Earth Sciences Research Journal

Caracterización de suelos cercanos al Volcán Nevado del Ruíz, Cordillera Central de Colombia, con técnicas multiherramientas

ABSTRACT The presence of iron oxides may provide a sensitive indicator of the effects of cropping practices on coffee plantations. Authors characterized the mineral phases present in soil A horizons at three different farms located in the Department of Tolima within the regions of Líbano and Villahermosa. Our analysis includes X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, and remote sensing to discriminate the distribution of the different magnetic mineral phases. X-ray diffraction was used to identify the mineralogical properties of iron oxide such as hematite, goethite, and ferrihydrite (Fh), as well as tectosilicate minerals such as albite and sanidine. Mössbauer spectroscopy results for samples taken at room temperature indicate the presence of Fe2+ and Fe3+ mineral phases, which possibly correspond to ilmenite or magnetite. Finally, Sentinel-2A multi-spectral imager (MSI) data was used to map the distribution of iron oxides and study the influence of their distribution throughout the study area. A high correlation between Mössbauer spectroscopy and Sentinel-2A MSI data exists throughout the study area. The results suggest that farms close to the main Nevado del Ruíz Volcano have a more significant mineralogical variability. In contrast, more distant farms are characterized by soils with more iron oxides, the product of weathering, erosion, and human activities.

RESUMEN La identificación de óxidos de hierro puede proporcionar un indicador sensible para determinar los efectos de diferentes prácticas de cultivos en plantaciones de café. Por tal razón, en la presente investigación se analiza el suelo de tres fincas ubicadas en el Departamento del Tolima. Se caracterizaron las fases minerales con hierro a lo largo de la capa productiva (horizonte A) de los suelos en las regiones de El Líbano y Villahermosa. Se utilizó difracción de rayos X, espectroscopia de Mössbauer y teledetección para discriminar la distribución de las diferentes fases minerales magnéticas. La difracción de rayos X se utilizó para identificar las propiedades mineralógicas del óxido de hierro como la hematita, la goethita y la ferrihidrita (Fh), además de los minerales tectosilicatos como la albita y la sanidina. Los resultados de la espectroscopia de Mössbauer para muestras tomadas a temperatura ambiente indicaron la presencia de fases minerales de Fe2+ y Fe3+, que posiblemente corresponden a ilmenita o magnetita. Finalmente, se utilizaron datos y anchos de banda de Sentinel-2A MSI para mapear los óxidos de hierro y estudiar la influencia de su distribución en toda el área de estudio. Los datos encontrados a través de las distintas técnicas, difracción de rayos X, espectroscopia de Mössbauer, y la comparación con datos Sentinel-2a, son muy consistentes a lo largo del área de estudio. Nuestros resultados sugieren que las fincas cercanas al principal volcán Nevado del Ruíz tienen una mayor variabilidad mineralógica. En contraste, aquellas que se encuentran más distantes presentan una mayor cantidad de óxidos de hierro, producto de la erosión y las actividades humanas.

Determinación de propiedades petrofísicas a través del análisis de registros de pozo para conocer las primeras ideas en la evaluación de reservorios clásticos cenozoicos en la subcuenca Cesar, Colombia

ABSTRACT The Cesar-Ranchería basin has all the necessary elements for the generation, expulsion, and migration of hydrocarbons and considerable potential for coal bed methane (CBM) in Colombia. Previous studies in the Cesar basin focused on understanding the tectonic evolution, stratigraphy, hydrocarbon generation potential, and evaluation of reservoir potential in Cretaceous calcareous units and quartzose sandstones from the Paleocene Barco Formation. These studies had confirmed the existence of an effective petroleum system, with several episodes of oil expulsion and re-emigration in the Miocene period, turning the Cenozoic clastic succession (Barco, Los Cuervos, La Loma, and Cuesta formations) into an element of significant exploratory interest to clarify the potentiality of the basin in terms of hydrocarbon accumulation. The petrophysical parameters of Cenozoic units (shale volume, porosity, water, and oil saturation) were determined by integrating wells log and core samples analyses from three stratigraphic wells. The integration of these results synthesizes the petrophysical behavior of the units. It defines intervals with clay volumes of less than 30%, effective porosity around 20%, which means favorable characteristics as reservoir rocks that need to be considered in future exploratory projects.

