Process-based forward numerical ecological modeling for carbonate sedimentary basins

Nowadays, numerical modeling is a common tool used in the study of sedimentary basins, since it allows to quantify the processes simulated and to determine interactions among them. One of such programs is SIMSAFADIM-CLASTIC, a 3D forward-model process-based code to simulate the sedimentation in a marine basin at a geological time scale. It models the fluid flow, siliciclastic transport and sedimentation, and carbonate production. In this article, we present the last improvements in the carbonate production model, in particular about the usage of Generalized Lotka-Volterra equations that include logistic growth and interaction among species. Logistic growth is constrained by environmental parameters such as water depth, energy of the medium, and depositional profile. The environmental parameters are converted to factors and combined into one single environmental value to model the evolution of species. The interaction among species is quantified using the community matrix that captures the beneficial or detrimental effects of the presence of each species on the other. A theoretical example of a carbonate ramp is computed to show the interaction among carbonate and siliciclastic sediment, the effect of environmental parameters to the modeled species associations, and the interaction among these species associations. The distribution of the modeled species associations in the theoretical example presented is compared with the carbonate Oligocene-Miocene Asmari Formation in Iran and the Miocene Ragusa Platform in Italy

Orientation domains: A mobile grid clustering algorithm with spherical corrections

An algorithm has been designed and tested which was devised as a tool assisting the analysis of geological structures solely from orientation data. More specifically, the algorithm was intended for the analysis of geological structures that can be approached as planar and piecewise features, like many folded strata. Input orientation data is expressed as pairs of angles (azimuth and dip). The algorithm starts by considering the data in Cartesian coordinates. This is followed by a search for an initial clustering solution, which is achieved by comparing the results output from the systematic shift of a regular rigid grid over the data. This initial solution is optimal (achieves minimum square error) once the grid size and the shift increment are fixed. Finally, the algorithm corrects for the variable spread that is generally expected from the data type using a reshaped non-rigid grid. The algorithm is size-oriented, which implies the application of conditions over cluster size through all the process in contrast to density-oriented algorithms, also widely used when dealing with spatial data. Results are derived in few seconds and, when tested over synthetic examples, they were found to be consistent and reliable. This makes the algorithm a valuable alternative to the time-consuming traditional approaches available to geologists

Forward numerical modelling constraining environmental parameters (Aptian carbonate system, E Iberia)

The facies distribution in time and space of sedimentary successions is controlled by a complex interplay between physical, chemical and biological processes, which are nowadays difficult to construe from the geological record. Numerical models constitute a valuable tool to identify and quantify such controlling factors permitting a reliable 3D extrapolation and prediction of stratigraphic and facies architectures beyond outcropping rock strata. This study assesses the roles of three controlling parameters being carbonate production rate, relative sea-level changes and terrigenous clastic sediment supply, on the evolution of an Aptian carbonate system. The SIMSAFADIM-CLASTIC, a 3D process-based sedimentary-stratigraphic forward model, was used for this evaluation. The carbonate succession modelled crops out in the western Maestrat Basin (E Iberia), and corresponded to a platform-to-basin transition comprising three depositional environment-related facies assemblages: platform top, slope and basin. Testing of geological parameters in forward modelling results in a wide range of possible 3D geological scenarios. The documented distribution of facies and sequence-stratigraphic framework combined with a virtual outcrop model were used as a reference to perform geometric (quantitative) and architectural and stacking pattern (qualitative) research by model-data comparison. The time interval modelled spans 1450 ky. The best-fit simulation run characterizes and quantifies (1) relative sea-level fluctuations recording five different genetic types of deposit (systems tracts) belonging to two depositional sequences as expected from field-data analysis, (2) a rate of terrigenous clastic sediment input ranging between 0.5 and 2.5 gr/s, and (3) a mean autochthonous carbonate production maximum rate of 0.08 m/ky. Furthermore, the quantitative and qualitative sensitivity tests carried out highlight that the fluctuation of relative sea level exerted the main control on the resulting stratigraphic and facies architectures, whereas the effect of inflowing terrigenous clastic sediment is less pronounced. Facies assemblages show different sensitivities to each parameter, being the slope carbonates more sensitive than the platform top facies to inflowing fine terrigenous sediments. On slope depositional settings, siliciclastic input also controls stratal stacking patterns and the dimensions of the carbonate bodies formed. The final 3D model allows to spot architectural features such as stacking patterns that can be misinterpreted by looking at the resulting record in the outcrop or by using other 2D approaches, and facilitates the comprehension of reservoir connectivity highlighting the occurrence of initial disconnected regressive platforms, which were later connected during a transgressive stag

