Earth Sciences Research Journal

Estimation of soil losses due to water erosion in the Dagua River Basin, Colombia

ABSTRACT The Dagua river basin, in Colombia, is the most important source of water for the Valle del Cauca ecosystem, however, due to poor agricultural practices, it has been affected by water erosion. This study aimed at estimating soil erosion in the Dagua river basin, using the universal soil loss equation (USLE). The results show that most of the area presents erosivities that are between 1000-5000 MJ.mm.ha-1, corresponding to low and very low categories. On the other hand, erodibility ranged from 0.143 to 0.842 t. ha.h. MJ-1 mm-1 ha-1, which is framed in the categories from weak to extremely erodable, where the low to medium category predominates. Regarding soil losses due to erosion, it was found that more than 20% of each of the municipalities of Dagua, Restrepo, La Cumbre, and Vijes, showed high and very high erosion, particularly in the areas with bare soils and crops such as pineapple, contribute strongly, sometimes reaching over 1000 t ha-1 yr-1. Therefore, it is important to promote practices such as contour or contour planting, integrated crop cover management, land uses that integrate trees, and in more critical cases to consider ecological restoration processes.

RESUMEN La cuenca del río Dagua, Colombia, es la fuente de agua más importante para el ecosistema del Valle del Cauca, sin embargo, debido a las malas prácticas agrícolas, se ha visto afectada por la erosión hídrica. El objetivo de este estudio fue estimar la erosión del suelo en la cuenca del río Dagua, utilizando la ecuación universal de pérdida de suelo (USLE). Los resultados muestran que la mayor parte del área presenta erosividades que se encuentran entre 1000-5000 MJ.mm.ha-1, correspondientes a categorías bajas y muy bajas. Por otro lado, la erodabilidad osciló entre 0,143 y 0,842 t. ha.h. MJ-1 mm-1 ha-1, lo que se enmarca en las categorías de débil a extremadamente erodable, donde predominó la categoría baja a media. En cuanto a las pérdidas de suelo por erosión, se encontró que más del 20% de cada uno de los municipios de Dagua, Restrepo, La Cumbre y Vijes, presentaron erosión alta y muy alta, y en particular las áreas con suelos desnudos y cultivos agrícolas como la piña, contribuyeron fuertemente, alcanzando en ocasiones más de 1000 t ha-1 año-1. Por lo tanto, es importante promover prácticas como la siembra en contorno o contorno, el manejo integrado de la cobertura de cultivos, los usos de la tierra que integren árboles y, en casos más críticos, considerar procesos de restauración ecológica.

Material damping in a stratified soil deposit

ABSTRACT Due to the extensive use of one-dimensional equivalent linear analyses to determine the free-field response of nonlinear soil deposits, dynamic numerical simulations able to reproduce an analogous response to equivalent linear codes are of great value for practical engineering, particularly for dynamic soil-structure interaction problems. An appealing alternative, for problems not close to a failure condition, is to assume a linear elastic behaviour of the soil but with stiffness parameters derived from one-dimensional equivalent linear analyses, i.e. consistent with the level of deformation induced by the input motion. In this approach, energy dissipation has to be artificially incorporated through material damping formulations. In this work, local, Rayleigh, and hysteretic damping formulations in FLAC were assessed to emulate results from one-dimensional equivalent linear analysis. A main feature of the analyses is that they consider a site having a considerably stratified soil deposit, in which the shear wave velocity profile displays significant variations and where the selection of some parameters in the damping formulations is not a trivial task. Results provide relevant insights into the performance of the adopted damping formulations and the selection of material damping parameters to reproduce results of equivalent linear analyses.

RESUMEN Debido al frecuente uso de análisis unidimensionales con el método lineal equivalente, para determinar la respuesta en campo libre de un depósito de suelo no lineal, se consideran de gran valor práctico los análisis numéricos dinámicos capaces de reproducir una respuesta análoga a los códigos lineales equivalentes, particularmente en problemas de interacción dinámica suelo-estructura. Una alternativa atractiva, en problemas que no están cerca de una condición de rotura, es el asumir un comportamiento elástico lineal del suelo, pero con parámetros de rigidez derivados de análisis unidimensionales con el método lineal equivalente, i.e. consistentes con el nivel de deformación inducido por el movimiento de entrada. En este enfoque, la disipación de energía debe incorporarse artificialmente a través de formulaciones de amortiguamiento material. En este trabajo se evaluaron las formulaciones de amortiguamiento local, de Rayleigh e histerético en FLAC, con el fin de emular los resultados de un análisis unidimensional con el método lineal equivalente. La principal característica de los análisis es que estos consideran un sitio con un depósito de suelo notablemente estratificado, en el que el perfil de velocidad de ondas de corte muestra variaciones significativas, y en donde la selección de algunos parámetros en las formulaciones de amortiguamiento no es una tarea trivial. Los resultados proporcionan información relevante respecto al comportamiento de las formulaciones de amortiguamiento adoptadas y respecto a la selección de los parámetros para reproducir los resultados de análisis lineales equivalentes.

