Earth Sciences Research Journal

Deep physical structure and geotectonic implications of the eastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau

ABSTRACT The eastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau (QTP) is the focus of studies on eastward lateral extrusion of the latter's crustal material. This study aims to explore the structural response of the QTP's eastern crust-mantle to the extrusion, and the basis for the latter's geological structure. Data on the long-period magneto telluric sounding of cross-tectonic units and Bouguer gravity were used to determine the physical structure of the crust-mantle at the plateau's eastern margin. The findings are as follows: (i) the apparent density structure indicates the large presence of a low-density material in the middle-lower crusts of the Songpan and Sichuan-Yunnan blocks at the QTP's eastern margin. On the other hand, the Yangtze cratonic block (Sichuan Basin) contains a material with a significantly higher density. To the west of the Longmenshan-Panxi tectonic zones, and along the lower crust at 40-50 km depth, is an obvious low-density zone aligned in a northeast-southwest orientation. (ii) The electrical structural model spanning Songpan block-Longmenshan tectonic zone-Yangtze block reveals three distinct electrical structural units along the cross-section bounded by the Longmenshan tectonic zone. The first is the Songpan block, which has high and low resistivity at the superficial layer and middle-lower crusts, respectively. Next is the Yangtze craton, which has a low and relatively higher resistivity at the superficial layer and middle-lower crusts, respectively. The third is the Longmenshan transitional tectonic zone, whose shallow layer and deep structure are characterized by an electrical structure with a thrust nappe towards the east, and a high-conductivity material extending to the lithospheric mantle, respectively. (iii) The apparent density and electrical structures indicate that the Panxi tectonic zone has a weakened structure in the lower crust; and (iv) physical properties of the QTP's deep structure show that its eastern margin may contain a middle-lower crustal fluid material with the attributes of high conductivity and low density. Its distribution is interrelated to the uplift mechanism and deep seismogenic activities at the QTP's eastern margin.

RESUMEN El margen oriental del altiplano Qinghai-Tíbet (QTP, del inglés Qinghai-Tibet Plateau) es el área de la extrusión lateral hacia el Este de material cortical. Este trabajo se enfoca en explorar la respuesta estructural de las capas superiores en el altiplano y las bases para su estructuracón geológica. Se utilizó información magnetotelúria y anomalías de Bouguer para determinar la respuesta geofísica de las capas superiores en el margen occidental del altiplano. Dentro de los principales resultados se tiene: (i) la distribución de la densidad aparente indica la presencia de material de baja densidad en las capas medias y bajas de los bloques Songpan y Sichuan-Yunnan en el Este del QTP. Por otro lado, el bloque cratónico Yangtze (en la cuenca Sichuan) contiene material con una mayor densidad. Al oeste de las zonas tectónicas Longmeshan-Panxi, y a lo largo de las capas inferiores, entre 40 y 50 kilómetros de profundidad, hay una zona de baja densidad con orientación noreste-suroeste. (ii) El modelo eléctrico que abarca el bloque Songpan, la zona tectónica Longmeshan y el bloque Yangtze, revela tres unidades a lo largo de la sección cruzada subordinada a la zona tectónica Longmenshan. La primera unidad está en el bloque Songpan, con alta resistividad en la capa superficial y baja en las capas media e inferiores. Luego aparece el cratón Yangtze, con baja resistividad en la superficie y resistividad media en las capas media e inferiores. La tercera unidad es la zona tectónica transicional de Longmenshan, cuya estructura superficial y profunda está caracterizada por una estructura eléctrica asociada a una falla de cabalgamiento hacia el Este y alta conductividad de material que se extiende hacia el manto litosférico. (iii) La densidad aparente y las estructuras eléctricas indican que la zona tectónica de Panxi está debilitada en las capas inferiores. (iv) las propiedades geofísicas de la estructura profunda del altiplano Qinghai-Tíbet muestran que su margen oriental puede contener un fluido de material en las capas bajas y medias con características de alta conductividad y baja densidad. Su distribución está interrelacionada con el mecanismo de elevación y las actividades sismogénicas profundas en el margen oriental del altiplano.