Modelación numérica de sedimentación subacuática sintectónica: efecto de la presencia de fallas normales y zonas de relevo en la distribución de sedimento.

Las fallas normales y las zonas de relevo son comunes en contextos extensivos y juegan un papel importante en la distribución de sedimento. Este control está bien estudiado en condiciones subaéreas, pero no es así en condiciones subacuáticas, donde los estudios son escasos. En estos casos, la modelación numérica puede ser una buena herramienta para entender y complementar la sedimentación sintectónica. En esta contribución, se presenta un nuevo modelo numérico (que combina deformación tectónica con sedimentación clástica) para estudiar el relleno sedimentario en una cuenca extensiva y, concretamente, en la zona de relevo entre fallas normales. Para este caso, se han definido diferentes configuraciones variando tres parámetros: (1) estructura; (2) tasa de desplazamiento de las fallas; y (3) localización del área fuente. La comparación entre los diferentes experimentos permite concluir que, la configuración estructural condiciona la sedimentación de los diferentes tipos de sedimento creando asimetrías en la distribución de sedimentos. Aún así, los correspondientes cinturones de facies (sedimento mayoritario) no reflejan esa asimetría y, por lo tanto, la posición de las fallas en profundidad. Además, la dirección de transporte condiciona el patrón de distribución llegando a obtener arquitecturas de depósito complejas con aparentes terminaciones estratigráficas que pueden inducir a errores interpretativos (terminaciones aparentes de estratos) en áreas sin información litológica

Evidencias de un glaciar salino en el diapiro de Les Avellanes (NE España). Resultados preliminares.

A lo largo del cinturón surpirenaico afloran grandes masas de evaporitas triásicas (facies Keuper) formando estructuras intrusivas asociadas a los pliegues y cabalgamientos (Muñoz et al., 2018). Dentro de estas estructuras existen cuerpos formados por carbonatos del Muschelkalk y ofitas en una distribución aparentemente caótica. Por ello, han sido interpretadas como diapiros deformados y probablemente transportados en piggy-back (Santolaria et al., 2014). Entre ellos, el diapiro de Les Avellanes (Serres Marginals, Lleida) (Burrel y Teixell, 2020) es uno de los más vastos y complejos, y está rodeado por un amplio registro de unidades sedimentarias que abarcan desde el Jurásico hasta el Oligoceno (Teixell y Muñoz, 2000). El estudio de estas unidades encajantes aporta información sobre la evolución del diapiro. En esta contribución se presentan los resultados centrados en los depósitos Oligocenos que afloran en el margen SE y SO. Esta secuencia deposicional muestra el cambio gradual de facies en la vertical desde gypsarenitas a una brecha proximal soportada por la matriz con cantos de carbonatos del Muschelkalk, de ofitas y de yesos, sobre los que se sitúa el Keuper. Esta secuencia se interpreta como el registro del avance en superficie de la sal alóctona sobre los sedimentos originados por la erosión, transporte y re-sedimentación de las mismas evaporitas, en dirección SE

Influencia de volcanes o altos submarinos en la deformación supra-sal en márgenes pasivos con tectónica gravitacional: Resultados experimentales y aplicación al Mediterráneo Occidental

