Earth Sciences Research Journal

Letter to the Editor

Contrasting styles of lead-zinc-barium mineralization in the Lower Benue Trough, Southeastern Nigeria

ABSTRACT In the Lower Benue Trough of Southeastern Nigeria, lead-zinc-barium mineralization occurs as widely distributed epigenetic fracture-controlled vein deposits which are restricted to Albian - Turonian sediments. Detailed field studies carried out in Ishiagu, Enyigba-Ameki-Ameri, Wanikande-Wanakom, and Gabu-Oshina which together constitute the four main areas of mineralization in the Lower Benue Trough, show that mineralization appears restricted to NW-SE and N-S fractures while the more common NE-SW fractures are barren. Apart from the Enyigba area, igneous bodies are found in the vicinity of the ore deposits while in the Wanikande area, barite veins and veinlets were observed to be closely interwoven with intrusive bodies. The host lithologies are highly varied, ranging from shales to siltstones, sandstones and occasionally igneous bodies. The ore assemblage also varies remarkably, with lead:zinc:barium ratios ranging from approximately 3:1:0 at Ishiagu, to 2:1:0 at Enyigba, 1:0:2 at Wanikande and nearly 100% barite at Gabu-Oshina. Thus, there is a remarkable increase in barite content from the southwest (Ishiagu) to the northeast (Gabu). The characteristics of the ore deposits roughly fit the base metal type mineralization known as clastic dominated lead-zinc-barium deposits. This study forms part of a mineral potential database which is invaluable for any detailed exploration venture in the area.

RESUMEN En la parte baja de la Formación Benue Trough, en el sudeste de Nigeria, la mineralización de plomo-zinc-bario ocurre en depósitos epigenéticos de fractura controlada ampliamente distribuidos pero que se restringen a sedimentos Albian-Turonian. Estudios de campo detallados realizados en Ishiagu, Enyigba-Ameki-Ameri, Wanikande-Wanakom y Gabu-Oshina (que conforman las cuatro áreas principales de mineralización en la parte baja de Benue Trough) muestran que la mineralización aparece restringida a fracturas NW-SE y N-S, mientras que las fracturas NE-SW, que son más comunes, aparecen estériles. Aparte del área Enyigba, los cuerpos ígneos se encontraron junto a los depósitos de minerales, mientras en el área Wanikande se observaron vetas y vetillas de baritina que están prácticamente entretejidas con cuerpos intrusivos. Las litologías sede son ampliamente variadas, y van desde esquistos a limolitas, areniscas y ocasionalmente cuerpos ígneos. El ensamble de la mena también varía con proporciones de plomo:zinc:bario que van aproximadamente desde 3:1:0 en Ishiagu, 2:1:0 en Enyigba, 1:0:2 en Wanikande y cerca del 100 % de baritina en Gabu-Oshina. Por ende, hay un incremento importante en el contenido de baritina desde el suroeste (Ishiagu) hacia el noroeste (Gabu). Las características de los depósitos minerales se enmarcan aproximadamente en el tipo de mineralización de base metálica, conocido como depósitos plomo-zinc-bario de dominación clástica. Este estudio hace parte de una base de datos de minerales potenciales que es invaluable para una exploración detallada en el área.

Solution and type curves for the seepage model of the water-bearing coalbed with leakage recharge

ABSTRACT To analyze the effects of the leakage recharge of the aquifer on the initial dewatering of coalbed methane wells, the mathematical seepage model of water in the coalbed considering the aquifer leakage was established by using the leakage coefficient according to the unsteady seepage theory. The model was solved after Laplace transform and the Stehfest numerical reverse inversion was used to obtain the solution in right space. Then, the log-log type curves of pressure and pressure derivative were created with new combinations of parameters. Based on the natural seepage mechanism, the influence of aquifer leakage on curve shape was judged. It is found that the radial flow ends earlier as the leakage coefficient increases. Moreover, it was proposed to obtain reservoir permeability, skin factor, and leakage coefficient by using type curve matching. The type curves are useful for quantitatively evaluating the level of leakage, thereby guiding the adjustment of the following production system for CBM wells.

