Identifying and interpreting stratification in sedimentary rocks on Mars : insight from Rover and orbital observations and terrestrial field analogs

Sedimentary rocks on Mars provide insight into past aqueous and atmospheric processes, climate regimes, and potential habitability. The stratigraphic architecture of sedimentary rocks on Mars is similar to that of Earth, indicating that the processes that govern deposition and erosion on Mars can be reasonably inferred through reference to analogous terrestrial systems. This dissertation aims to understand Martian surface processes through the use of (1) ground-based observations from the Mars Exploration Rovers, (2) orbital data from the High Resolution Imaging Science Experiment onboard the Mars Reconnaissance Orbiter, and (3) the use of terrestrial field analogs to understand bedforms and sediment transport on Mars. Chapters 1 and 2 trace the history of aqueous activity at Meridiani Planum, through the reconstruction of eolian bedforms at Victoria crater, and the identification of a potential mudstone facies at Santa Maria crater. Chapter 3 uses Terrestrial Laser Scanning to study cross-bedding in pyroclastic surge deposits on Earth in order to understand sediment transport in these events and to establish criteria for their identification on Mars. The final chapter analyzes stratal geometries in the Martian North Polar Layered Deposits using tools for sequence stratigraphic analysis, to better constrain past surface processes and past climate conditions on Mars.

Reconstructing Past Depositional and Diagenetic Processes through Quantitative Stratigraphic Analysis of the Martian Sedimentary Rock Record

High-resolution orbital and in situ observations acquired of the Martian surface during the past two decades provide the opportunity to study the rock record of Mars at an unprecedented level of detail. This dissertation consists of four studies whose common goal is to establish new standards for the quantitative analysis of visible and near-infrared data from the surface of Mars. Through the compilation of global image inventories, application of stratigraphic and sedimentologic statistical methods, and use of laboratory analogs, this dissertation provides insight into the history of past depositional and diagenetic processes on Mars. The first study presents a global inventory of stratified deposits observed in images from the High Resolution Image Science Experiment (HiRISE) camera on-board the Mars Reconnaissance Orbiter. This work uses the widespread coverage of high-resolution orbital images to make global-scale observations about the processes controlling sediment transport and deposition on Mars. The next chapter presents a study of bed thickness distributions in Martian sedimentary deposits, showing how statistical methods can be used to establish quantitative criteria for evaluating the depositional history of stratified deposits observed in orbital images. The third study tests the ability of spectral mixing models to obtain quantitative mineral abundances from near-infrared reflectance spectra of clay and sulfate mixtures in the laboratory for application to the analysis of orbital spectra of sedimentary deposits on Mars. The final study employs a statistical analysis of the size, shape, and distribution of nodules observed by the Mars Science Laboratory Curiosity rover team in the Sheepbed mudstone at Yellowknife Bay in Gale crater. This analysis is used to evaluate hypotheses for nodule formation and to gain insight into the diagenetic history of an ancient habitable environment on Mars.

Scour and fill in cobble-bedded streams

Scour and deposition have been measured in two small cobble-bedded upland streams, for two years. Grids of scour chains were inserted in the bed and relocated after the passage of individual hydrographs. Scour, fill and the area of the bed affected by these processes were recorded. The relationship between mean scour or fill and maximum scour or fill is assessed. In addition, the relationship between the depth of scour and the sediment transport rate as bedload is discussed briefly.

Observação do transporte de sedimentos em suspensão ao longo do Canal Norte do rio Amazonas durante condições de baixa descarga (outubro 2008)

