Earth Sciences Research Journal

The geomorphic history of the Ainoura plain, Kyushu, Japan, based on excavation of the Monzen ruins

The complex coastline of north-western Kyushu, Japan, consisting of cliffs, steep-sided inlets and archipelagos, has resulted from subsidence in mountainous terrain; the region’s populated river valleys, having narrow alluvial plains, often suffer rock avalanches. The Ainoura plain is one such alluvial plain. Excavation of the Monzen ruins on the Ainoura Plain by the Nagasaki Prefectural Board of Education has revealed the plain’s geomorphic history regarding how the gravels and associated muds and sands were deposited during the last several thousand years. Regarding alluvial succession, mud and sand first filled in the trough, possibly as part of the transgression caused by the Holocene climatic optimum, and gravel later began to replace parts of the sand and mud layers by successive erosion and sedimentation, thereby raising riverbed level. It was confirmed that such conglomerate from the Ainoura plain was derived from the Hokusho landslide area in the hinterland because there is no conglomerate layer in the Hino plain (a small plain southeast of the Ainoura plain). The Ainoura River’s thalweg shows that the Monzen ruins are located at a sudden reduction in its gradient, thereby accounting for the thickness of coarse clastic material in that area. The reconstructed Ainoura plain’s paleoshoreline during the Holocene climatic optimum is also reported. The paleoshoreline did not move much until people began to reclaim land; it would thus be expected that the similar deposition would happened on the Ainoura plain inside this paleoshoreline.

La compleja línea de costa en la región noroccidental de Kyushu, Japón, está compuesta por acantilados, ensenadas de laderas inclinadas y archipiélagos, y es producto de la subsidencia de un cinturón montañoso. Los valles aluviales y las estrechas llanuras de inundación de esta región se encuentran densamente pobladas y están sujetas a continuos movimientos en masa. Ainoura es un ejemplo de esta llanura de inundación. La excavación de Monzen Ruin realizada por -Nagasaki Prefectural Board of Education- en la llanura de inundación Ainoura revela la historia geomorfológica; la depositación de gravas, arenas y lodos en los últimos milenios. En la sucesión aluvial, los primeros en llenar el canal fueron los depósitos de lodos y arenas, probablemente como resultado de la transgresión del óptimo climático que ocurrió durante el Holoceno. Consecutivamente, los depósitos de grava empezaron a reemplazar las capas de arena y lodo mediante la erosión y depositación sucesiva, elevando el lecho del río. Nosotros corroboramos que el conglomerado de la llanura de inundación Ainoura proviene del deslizamiento de tierras de la zona interior de Hokusho, ya que la Llanura de inundación Hino, ubicada al sureste de Ainoura, no contiene capas de conglomerados. El lecho del río Ainoura muestra que el Monzen Ruin se localiza en la abrupta reducción del gradiente, lo cual explica el material clástico grueso en esta área. Adicionalmente, nosotros reportamos la paleo-línea de costa de la llanura de inundación de Ainoura durante el optimo climático que ocurrió durante el Holoceno. La paleolínea de costa no se movió significativamente hasta que la población empezó a recuperar tierra. Por consiguiente, nosotros predecimos que el mismo proceso de depositación podría ocurrir en la llanura de inundación de Ainoura al interior de la línea de costa.

Surfactant modified clays’ consistency limits and contact angles

This study was aimed at preparing a surfactant modified clay (SMC) and researching the effect of surfactants on clays contact angles and consistency limits; clay was thus modified by surfactants for modifying their engineering properties. Seven surfactants (trimethylglycine, hydroxyethylcellulose, octyl phenol ethoxylate, linear alkylbenzene sulfonic acid, sodium lauryl ether sulfate, cetyl trimethyl ammonium chloride and quaternised ethoxylated fatty amine) were used as surfactants in this study. The experimental results indicated that SMC consistency limits (liquid and plastic limits) changed significantly compared to those of natural clay. Plasticity index and liquid limit (PI-LL) values representing soil class approached the A-line when zwitterion, nonionic, and anionic surfactant percentage increased. However, cationic SMC became transformed from CH (high plasticity clay) to MH (high plasticity silt) class soils, according to the unified soil classification system (USCS). Clay modified with cationic and anionic surfactants gave higher and lower contact angles than natural clay, respectively.