The geological and geodynamic condition on the formation of the Dabashan thrust nappe structure: Based on FLAC numerical modelling

ABSTRACT The Dabashan thrust nappe structure at the southern margin of the Qinling orogenic belt suffered at least two stages of evolution which are Late Triassic plate subduction collisional orogeny between North China block, Qinling micro-plate and Yangtze block followed by intracontinental orogeny since the Meso-Cenozoic. A prominent topography characteristic within the Dabashan area is a southwestward extrusive arc (Bashan Arc fault) that is one of key factors to understand the geodynamic condition of the Dabashan thrust nappe structure. In this work, two-dimensional plan-view models are constructed to simulate the collisional and intracontinental orogenic movements, and the factors that may control the formation of the Bashan Arc fault are analysed. The modelling results show that the compressive stress produced by the plates collision along both north and south boundaries is the main driving force. The dextral shearing derived from the inconsistent shape on the block margins is the main controller. Rigid tectonic units such as Bikou and Hanan-Micangshan terranes, Foping and Wudang domes, as well as Shennongjia-Huangling anticline also contribute as "anchor" effects. Additionally, the rheology properties of rock material in the Dabashan area affect the shape of the arc.

RESUMEN La estructura de la falla de cabalgamiento de las montañas Dabashan en el margen sur del cinturón orogénico de Qinling sufrió por lo menos dos etapas de evolución, la colisión orogénica del Triásico Superior entre el bloque de la China del Norte, la microplaca de Qinling y el bloque Yangtze, y la orogénesis intracontinental desde el Meso-Cenozoico. Una característica topográfica prominente del área de Dabashan es un arco extrusivo (falla Arco de Bashan) hacia el suroeste, que es un factor determinante para entender la condición geodinámica de la falla de cabalgamiento en las montañas Dabashan. En este trabajo se construyeron modelos bidimensionales planos para simular los movimientos de colisión e intracontinental orogénicos y se analizaron los factores que podrían controlar la formación de la falla del Arco de Bashan. Los resultados del modelado muestran que el esfuerzo de compresión producido por las placas de colisión en los límites norte y sur es la principal fuerza impulsora de la falla. La principal controladora es la fuerza de cizallamiento dextral derivada de la forma inconsistente en los margenes del bloque. Las unidades tectónicas rígidas como los terrenos Bikou y Hanan- Micangshan, el domo Foping y Wudang, al igual que el anticlinal Shennongjia-Huangling tienen funciones de ancla. Adicionalmente, las propiedades reológicas del material rocoso en el área Dabashan afectan la forma del arco.

The pilot appraisal of acid fracturing of coalbed methane reservoir in southeast Qinshui Basin, China

ABSTRACT The reserves of Coalbed Methane (CBM) in Qinshui Basin are quite promising, but the outputs from CBM wells are quite small even after massive hydraulic fracturing. Herein the fracture system with #3 and #15 coal seams in Qinshui basin was analyzed, and it was found that both of the macro-scale fractures and micro-scale fractures are filled with clay and carbonate minerals, which explains the low productivity of CBM wells after conventional hydraulic fracturing. Acid fracturing has long been an effective method for carbonate gas reservoir to improve the gas well production. However, there were few reports about the application of acid fracturing in coal bed methane field. Based on the mineral identification and acid sensitivity test, the feasibility of acid fracturing demonstrated that the acid does more help than damage to increase the permeability of coal seams in Qinshui basin. Onsite operations have shown that acid fracturing is applicable for the CBM wells in Jincheng Mining Area. It was also observed from the microseismic survey that when applying the acid fracturing treatment, the stimulated reservoir area depends on the acid volume pumped in the first stage, which is crucial to the success of the stimulation.

RESUMEN Las reservas de gas metano de carbón (CBM, del inglés Coalbed Methane) en la cuenca Qinshui son más que prometedoras, pero la producción en los pozos es muy pequeña, incluso después de fracturas hidráulicas masivas. En este trabajo se analizaron los sistemas de fractura de las vetas de carbón #3 y #15 de la cuenca Qinshui y se encontró que tanto las fracturas a macroescala como aquellas a microescala están cubiertas con arcillas y minerales carbonatos, lo que explica la baja productividad de los pozos de gas metano de carbón después de la fractura hidráulica convencional. La fractura ácida ha sido un método efectivo en los depósitos de gas carbonato para mejorar la producción en el pozo de gas. Sin embargo, existen pocos informes sobre la aplicación de la fractura ácida en el campo del gas metano de carbón. De acuerdo con la identificación mineral y las pruebas de sensibilidad ácida, la factibilidad de la fractura ácida demostró que el ácido es reparador en el incremento de la permeabilidad en las vetas de carbón de la cuenca Qinshui. Las operaciones in situ han demostrado que la fractura ácida es aplicable para los pozos de gas metano de carbón en el área minera de Jincheng. También se observó en el sondeo microsísmico que cuando se aplica un tratamiento de fractura ácida, el área del depósito estimulada depende del volumen de ácido bombeado en primera instancia, lo que es determinante en el éxito de la estimulación.