Physico-chemical and mineralogical changes of lithic xerorthent soils on volcanic rocks under semi-arid ecological conditions

ABSTRACT: This study investigates the mineralogical changes and soil development processes of young soils formed on various bedrocks of volcanic origin under the same land use/land cover and climate conditions. The current study was conducted in Lithic Xerorthent soils formed on tuff, trachybasalt, and trachyandesite bedrock between Sandıklı- Şuhut districts of Afyonkarahisar. The three soil profiles excavated in the study area were classified in Entisols order based on Soil taxonomy. The primary minerals, sanidine and muscovite, and the clay minerals, smectite, kaolinite, and illite, were widely determined in three soil profiles which were named Profile I (PI), Profile II (PII), and Profile III (PIII). According to the chemical alteration index (CIA) values, which indicate weathering, the soils formed on the tuff bedrock were slightly weathered (77.04%). The chemical weathering index (CIW) in the soils’ surface horizons formed on the trachybasalt and trachyandesite bedrock are classified as non-weathering rocks with 24.43% and 33.88%. Basic cations are found at high levels in the tuff bedrock. The determination of phillipsite, gismondin and calcite minerals is an indication that the mineral content of the bedrock and the bedrocks have a significant effect on soil formation. The relationship between the bedrock and the soil has been revealed. As a result of the study, it was concluded that there were significant differences in their physico-chemical characteristics, weathering rates, and mineralogical properties. However, they were characterized as young soils since they do not contain any subsurface diagnostic horizons on the volcanic bedrock under the same climatic and land use/land cover conditions.

RESUMEN Este estudio investiga los cambios mineralógicos y los procesos de desarrollo de los suelos jóvenes formados en varios lechos de rocas de origen volcánico bajo las mismas condiciones climáticas y de la relación uso del suelo/ cobertura del suelo. El análisis se realizó en suelos xerortentes líticos formados en lechos de roca de toba volcánica, traquibasalto y traquiandesita entre los distritos de Sandikli y Şuhut, en la ciudad de Afyonkarahisar, Turquía. Los tres perfiles de suelo excavados en el área de estudio se clasificaron en el orden de entisols de acuerdo con su taxonomía. Los minerales primarios, sanidina y muscovita, y los minerales arcillosos, esmectita, kaolinita e illita fueron ampliamente definidos en los tres perfiles del suelo, los cuales fueron nombrados Perfil I (PI), Perfil II (PII) y Perfil III (PIII). De acuerdo con los valores del Índice de Alteración Química, los cuales indican erosión, los suelos que se formaron en las capas de rocas de toba volcánica estuvieron ligeramente erosionados (77.04%). El Índice de Meteorización Química en la superficie de los suelos formados en las capas de rocas de traquibasalto y traquiandesita se clasifican como rocas no erosionadas con 24.43 % y 33.88 %. Los cationes básicos se encuentran en altos niveles en las capas de roca de toba volcánica. La caracterización de phillipsita, gismondina y los minerales de calcita es un indicador de que el contenido mineral en las capas de roca tiene un efecto significativo en la formación del suelo. De esta forma se revela la relación entre las capas de roca y el suelo. Como un resultado de este estudio se concluye que existen diferencias significativas en las características fisicoquímicas, rangos de meteorización, y propiedades mineralógicas. Sin embargo, estos fueron caracterizados como suelos jóvenes ya que no contienen ningún horizonte de diagnóstico bajo la superficie en la capa de roca volcánica bajo el mismo regimen climático y en la condiciones de uso del suelo/cobertura del suelo.

