Innovació tecnològica a la construcció subterrània

Report for the scientific sojourn carried out in the International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE) –state agency – from February until November 2007. The work within the project Technology innovation in underground construction can be grouped into the following tasks: development of the software for modelling underground excavation based on the discrete element method - the numerical algorithms have been implemented in the computer programs and applied to simulation of excavation using roadheaders and TBM-s -; coupling of the discrete element method with the finite element method; development of the numerical model of rock cutting taking into account of wear of rock cutting tools -this work considers a very important factor influencing effectiveness of underground works -.

Visualización estéreo

En este proyecto se muestran las posibilidades de la visión estéreo para la visualización en monitores tanto de objetos simples como de grandes escenarios, así como su aplicación en juegos o en otros ámbitos como el cine, la geología e incluso la medicina. Para el desarrollo se ha usado una tarjeta con soporte 3d como la Nvidia 7600GT y una pantalla con una tasa de frecuencia alta como una ACER 19 pulgadas a 100Hz. Los resultados sobre la visualización han sido extraídos de las opiniones de un grupo de 20 personas, de diversas profesiones, no relacionadas con los gráficos por ordenador.

3D geoelectrical monitoring to follow hydric soil behaviour during rainfall

RESUME Durant les dernières années, les méthodes électriques ont souvent été utilisées pour l'investigation des structures de subsurface. L'imagerie électrique (Electrical Resistivity Tomography, ERT) est une technique de prospection non-invasive et spatialement intégrée. La méthode ERT a subi des améliorations significatives avec le développement de nouveaux algorithmes d'inversion et le perfectionnement des techniques d'acquisition. La technologie multicanale et les ordinateurs de dernière génération permettent la collecte et le traitement de données en quelques heures. Les domaines d'application sont nombreux et divers: géologie et hydrogéologie, génie civil et géotechnique, archéologie et études environnementales. En particulier, les méthodes électriques sont souvent employées dans l'étude hydrologique de la zone vadose. Le but de ce travail est le développement d'un système de monitorage 3D automatique, non- invasif, fiable, peu coûteux, basé sur une technique multicanale et approprié pour suivre les variations de résistivité électrique dans le sous-sol lors d'événements pluvieux. En raison des limitations techniques et afin d'éviter toute perturbation physique dans la subsurface, ce dispositif de mesure emploie une installation non-conventionnelle, où toutes les électrodes de courant sont placées au bord de la zone d'étude. Le dispositif le plus approprié pour suivre les variations verticales et latérales de la résistivité électrique à partir d'une installation permanente a été choisi à l'aide de modélisations numériques. Les résultats démontrent que le dispositif pôle-dipôle offre une meilleure résolution que le dispositif pôle-pôle et plus apte à détecter les variations latérales et verticales de la résistivité électrique, et cela malgré la configuration non-conventionnelle des électrodes. Pour tester l'efficacité du système proposé, des données de terrain ont été collectées sur un site d'étude expérimental. La technique de monitorage utilisée permet de suivre le processus d'infiltration 3D pendant des événements pluvieux. Une bonne corrélation est observée entre les résultats de modélisation numérique et les données de terrain, confirmant par ailleurs que le dispositif pôle-dipôle offre une meilleure résolution que le dispositif pôle-pôle. La nouvelle technique de monitorage 3D de résistivité électrique permet de caractériser les zones d'écoulement préférentiel et de caractériser le rôle de la lithologie et de la pédologie de manière quantitative dans les processus hydrologiques responsables d'écoulement de crue. ABSTRACT During the last years, electrical methods were often used for the investigation of subsurface structures. Electrical resistivity tomography (ERT) has been reported to be a useful non-invasive and spatially integrative prospecting technique. The ERT method provides significant improvements, with the developments of new inversion algorithms, and the increasing efficiency of data collection techniques. Multichannel technology and powerful computers allow collecting and processing resistivity data within few hours. Application domains are numerous and varied: geology and hydrogeology, civil engineering and geotechnics, archaeology and environmental studies. In particular, electrical methods are commonly used in hydrological studies of the vadose zone. The aim of this study was to develop a multichannel, automatic, non-invasive, reliable and inexpensive 3D monitoring system designed to follow electrical resistivity variations in soil during rainfall. Because of technical limitations and in order to not disturb the subsurface, the proposed measurement device uses a non-conventional electrode set-up, where all the current electrodes are located near the edges of the survey grid. Using numerical modelling, the most appropriate arrays were selected to detect vertical and lateral variations of the electrical resistivity in the framework of a permanent surveying installation system. The results show that a pole-dipole array has a better resolution than a pole-pole array and can successfully follow vertical and lateral resistivity variations despite the non-conventional electrode configuration used. Field data are then collected at a test site to assess the efficiency of the proposed monitoring technique. The system allows following the 3D infiltration processes during a rainfall event. A good correlation between the results of numerical modelling and field data results can be observed since the field pole-dipole data give a better resolution image than the pole-pole data. The new device and technique makes it possible to better characterize the zones of preferential flow and to quantify the role of lithology and pedology in flood- generating hydrological processes.