The Amazon river, located in northernBrazil, discharges between 80,000 and 250,000 m3s-1 of water onto the adjacent shelf, creating a plume of brackish water that extends hundreds of kilometers away from the river mouth. This river also carries a large amount of fine sediments to the ocean where fluid mud has been found in the topset and upper foreset layers of the subaqueous delta formed on the mid-shelf. One of the main goals of this dissertation is to describe how turbulence and suspended sediment concentration vary along the Northern Channel of the Amazon river. Water column measurements were carried out in October 2008 at six anchor stations (P1, P3, P5, P6, P8 e P9) located seaward of the river mouth; P1 and P9 were 125 km apart. Each station was occupied during 13 hours during which current speed and direction were continuously sampled with a 600 kHz Teledyne-RDI ADCP; hourly profiles of temperature, salinity, turbidity and depth were also obtained. Water samples were collected for determination of Suspended Particulate Matter (SPM) concentration and calibration of the turbidity sensor. Current speed reached values above 1.5 m s1 in the along-channel direction (NE-SW); a remarkable ebb-flood asymmetry was observed and flows were strongly ebb-dominated. Throughout the water column, SPM concentration at stations P1 and P3 varied between 100 and 300 mg L1 in association with the presence of freshwater. In contrast, a strong salinity gradient was observed between stations P6 and P9, coinciding with the occurrence of concentrations of SPM above 10 g L-1 (fluid mud). At stations P3, P5 and P6, interface between freshwater from the Amazon river and salt water from the continental shelf, shear stresses wereestimated through four diferents methods: Reynolds, Turbulent Kinetic Energy (TKE), modified TKE and Quadratic Law; in the nearbed region (3 mab) the computed values varied between 0 and 3 Pa. At the three stations (P3, P5 and P6) the lowest and the highest shear stress values were obtained through, respectively, the Reynolds and the TKE methods. Over the whole water column turbulence intensity was estimated through the standard deviation of the turbulent component of the along-channel current velocity (root-mean square of u); from these values, it was estimated the turbulent dissipation of energy (G), whose values at 3 mab varied between zero and 20 s1.

Alterations of the global water cycle and their effects on river structure, function and services

River structure and functioning are governed naturally by geography and climate but are vulnerable to natural and human-related disturbances, ranging from channel engineering to pollution and biological invasions. Biological communities in river ecosystems are able to respond to disturbances faster than those in most other aquatic systems. However, some extremely strong or lasting disturbances constrain the responses of river organisms and jeopardise their extraordinary resilience. Among these, the artificial alteration of river drainage structure and the intense use of water resources by humans may irreversibly influence these systems. The increased canalisation and damming of river courses interferes with sediment transport, alters biogeochemical cycles and leads to a decrease in biodiversity, both at local and global scales. Furthermore, water abstraction can especially affect the functioning of arid and semi-arid rivers. In particular, interception and assimilation of inorganic nutrients can be detrimental under hydrologically abnormal conditions. Among other effects, abstraction and increased nutrient loading might cause a shift from heterotrophy to autotrophy, through direct effects on primary producers and indirect effects through food webs, even in low-light river systems. The simultaneous desires to conserve and to provide ecosystem services present several challenges, both in research and management.

Diversidade e padrões estruturais da vegetação halófila-psamófila das restingas do Rio de Janeiro