RESUMEN Este estudio estableció el modelo matemático de filtración de agua en una capa carbonífera al estimar la salida acuífera con el uso del coeficiente de fuga, de acuerdo con la teoría de filtración inestable, para analizar los efectos en la recarga de pérdida de fluidos de un acuífero en el drenado inicial para pozos de gas metano. El modelo se resolvió tras usar la transformación Laplace y la inversión numérica Stehfest para encontrar la respuesta en el lugar indicado. Luego, se creó la representación algorítmica de la presión y la presión derivativa con nuevas combinaciones de parámetros. Se evaluó la influencia de la pérdida de fluido del acuífero en la forma de la curva con base al mecanismo físico de filtración. Se estableció que el flujo radial finaliza antes de que el coeficiente de pérdida de fluido se incremente. Además, se propone el uso de la curva tipo correspondiente para obtener la permeabilidad del reservorio, el factor de daño y el coeficiente de pérdida de fluido. Las curvas tipo son útiles para evaluar cuantitativamente el nivel de la pérdida de fluido, y de esta manera guiar el ajuste de un sistema de producción consecuente para pozos de gas metano de carbón.

The Modified Quasi-geostrophic Barotropic Models Based on Unsteady Topography

abstract New models using scale analysis and perturbation methods were denvated starting from the shallow water equations based on barotropic fluids. In the paper, to discuss the irregular topography with different magnitudes, especially considering the condition of the vast terrain, some modified quasi-geostrophic barotropic models were obtained. The unsteady terrain is more suitable to describe the motion of the fluid state of the earth because of the change of global climate and environment, so the modified models are more rational potential vorticity equations. If we do not consider the influence of topography and other factors, the models degenerate to the general quasi-geostrophic barotropic equations in the previous studies.

resumen Este trabajo deduce nuevos modelos con el uso de los métodos de análisis a escala y de perturbación a partir de las ecuaciones de aguas poco profundas con base en fluidos barotrópicos. En este artículo se obtuvieron algunos modelos semigeostróficos barotrópicos para aplicar en zonas de topografía inestable con diferentes magnitudes y considerar especialmente la condición del extenso terreno. La topografía inestable es más propicia para describir el movimiento del estado fluido de la tierra debido al cambio del clima y ambiente, por lo tanto los modelos modificados son ecuaciones de vorticidad potenciales más razonables. Si no se considera la influencia de la topografía y otros factores, los modelos se reducirían a las ecuaciones generales semigeostróficas barotrópicas de estudios anteriores.

Long-term prediction of wind speed in La Serena City (Chile) using hybrid neural network-particle swarm algorithm

ABSTRACT An artificial neural network was used for forecasting of long-term wind speed data (24 and 48 hours ahead) in La Serena City (Chile). In order to obtain a more effective correlation and prediction, a particle swarm algorithm was implemented to update the weights of the network. 43800 data points of wind speed were used (years 2003-2007), and the past values of wind speed, relative humidity, and air temperature were used as input parameters, considering that these meteorogical parameters are more readily available around the globe. Several neural network architectures were studied, and the optimum architecture was determined by adding neurons in systematic form and evaluating the root mean square error (RMSE) during the learning process. The results show that the meteorological variables used as input parameters, have influential effects on the good training and predicting capabilities of the chosen network, and that the hybrid neural network can forecast the hourly wind speed with acceptable accuracy, such as: RMSE=0.81 [m·s−1], MSE=0.65 [m·s−1]2 and R2=0.97 for 24-hours-ahead wind speed prediction, and RMSE=0.78, MSE=0.634 [m·s−1]2 and R2=0.97 for 48-hours-ahead wind speed prediction.

RESUMEN Una red neuronal artificial fue utilizada para la predicción de datos de la velocidad de viento a largo plazo (24 y 48 horas en adelanto) en la Ciudad de La Serena (Chile). Para obtener una efectiva correlación y predición, se implementó una optimización de enjambre de partículas para actualizar los pesos de la red. Se emplearon 43800 datos de velocidad de viento (años 2003-2007), y los valores pasados de velocidad del viento, humedad relativa y temperatura del aire fueron utilizados como parámetros de entrada, considerando que estos parámetros meteorológicos se encuentran fácilmente disponibles en todo el mundo. Se estudiaron varias arquitecturas de redes neuronales y la arquitectura optima se determine añadiendo neuronas de forma sistemática y evaluando la raíz del error cuadrático medio (RMSE) durante el proceso de aprendizaje. Los resultados muestran que las variables meteorológicas utilizadas como parámetros de entrada, tienen un efecto positivo sobre el correcto entrenamiento y capacidades predictivas de la red, y que la red neural híbrida puede pronosticar la velocidad del viento horaria con una precisión aceptable, como un RMSE=0.81 [ms-1], MSE=0.65 [ms-1]2 y R2=0.97 para la predicción de la velocidad del viento de 24 horas en adelanto, y un RMSE=0.78, MSE=0.634 [ms-1]2 and R2=0.97 para la predicción de la velocidad del viento de 48 horas en adelanto.