Accuracy Investigation of PPP Method Versus Relative Positioning Using Different Satellite Ephemerides Products Near/Under Forest Environment

ABSTRACT In recent years, due to the increase in providers of orbit and clock corrections of satellites for data evaluation in real-time Ephemerides, Web and post-processing the method of Precise Point Positioning (PPP) using measurements of Global Navigation Satellite System (GNSS) and Web-based online positioning services have become widespread. Owing to some advantages, such as work-duration and cost-effectiveness, many of users have implemented PPP method instead of the traditional relative positioning method for several applications. On GNSS applications the quality of satellite ephemerides products used for data evaluation is a significant factor that affects the results in post-processing solutions either applying relative or PPP methods on analyses. These products, classified as ultra-rapid, rapid and final orbits, are regularly provided by several national and international organizations to the users. In this paper, the accuracy of PPP method has been studied comparing the outcomes from various online Web services using different software and satellite ephemerides products. For this purpose, three test points were established on a place with completely free satellite visibility (AC01) and on the other two places with partially (YC01) and vastly (KC01) prevention of satellite signals near and within a forest area at Campus of Davutpaşa of the Yildiz Technical University of Istanbul. At these stations, static observations have been conducted with a time span of 6 hours on 4th May 2015. The dataset collected using Topcon HiperPro receiver, a receiver for GPS and GLONASS data, was evaluated manually by means of the Bernese v5.2 (BSW) and GIPSY-OASIS v6.3 (Gipsy) scientific software. Moreover, the GNSS data were also proceeded using six different Web-based online services (AUSPOS, OPUS, CSRS-PPP, APPS, GAPS, Trimble-RTX) with ultra-rapid, rapid and final satellite ephemerides products. For the station with free satellite visibility (AC01), the analyses of outcomes indicate a coordinate accuracy of 1 cm for Web-based and manual data processing. That suggests relative good quality of orbit and clock corrections of satellites used by online data processing services for PPP. Furthermore, for station with partially (YC01) prevention of satellite signals, manual solutions have approximately 1 cm coordinate accuracies for n, e and u components. Moreover, when we compare the results among Web-based services, AUSPOS in relative solution and Trimble-RTX in PPP solution provides the best results. Here, one must emphasize that Trimble-RTX is a Web-based processing service for GNSS data (GPS, GLONASS, BeiDou, and QZSS) and operates an own global network of approximately 100 stations around the world for this purpose. For station with vastly (KC01) prevention of satellite signals, the best solutions were provided by APPS and CSRS-PPP using PPP approach among the Web-based services. Here, Trimble-RTX could not produce any solution. These results could demonstrate the benefit of multi constellation of GNSS in the areas with limited satellite visibility because of increasing of the number of measurements.

RESUMEN En los años recientes, debido al incremento de operadores satelitales de corrección de órbita y tiempo para la de información en tiempo real y de postproceso, se ha generalizado el método de posicionamiento preciso (PPP, del inglés Precise Point Positioning) que utiliza medidas del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS, del inglés Global Navigation Satellite System) y servicios web de posicionamiento en línea. Debido a ventajas como el tiempo de ejecución y la relación costo-efectividad, muchos de los usuarios han implementado el método PPP en varias aplicaciones antes que el método tradicional de posicionamiento relativo. En las aplicaciones GNSS, la calidad de los productos de efemérides satelitales utilizados para la evaluación de información es un factor significante que afecta los resultados en las soluciones postproceso sea con la aplicación de métodos relativos o PPP en los análisis. Estos productos, clasificados como ultrarrápidos, rápidos y de órbita final, los proveen a los usuarios diferentes organizaciones nacionales e internacionales. En este artículo se estudia la exactitud del método PPP en comparación con los resultados de varios servicios web que utilizan diferentes productos de software y de efemérides satelitales. Con este objetivo se establecieron tres puntos de evaluación: el primero en un lugar con completa visibilidad satelital (AC01) y los otros dos con parcial (YC01) y reducida (KC01) señal satelital, en los alrededores y al interior de una zona boscosa del campus de Davutpaşa, en la Universidad Técnica Yildiz de Estambul. En las estaciones se llevaron a cabo observaciones estáticas con intervalos de seis horas el 4 de mayo de 2015. La información se recolectó con el programa Topcon HiperPro, un receptor de GPS y GLONASS (sistema GNSS desarrollado por la Unión Soviética), y se evaluó manualmente con el software científico Bernese v5.2 (BSW) y GIPSY-OASIS v6.3 (GIPSY). Además, la información también se procesón con seis servicios web en línea (AUSPOS, OPUS, CSRS-PPP, APPS, GAPS, Trimble-RTX) con productos de efemérides ultrarrápidas, rápidas y finales. Para la estación con completa visibilidad satelital (AC01), el análisis de los resultados indican una precisión coordinada de 1 cm en los procesamientos web y manual. Esto sugiere una buena calidad de las correcciones satelitales de órbita y tiempo usadas por los servicios de procesamiento de información en línea con el método PPP. Además, para la estación con señal parcial (YC01), las soluciones manuales tienen aproximadamente 1cm de coordinación en la precisión para los componentes Norte y Este. Luego, cuando se comparan los resultados entre los servicios web, los mejores resultados fueron de AUSPOS en soluciones relativas y Trimble RTX en el método PPP. Es importante recalcar que Trimble RTX es un servicio de procesamiento web para información GNSS (GPS, GLONASS, BeiDou y QZSS) y opera una red global propia de unas 100 estaciones en el mundo para este fin. Para la estación con una reducida señal satelital (KC01), las mejores soluciones fueron ofrecidas por APPS y CSRS-PPP con el método PPP entre los servicios web. En este caso, Trimble-RTX no puede producir ninguna solución. Estos resultados demuestran los beneficios de la multiconstelación GNSS en las áreas con visibilidad satelital limitada gracias al incremento del número de medidas.