Siliceous deep-sea sponge Monorhaphis chuni: A potential paleoclimate archive in ancient animals

The deep-sea sponge Monorhaphis chuni forms giant basal spicules, which can reach lengths of 3 m; they represent the largest biogenic silica structures on Earth that is formed from an individual metazoan. The spicules offer a unique opportunity to record environmental change of past oceanic and climatic conditions. A giant spicule collected in the East China Sea in a depth of 1110 m was investigated. The oxygen isotopic composition and Mg/Ca ratios determined along center-to-surface segments are used as geochemical proxies for the assessment of seawater paleotemperatures. Calculations are based on the assumption that the calculated temperature near the surface of the spicule is identical with the average ambient temperature of 4 degrees C. A seawater temperature of 1.9 degrees C is inferred for the beginning of the lifespan of the Monorhaphis specimen. The temperature increases smoothly to 2.3 degrees C, to be followed by sharply increased and variable temperatures up to 6-10 degrees C. In the outer part of the spicule, the inferred seawater temperature is about 4 degrees C. The lifespan of the spicule can be estimated to 11,000 +/- 3000 years using the long-term trend of the inferred temperatures fitted to the seawater temperature age relationships since the Last Glacial Maximum. Specimens of Monorhaphis therefore represents one the oldest living animals on Earth. The remarkable temperature spikes of the ambient seawater occurring 9500-3100 years B.P. are explained by discharges of hydrothermal fluids in the neighborhood of the spicule. The irregular lamellar organization of the spicule and the elevated Mn concentrations during the high-temperature growth are consistent with a hydrothermal fluid input. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Home i natura a la Vall de Riells

Considerant l’absència d’estudis ambientals previs a la Vall de Riells (Bigues i Riells, Vallès Oriental), i l’evident necessitat de gestió de l’espai a causa de la sobrefreqüentació antròpica, s’ha realitzat aquesta diagnosi ambiental. En ella es descriuen de manera integrada els principals elements del medi físic, biòtic i socioeconòmic, per tal de proporcionar les eines necessàries per avaluar les problemàtiques de l’espai i fomentar la seva gestió i conservació.

Influència del context geològic i hidrogeològic en l'eficiència energètica dels sistemes geotèrmics de molt baixa entalpia