Este estudio tiene como objetivo la preparación de un surfactante de arcilla modificada (SMC) y la investigación de sus efectos en los ángulos de contacto y los límites de consistencia de las arcillas, es decir, sus propiedades de ingeniería. Siete surfactantes (trimetilglicina, hidroxietilcelulosa, octil fenol etoxilato, ácido lineal alquilbenceno sulfónico, sulfato sódicol auril éter, cloruro de cetil trimetil amonio cuaternario y amina grasa etoxilada) fueron utilizados como en este estudio. Los resultados experimentales indicaron que los límites de consistencia de SMC (límites líquido y plástico) cambiaron significativamente en comparación con los de arcilla natural. El índice de plasticidad y límite líquido (PI-LL) que representan el tipo de suelo, se acercaron a la línea A cuando aumentó el porcentaje de zwitterion, nonionic y el surfactante aniónico. Sin embargo, catiónicos SMC se transformaron a partir de CH (arcilla de alta plasticidad) a los suelos de la clase MH (limo alta plasticidad), según el sistema de clasificación de suelos unificado (USCS). La arcilla modificada con surfactantes catiónicos y aniónicos dio mayores y menores ángulos de contacto que la arcilla natural, respectivamente.

Statistical correlation between b-value and fractal dimension regarding Turkish epicentre distribution

This study was aimed at analysing the relationship between seismic b-value and fractal dimension Dcvalue for Turkish epicentres. The earthquake catalogue consisting of 99,737 instrumentally-registered Turkish events was analysed for the period between 1970 and 2011; Turkey was divided into 55 tectonic zones for making a detailed comparison. The b-values were calculated by the maximum likelihood method and the Dc-values were obtained with 95% confidence limits by linear regression. The results showed that higher Dc-values were associated with lower b-values and this could have been an indication of relatively high stress intensity and stronger epicentre clustering in these regions. Orthogonal regression was used to estimate a suitable statistical correlation between two seismotectonic parameters; the Dc = 2.44 - 0.30*b relationship was obtained with a strong negative correlation (r = -0.82) between b-value and Dc-value for Turkish earthquake distribution. This seemed to agree with other regional results obtained for different parts of Turkey and the rest of the world.

Este estudio tuvo como objetivo analizar la relación entre el valor b y la dimensión del valor fractal Dc para los epicentros de Turquia. El catálogo sísmico que consiste en 99.737 eventos registrados instrumentalmente fue analizado para el período comprendido entre 1970 y 2011; Turquía se dividió en 55 zonas tectónicas para hacer una comparación detallada. Los valores de b se calcularon por el método de máxima verosimilitud y la Dc-valores se obtuvieron con límites de confianza del 95% mediante regresión lineal. Los resultados mostraron que el aumento del valor fractal Dc se asocia con menores valores b y esto podría haber sido un indicador de intensidad de tensiones relativamente altas y una más fuerte agrupación de epicentro en estas regiones. Se utilizó una regresión ortogonal para estimar la correlación estadística adecuada entre dos parámetros sismotectónicos la relación de la dimensión fractal Dc = 2,44 a 0,30*b, se obtuvo con una fuerte correlación negativa (r = -0,82) entre valores b y valores fractales Dc para la distribución de terremotos en Turquía. Esto parece estar de acuerdo con otros resultados regionales obtenidos para las diferentes partes de Turquía y el resto del mundo.