As restingas do Estado do Rio de Janeiro são áreas de sedimentação predominantemente quaternária, descontínuas geograficamente, formadas em função das mudanças paleoclimáticas, flutuações do nível do mar e transporte longitudinal de sedimentos. A diversidade e a estrutura da vegetação halófila-psamófila presente nestas restingas são os principais focos deste estudo, onde foram analisadas a similaridade florística, as formas de vida e síndrome de dispersão, o padrão de riqueza e diversidade, a distribuição das espécies e os parâmetros de cobertura vegetal, serrapilheira, solo desnudo e salinidade da água do mar. Foram amostradas nove áreas de restinga, a saber, Praia do Sul, Marambaia, Grumari, Marapendi, Maricá, Massambaba, Barra de São João, Jurubatiba e São João da Barra. Foram encontradas 90 espécies, distribuídas em 33 famílias, 69 gêneros, sendo as famílias de maior riqueza específica: Asteraceae (10), Poaceae (9 espécies), Fabaceae (9) e Rubiaceae (6). Foi registrada uma baixa riqueza de espécies nas áreas avaliadas, variando de 25 a 48. Somente 11 espécies ocorreram em todas as áreas (Alternanthera maritima, Blutaparon portulacoides, Canavalia rosea, Cereus fernambucensis, Euphorbia hyssopifolia, Ipomoea imperati, Ipomoea pes-caprae, Panicum racemosum, Remirea maritima, Sporobolus virginicus, Stenotaphrum secundatum), e 12 são dominantes, em uma ou mais áreas (Allagoptera arenaria, Alternanthera maritima, Blutaparon portulacoides, Canavalia rosea, Ipomoea imperati, Ipomoea pes-caprae, Mollugo verticillata, Panicum racemosum, Remirea maritima, Spermacoce capitata, Sporobolus virginicus, Stenotaphrum secundatum), existindo um grande número de espécies raras. O índice de diversidade de Shannon variou de 1,49 a 2,40, e a equabilidade de Pielou de 0,82 a 0,60. O agrupamento formou dois grandes grupos, sendo o primeiro constituído por Barra de São João, Praia do Sul, Marambaia, Grumari e Marapendi, e o segundo por Jurubatiba, São João da Barra, Maricá e Massambaba. As áreas mais similares floristicamente foram Maricá e Massambaba (58%), Grumari e Marapendi (56%), e Barra de São João e Praia do Sul (50%). A vegetação apresenta uma flora característica, com diferença na composição entre as áreas, e similaridade entre áreas geograficamente mais próximas. Um terço das espécies identificadas são caméfitos (34,56%), seguida por fanerófitos (20,98%), geófitos (16,04%), hemicriptófitos (12,34%), terófitos (13,58%) e duas lianas. Na dispersão predomina a autocoria (41,97%), anemocoria (33,33%) e zoocoria (24,69%). O tamanho das áreas perpendicularmente ao mar não está relacionado com aumento da riqueza, nem apresenta o padrão de aumento com o distanciamento do mar. Existem diferenças da riqueza e da diversidade entre as áreas, não havendo uma homogeneidade ao longo do litoral. Há uma zonação, com espécies distribuídas próximas ao mar (Allagoptera arenaria, Alternanthera maritima, Blutaparon portulacoides, Canavalia rosea, Cassytha filiformis, Cereus fernambucensis, Hydrocotyle bonariensis, Ipomoea pes-caprae, Schinus terebinthifolia, Sophora tomentosa, Stenotaphrum secundatum, Cyrtocymura scorpioides), e ao longo do gradiente perpendicular ao mar (Chamaecrista flexuosa, Euphorbia hyssopifolia, Ipomoea imperati, Mollugo verticillata, Panicum racemosum, Paspalum maritimum, Remirea maritima, Sporobolus virginicus). O modelo de série logarítmica é o que melhor representa a vegetação, independente da diversidade ou riqueza. A cobertura vegetal variou entre as áreas. A serrapilheira e o solo desnudo estão estreitamente relacionados com a cobertura vegetal, havendo variação entre as áreas.

Identificação de areias siliciclásticas para a recuperação de praias em erosão através de métodos geofísicos acústicos

Devido a sua grande extensão latitudinal, a costa brasileira é influenciada por diferentes regimes climáticos e oceanográficos. Adicionalmente, a distribuição da população brasileira é caracterizada por uma alta concentração nas capitais litorâneas. Todos esses fatores levam à construção de inúmeras estruturas de engenharia que podem de alguma forma impactar o transporte de sedimento e consequentemente o balanço sedimentar de algumas praias. Uma das formas mais eficientes de recuperar esse balanço sedimentar é a alimentação artificial de praias, com sedimentos provenientes da plataforma continental com características semelhantes. Os métodos geofísicos acústicos permitem mapear de forma eficiente o fundo e o subfundo marinho para a busca de áreas fontes para a lavra de forma eficiente. O objetivo deste estudo é a identificação de padrões geoacústicos a partir de analises quantitativas e qualitativas, para a caracterização de áreas fontes de areias siliciclásticas compatíveis com sedimentos de praias em erosão na cidade do Rio de Janeiro. O mapeamento foi realizado na plataforma continental interna do Rio de Janeiro, em área adjacente à praia de Itaipuaçu (Maricá, RJ). As análises evidenciaram depósitos, localizados entre 19 e 30 metros, de areias com granulometria, textura e selecionamento em condições ideias para a recomposição de praias do Rio de Janeiro.