L’elevat consum energètic de les societats actuals, així com la impossibilitat de sostenir-lo a llarg termini implica la cerca de noves fonts d’energia. D’aquesta manera, en el camp de la climatització residencial, l’energia geotèrmica de molt baixa entalpia es posiciona com una alternativa als recursos energètics actuals. Així, els primers metres de subsòl presenten una temperatura adequada per al seu aprofitament calorífic, mitjançant els sistemes geotèrmics de bomba de calor. Si bé a nivell energètic, són sistemes, intrínsecament, molt eficients, el seu rendiment pot patir importants variacions davant dels canvis en les condicions del medi geològic i hidrogeològic. Especialment, els col·lectors de calor verticals, treballen, amb freqüència, en el si de les formacions hidrogeològiques. En aquest sentit, els canvis del nivell hidràulic i de la temperatura de l’aigua de l’aqüífer es manifesten amb variacions de la conductivitat tèrmica equivalent i del flux subterrani d’aigua, que alhora, aquestes, es tradueixen en alteracions del flux subterrani de calor. Davant d’aquest fet, l’avaluació quantitativa de l’efecte d’aquestes fluctuacions que es presenta en aquest treball mostra petites variacions del nivell hidràulic i de la temperatura de l’aigua comporten canvis molt notables en l’eficiència dels sistemes verticals de bomba de calor geotèrmica.

Migration of sharks into freshwater systems during the Miocene and implications for Alpine paleoelevation

Trace-element and isotopic compositions of fossilized shark teeth sampled from Miocene marine sediments of the north Alpine Molasse Basin, the Vienna Basin, and the Pannonian Basin generally show evidence of formation in a marine environment under conditions geochemically equivalent to the open ocean. In contrast, two of eight shark teeth from the Swiss Upper Marine Molasse locality of La Moliere have extremely low delta O-18 values (10.3% and 11.3%) and low Sr-87/Sr-86 ratios (0.707840 and 0.707812) compared to other teeth from this locality (21.1%,22.4%o and 0.708421-0.708630). The rare earth element (REE) abundances and patterns from La Moliere not only differ between dentine and enameloid of the same tooth, but also between different teeth, supporting variable conditions of diagenesis at this site. However, the REE patterns of enameloid from the ``exotic'' teeth analyzed for O and Sr isotopic compositions are similar to those of teeth that have O and Sr isotopic compositions typical of a marine setting at this site. Collectively, this suggests that the two ``exotic'' teeth were formed while the sharks frequented a freshwater environment with very low O-18-content and Sr isotopic composition controlled by Mesozoic calcareous rocks. This is consistent with a paleogeography of high-elevation (similar to 2300 m) Miocene Alps adjacent to a marginal sea.

Creació de recursos digitals per a la innovació docent en Geologia Estructural i Tectònica

El projecte ha estat dedicat a l’elaboració d’una sèrie de recursos didàctics en format digital per a l’ensenyament de les matèries de Geologia Estructural i Tectònica en titulacions universitàries relacionades amb les Ciències de la Terra. L’objectiu és la millora de la formació i del rendiment dels estudiants mitjançant l’elaboració d’activitats de suport no presencials que fomentin l’autoaprenentatge i l’autoregulació per part de l’estudiant. Les activitats intenten aprofitar les noves eines informàtiques disponibles i fomentar l’accés mitjançant la xarxa. El material que s’elabora en el marc del projecte consisteix en: 1) un fons documental d’imatges relacionades amb la Geologia Estructural i la Tectònica amb explicació, disponibles en xarxa i accessibles per motors específics de cerca, 2) un conjunt d’exercicis i casos pràctics, alguns d’ells resolts, i 3) sortides de camp virtuals d’una regió geològica que permeten proposar activitats prèvies a una pràctica presencial de camp o desenvolupar la pràctica a nivell completament autònom. Per aconseguir aquests objectius, les tasques realitzades són: la compilació i digitalització de la base d'imatges d'exemples naturals d'estructures geològiques de deformació de que disposàvem, junt amb la redacció de material explicatiu (text i figures), la selecció d'un conjunt d'exercicis de la disciplina, i la preparació de dades de camp per a la realització de les sortides virtuals. Paral•lelament, aquest material s'ha estat processant per a la seva disposició en xarxa com un recurs lliure y obert, accessible en una website i domini específics (plataforma REDITEC).