The impacts of alkaline mine drainage on Ba, Cr, Ni, Pb and Zn concentration in the water resources of the Takht coal mine, Iran

The release of heavy metals into the environment represents one of the most important environmental effects involved in extracting coal; it needs to be studied more fully. The present research investigated the effects of coal-mining in an alkaline environment and alkaline mine drainage in the Takht coal mine regarding the distribution of selected heavy metals (Zn, Pb, Ni, Cr and Ba) on the regions surface and ground water. The mine is located 12 Km southeast of Minoodasht, in Golestan province in northern Iran. Samples were collected from groundwater and surface water resources upstream and downstream of the mine. The elements concentrations were measured by the inductively-coupled mass spectrometry (ICPMS) method. The results showed that an alkaline environment was responsible for producing alkaline mine drainage due to the presence of limestone; this caused high pH (8.41) in the areas groundwater resources. Mining activities increased Ba, Cr, Ni, Pb and Zn concentration in the groundwater from 3.39, 0.5, 0.2, 0.5, 9.2 ppb to 83.52, 2.2, 0.6, 2.6, 48.3 ppb and from 68.7, 0.5, 1.3, 0.8, 172.6 ppb to 91, 1.2, 4.5, 1.3, 27.6 ppb in surface water, respectively. Due to the basic environment, heavy metal accumulation in the bed sediment for both tunnel effluents and runoffs was higher than during the soluble phase. pH was the main controlling factor in elements solubility and their distribution in the environment. Increased Ba concentration in water resources was due to high Ba concentration in the coal, coal tailing and in quarry tailings.

La liberación de metales pesados en el medio ambiente representa uno de los efectos ambientales más importantes en la extracción de carbón, lo cual necesita ser estudiado con mayor profundidad. El presente estudio investigó los efectos de la minería del carbón en un ambiente alcalino y en el drenaje de la mina de carbón Takht, con respecto a la distribución de determinados metales pesados (Zn, Pb, Ni, Cr y Ba) en superficie y en las aguas subterráneas de la región. La mina está ubicada a 12 km al sureste de Minoodasht, en la provincia de Golestán en el norte de Irán. Se recogieron muestras de aguas subterráneas y aguas superficiales aguas arriba y aguas abajo de la mina. Las concentraciones de los elementos se midieron mediante la espectrometría de masa de acoplamiento inductivo (ICP-MS). Los resultados indican que un ambiente alcalino produjo drenaje de minas alcalinas debido a la presencia de la piedra caliza; esto causo altos niveles de pH (8,41) en las fuentes de aguas subterráneas de la zona. La actividad minera incrementó los niveles de concentración de Ba, Cr, Ni, Pb y Zn en las aguas subterráneas de 3,39, 0,5, 0,2, 0,5, 9,2 ppb a 83,52, 2,2, 0,6, 2,6, 48,3 ppb y de 68,7, 0,5, 1,3, 0,8, 172,6 ppb a 91, 1,2, 4,5, 1,3, 27,6 ppb en el agua de la superficie. Debido al ambiente básico, la acumulación de metales pesados en el lecho sedimentario, tanto para los efluentes del tunel como para las aguas de escorrentia, fueron mayores que durante la fase soluble. El pH fue el principal determinante en la solubilidad de los elementos y su distribución en el medio ambiente. El aumento de la concentración de Ba en los recursos hídricos se debió a la alta concentración de Ba en el carbón, carbón de relaves y colas en cantera.

Adaptive seismic ground roll attenuation using the double density dual tree discrete wavelet transform (DWT) method

Seismologists working on the reflection of seismic data have been dealing with noise and trying to attenuate noise as much as possible without damaging a particular signal. Many methods have been used to remove noise types, each being partially effective. None of the transforms have been ideal and, even at the point of transform, noise becomes added to data. The double density dual tree (DDDT) discrete wavelet transform (DWT) method was used in this paper to attenuate noise in pre-stack and post-stack seismic data. Wavelet domain ground roll analysis (WDGA) was used for finding ground roll energy in the wavelet domain; it is a substitute method for thresholding in seismic data processing. The DDDTDWT method has four wavelets and two scaling functions. Using this method, shot gather data decomposes to sub-scales and each scale contains coefficients related to a particular signal. The procedure involved applying distinct wavelets and scaling functions to data and then eliminating the coefficient of noise from inverse DDDTDWT using the WDGA technique. The inverse transform provided a section without noise; double density DWT and dual tree DWT methods were combined (i.e. each method having its own characteristics and advantages).