Geomorphological Evolution of Estuaries: The Dynamic Basis for Morpho-Sedimentary Units in Selected Estuaries in the Northeastern United States

The coastal geomorphological processes of alongshore transport and tidal currents are interacting with the attendant influences of sea-level rise and sediment supply to generate morphosedimentary units in selected estuarine systems. Constrained by the conditions promoted by microtidal situations in barrier island settings, vectors of sediment transport have established spatial sequences of morphologies and sediment types that are components of shellfish habitats. Greater depth and decreasing grain-size toward the mainland are common characteristics in five northeastern U.S. estuarine systems. The patterns are repeated at various scales among the lagoon-type estuaries as well as within the estuarine settings to establish geospatial associations of geomorphology and habitat.

Aplicação de múltiplas ferramentas no estudo do transporte de sedimentos na margem interna da restinga da Marambaia (baía de Sepetiba, RJ)

Dados sedimentológicos e hidrodinâmicos foram utilizados para estudar a dinâmica sedimentar da margem interna da restinga da Marambaia (baía de Sepetiba, Rio de Janeiro, SE Brasil). Foram realizadas três campanhas amostrais para coleta de sedimentos ao longo da restinga da Marambaia e na área submersa adjacente. Adicionalmente, em dezembro de 2013, três fundeios simultâneos para aquisição de dados hidrodinâmicos foram conduzidos paralelamente à restinga, ao longo da profundidade média de 6,5 metros. As medições abrangeram dois ciclos de maré (25 horas), incluindo perfilagem com CTDs, perfilagem correntométrica e coleta de amostras de água para determinação das concentrações do material particulado em suspensão. A partir do processamento das amostras de sedimentos em laboratório, foram obtidos os parâmetros estatísticos (média, desvio-padrão e assimetria) para o detalhamento da caracterização sedimentológica da área de estudo, bem como a aplicação de um modelo de tendência direcional de transporte de sedimentos (GisedTrend). A restinga apresenta areias médias e bem selecionadas, enquanto as amostras coletadas na porção submersa, em profundidades maiores que 2 m, passam de areias finas e bem selecionadas a siltes finos e mal selecionados em maiores profundidades. Quatro casos de tendência de transporte foram explorados em um total de 14 possibilidades e os mais significativos foram analisados com o intuito de identificar áreas de acumulação e remoção de sedimentos, podendo estar associados aos processos responsáveis pelo transporte de sedimentos, tais como correntes geradas pelos ventos locais, marés e dispersão de plumas de sedimentos em suspensão. Os dados hidrodinâmicos, durante o período amostrado, permitiram observar o complexo padrão de circulação existente, especialmente na área adjacente à área central da restinga. Dentre as observações realizadas, verificou-se a ocorrência de assimetria da maré, fato já documentado em trabalhos anteriores conduzidos próximo ao principal canal de acesso à baia, com períodos de enchente mais curtos e períodos de vazante mais longos. Diferentemente do que foi reportado nestes trabalhos, os períodos de vazante foram associados às correntes de maior intensidade. As concentrações de material particulado em suspensão situaram-se, em média, entre 10 e 20 mg/L tanto em superfície como próximo ao fundo; no entanto, suas variações temporais não apresentaram qualquer relação com as fases da maré. Possíveis áreas de convergência e divergência da circulação / células de transporte de sedimentos foram identificadas e comparadas aos vetores de tendência de transporte obtidos através do modelo GisedTrend, com resultados satisfatórios.

Cenários de mudanças climáticas usando modelagem dinâmica na Bacia do Alto Taquari.