Creació de material docent digital per l'assignatura transversal de Geoarqueologia

En aquest projecte hem seguit desenvolupant i ampliant els continguts d’una assignatura de caràcter transversal entre Geologia i Arqueologia Prehistòrica aplicada als estudis universitaris. Aquesta ampliació s’ha dut a terme amb la creació d'un recull de fitxes amb les dades més rellevants d’alguns sepulcres megalítics de Catalunya fent especial esment als materials petris utilitzats en la seva construcció de per tal de poder desenvolupar i contextualitzar els resultats que s’assoleixin durant el curs. Cadascuna de les fitxes inclou per cada megàlit: 1) una situació geogràfica, 2) una part de descripció des del punt de vista arqueològic i 3) una part geològica amb la situació, descripció dels elements petris de les lloses tant a visu com al microscopi petrogràfic i una localització probable de l’àrea de procedència de les lloses. Això suposa un aprofundiment i ampliació de l'oferta pedagògica proposada que permet experimentar una metodologia d’ensenyament universitari més pràctica, aplicada i interactiva i s’emmarca en l’eix temàtic al voltant del qual es desenvolupa l’assignatura.

Ra isotopes and Rn as a tool for the water management resources: the Alberquillas aquifer (Málaga-Granada)

The aim of this project is to evaluate the importance of submarine groundwater discharge sector in order to improve the water balance in Málaga-Granada region. The approach of this study arose from the the geology and the aquifers that indicate that there could be some discharge to the sea between Maro (Málaga) and Almuñécar (Granada) and the Andalusian’s Government and its Water Agence were really interested in evaluating it because there is a lot of population and few water available and the magnitude of groundwater discharge has generated controversy. Is well known that water is a scarce resource in this area and it’s very important for the society and for the environment. The legislation, the water policies, the knowledge of the aquifer and the geology, the water dynamics, the land use and the water perception in the society might help the management of this resource not just in Andalusia but in all the Mediterranean basin. The main objective is to evaluate the submarine groundwater discharge from the Alberquillas Aqufier to the sea by measuring 222Rn and Ra isotopes. Specific objectives have been established to achieve the main objective: A) Reveal the importance of water resources in the Mediterranean basin; B) Learn radiometric techniques for the study of groundwater discharge to the sea; C) Learn of sampling techniques of water samples for the measurement of Ra and Rn; D) Learn the techniques for measuring Ra (RaDeCC) and Rn (RAD7); E) Interpretation and discussion of results. During this semester, and in addition of the present study in Málaga- Granada region, the author has participated in the initial phase (sampling, analysis and interpretation of preliminary results) of other research projects focused on the study of submarine groundwater discharges through the use of Ra isotopes and 222Rn. These studies have been developed in different areas, including Alt Empordà (Roses and Sant Pere Pescador), Maresme with CMIMA’s group (Mediterranean Center for Marine and Environmental Research), Delta de l’Ebre, Peñíscola and Mallorca with the IMEDEA’s group (Mediterranean Institute for Advanced Studies).

Conservation genetics and population monitoring of the Alpine Salamander (Salamandra Atra) :