Prediction of Hub Height Winds over the Plateau Terrain by using WRF /YSU/Noah and Statistical Forecast

ABSTRACT The forecast of wind energy is closely linked to the prediction of the variation of winds over very short time intervals. Four wind towers located in the Inner Mongolia were selected to understand wind power resources in the compound plateau region. The mesoscale weather research and forecasting combining Yonsei University scheme and Noah land surface model (WRF/YSU/Noah) with 1-km horizontal resolution and 10-min time resolution were used to be as the wind numerical weather prediction (NWP) model. Three statistical techniques, persistence, back-propagation artificial neural network (BP-ANN), and least square support vector machine (LS-SVM) were used to improve the wind speed forecasts at a typical wind turbine hub height (70 m) along with the WRF/YSU/Noah output. The current physical-statistical forecasting techniques exhibit good skill in three different time scales: (1) short-term (day-ahead); (2) immediate-short-term (6-h ahead); and (3) nowcasting (1-h ahead). The forecast method, which combined WRF/YSU/Noah outputs, persistence, and LS-SVM methods, increases the forecast skill by 26.3-49.4% compared to the direct outputs of numerical WRF/YSU/Noah model. Also, this approach captures well the diurnal cycle and seasonal variability of wind speeds, as well as wind direction.

RESUMEN La estimación de la energía eólica está relacionada con la predicción en la variación de los vientos en pequeños intervalos de tiempo. Se seleccionaron cuatro torres eólicas ubicadas al interior de Mongolia para estudiar los recursos eólicos en la complejidad de un altiplano. Se utilizó la investigación climática a mesoscala y la combinación del esquema de la Universidad Yonsei con el Modelo de Superficie Terrestre Noah (WRF/YSU/Noah), con resolución de 1km horizontal y 10 minutos, como el modelo numérico de predicción meteorológica (NWP, del inglés Numerical Weather Prediction). Se utilizaron tres técnicas estadísticas, persistencia, propagación hacia atrás en redes neuronales artificiales y máquina de vectores de soporte-mínimos cuadrados (LS-SVM, del inglés Least Square Support Vector Machine), para mejorar la predicción de la velocidad del viento en una turbina con la altura del eje a 70 metros y se complementó con los resultados del WRF/YSU/Noah. Las técnicas de predicción físico-estadísticas actuales tienen un buen desempeo en tres escalas de tiempo: (1) corto plazo, un día en adelante; (2) mediano plazo, de seis días en adelante; (3) cercano, una hora en adelante. Este método de predicción, que combina los resultados WRF/YSU/Noah con los métodos de persistencia y LS-SVM incrementa la precisión de predicción entre 26,3 y 49,4 por ciento, comparado con los resultados directos del modelo numérico WRF/YSU/Noah. Además, este método diferencia la variabilidad de las estaciones y el ciclo diurno en la velocidad y la dirección del viento.

Empirical Correlations for the Swelling Pressure of Expansive Clays in the City of Barranquilla, Colombia

ABSTRACT Swelling behavior of clays is of great importance for numerous engineering applications due to the prevalence of expansive clays around the world. Expansive clays are present in Mexico City, United States, Australia, Africa and South America, among others. In some cases, these types of clays could present swell pressure values greater than 400 kPa. In this technical note, correlation equations are developed to estimate the swell pressure of clays using laboratory tests performed on swelling clays in the city of Barranquilla, Colombia. Correlations are based on Atterberg limits and water content among other soil properties. Equations with statistically significant coefficients were selected and compared with equations found in the literature. Developed correlations evidenced that swell pressure decays quickly as water content increases. It was found that for the studied soils, Atterberg Limits did not present statistical significance in the estimation of swell pressure.