Assessment of Groundwater Quality of Udayagiri area, Nellore District, Andhra Pradesh, South India Using Multivariate Statistical Techniques

ABSTRACT Hydrogeochemical studies were carried out in and around Udayagiri area of Andhra Pradesh in order to assess the chemistry of the groundwater and to identify the dominant hydrogeochemical processes and mechanisms responsible for the evolution of the chemical composition of the groundwater. Descriptive statistics, correlation matrices, principal component analysis (PCA), together with cluster analysis (CA) were used to gain an understanding of the hydrogeochemical processes in the study area. PCA has identified 4 main processes influencing the groundwater chemistry viz., mineral precipitation and dissolution, seawater intrusion, cation exchange, and carbonate balance. Further, three clusters C1, C2 and C3 were obtained. Samples from C1 contain high level of Cl- and may be due to the intensive evaporation and contamination from landfill leachate. Most of the samples from C2 are located closer to the sea and the high level of Na++K+ in these samples may be attributed to seawater intrusion. The geochemistry of water samples in C3 are more likely to originate from rock weathering. This has been supported by Gibbs diagram. The groundwater geochemistry in the study area is mostly of natural origin, but is influenced to some degree by human activity.

RESUMEN Se realizaron estudios hidrogeoquímicos en y alrededor del área Udayagiri de Andhra Pradesh para evaluar la química del agua subterránea e identificar los procesos hidrogeoquímicos dominantes y los mecanismos responsables de la evolución en la composición química del agua subterránea. Se utilizaron estadísticas descriptivas, matrices de correlación, análisis de componentes principales, al igual que análisis de grupos, para obtener y entender los procesos hidrogeoquímicos en el área de estudio. Los análisis de componentes principales identificaron cuatro procesos determinantes que influenciaron la química del agua subterránea, estos son, la precipitación y disolución de minerales, l intrusión de agua marina, el intercambio de cationes y el equilibrio de carbonatos. De esta forma se obtuvieron tres grupos, C1, C2, y C3. Las muestras del grupo C1 contienen un alto nivel de Cl-, lo que podría deberse a la intensa evaporación y contaminación de los lixiviados de rellenos sanitarios. Muchas de las muestras del grupo C2 se ubican cerca del mar y el alto nivel de Na++K+ podría atriburise a la intrusión de agua marina. La geoquímica de las muestras de agua en el grupo C3 probablemente se desprende de la meteorización de rocas. El diagrama de Gibbs valida estos resultados. La geoquímica del agua subterránea en el área de estudio es principalmente de origen natural pero también está influenciado por la actividad humana en algún grado.

The model of direct relative orientation with seven constraints for geological landslides measurement and 3D reconstruction

ABSTRACT With the development of computer vision and high-precision 3D model reconstruction, used for the measurement and 3D reconstruction of the geological landslides, acquiring a high-precision relative orientation basing multiple images is crucial and the key point to ensuring and improving the accuracy of 3D model and space position. Currently, the conventional relative orientation model includes five independent parameters. For the linear relative orientation model, there are nine parameters to construct the linear space geometric relationship between the imaging and space point. To eliminate the impact of more parameterization and improve the accuracy and stability of solved parameters for the conventional direct relative orientation model, a new relative orientation model with seven constraints is proposed and validated in this paper. The additional constraints are derived from the orthogonal property of the rotation matrix of a stereo imaging pair and associated with the least squares adjustment to obtain a high-precision result of the relative orientation. Through the accuracy assessment using space position, it is revealed that the new proposed model is more advantage for the conventional type of direct relative orientation, especially at 3D model reconstruction and close range photogrammetric and applications for the geological landslides measurement.