RESUMEN La Cuenca Cesar Ranchería contiene todos los elementos necesarios para la generación, expulsión y migración de hidrocarburos y el potencial de gas asociado a carbón (CBM) en Colombia. Aunque algunos investigadores se han centrado en el entendimiento de la evolución tectónica de la cuenca, estratigrafía y potencial de generación de hidrocarburos, los trabajos en busca de la caracterización de rocas reservorio solo se han llevado a cabo en formaciones Cretácicas, consideradas el principal objetivo reservorio, sin hallazgos importantes. Investigaciones recientes que confirman la existencia de un sistema petrolífero efectivo, episodios de expulsión y remigración de hidrocarburos en el Mioceno, convierten la sección clástica Cenozoica en un elemento de significante interés exploratorio para aclarar el potencial de acumulación de la cuenca. El presente estudió se realizó en la sección superior de la sucesión Barco-Cuervos, las formaciones la Loma y Cuesta, en la parte sur de la subcuenca Cesar, una área prospectiva para la industria de los hidrocarburos, la cual tiene la presencia de estructuras que preservan el mayor espesor de unidades Cenozoicas. A través del análisis de registros de pozo y la integración con información de núcleos se determinaron los parámetros petrofísicos (volumen de arcilla, porosidad, saturación de agua y aceite), se generó un modelo de litotipos y se identificaron unidades hidráulicas de flujo. La integración de estos resultados sintetiza el comportamiento petrofísico de las unidades y propone intervalos con características favorables como roca reservorio para las formaciones clásticas Cenozoicas presentes en los pozos de estudio, lo que proporciona nuevos datos que deben ser considerados en futuros proyectos exploratorios y contribuye al conocimiento geológico de la subcuenca Cesar.

Características petrográficas y geoquímicas de los mármoles de Gimo, en el Kurdistan iraquí: limitaciones en el origen y ambiente deposicional de sus protolitos

ABSTRACT It is essential to identify marbles' petrographic and geochemical characteristics to determine the palaeo-environmental settings where their carbonate protoliths formed. The petrogenesis of massive Gimo marbles in the Gole area, Kurdistan Region of northeast Iraq, was investigated in this study through a combination of field mapping, petrographic, and geochemical techniques. Petrographic examination of these marbles reveals that mineral compositions are similar in all samples, with both homeoblastic and mosaic textures occurring, in addition to opaque grains that provide evidence of mineralization. Geochemical analyses show that the average calcium carbonate content of the marble is 94.96%; hence, the marble is lithologically characterized as a pure calcite marble. In most samples, the silica content was below 2 wt.%, with high values related to quartz veinlets. A range of geochemical indices and Post-Archean Australian Shale (PAAS-normalized rare earth element (REE) patterns) suggest that the limestone protolith was deposited in a shallow, near-shore marine environment on a continental margin, with very low input of detrital material. The negative Ce anomalies indicate that the protoliths of the Gimo marbles were carbonate rocks of a sedimentary origin.

RESUMEN Este artículo parte de la importancia de identificar las características geoquímicas y petrográficas de los mármoles para determinar la configuración paleoambiental donde se formaron sus protolitos carbonatados. En este estudio se investigó la petrogenésis de los mármoles masivos de Gimo, en el área de Gole, región del Kurdistán en el noreste iraquí, a través de la combinación de mapeo de campo, con técnicas petrográficas y geoquímicas. El exámen petrográfico de estos mármoles revela que las composiciones minerales son similares en todos los ejemplos, tanto con texturas homeoblásticas como mosaicas y con adición de granos opacos que ofrecen evidencias de la mineralización. Los análisis geoquímicos muestran que el contenido promedio de calcio carbonatado del mármol es de 94.96 %, lo que significa que estas muestras se caracterizan litológicamente como mármoles de calcita pura. En muchos de los ejemplos, el contenido de sílice fue inferior a 2 wt%, con altos valores relacionados a vetillas de cuarzo. Una gama de índices geoquímicos y Esquistos Australianos Posarcaicos (PAAS, en inglés; patrones de elementos tierras raras normalizados) sugieren que los protolitos de caliza se alojaron en un ambiente somero en el margen continental cercano a la línea costera, con un ingreso de contenido de detritos muy bajo. Las anomalías negativas de cerio indican que los protolitos de los mármoles de Gimo fueron rocas carbonatadas de origen sedimentario.

Observaciones de series de tiempo de datos eléctricos y magnéticos como una aproximación para identificar actividad sísmica de origen no antrópico

ABSTRACT In this study, the authors worked on identifying a possible relationship between electromagnetic signals (EM) and seismic events in the lithospheric system in the central region of Colombia. The data, both seismic records and electromagnetic signals, were taken from the catalog of the Seismological Network of the National University of Colombia (RSUNAL) and the catalog of the National Seismological Network of Colombia (RSNC). The project included the design and instrument testing phases for recording seismic signals, electrical potential variations, and magnetic field variations to try to identify possible relationships between these signals. Possible electromagnetic precursors for seismic events were observed, mainly magnetic disturbances, but it was not possible to locate evident electrical anomalies (Seismic Electric Signals - SES). Thus, although the results are not conclusive, the magnetic disturbances identified deserve further long-term analysis.