Drought and flood control of agricultural lands and optimization method of planting structure to avoid disasters

ABSTRACT: Natural disasters related to the agriculture sector frequently occur in China. This article studied the prevention and control of drought and flood in agricultural lands and the optimization method of planting structures to avoid disaster. Firstly, the impact of the change of input structure on the prevention and control of drought and flood disasters of agricultural lands was analyzed, and the evaluation system of input-output efficiency was constructed. Secondly, the evaluation model was built using the DEA (Data Envelopment Analysis) method to provide the theoretical basis for the quantitative evaluation of input-output efficiency. Taking Jiangxi Province as an example, the input-output data of drought and flood control of agricultural land in twenty cities in 2014- 2017 was analyzed. The results show that the input-output efficiency of 80% of farmland in Jiangxi Province is low, and drought and flood prevention resources are not sufficiently utilized. In addition, the low pure technical and scale efficiency are the main reasons for the low input-output efficiency of drought and flood prevention. The effect of human and financial input in drought and flood prevention of farmland in Jiangxi Province is slightly different for value output and actual output. From the aspects of strengthening the investment in basic facilities and the technical research and development of agricultural products, the optimization strategy for the input structure of drought and flood prevention of agricultural land is put forward.

RESUMEN Los desastres naturales relacionados al sector agrícola ocurren frecuentemente en China. Este artículo estudia la prevención y control de sequías en terrenos agrícolas y el método de optimización de estructuras para evitar desastres. Inicialmente se analizó el impacto en los cambios en estructuras de prevención de sequías y de inundación y se construyó un sistema de evaluación de la relación de eficiencia prevención-resultados. Luego se construyó un modelo de evaluación con el método DEA (Análisis Envolvente de Datos, del inglés Data Envelopment Analysis) para que provea de una base teórica la evaluación cuantitativa de la relación de eficiencia prevención-resultados. Con la provincia Jiangxi como área de estudio, se analizó la relación prevención- resultados en el control de sequías e inundaciones en terrenos agrícolas en veinte ciudades entre 2014 y 2017. Los resultados muestran que la relación de eficiencia prevención-resultados en el 80 % de las tierras de cultivo en la provincia Jiangxi es bajo y los recursos para la prevención no se utiliza suficientemente. Adicionalmente, la baja eficiencia técnica y a escala son las principales razones para el pobre rendimiento en la relación prevención-resultados en el control de sequías e inundaciones. El efecto de los recursos humanos y financieros en este sector en la provincia de Jiangxi es ligeramente diferente para el valor de los resultados y el valor actual. Desde el aspecto del fortalecimiento de instalaciones básicas, investigación técnica y desarrollo de productos agrícolas se debe proponer una estrategia de optimización para la inversión en estructura de prevención de estos desastres.

Estimating surface runoff using the curve number method in an ungauged watershed in Jalisco, Mexico evaluating its morphometric parameters

ABSTRACT The surface runoff was estimated using the curve number (CN) method for different storm events, and it was associated with the morphometric parameters of an ungauged watershed in Jalisco, Mexico. We derived the land use and land cover map for the year 2019 from the unsupervised classification of a Sentinel-2 image at 10 m resolution. The morphometric analysis revealed that the study area is dominated by áreas of gentle slope and moderate to high permeability with dense vegetation and low relief. It is a well-drained watershed with low flood potentiality besides a groundwater potential zone. About 69% of the study área corresponds to natural cover with tropical dry forest and evergreen forest as the most representative classes. The number of storm events identified from 2013 to 2019 was 77, with runoffs ranging from 0.05 to 227.2 Mm3. September and October were the months with the most intense rainfall and, therefore, the months with the highest runoff volume. The average runoff was 14.52 Mm3, corresponding to an average runoff coefficient of 12.86%. Together, the methods used here provide useful results for delineating conservation strategies at the watershed level.

RESUMEN El escurrimiento superficial se estimó utilizando el método del número de curva (CN) para diferentes eventos de tormenta y se asoció con los parámetros morfométricos de una cuenca no aforada en Jalisco, México. El mapa de cobertura y uso del suelo para el año 2019 se derivó a partir de la clasificación no supervisada de una imagen Sentinel-2 a una resolución de 10 m. El análisis morfométrico reveló que el área de estudio está dominada por áreas de pendiente suave y de moderada a alta permeabilidad, con vegetación densa y bajo relieve. Es una cuenca bien drenada con bajo potencial de inundación, además de una zona potencial de aguas subterráneas. Alrededor del 69% del área de estudio corresponde a cobertura natural, siendo el bosque tropical seco y el bosque perenne las clases más representativas. La cantidad de tormentas identificadas entre 2013 y 2019 fue de 77, con escurrimientos que oscilaron entre 0.05 y 227.2 Mm3. Las lluvias más intensas ocurrieron entre septiembre y octubre, ubicándose como los meses en los que se produjo el mayor volumen de escurrimiento. El escurrimiento promedio fue de 14.52 Mm3, correspondiente a un coeficiente de escurrimiento promedio de 12.86%. En conjunto, los métodos utilizados aquí brindan resultados útiles para delinear estrategias de conservación a escala de cuenca.