SUMMARYIn the context of the biodiversity crisis, amphibians are experiencing the most severe worldwide decline of all vertebrates and are in urgent need of better management. Efficient conservation strategies rely on sound knowledge of the species biology and of the genetic and demographic processes that might impair their welfare. Nonetheless, these processes are poorly understood in amphibians. Delineating population boundaries remains consequently problematic for these species, while it is of critical importance to define adequate management units for conservation. In this study, our attention focused on the alpine salamander (Salamandra atra), a species that deserves much interest in terms of both conservation biology and evolution. This endemic alpine species shows peculiar life-history traits (viviparity, reduced activity period, slow maturation) and has a slow population turnover, which might be problematic for its persistence in a changing environment. Due to its elusive behaviour (individuals spend most of their time underground and are unavailable for sampling), dynamic processes of gene and individuals were poorly understood for that species. Consequently, its conservation status could hardly be reliably assessed. Similarly the fire salamander (Salamandra salamandra) also poses special challenges for conservation, as no clear demarcation of geographical populations exists and dispersal patterns are poorly known. Through a phylogeographic analysis, we first studied the evolutionary history of the alpine salamander to better document the distribution of the genetic diversity along its geographical range. This study highlighted the presence of multiple divergent lineages in Italy together with a clear genetic divergence between populations from Northern and Dinaric Alps. These signs of cryptic genetic differentiation, which are not accounted for by the current taxonomy of the species, should not be neglected for further definition of conservation units. In addition, our data supported glacial survival of the species in northern peripheral glacial réfugia and nunataks, a pattern rarely documented for long-lived species. Then, we evaluated the level of gene flow between populations at the local scale and tested for asymmetries in male versus female dispersal using both field-based (mark-recapture) and genetic approaches. This study revealed high level of gene flow between populations, which stems mainly from male dispersal. This corroborated the idea that salamanders are much better dispersers than hitherto thought and provided a well- supported example of male-biased dispersal in amphibians. In a third step, based on a mark- recapture survey, we addressed the problem of sampling unavailability in alpine salamanders and evaluated its impact on two monitoring methods. We showed that about three quarters of individuals were unavailable for sampling during sampling sessions, a proportion that can vary with climatic conditions. If not taken into account, these complexities would result in false assumptions on population trends and misdirect conservation efforts. Finally, regarding the daunting task of delineating management units, our attention was drawn on the fire salamander. We conducted a local population genetic study that revealed high levels of gene flow among sampling sites. Management units for this species should consequently be large. Interestingly, despite the presence of several landscape features often reported to act as barriers, genetic breaks occurred at unexpected places. This suggests that landscape features may rather have idiosyncratic effects on population structure. In conclusion, this work brought new insights on both genetic and demographic processes occurring in salamanders. The results suggest that some biological paradigms should be taken with caution when particular species are in focus. Species- specific studies remain thus fundamental for a better understanding of species evolution and conservation, particularly in the context of current global changes.RESUMEDans le contexte de la crise de la biodiversité actuelle, les amphibiens subissent le déclin le plus important de tous les vertébrés et ont urgemment besoin d'une meilleure protection. L'établissement de stratégies de conservation efficaces repose sur des connaissances solides de la biologie des espèces et des processus génétiques et démographiques pouvant menacer leur survie. Ces processus sont néanmoins encore peu étudiés chez les amphibiens.Dans cette étude, notre attention s'est portée sur la salamandre noire (Salamandra atra), une espèce endémique des Alpes dont les traits d'histoire de vie atypiques (viviparité, phase d'activité réduite, lent turnover des populations) pourraient la rendre très vulnérable face aux changements environnementaux. Par ailleurs, en raison de son comportement cryptique (les individus passent la plupart de leur temps sous terre) la dynamique des gènes et des individus est mal comprise chez cette espèce. Il est donc difficile d'évaluer son statut de conservation de manière fiable. La salamandre tachetée {Salamandra salamandra), pour qui il n'existe aucune démarcation géographique apparente des populations, pose également des problèmes en termes de gestion. Dans un premier temps, nous avons étudié l'histoire évolutive de la salamandre noire afin de mieux décrire la distribution de sa diversité génétique au sein de son aire géographique. Cela a permis de mettre en évidence la présence de multiples lignées en Italie, ainsi qu'une nette divergence entre les populations du nord des Alpes et des Alpes dinariques. Ces résultats seront à prendre en compte lorsqu'il s'agira de définir des unités de conservation pour cette espèce. D'autre part, nos données soutiennent l'hypothèse d'une survie glaciaire dans des refuges nordiques périglaciaires ou dans des nunataks, fait rarement documenté pour une espèce longévive. Nous avons ensuite évalué la différentiation génétique des populations à l'échelle locale, ce qui a révélé d'important flux de gènes, ainsi qu'une asymétrie de dispersion en faveur des mâles. Ces résultats corroborent l'idée que les amphibiens dispersent mieux que ce que l'on pensait, et fournissent un exemple robuste de dispersion biaisée en faveur des mâles chez les amphibiens. Nous avons ensuite abordé le problème de Γ inaccessibilité des individus à la capture. Nous avons montré qu'environ trois quarts des individus sont inaccessibles lors des échantillonnages, une proportion qui peut varier en fonction des conditions climatiques. Ignoré, ce processus pourrait entraîner une mauvaise interprétation des fluctuations de populations ainsi qu'une mauvaise allocation des efforts de conservation. Concernant la définition d'unités de gestion pour la salamandre tachetée, nous avons pu mettre en évidence un flux de gènes important entre les sites échantillonnés. Les unités de gestion pour cette espèce devraient donc être étendues. Etonnamment, malgré la présence de nombreuses barrières potentielles au flux de gènes, les démarcations génétiques sont apparues à des endroits inattendus. En conclusion, ce travail a apporté une meilleure compréhension des processus génétiques et démographiques en action chez les salamandres. Les résultats suggèrent que certains paradigmes biologiques devraient être considérés avec précaution quand il s'agit de les appliquer à des espèces particulières. Les études spécifiques demeurent donc fondamentales pour une meilleure compréhension de l'évolution des espèces et leur conservation, tout particulièrement dans le contexte des changements globaux actuels.