RESUMEN En este trabajo, los autores buscaron identificar la existencia de una posible relación entre señales electromagnéticas (EM) y eventos sísmicos que ocurren en el sistema litosférico en la región central de Colombia. Los datos, tanto de registros sísmicos como de señales electromagnéticas, fueron tomados del catálogo de la Red Sismológica de la Universidad Nacional de Colombia (RSUNAL) y del catálogo de la Red Sismológica Nacional de Colombia (RSNC). El proyecto contempló las fases de diseño y prueba de instrumentos para el registro de señales sísmicas, variaciones del potencial eléctrico y variaciones del campo magnético, para luego tratar de identificar posibles relaciones entre estas señales. Se observaron posibles precursores electromagnéticos de eventos sísmicos, principalmente perturbaciones magnéticas, pero no fue posible identificar anomalías eléctricas claras (Señales Eléctricas Sísmicas - SES). Por lo tanto, aunque los resultados no son concluyentes, las perturbaciones magnéticas identificadas merecen un análisis adicional a largo plazo.

Terremoto de magnitud 6.6 en Bodrum-Kos, el 20 de julio de 2017, en el suroeste de Anatolia, Turquía

ABSTRACT A 6.6 (Mw) earthquake struck the western part of Gökova Gulf in the eastern Aegean Sea on July 20, 2017. The fault plane solution for the mainshock shows an E-W striking normal fault with approximately N-S (N4°E) tensional axis (T-axis). Fault plane solutions for 33 aftershocks offer two groups of normal faulting with E-W and NE-SW to ENEWSW orientations. The inversion of the focal mechanisms of the aftershocks yields two different extensional stress regimes. The stress regime obtained from 12 focal mechanisms of aftershocks and the mainshock is characterized by an approximately N-S (N5°E) σ3 axis, while the other regime calculated from 21 focal mechanisms of aftershocks exhibits σ3 axis in an NW-SE (N330°E) direction. The latter extension significantly affects the basin’s growth in the area where the earthquake occurred. Twenty-four focal mechanisms of earthquakes in and around Gökova Basin before the 2017 earthquake (1933-2017) were included in the inversion to determine the stress state effective in a larger area. The inversion yielded an extensional stress regime characterized by approximately N-S (N356°E) σ3 axis. E-W trending faults inferred in the central part of Gökova Fault Zone, bordering Gökova Gulf in the north, also indicate N-S extension. The NW-SE extension obtained from NE-SW aftershocks appears to be locally effective in the northwest of Gökova Gulf. N-S extension, which appears to act on a regional scale, may be attributed to geodynamic effects related to the roll-back of the African subduction beneath the Aegean.

RESUMEN Un terremoto de magnitud 6.6 golpeó la parte oeste del golfo de Gökova en el este del mar Egeo el 20 de julio de 2017. El mecanismo focal del evento principal muestra un movimiento E-O en la falla normal con un eje tensional (T-axis, en inglés) en dirección N-S (N4°E). El mecanismo focal de 33 réplicas muestra dos grupos de fallamiento normal con orientaciones E-O y NE-SO hacia ENE-OSO. La inversión del mecanismo focal de las réplicas produjo dos regímenes de fuerza extensiva diferentes. El régimen de fuerza obtenido a través de 12 mecanismos focales de réplicas y del movimiento principal se caracteriza por un desplazamiento aproximado N-S (N5°E) σ3 del eje, mientras que el otro régimen se calculó a partir de 21 mecanismos focales en réplicas y muestra un desplazamiento del eje en dirección NO-SE (N330°E). Esta última extensión afecta significativamente el crecimiento de la cuenca en el área donde ocurrió el terremoto. Veinticuatro mecanismos focales de terremotos en la zona de la cuenca Gökova y que ocurrieron entre 1933 y 2017 fueron incuidos en la inversión para determinar el estado de la fuerza efectiva en una área mayor. La inversión dio como resultado un régimen de fuerza extensiva caracterizada por un desplazamiento del eje aproximado N-S (N356°E) o3. De las fallas con tendencia E-O se infiere que en la parte central de la Zona de Fallas de Gökova, que limita al norte con el golfo de Gökova, también tiene una extensión N-S. La extensión NO-SE obtenida de las replicas NE-SO aparece como localmente efectiva en el noroeste del golfo de Gökova. La extensión N-S, que según los resultados actúa a escala regional, puede ser atribuido a los efectos geodinámicos relacionados con el retroceso de la subducción africana bajo el Egeo.