Investigation of the spatial distribution of porphyry copper deposits using fractal and fry analysis methods in Dehaj Area, Kerman: Implications for exploration

ABSTRACT Known to be triggered and controlled by tectonic systems, magmatism plays a significant role in the deposition and emplacement of hydrothermal mineral systems. It is, therefore, of paramount importance to recognize the tectonic processes that are genetically associated with hydrothermal mineral systems. This study seeks to address this research gap by recognizing the main tectonic processes that have controlled the distribution of porphyry copper (Cu) deposits in Dehaj Area on the Urmia-Dokhtar magmatic belt, central Iran. For this purpose, spatial associations of 31 known porphyry Copper deposits, faults, and fractures were evaluated by multiple numerical techniques including fry, fractal, (box-counting and radial-density methods), and distance-distribution analyses to investigate structural controls of the porphyry Copper mineralization. Results of the fry analysis revealed three mineralization trends, namely NS, NE, and NW, clearly following the existing fault systems in the area. Application of the fractal method demonstrated that structural controls on mineralization have operated on two different scales, regional and local scales. Distance-Distribution analysis was further used to spatially correlate known porphyry Copper deposits to fault traces, supplementing the results of fry and fractal analyses by quantitative measurements. Compiling the results of these three methods, it was shown that NW-trending faults have plausibly controlled the magmatism on a regional scale. On a local scale, however, NE- and N-trending faults have probably acted to control the channelling and emplacement of mineral-bearing fluids.

RESUMEN El magmatismo, conocido por ser desencadenado y controlado por sistemas tectónicos, juega un rol importante en la deposición y emplazamiento de sistemas minerales hidrotermales. Es fundamental, entonces, reconocer los procesos tectónicos que están genéticamente asociados con los sistemas minerales hidrotermales. Este trabajo está enfocado en esta falta de datos al establecer los principales procesos tectónicos que han controlado la distribución de depósitos de pórfido cuprífero en el área de Dehaj, en el cinturón magmático de Urmia-Dokhtar, en el centro de Irán. Con este propósito se evaluaron las asociaciones espaciales, las fallas y las fracturas de 31 depósitos conocidos de pórfido cuprífero a través de técnicas numéricas que incluyen el método de Fry (extrapolación), fractal (método de conteo de cajas y de densidad radial), y análisis de distribución de distancia para investigar los controles estructurales de la mineralización del pórfido cuprífero. Los resultados de los análisis de extrapolación revelaron tres tendencias en la mineralización, NS, NE, y NW, lo que claramente coincide con los sistemas de fallas en el área. La aplicación del método fractal demostró que los controles estructurales en la mineralización han operado a escala regional y a escala local. El análisis de distribución de distancias fue usado luego para relacionar los depósitos de pórfido cuprífero con las trazas de las fallas y complementar así los resultados de las medidas cuantitativas del método de Fry y de los análisis fractales. La compilación de los resultados de estos tres métodos muestra que las fallas con tendencia NW problablemente han controlado el magmatismo a escala regional. A escala local, sin embargo, las fallas con tendencia NE y N han controlado la canalización y el emplazamiento de fluidos con minerales.

An overview of the connection between Earth's climate evolution and mass extinction events

ABSTRACT: Authors present a brief review of the potential role of climate change on mass extinction events throughout the history of the Earth. Studying paleoclimate is difficult because it uses proxies that occurred millions of years ago, and there is an intrinsic uncertainty associated with that. However, the climate of the past and the evolution of life itself are related to each other. The current discussion goes through the different geological eras, emphasizing the Phanerozoic Eon, where terrestrial conditions allowed life to flourish. Recent studies seem to support the argument that the five great mass extinctions are related to warm climate modes produced by intense volcanism that generate changes in the concentrations of greenhouse gases and marine anoxia. This should be one more alert for humanity to implement effective measures to counteract the current global warming trend before the consequences on ecosystems are more serious.