Los sismólogos que trabajan en la reflexión de los datos sísmicos se han ocupado del ruido y en tratar de atenuarlo tanto como sea posible sin dañar una señal particular. Muchos métodos se han utilizado para eliminar ciertos tipos de ruido, cada uno siendo parcialmente efectivo. Ninguna de las transformadas han sido ideal e incluso en el punto de transformación, el ruido es añadido a los datos. El árbol de doble densidad dual (DDDT) y el método de transformada de ondicula discreta (DWT) fueron los métodos utilizados en este trabajo para atenuar el ruido en los datos sísmicos la sección preapilda y postapilada. El análisis de ground roll en el dominio de la ondícula (WDGA) se utilizó para encontrar su energía. Este es un método sustituto de umbralización en procesamiento de datos sísmicos. El método DDDTDWT tiene cuatro ondiculas y dos funciones escalares. Usando este método, datos shot gather fueron descompuestos a subescalas, donde cada escala contiene coeficientes relacionados a una señal particular. El procedimiento consistió en aplicar distintas ondiculas y funciones escalares a los datos y posteriormente eliminar el coeficiente de ruido a partir de la inversión de DDDTDWT utilizando la técnica WDGA. La transformada inversa proporcionó una sección sin ruido; los métodos de doble densidad DWT y doble árbol DWT se combinaron (es decir, cada método tiene sus propias características y ventajas).

Investigation of the geochemical signatures and conditions of formation of metacarbonate rocks occurring within the Mamfe embayment of south-eastern Nigeria

Hitherto unknown metacarbonate deposits constitute parts of the Cretaceous Mamfe embayment which straddles the border between south-eastern Nigeria and western Cameroon. The rock is characterised by a high concentration of LOI, CaO and MgO and depleted content of various insoluble components. Assuming all the CaO and MgO content of the rock were related to calcite and dolomite phases, these two minerals would account for around 22.5 wt% and 76.3 wt% on average, respectively. Among the trace elements investigated, only Ba, Cs, Rb, Sr, Nb, Pb, Zr, Cd, Cu, Ni, U, Y and Zn display concentrations beyond their detection limits. Chondrite normalised rare earth element patterns show that the rock under investigation show moderate to strong fractionation of light rare earth elements (LREE N) over heavy rare earth elements (HREE N) and distinct negative Eu anomaly. Multivariate statistical treatment and variation plots revealed several geochemical interrelationships, among which are the SiO2 -Al2O3 -K2O -TiO2 Fe2O3 -Ba -Nb -Rb -Zr links which is associated with the rocks silicate fraction. The carbonate fraction comprises CaO, MgO, Sr, Pb and Cu. The overall geochemical signatures support development of the metacarbonate deposit from sedimentary carbonate materials that was deposited in a saline, shallow-marine, low-energy seawater environment. The consistency of the rocks chemical properties can be attributed to the relative stability experienced during the parent sedimentary materials deposition.

Depósitos metacarbonatadas desconocidos hasta la fecha, parecen constituir partes de la Bahía de Mamfe, de edad Cretácica, ubicada en la frontera entre el sudeste de Nigeria y Camerún occidental. La roca se caracteriza por una alta concentración de LOI, CaO y MgO, así como el contenido empobrecido de varios componentes insolubles. Suponemos que todo el contenido de CaO y MgO de la roca estaban relacionados con las fases calcita y dolomita, minerales que representan aproximadamente el 22,5% en peso y 76,3% en peso promedio, respectivamente. Entre los elementos traza investigados, sólo las concentraciones de Ba, Cs, Rb, Sr, Nb, Pb, Zr, Cd, Cu, Ni, U, Y y Zn se encuentran por encima de los límites de detección. Elementos de tierras raras normalizadops con patrones de Condrita muestran que la roca bajo investigación presenta un moderado a fuerte fraccionamiento de elementos de tierras raras ligeros (LREE N) sobre los elementos de tierras raras pesados (HREE N) y una anomalía negativa distintiva de Eu. El tratamiento estadístico multivariado y las proyecciones variacionales revelaron varias interrelaciones geoquímicos, entre ellos el SiO2 - Al2O3 - K2O - TiO2 - Fe2O3 - Ba - Nb - Rb - Zr, asociados con la fracción de silicato de la roca. La fracción carbonatada comprende CaO, MgO, Sr, Pb y Cu. Las firmas geoquímicas sugieren el desarrollo del depósito a partir de materiales sedimentarios carbonatados que se depositaron en una solución salina, de poca profundidad marina, y en un medio con agua de mar de baja energía. La consistencia de las propiedades químicas de la roca puede ser atribuida a la estabilidad relativa, experimentado durante la deposición de los materiales sedimentarias parentales.