RESUMEN Con el desarrollo del entorno computacional y la alta precisión del modelo de reconstrucción tridimensional, utilizados para la medida y reconstrucción de despredimientos geológicos, es crucial la obtención de la orientación relativa de alta precisión basada en imágenes múltiples y es el punto clave para asegurar y mejorar la exactitud del modelo 3D y la posición espacial. Actualmente el modelo de orientación relativa incluye cinco parámetros independientes. En el modelo linear de orientación relativa hay nueve parámetros para construir la relación geométrica espacial linear entre el sondeo y la posición espacial. Para eliminar el impacto de más parametrización y mejorar la exactitud y la estabilidad de los parámetros resueltos el modelo de orientación relativa convencional, este artículo propone y valida un nuevo modelo de orientación relativa con siete restricciones. Las restricciones adicionales se derivan de la propiedad ortogonal de la matriz de rotación de la imagen estéreo y se asocian con el ajuste de los cuadrados mínimos para obtener un resultado de alta precisión de la orientación relativa. Al medir la exactitud con la posición espacial se revela que el nuevo modelo propuesto tiene más ventajas que aquel de orientación relativa directa, especialmente en el modelo de reconstrucción 3D y en las aplicaciones fotográmetricas de rango cercano para la evaluación de desprendimientos geológicos.

Test study on the influences of dynamic stress and load history to the dynamic properties of the remolded red clay

ABSTRACT The dynamic properties of subgrade materials are critical factors affecting stability within the traffic engineering discipline. Remolded red clays are frequently used as subgrade filling materials, however, to date, a paucity of data exist on to the dynamic properties of this material. Accordingly, a large number of dynamic triaxial tests under cyclic loads were carried out to quantify the suitability of remolded red clay as subgrade filling. Several potentially influencing dynamic factors were considered, including dynamic stress, vibration frequency, consolidation confining pressure, consolidation ratio and compactness. Plastic strain and dynamic strength curves of remolded red clays under varying dynamic loads and load histories have been developed, in addition to the inclusion of those influencing factors. Test results show that within the range not exceeding the inherent strength of the test samples, increases soil compactness, confining pressure, and vibration frequency serve to enhance overall dynamic power in concurrence with retarding the development of accumulated plastic strain. Conversely, an improvement in the amplitude of the dynamic stress and consolidation ratio was shown to cause a decrease in dynamic strength and acceleration in the development of accumulated plastic strain. An empirical equation relating critical dynamic strength and load histories of remolded red clay has been developed for the provision of fundamental reference data for future studies.

RESUMEN Las propiedades dinámicas de los materiales de base son factores cruciales que afectan la estabilidad en la ingeniería de tráfico. La arcilla roja reestructurada se utiliza frecuentemente como material de relleno de bases, sin embargo, hasta la fecha, existe una escasez de información sobre las propiedades dinámicas de este material. De acuerdo con esto, se realizó un gran número de pruebas triaxiales dinámicas bajo cargas cíclicas para cuantificar la pertinencia de la arcilla roja reestructurada como material de relleno en bases. Se consideraron varios factores dinámicos que podrían ser determinantes, como la fuerza dinámica, la frecuencia de vibración, la presión de confinamiento, el índice de consolidación y la compactibilidad. Se desarrollaron las curvas de fuerza plástica y dinámica de arcilla roja reestructurada con varias cargas dinámicas e historia de cargas, además de la inclusión de los factores determinantes. El resultado de las pruebas muestra que dentro del rango de la fuerza inherente a las muestras de estudio, el incremento de la compactibilidad del suelo, la presión de confinamiento y la frecuencia de vibración sirven para mejorar, en general, el poder dinámico al tiempo que retrasa el desarrollo de la fuerza plástica. Al contrario, el mejoramiento de la amplitud de la fuerza dinámica y el índice de consolidación muestra una reducción en la fuerza dinámica y una aceleración en el desarrollo de la fuerza plástica acumulada. Finalmente, se desarrolló una ecuación empírica que relaciona la fuerza dinámica crítica y las cargas históricas de arcilla roja reestructurada con el fin de proveer información de referencia para estudios futuros.