RESUMEN Presentamos una breve revisión del rol potencial de los cambios climáticos en los eventos de extinción masiva a lo largo de la historia de la Tierra. Estudiar el paleoclima es difícil porque utiliza proxies que ocurrieron hace millones de años y existe una incertidumbre intrínseca asociada con eso. Sin embargo, el clima del pasado y la evolución de la vida misma están relacionados entre sí. La discusión actual recorre las diferentes eras geológicas, con especial énfasis en el Eón Fanerozoico, donde las condiciones terrestres permitieron que floreciera la vida. Estudios recientes parecen respaldar el argumento de que las cinco grandes extinciones masivas están relacionadas con modos de clima cálido producidos por un vulcanismo intenso que generan cambios en las concentraciones de gases de efecto invernadero y anoxia marina. Esta debería ser una alerta más para que la humanidad implemente medidas efectivas para contrarrestar la tendencia actual del calentamiento global antes de que las consecuencias sobre los ecosistemas sean más graves.

Sedimentological characteristics and their relationship with landsliding in the Bhilangana Basin, Garhwal Himalaya, India

ABSTRACT Every year during the Indian Summer Monsoon, large number of landslides occur in the Lesser and the Greater Himalayan rock formations, triggered by intense rainfall episodes coupled with physiography and anthropogenic activities. The present study investigates the slope failure mechanism's relationship with slope material compositions. Hence, sediment samples of 25 landslides were collected along the road corridors. These samples were collected from the Lesser and Greater Himalayan ranges and rock formations. The sediment was collected from the active landslides to understand particle size, clay content, moisture content, mineral composition, crystallo-graphic structures, and the influence of geomorphic processes on the landslide failure processes. The samples were analyzed using a sieve, X-ray Diffractometry (XRD), and Scanning electron microscopy (SEM) to accomplish the study's objectives. The analysis indicates that the Lesser Himalayan meta-sedimentary rock formations have a high composition of fine and medium-size particles, lesser quartz mineral compositions with calcite, and a highly crushed and fractured presence, conchoidal fractures types of morphological features. Micrographs obtained from the schist and phyllite rock of the Lesser Himalayan origin shows highly sheared and crushing, crystal overgrowth; and, in turn, have a higher susceptibility to landslides. The relationship between slope materials and instability has shown a definite pattern in the study area. The debris flow and slump have a comparatively higher percentage of clay and silt compared to debris fall, debris slide, and rockfall. The particle size composition of sediment collected from the slip zone is significantly related to the types of landslides. The present study is helpful in understanding the sediment composition and slope failure mechanism.

RESUMEN Cada año durante el verano monsónico en la India ocurren varios corrimientos de tierra en las formaciones rocosas de Lesser Himalayan y Greater Himalayan desencadenados por las intensas lluvias y afectados por actividades fisiográficas y antropogénicas. Este artículo investiga el mecanismo de falla de taludes y su relación con los materiales que componen el terreno. Con este fin se recolectaron muestras en 25 escenarios de corrimiento a lo largo de los corredores viales. Estas muestras se tomaron en las cordilleras y en las formaciones rocosas del Lesser Himalayan y del Greater Himalayan. El sedimento fue recolectado en corrimientos activos para analizar el tamaño de las partículas, el contenido de arcillas, la proporción de humedad, la composición mineral, las estructuras cristalográficas y la influencia de procesos geomórficos en los procesos de falla de los corrimientos. Las muestras fueron analizadas con cedazo, con difracción de rayos X y con microscopio electrónico de barrido para conseguir el objetivo del estudio. Los análisis indican que las rocas metasedimentarias de la formación del Lesser Himalayan tienen una composición alta de partículas de tamaño fino y medio, composiciones minerales bajas en cuarzo con calcita y una alta presencia de tipos de fracturas concoides, molidas y fracturadas, con características morfológicas. Las micrografias obtenidas de los esquistos y rocas de filita del Lesser Himalayan muestran cristales sobrecrecidos, cortados y molidos. Por ende, estos tienen una mayor susceptibilidad a corrimientos. La relación entre los materiales del terreno y la inestabilidad muestran un patrón definido en el área de estudio. El flujo de detritos y de materiales poco consolidados tienen un porcentaje comparativamente mayor de arcillas y cieno en comparación con los detritos caidos, detritos deslizados y rocas caidas. La composición del tamaño de la partícula del sedimento recolectado en la zona de caida está significativamente relacionado a los tipos de corrimientos. El presente estudio es útil para entender la composición del sedimento y el mecanismo de falla de taludes.