Análisis comparativo de licuación del suelo con un algoritmo basado en Matlab®: soiLique

ABSTRACT Soil liquefaction is one of the ground failures induced by earthquakes. Determining the safety factor and the settlements are the most common analyses to decrease liquefaction-induced failures and hazards. Scientists have suggested numerous empirical formulas to detect and mitigate liquefaction-based hazards, and they have been used over the decades. This study aims to present a user-friendly and interactive program for deterministic soil liquefaction analyses. The algorithm presented in this study, soiLique, is the first MATLAB® program, including a graphical user interface that provides the deterministic liquefaction analysis with the computation of parameters propounded with the formulas. One of the advantages of soiLique is that it allows picking the physical property of every layer (i.e., fine or coarse), which provides dealing with liquefaction prone layer(s) directly when necessary. Not only can one calculate parameters regarding soil liquefaction with the help of this program, but one also can see graphically supported results. The robustness of soiLique is checked with another soil liquefaction analysis program, SoilEngineering, which was introduced by Ozcep (2010). Calculations were done separately using real SPT data and synthetic data such as VS measurements and CPT data. The real SPT data and synthetic VS data were used to compare soiLique and SoilEngineering (Ozcep, 2010). The present study presents an example of CPT data analysis but could not be used for comparison. Comparisons reveal that outputs of soiLique and results of SoilEngineering showed a good agreement.

RESUMEN La licuación del suelo es un corrimiento del terreno inducido por movimientos sísmicos. La determinación del factor de seguridad y de los asentamientos son los análisis más comunes para reducir las fallas y las amenazas causadas por la licuación. Numerosas formulas empíricas han sido sugeridas por expertos para detectar y mitigar los riesgos de licuación, y estas han sido usadas por décadas. Este estudio busca presentar un programa interactivo y de fácil uso para los análisis determinísticos de licuacón del suelo. El algoritmo presentado en este estudio, soiLique, es el primer programa basado en Matlab® e incluye una interfaz gráfica de usuario que provee el análisis determinístico de licuación con los parámetros de computación propuestos con las formulas. Una de las ventajas de soiLique es que brinda la oportunidad de elegir las propiedades físicas de cada capa (por ejemplo, fina o gruesa), lo que permitiría tratar directamente con las capas propensas a la licuación cuando sea necesario. No solo se pueden calcular los parámetros relacionados a la licuación del suelo con la ayuda de este programa sino que además se pueden ver gráficamente los resultados. La robustez de soiLique se verificó con otro programa de análisis de licuación del suelo, SoilEngineering, que fue introducido por Ozcep en 2010. Se hicieron cálculos separados con información real de Pruebas Estándares de Penetración (SPT, del inglés Standar Penetration Test), información sintética de Velocidad de Onda de Corte Medida (VS, del inglés Measured Shear Wave Velocity) e información de Pruebas de Penetración Cónica (CPT, del inglés Conic Penetration Test). La información real SPT y la información sintética VS fueron usadas para comparar los resultados de soiLique y SoilEngineering. En este estudio se presentan un ejemplo de información CPT pero no se usa en la comparación. Las comparaciones muestran que la información arrojada por soiLique y los resultados de SoilEngineering muestran concordancia.

Aplicación de la metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) y evaluación económica para los residuos de construcción y demolición: Un caso de estudio colombiano

ABSTRACT The construction industry not only consumes more raw materials and energy than any other economic activity, but also generates the largest fraction of waste, known as construction and demolition waste (CDW). This waste has major environmental implications, most notably in South American countries such as Colombia, where it is handled inappropriately. In this study, the management processes that are currently used for fractions of construction and demolition waste (CDW) generated in Ibagué (Colombia) were evaluated and the environmental impacts of the management of 1 kg of CDW were calculated. Other CDW management alternatives were evaluated, in which the percentage of the fraction of the waste and/or the treatment or management process that is used was modified to determine its environmental and economic viability. The information was obtained through telephone interviews and visits to recycling plants, construction companies, quarries, government entities, and inert landfills in the country. It was completed with secondary sources and the Ecoinvent v.2.2 database. Life Cycle Assessment (LCA) methodology and SimaPro 8 software were used to calculate the environmental impacts. An economic study of each management process and each alternative was also carried out. A comparison of the alternatives revealed the current alternative contributes most to the environmental impacts in all categories. The results of this study indicate that the most beneficial alternative in environmental and economic terms in Ibagué (Colombia) is that in which 100% of the metals are recovered, 100% of excavated earth is reused, and 100% of the stone waste is recycled (alternative 3). When a sensitivity analysis was carried out with different distances (30 km and 50 km), alternative 3 continued to be the most favorable.