A região Centro-Oeste do Brasil tornou-se nos últimos 40 anos grande produtora de grãos e carne bovina. As condições edafoclimáticas, o sistema de manejo do solo e o descumprimento de leis ambientais trouxeram conseqüências drásticas à região como o agravamento do processo hídrico erosivo, principalmente na Bacia do Alto Taquari (BAT). Cerca de 90% da BAT localiza-se na porção norte do estado de Mato Grosso do Sul (MS), porém os efeitos do transporte de sedimentos e volume de água são refletidos a jusante dos rios, na Bacia do Pantanal. Utilizando-se pressupostos do Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (IPCC) foram estabelecidos cenários de mudanças climáticas na Bacia do Alto Taquari, visando identificar áreas com maior vulnerabilidade ao processo erosivo em função de pressões de uso da terra. Usando a modelagem dinâmica no TerraME (Environment Modeling) foram gerados cenários topopluviais até 2100, considerando-se para a temperatura do ar média anual um aumento de 1C, em cenário otimista e, em pessimista, elevações térmicas de 3C. Para a precipitação pluvial média anual um cenário foi com aumento de 15% e outro com reduções de 15%. Os dados foram espacializados no ArcGis 9.2 e exportados para o TerraView 3.2, criando-se espaços celulares e integrando-se com as informações do modelo digital do terreno do Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) para geração dos mapas topoclimáticos e simulações de cenários no TerraMe. Os resultados apontam que 85% da área da BAT nas condições atuais as temperaturas médias variam entre 23,6 a 25,7C. As simulações térmicas no cenário otimista indicam que em 40 anos as temperaturas tendem a superar o maior limite térmico médio nas áreas ao longo do rio Taquari, no sentido Oeste-Leste. Esses valores evidenciam elevações nas taxas evapotranspiratórias de matas ciliares, indicando reduções na vazão do Taquari. Em cenário pessimista essas temperaturas antecipam sua ocorrência, em um prazo de 20 anos. Os cenários com acréscimo de 15% na precipitação pluvial mostram aumentos no volume de água precipitada na parte norte da Bacia, região mais vulnerável aos problemas de erosão hídrica. Cenários do regime térmico-hídrico apontam áreas mais sensíveis às mudanças climáticas na parte oeste da BAT e impactos ambientais também na Bacia do Pantanal. Conclui-se que o TerraME é indicado para gerar cenários de mudanças climáticas em bacias hidrográficas.

延河流域径流和输沙周期变化特征的小波分析

用延河流域甘谷驿站1953—2000年实测月径流深和输沙模数数据和1957—2000年月均面降雨数据,采用小波多尺度方法,分析延河流域主要水文要素的周期及其变化特征。结果表明:延河流域降雨、径流和输沙存在着显著的周期,且其大小非常接近,为3.0、6.5、13.0和23.0 a。降雨、径流和输沙主周期分别是3.0、23.0和23.0 a。延河流域20世纪70年代后降雨量年际分配趋于均匀。3 a对应的小尺度上,70—80年代初3个水文序列对应曲线出现紊乱现象,与该时期大规模水利水土保持措施的修建有关。80年代后,由于水利水土保持措施减水减沙效益的削弱,3条曲线重新趋于一致。13 a对应的中尺度和23 a对应的大尺度上,均出现径流和输沙曲线不同步,或者滞后于降雨曲线现象。降水是径流和输沙周期性变化的主要外动力因子,人类活动导致的流域下垫面变化则是不可忽视的另一重要原因。

波浪作用下悬移质泥沙运动的两相流数值模型

该文采用基于水沙两相紊流的数值模型对波浪作用下的悬移质泥沙运动进行研究. 基本方程中将水相和颗粒相通过相间作用力进行耦合, 合理地考虑了相间相对运动的影响. 数值计算方法为有限体积法, 对流项处理利用了三阶精度的QUICK格式, 离散方程组求解采用的是TDMA迭代方法. 计算得到的悬移质泥沙垂线时均计算值与不同尺度的水槽实验数据吻合很好, 表明数学模型及其计算方法对于低浓度水沙两相问题是合理的. 该研究还探讨了悬沙浓度、泥沙沉降速度以及各种相间作用力随时间的分布规律

Stability shear stress and equilibrium cross-sectional geometry of sheltered tidal channels