RESUMEN El comportamiento expansivo de las arcillas presenta vital importancia alrededor del mundo, ya que este tipo de arcillas se encuentras en diversas y extensas zonas del planeta. Arcillas con este tipo de comportamiento se encuentran presentes en diversas regiones del mundo como la ciudad de México, los Estados Unidos, Australia, algunas zonas de África y Sudamérica, entre otras. Este tipo de arcillas pueden presentar en algunos casos presiones de expansión superiores a los 400 kPa. En la presente nota técnica se desarrollan correlaciones para estimar la presión de expansión de arcillas con base en ensayos de laboratorio practicados a arcillas con comportamiento expansivo presentes en la ciudad de Barranquilla, Colombia. Las correlaciones desarrolladas se basan en los límites de Atterberg y contenido de humedad, entre otras propiedades de los suelos. Se seleccionaron aquellas ecuaciones que presentaban coeficientes estadísticamente significativos y se realizaron comparaciones con correlaciones presentes en la literatura. Las correlaciones mostraron que la presión de expansión decae rápidamente a medida que el contenido de humedad aumenta. Además, se observó que para los suelos estudiados los límites de Atterberg no son estadísticamente significativos para la estimación de la presión de expansión.

Quantitative Calculation of Aquifer Water Quantity Using TEM Data

ABSTRACT Mine water is a menace to coal mining. Mine water quantity is detected by drilling in the coal mine roadway, and the disadvantage is the high workload and low efficiency. Therefore, transient electromagnetic method (TEM) was proposed, and TEM data was processed to detect the water yield property of a targeted layer in the coal mine. Through a mine-oriented 3D Transient Electromagnetic Method observing system, the signal of induced voltage is obtainable. Transient Electromagnetic Method 3D data volume can be calculated through the calculation of all-time resistivity and time-depth conversion. After an appropriate apparent resistivity value is set, the spatial distribution range of an aquifer can be determined. Then, with the water-filling coefficient of the aquifer, its water quantity can be estimated. The water yield property detection results in the No.4 coal seam goaf of the No.80101 workface in Jude Mine of Shanxi, China, demonstrates that the apparent resistivity of this goaf is less than 3 Ω.m, and the projection area of low resistivity anomaly zone is 22,383 m2. By using the formula Q=KMS, we can estimate that the water volume is 33,574 m3. Three boreholes have been constructed for the next dredging and drainage project, which results in a total water yield of 33,089 m3. The error percentage of the predicted water quantity is less than 1.5%. It can thus be concluded that it is feasible to predict aquifer water content with TEM data.

RESUMEN El agua al interior de las minas es una amenaza para la minería de carbón. La cantidad del agua en las minas se detecta al perforar en las vías del socavón, con la desventaja de la carga de trabajo y la baja eficacia que significan. Por esto, el presente trabajo propone el Método Electromagnético Transitorio (TEM, del inglés Transient Electromagnetic Method) y utiliza la información generada para detectar las propiedades de producción de agua en una capa específica de una mina de carbón. A través de un sistema de observación tridimensional TEM orientado a minas se puede obtener la señal del voltaje inducido. La capacidad de la información del sistema TEM tridimensional se puede calcular al obtener la resistividad y la conversión tiempo-profundidad. Tan pronto se establece el valor apropiado de la resistividad aparente se puede determinar el rango de distribución de un acuífero. Luego, con el coeficiente de saturación del acuífero se puede calcular la cantidad de agua. Los resultados de la detección de las propiedades de producción de agua en la mina abandonada número cuatro de frente de trabajo número 80101 de la mina Jude, en Shanxi, China, demostró que la resistividad aparente de esta excavación es de 3 Q.m, y el área de proyección de la zona anómala de baja resistividad es 22.383 m2. Al usar la fórmula Q=KMS, se estimó que el volumen de agua es de 33,574 m3. Tres pozos se han construido para el próximo proyecto de dragado y drenaje, cuyos resultados de producción de agua es de 33,089 m3. El porcentaje de error de la predicción de la cantidad de agua es menor al 1.5 %. Se concluye, por ende, que es factible producir el contenido de agua de un acuífero con la información del TEM.