The geochemistry of claystone-shale deposits from the Maastritchian Patti formation, Southern Bida basin, Nigeria

An inorganic geochemical study of a claystone and shale sequence from the Patti Formation around Ahoko in the Southern Bida basin, Nigeria, was carried out to determine the basins depositional conditions, provenance and tectonics. Representative samples underwent mineralogical and geochemical analysis involving major, trace and rare earth element analysis. Mineralogical studies using X-ray diffraction analysis revealed prominent kaolinite, dickite and illite peaks; accessory minerals included quartz and microcline. Major element abundance showed that the shale samples had SiO2 (61.26%), Al2O3 (16.88%) and Fe2O3 (3.75%) constituting more than 79% of bulk chemical composition whilst claystone samples contained SiO2 (67.79%), Al2O3 (17.81%) and Fe2O3 (1.67%). Higher SiO2, Ba, Sr, V, and Nb concentrations were observed in claystone samples rather than shale whereas the shale samples were observed to be more Zr-, Ni- and Zn-enriched than the claystone ones. The shale and claystone samples showed slightly light rare earth enrichment and slightly flat heavy rare earth depleted patterns having a negative Eu and Tm anomaly. High TiO2 and Rb/K2O values also indicated that the shale and claystone samples were matured. Geochemical parameters such as U, U/Th, Ni/Co and Cu/Zn ratios indicated that these shales were deposited in oxic conditions; the Al2O3/TiO2 ratio suggested that intermediate igneous rocks were probable source rocks for the shales, while mafic rocks were suggested as being source rocks for the claystone. However, the La/Sc, Th/Sc, Th/ Co ratios and shales and claystone plots revealed that they came within the range given for felsic rocks as provenance, thereby suggesting mixed provenace for the sediments. A passive-margin tectonic setting was adduced for the sedimentary sequences.

Se realizó un estudio de geoquímica inorgánica de una secuencia de arcillolitas y limolitas de la Formación Patti en Ahoko, cuenca sur de Bida, Nigeria, con el fin de determinar las condiciones de sedimentación de la cuenca, la procedencia de los sedimentos y la tectónica de la zona. A las muestras representativas se les realizaron análisis mineralógicos y geoquímicos: estudio de trasas y análisis de tierras raras. Los análisis de difracción de rayos X revelaron importantes niveles de caolinita, dickita e ilita y, minerales accesorios incluido cuarzo y microclina. En las muestras de limolita se encontró SiO2 (61,26%), Al2O3 (16,88%) y Fe2O3 (3,75%) como constituyentes de más del 79% de la composición química, mientras que las muestras de arcillolita contienen SiO2 (67,79%), Al2O3 (17.81%) y Fe2O3 (1,67%). Las concentraciones más altas de SiO2, Ba, Sr, V, Nb se observaron en las muestras de lutita mientras que en las muestras de arcillolita se observó una mayor concentración de Zr, Ni- y enriquecimiento de Zn- que en las lutitas. Las muestras de lutitas y arcillolitas presentan un ligero enriquecimiento de tierras raras y algo de tierras raras pesadas teniendo patrones de anomalía negativa de Eu y Tm. Los altos valores de TiO2 y Rb/K2O también indican que las muestras de limolita y arcillolita fueron maduradas. Los parámetros geoquímicos como la relación de U, U/Th, Ni/Co y Cu/Zn indican que las limolitas y arcillolitas fueron depositadas en condiciones aeróbicas, la relación Al2O3/TiO3 sugiere que las rocas ígneas intermedias fueron probablemente la roca fuente de las limolitas, mientras que se sugiere que las rocas máficas son las rocas fuente de las arcillolitas. Sin embargo, la relación La/Sc, Th/Sc, Th/Co y limolitas indica que la zona de procedencia está dada en el rango de rocas félsicas, lo que sugiere una fuente mixta para los sedimentos. Un ambiente tectónico de margen pasivo se adujo para las secuencias sedimentarias.