RESUMEN La industria de la construcción no solo consume más materias primas y energía que cualquier otra actividad económica sino que también genera la mayor fracción de residuos, conocidos como residuos de construcción y demolición (RCD). Estos residuos presentan importantes implicaciones ambientales, especialmente en países de América del Sur como Colombia, donde se manejan de manera inapropiada. En este estudio se evaluó el sistema de gestión actual de los residuos de construcción y demolición (RCD) en Ibagué (Colombia) y se calcularon los impactos ambientales de la gestión de 1 kg de RCD. Se evaluaron otras alternativas de gestión de RCD para determinar su viabilidad ambiental y económica, en las cuales se modificó el porcentaje de la fracción de los residuos y el proceso de tratamiento o de gestión. Para la consecución de la información se realizaron entrevistas telefónicas y visitas a plantas de reciclaje, empresas constructoras, canteras, entidades gubernamentales y vertederos inertes en el país. Dicha información se completó con fuentes secundarias y con la base de datos Ecoinvent v.2.2. Para calcular los impactos ambientales se empleó la metodología de análisis de ciclo de vida (ACV) y el software SimaPro 8. También se realizó un estudio económico de cada proceso de gestión y de cada alternativa. Una comparación de las alternativas reveló que la alternativa de gestión actual contribuye en mayor medida a los impactos ambientales en todas las categorías. Los resultados de este estudio indican que la alternativa más beneficiosa en términos ambientales y económicos en Ibagué es aquella en la que se recupera el 100% de los metales, se reutiliza el 100% de la tierra excavada y se recicla el 100% de los residuos de piedra (alternativa 3). Cuando se realizó un análisis de sensibilidad con diferentes distancias (30 km y 50 km), esta alternativa continuó siendo la más favorable.

Degradación de la tierra medida a través de métodos de aprendizaje automático: Caso de estudio de la cuenca Sharifabad, en Irán Central

ABSTRACT To monitor and predict the Groundwater levels in Sharifabad watershed, Central province, Iran three models of Partial Least Square Regression (PLSR), Artificial Neural Networks (ANN) and Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) have been used. In all models, 70% of the data was used for training, while 30% of data were employed for testing and validation. Monthly rainfall, topographic wetness index (TWI index), the distance from the river, Geographic location was the inputs and the level of groundwater was the output of each method. It is observed that ANN has the highest efficiency, which agrees with other findings. The results of ANN have been used in preparation of groundwater distribution map. According to the potential desertification map and groundwater level index, the potential of desertification had become severe since 2002 and was at a rate of 60% of land area, which, due to incorrect land management in 2016, increased to almost 98% of the land surface in the study area. Using ANN, it is predicted that 100% of the area was severely degraded for 2025. In addition to the target variable, latitude and longitude play important roles in ordinary Krigging and decreased the total error of two combined models.

RESUMEN Con el fin de monitorear y predecir los niveles de agua subterránea en la cuenca Sharifabad, provincia Central de Irán, se utilizaron los modelos Regresión de mínimos cuadrados parciales (PLSR, del inglés Partial Least Square Regression), Redes neuronales artificiales (ANN, Artificial Neural Networks), y Sistema de inferencia de neurodifusión adaptativo (ANFIS, Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System). El 70 % de la información fue utilizada para probar los tres modelos, mientras que el 30 % se empleo en la evaluación y validación. La pluviosidad mensual, el índice topográfico de humedad (TWI index), la distancia al río y la ubicación geográfica fueron los datos ingresados, mientras que el índice de agua subterránea es el resultado de cada método. Se observó que el modelo ANN es el de mayor eficiencia, y que es acorde con otros hallazgos. Los resultados del modelo ANN se utilizaron en la preparación del mapa de distribución de aguas freáticas o subterráneas. De acuerdo con el mapa de desertificación potencial y el índice de agua subterránea, el potencial de la desertificación se ha vuelto severa desde 2002. Esto significa que desde el 60 % del suelo que, debido a un manejo incorrecto en 2016, se llegó hasta casi el 98 % de terreno en el área de estudio. Con el modelo ANN se predice que el 100 % del área se degradará severamente para 2025. Además de la variación del objetivo, la latitud y la longitud juegan papeles importantes en el kriging ordinario y en la reducción del error total de los dos modelos restantes.