Este trabajo analiza el papel de los volcanes o altos submarinos en la deformación supra-sal de márgenes pasivos con tectónica gravitacional mediante modelos analógicos utilizando el Mediterráneo occidental (Cuenca Provençal) como análogo natural. Los experimentos han permitido caracterizar que factores intrínsecos a los volcanes (forma, altura y/o orientación respecto al margen) controlan el desarrollo de estructuras menores superpuestas a la arquitectura general del margen. También se ha caracterizado la deformación interna de la sal, destacando como la presencia del volcán modifica el flujo de la sal por el efecto de contrafuerte que ejerce contra la tectónica gravitacional. Destacar finalmente que si bien estos volcanes y sus estructuras asociadas han sido interpretados a partir de datos sísmicos 2D, los experimento

Modeling the interaction between presalt seamounts and gravitational failure in salt-bearing passive margins: The Messinian case in the northwestern Mediterranean Basin

The northwest Mediterranean Basin includes a thick Messinian salt sequence composed of three evaporitic units. From these, the intermediate unit, which is dominantly composed of halite, acted as a gravitational detachment favoring the downslope failure of the overlying sediments in a thin-skinned deformation regime. As a result, the structure of the margin is characterized by an upper extensional domain with basinward-dipping listric normal faults and a lower contractional domain that accommodates upslope extension by folding, salt inflation, or diapir squeezing. Lower to middle Miocene volcanic seamounts (presalt reliefs) located at the upper extensional domain locally disrupted the evaporitic units and produced salt flow perturbations. They acted as passive buttresses during the gravitational failure modifying the structural zonation of the margin. Using an experimental approach (sandbox models), we analyze the role played by seamounts during the kinematic evolution of passive margins and how they alter salt flow and suprasalt deformation during gravitational gliding. The experiments found that the seamounts locally interrupt the structural zonation of the margin because they hindered downdip salt flow during early deformation. Seamounts initially compartmentalize the margin architecture, resulting in the development of two gravitational subsystems with two extensional/contractional pairs that are subsequently reconnected when the accumulation of salt analog upslope of the relief is enough to overthrust it. From this point onward, the cover is passively translated downslope as a regional system. The changes in the viscous layer flow velocity related to the dip differences between the flanks and edges of the seamount determine the kinematic evolution of this system. Our experiments also provide geometric constraints to consider during interpretation of these structures, which are commonly poorly imaged in seismic data

La estructura extensiva Mesozoica y su influencia en la posterior inversión de la cuenca de Organyà (Pirineo Central)

La Cuenca de Organyà (Pirineo Central) representa un claro ejemplo de cuenca extensiva desarrollada durante el Cretácico Inferior debido a la obertura del Golfo de Vizcaya despegada en un nivel salino del Triásico Superior (Keuper). La principal característica de esta cuenca es su geometría sinclinal asimétrica definida por la progresiva migración de sus depocentros hacia el sur durante la extensión del Cretácico Inferior (Aptiense y Albiense inferior). El relleno sedimentario sin-extensivo está caracterizado por carbonatos de aguas poco profundas y margas de cuenca (Berástegui et al., 1990). Posteriormente durante la compresión alpina (Santoniense superior - Paleoceno) las estructuras extensivas fueron invertidas e incorporadas al cinturón de pliegues y cabalgamientos del Pirineo Central

Variscan and Alpine structure of the hills of Barcelona: geology in an urban area