The geochemistry of lignite from the Neogene Ogwashi-Asaba Formation, Niger Delta Basin, southern Nigeria

Major and trace element compositions of lignite from the Tertiary Ogwashi-Asaba formation, Southern Nigeria, have been investigated to determine the prevailing environmental conditions which controlled their formation. Seven samples were obtained from outcrops along river valleys, streams and springs in seven localities; these samples were subsequently analysed using fusion combined with inductively-coupled plasma (FUS-ICP) and total digestion with inductively-coupled plasma (TD-ICP). Geochemical analysis revealed the following concentration range in weight percent (wt. %) for major oxides: SiO2 (0.04-9.78); Al2O3 (0.56-6.40), Fe2O3 (0.05-1.22), MnO (0.001-0.004), MgO (0.02-0.11), CaO (0.05-0.15), K2O (0.01 - 0.04), TiO2 (0.016-0.299) and S (0.08-0.39). Trace elements indicated the following concentration range in parts per million (ppm): Be (2-5), Zr (4-63), Sr (5-22), Y (13-68), Ba (9-89), V (4-216), Zn (17- 176), Ni (8-28), Co (5-13), Cr (2-31), Cu (1-22) and Ga (1-14). The low silica (<10 wt. %) and alumina contents (<7 wt. %) were explained by very limited detrital input during coal formation. Magnesium oxide and CaO content were relatively low thereby confirming the continental nature of the peat-forming environment. Redox-sensitive trace element ratios (Ni/Co, V/Cr and V/V+Ni) indicated predominantly oxic environments for coal deposition. The low trace element concentrations determined in the lignite samples did not point to any severe environmental impact from coal use.

Las composiciones de elementos mayores y trazas de lignita de la formación terciaria Ogwashi-Asaba, en el sur de Nigeria, han sido investigadas para determinar las condiciones ambientales prevalecientes que controlaron su formación. Siete muestras fueron tomadas de afloramientos a lo largo de valles de ríos, arroyos y manantiales en siete localidades; estas muestras se analizaron posteriormente mediante fusión combinada (FUS-ICP) y la digestión total con plasma de acoplamiento inductivo (ICP-TD). El análisis geoquímico reveló el siguiente intervalo de concentración en porcentaje en peso (% en peso) para los óxidos mayores: SiO2 ( 0,04 a 9,78); Al2O3 (0,56-6,40), Fe2O3 (0,05-1,22), MnO (0.001-0.004), MgO (0,02 -0,11), CaO (0.05-0.15), K2O (0,01 - 0,04), TiO2 (0.016-0,299) y S ( 0,08 a 0,39). Los elementos traza indican el siguiente rango de concentración en partes por millón (ppm): Be (2-5), Zr (4-63), Sr (5-22), Y (13-68), Ba (9-89), V (4-216), Zn (17-176), Ni (8-28), Co (5-13), Cr (2-31), Cu (1-22) y Ga (1-14). El bajo contenido de sílice (<10 en peso.%) y el contenido de aluminio (<7 wt.%) fueron explicados por la entrada muy limitado de detrítos durante la formación de carbón. El óxido de magnesio y el contenido de CaO son relativamente bajos, lo que confirma el carácter continental del entorno de formación de turba. La relación de elementos traza Redox-sensibles (Ni/Co, V/ Cr y V/V + Ni) indicó ambientes predominantemente óxicos para la deposición de carbón. Las bajas concentraciones de trazas de elementos hallados en las muestras de lignito no indican un impacto ambiental severo de la utilización del carbón.