately 17 km deep in an influence area of approximately 25 km. The complete interpretation of the geological and geophysical information allows concluding that the Cajamarca complex defines a wide synclinal near to Cajamarca town. With this information initially it was possible to recognize the presence of a basement compound for wedges of basaltic and sedimentary rocks associated to the Quebradagrande and Arquía formations. Then was recognized the existence of a great flexion of the oceanic paleo -plate related to the Barroso formation, which is limited at west by the Cauca-Almaguer fault. The flexion structure and the evolution of the stress in this region of South America could be responsible for the deposit and later folding of the Cinta de Piedra formation that constitutes the Santa Bárbara range .

SIMULATION OF NEAR-SURFACE LAYER OF THE COLOMBIAN PACIFIC OCEAN

Este artículo muestra los resultados obtenidos en el estudio de la estructura fina termohalina de la capa sub-superficial realizado en la Cuenca del Pacífico colombiano. Se formularon modelos matemáticos para diferentes regímenes de capas sub-superficiales. Basado en tres estaciones se realizó un análisis horario de información meteorológica, variación de espesor, temperatura y salinidad de la capa fina. Las leyes de formación de la estructura fina termohalina para la capa sub-superficial en la Cuenca del Pacífico colombiano están relacionadas con convección nocturna, mezcla viento-ondas, absorción de energía radiante y precipitación.

This paper presents the results provided by the fine-scale thermohaline structure of near-surface layer (NSL) study done in the Colombian Pacific Ocean (CPO). Mathematical models for different regimes of the near-surface layer are formulated. Based on three stations, an hourly analysis of meteorological data, thickness change, temperature and salinity of this layer was done. The principles of formation of the thermohaline structure for NSL over CPO are related to night convection, wind-wave mixing, volume absorption of radiant energy and precipitation.

ANALYSIS OF PHOSPHATE DEPOSIT "DISTURBANCES" USING THE HORIZONTAL-GRADIENT RESPONSES OF RESISTIVITY DATA (OULAD ABDOUN , MOROCCO )

En la gran cuenca de Oulad Abdoun en Marruecos se inició la explotación de un nuevo depósito de fosfatos para reemplazar al de Grand Daoui que se encuentra agotado. Existen inclusiones estériles de caliche que dificultan la extracción de las rocas fosfatadas y que son difíciles de detectar. La resistividad de los caliches excede un valor de 200 ?.m contra 80 a 150 ?.m para la roca fosfatada. Se llevó a cabo un proyecto de prospección eléctrica con un equipo Schlumberger sobre una extensión de 50 hectáreas. Se obtuvieron modelos del perfil geológico mediante análisis de gradiente horizontal del mapa de los "distorsiones" de fosfatos. Se logró localizar modelar la localizacion de las inclusiones de caliche y cubicar las reservas de fosfatos de manera más confiable.

In the great Oulad Abdoun Basin exploitation of a new phosphate deposit was begun after the Grand Daoui horizon was exhausted. Inclusions of sterile hardpan-so-called "disturbances" -are hard to detect and interfere with phosphate extraction. Their resistivity is above 200 ?.m as against 80 to 150 ?.m for the phosphate-rich mineral. A Schlumberger resistivity survey over an area of 50 hectares was carried out. Models of the geology were successfully obtained from the analysis of the horizontal-gradient map of "disturbances". A new field procedure was tested to estimate the depth of disturbances. Phosphate reserves were better known.

WAVE EQUATION DATUMING TO CORRECT TOPOGRAPHY EFFECT ON FOOTHILL SEISMIC DATA

En el procesamiento convencional se aplican las Correcciones Estáticas para atenuar el efecto de la topografía, basado en la suposición de una velocidad en la capa superficial mucho menor que la del substrato, lo cual hace que los rayos viajen en una trayectoria cercana a la vertical. Sin embargo, cuando el contraste de velocidades entre esas capas no es grande, las trayectorias de los rayos que emergen no son verticales, por lo que las correcciones estáticas posicionan erradamente los reflectores. Una mejor alternativa para corregir este efecto es continuar el campo de onda hasta una superficie plana (datum), porque no asume una trayectoria vertical, solucionando la ecuación de onda acústica para extrapolar fuentes y receptores. Para conocer el desempeño del algoritmo de Kirchhoff se usó para continuar el campo de onda de datos sintéticos. Primero se continuaron fuentes y receptores hasta la base de la capa meteorizada y luego hacia arriba hasta un datum plano. Comparando los resultados se observa que la solución por continuación del campo de onda provee un realce notable de los reflectores, que exhiben una mejor continuidad y un incremento en el contenido de frecuencia.

The current seismic processing applies Static Corrections to overcome the effects associated to rough topography, based in the assumption that velocity in near surface is lower than in the substratum, which force going up rays travel near to vertical. However, when the velocity contrast between these layers is not large enough, the trajectory of the up going rays deviate from vertical raveling the reflectors erroneously. A better alternative to correct this is to continue the wave field to a datum, because it does not assume vertical ray trajectory and solves the acoustic wave equation to extrapolate sources and receivers. The Kirchhoff approach was tested in synthetic shots continuing their wave field to a datum and finally it was applied instead of Static Corrections in real data acquired in foothill zones. First shot and receiver gathers were downward continued to the base of weathering layer and later upward continued to a final flat datum. Comparing the obtained results we observed that continuation approach provides a noticeable enhancement of reflectors in seismic records, displaying a better continuity of the reflectors and an increment in frequency content.