Line 9 of the underground railway is currently being constructed in Barcelona. This undertaking necessitates tunnelling through a number of hills that are mainly made up of Paleozoic rocks, which exhibit a complex structure due to the superposition of Variscan, Mesozoic, Paleogene, and Neogene structures. We present a geological map of the hills of Barcelona originally compiled at 1:5000 scale. Unpublished field notes from surveys carried out in the 1940s and in the early 1970s were crucial for drawing up this detailed map, which together with subsurface data from public works and our study of the few remaining outcrops, enabled us to provide fresh insights into the structure of this area. We also discuss the age of the structures on the basis of cross-cutting relationships and regional considerations. Our conclusions highlight the ongoing need for a geological survey of cities given that our understanding of their geology depends on impermanent outcrops and on the recovery of lost subsurface data. These considerations call for a suitable management of the geological information in urban areas with a complex geology for planning and developing safe infrastructures

Visualització 3D i docència en ciències experimentals: Aplicació sobre els ensenyaments de la Facultat de Geologia de la UB

Aquest projecte va ser plantejat considerant útils per al treball docent i la seva millora les noves eines de visualització tridimensional (tant en 2D, en pantalla convencional, com en 3D en monitors adaptats per la visualització amb ulleres estereoscòpiques). La Facultat de Geologia de la UB acumulava a l’inici del projecte (2012), i ha seguit incrementant en aquests dos darrers anys (2013-2015), un important potencial en visualització tridimensional, que es pot transferir a la docència. Es volia contrastar la capacitat tècnica en aquest camp de diversos grups de recerca i departaments de la Facultat de Geologia. També analitzar com obrir noves formes en els ensenyaments de grau (Geologia, Enginyeria Geològica) i postgrau (Geologia i Geofísica de Reservoris, Oceanografia i Gestió del Medi Marí). La naturalesa del projecte va dur a plantejar dues etapes: 1) 2013: Inventari i coordinació de recursos medis i coneixement disponibles des dels diversos grups de recerca i docents per poder-los aplicar a la millora i al disseny de noves eines docents. Inici del disseny, concepció, preparació i desenvolupament de les primeres pràctiques a desenvolupar. Primeres aplicacions experimentals de les pràctiques en les assignatures de graus i màsters. 2) 2014: Finalització del disseny de noves pràctiques i contrastació de les avantatges (millora de les exposicions de conceptes i dades, grau d’assimilació dels estudiants) i dificultats plantejades (tècniques, de falta de mitjans materials i humans). Anàlisi de quines solucions tècniques foren les millors per l’ ús el més generalitzat possible dels materials docents desenvolupables. Establiment de conclusions particulars i generals. Dins de l’àmbit del projecte s’ha concretat que un disseny adient per a una aula d'informàtica i/o una sala laboratori a on aplicar la metodologia de la visualització 3D a la docència pràctica seria una sala amb no més de 15 a 25 ordinadors, de mobiliari modular de posició modificable, però tenint present la necessitat d’una connexió en xarxa; amb pantalla-es frontal i/o lateral visibles per als estudiants i situades a una alçada per sobre dels monitors; i un ordinador de professor en el que mostrar als estudiants els procediments i la marxa de les pràctiques. La diversitat de programari disponible pels diferents grups, a partir del qual es poden generar documents tractables com a material 3D pot implicar un problema ja que aquesta diversitat implica una certa dispersió d’esforços per part del professorat i dificultat d’aprenentatge per als estudiants. Com a resultat de l’experiència es suggereix que el material docent amb possibilitats de rebre tractament 3D en visió normal o estereoscòpica podria ser transferit des dels formats originals en el que són generats a un altre únic estàndard, que facilités el seu ús sense haver de conèixer en profunditat el software d’origen ni que calgués tenir-lo instal·lat. L’experiència d’aquests dos anys suggereix que perquè el professorat pugui fer una explotació intensiva dels recursos disponibles s’ha de comptar amb: 1) Una disciplina de programació amb prou anticipació de les activitats. 2) Un mínim de personal de suport que tingui capacitat de mantenir el programari i el maquinari a punt La utilització de dades derivades de models geològics experimentals analògics per preparar bases de dades digitals amb les que construir models 3D és una novetat docent dins de l’àmbit estatal i poc freqüent a universitats europees i de la resta del món