This study relates tidal channel cross-sectional area (A) to peak spring discharge (Q) via a physical mechanism, namely the stability shear stress ( tau sub(S)) just necessary to maintain a zero gradient in net along-channel sediment transport. It is assumed that if bed shear stress ( tau ) is greater than tau sub(S), net erosion will occur, increasing A, and reducing tau similar to (Q/A) super(2) back toward tau sub(S). If tau < tau sub(S) there will be net deposition, reducing A and increasing tau toward tau sub(S). A survey of the literature allows estimates of Q and A at 242 sections in 26 separate sheltered tidal systems. Assuming a single value of tau sub(S) characterizes the entire length of a given tidal channel, it is predicted that along-channel geometry will follow the relation Ah sub(R) super(1) super(/) super(6) similar to Q. Along-channel regressions of the form Ah sub(R) super(1) super(/) super(6) similar to Q super( beta ) give a mean observed value for beta of 1.00 plus or minus 0.06, which is consistent with this concept. Results indicate that a lower bound on tau sub(S) (and an upper bound on A) for stable channels is provided by the critical shear stress ( tau sub(C)) just capable of initiating sediment motion. Observed tau sub(S) is found to vary among all systems as a function of spring tidal range (R sub(sp)) according to the relation tau sub(S) approximately 2.3 R sub(sp) super(0.79) tau sub(C). Observed deviations from uniform tau sub(S) along individual channels are associated with along-channel variation in the direction of maximum discharge (i.e., flood-versus ebb-dominance).

Geomorphology, sedimentary processes and development of the Zenisu deep-sea channel, northern Philippine Sea

The Zenisu deep-sea channel originates on the Izu-Ogasawara island arc, and disappears in the Shikoku Basin of the Philippine Sea. The geomorphology, sedimentary processes, and the development of the Zenisu deep-sea channel were investigated on the basis of swath bathymetry, side-scan sonar imagery, submersible observations, and seismic data. The deep-sea channel can be divided into three segments according to the downslope gradient and channel orientation. They are the Zenisu Canyon, the E-W fan channel, and the trough-axis channel. The sediment fill is characterized by turbidite and debrite deposition and blocky-hummocky avalanche deposits on the flanks of the Zenisu Ridge. In the Zenisu Canyon and the Zenisu deep-sea channel, sediment transport by turbidity currents generates sediment waves (dunes) observed during the Shinkai 6500 dive 371. The development of the Zenisu Canyon is controlled by a N-S shear fault, whereas the trough-axis channel is controlled by basin subsidence associated with the Zenisu Ridge. The E-W fan channel was probably affected by the E-W fault and the basement morphology.

古龙咀周围海区沉积物粒度特征及海底地形变化

对古龙咀周围浅海区沉积物的粒度进行了测试与分析，结合相关的地质水文资料，探讨了海岸形态对沉积物粒度的影响。研究区表层沉积物平均粒径在海湾浅海区呈带状由岸向海变细，中等水深和岬角处分布着细粒区，向外海粒径相对变粗；除险岛湾砂质区外，分选差；偏态多数为正偏或近正态；整体峰形极窄，峰型多样。底质类型以粘土质粉砂和砂质粉砂为主，由东北经古龙咀岬角向西南形成S形粘土质粉砂分布带，险岛湾地区沉积物呈带状由砂逐渐过渡到粉砂。潮汐和波浪是本区沉积物输运的主要水动力，岬角的存在影响了沉积物粒度的分布。粒度趋势分析表明沉积物整体有向岬角汇聚的输运趋势。 对收集到基于1954年、1969年、1982年测量绘成的地形图水深数据进行数字化，结合2005年测量的水深数据，分别建立各时期DEM图，在此基础上分析研究区的地形特征。四个时期海底DEM呈现出大体一致的趋势，在险岛湾及白沙口海湾内为浅水区，水深值在-1～-4 m之间，深水区主要分布在南黄岛南端至古龙咀连线以南区域，呈扇形展布，水深由南黄岛两侧向中间逐渐加深，水深值在-10～ -17 m之间。从整体上看，研究区海底地形呈NW-SE方向逐渐加深。 将数字化后的水深数据统一校正到1956黄海高程系，分别建立DEM，运用GIS的栅格计算分析得出冲淤变化图。相关结果表明：1954～1969年研究区整体近岸为冲（险岛湾除外），离岸海域为淤；1969～1982年研究区总体处于弱淤积状态；1982-2005研究区海域近岸为淤，外海以弱冲刷状态为主。