Hydrocarbon biomarkers in the Topla-Mezica zinc-lead deposits, northern Karavanke/Drau Range, Slovenia: Paleoenvironment at the site of ore formation

The Mississippi Valley-type zinc and lead deposits at Topla (250,150 metric tons (t) of ore grading 1.0 wt % Zn and 3.3 wt % Pb) and Mezica (19 million metric tons (Mt) of ore grading 5.3 wt % Pb and 2.7 wt % Zn) occur within the Middle to Upper Triassic platform carbonate rocks of the northern Karavanke/Drau Range geotectonic units of the Eastern Alps, Slovenia. The ore and host rocks of these deposits have been investigated by a combination of inorganic and organic geochemical methods to determine major, trace, and rare earth element (REE) concentrations, hydrocarbon distribution, and stable isotope ratios of carbonates, kerogen, extractable organic matter, and individual hydrocarbons. These data combined with sedimentological evidence provide insight into the paleoenvironmental conditions at the site of ore formation. The carbonate isotope composition, the REE patterns, and the distribution of hydrocarbon biomarkers (normal alkanes and steranes) suggest a marine depositional environment. At Topla, a relatively high concentration of redox sensitive trace elements (V, Mo, U) in the host dolostones and REE patterns parallel to that of the North American shale composite suggest that sediments were deposited in a reducing environment. Anoxic conditions enhanced the preservation of organic matter and resulted in relatively higher total organic carbon contents (up to 0.4 wt %). The isotopic composition of the kerogen (delta C-13(kerogon) = -29.4 to -25.0 parts per thousand, delta N-15(kerogen) = -.13.6 to 6.8 parts per thousand) suggests that marine algae and/or bacteria were the main source of organic carbon with a very minor contribution from detrital continental plants and a varying degree of alteration. Extractable organic matter from Topla ore is generally depleted in C-13 compared to the associated kerogen, which is consistent with an indigenous source of the bitumens. The mineralization correlates with delta N-15(kerogen) values around 0 per mil, C-13 depleted kerogen, C-13 enriched n-heptadecane, and relatively high concentrations of bacteria] hydrocarbon biomarkers, indicating a high cyanobacterial biomass at the site of ore formation. Abundant dissimilatory sulfate-reducing bacteria, feeding on the cyanobacterial remains, led to accumulation of biogenic H2S in the pore water of the sediments. This biogenic H2S was mainly incorporated into sedimentary organic matter and diagenetic pyrite. Higher bacterial activity at the ore site also is indicated by specific concentration ratios of hydrocarbons, which are roughly correlated with total Pb plus Zn contents. This correlation is consistent with mixing of hydrothermal metal-rich, fluids and local bacteriogenic sulfide sulfur. The new geochemical data provide supporting evidence that Topla is a low-temperature Mississippi Valley-type deposit formed in an anoxic supratidal saline to hypersaline environment. A laminated cyanobacterial mat, with abundant sulfate-reducing bacteria was the main site of sulfate reduction.