USING THE KARHUNEN-LOÈVE TRANSFORM TO SUPPRESS GROUND ROLL IN SEISMIC DATA

En este estudio se implementó y modificó el Algoritmo de Sacchi (2002), basado en la Transformada Karhunen - Loève (K-L), como una técnica para la supresión de Ground Roll , mostrando que aunque la amplitud del Ground Roll es mayor que la amplitud de la señal al usar la Transformada K-L se tiene éxito en suprimirlo sin causar distorsión en las señales de reflexión, obteniendo mejores resultados frente a técnicas convencionales de remoción: f-k, Paso Alto y Pasa Banda. La Transformada K-L ha sido utilizada en el campo de la detección y procesamiento de imágenes ( Levy and Linderbaurn , 2000), en el reconocimiento de caras, iris y huellas dactilares como factores biométricos de identidad. Una sección sísmica es una imagen del subsuelo por tanto esta transformada puede ser usada en el procesamiento sísmico, porque remueve partes correlacionadas espacialmente y proveyendo una imagen clara y coherente.El algoritmo se aplicó a registros generados con Martillo, Thumper y fuentes explosivas. Se hizo un procesamiento convencional hasta el apilado, remplazando los filtros por le uso de la transformada K-L. Los resultados muestran que la Transformada K-L hace una mejor recuperación de la amplitud de los reflectores, eliminando refracciones que causan eventos someros irreales e incrementando la coherencia lateral de los eventos sísmicos, facilitando la interpretación geológica .

The Sacchi's algorithm (2002) based on the Karhunen-Loève (K-L) Transform was modified and implemented to suppress Ground Roll without distortion of the reflection signals, it provided better results than conventional techniques for noise removal like f-k, High-Pass and Band Pass Filters. The K-L Transform is well known in other fields as image processing (Levy and Linderbaurn , 2000), face, iris and fingerprint identification. A seismic section is an image of subsurface where the K-L can be useful in seismic processing because spatially uncorrelated signals can be removed providing a clear and coherent image. The algorithm was applied to seismic data generated with hammer, thumper and explosive sources. Conventional processing flows were used, but one replaced filters with K-L Transform, providing stacked sections. The K-L Transform recovers better the reflector amplitudes when compared with others filters, also it removes refractions that cause unreal shallow events and increases the lateral coherence of seismic events showing a more interpretable geology .

THE PAIPA VOLCANO, EASTERN CORDILLERA OF COLOMBIA , SOUTH AMERICA (PART II): PETROGRAPHY AND MAJOR ELEMENTS PETROLOGY

Los productos del volcán de Paipa (Pardo et al., 2005) son principalmente depósitos de flujos piroclásticos de pómez y ceniza, domos y flujos pirolásticos de bloques y ceniza. Se trata de riolitas alcalinas, traquitas alcalinas y riolitas calcoalcalinas altas en Potasio. Los datos químicos evidencian contenidos de SiO2 entre 68 y 72%, y de álcalis ( Na2O +K2O) entre 7%-10%. Los minerales esenciales son fenocristales y glomerocristales de anortoclasa , sanidina hasta de 1,5 cm y anortoclasas con núcleos de plagiocalasa ; los minerales accesorios son biotita roja y hastingsita , mientras que los traza son augita, circón, esfena y magnetita. Los cristales presentan texturas de desequilibrio, tal como bahías de disolución, bordes de corrosión y reabsorción, zonación normal, inversa, oscilatoria y en parches, así como bordes euhedrales intercalados con bordes fibrosos. En correlación con datos publicados sobre las rocas volcánicas de Iza, la geoquímica de elementos mayors de las rocas volcánicas de Paipa indican que los magmas alcalinos y ácidos que hicieron erupción en la Cordillera Oriental de Colombia durante el Neógeno son distintos a los magmas calcoalcalinos que hacen actualmente erupción en el arco activo de la Cordillera Central de Colombia. Aún hacen falta estudios detallados de la geología structural , geoquímica y geofísica para establecer el ambiente geodinámico que gobierna el vulcanismo Plio -Pleistoceno en la Cordillera Oriental .

Paipa volcano products are mainly pyroclastic pumice and ash flow tuffs, lava domes and pyroclastic block and ash flow tuffs. They are classified as alkaline rhyolites and trachytes and high-K calcalkaline rhyolites . Chemical data show SiO2 values between 68 and 72%, and alkalis (Na2O+K2O) content of 7%-10%. Essential minerals are phenocrysts and glomerocrysts of anorthoclase , sanidine up to 1 ,5 cm and anorthoclase -mantled plagioclase; accessory minerals are red biotite , and hastingsite while trace minerals are augite , zircon, sphene and magnetite. Crystals have disequilibrium textures, such as dissolution embayments , corrosion and reabsortion borders, normal, inverse, oscillating and patchy zonation , together with fibrous borders intercalated with euhedral borders. In correlation with published data of Iza volcanic rocks, Paipa rocks chemical composition confirms that acid and alkaline magmas that have erupted in the Eastern Cordillera of Colombia during the Neogene are strongly different from the calc-alkaline magmas that erupt in the westward active arc (Central Cordillera). Detailed structural, geochemical and geophysical research has to be done in future research to establish the geodynamic framework that governs the volcanism of the Eastern Cordillera .