Origin of the gases released from the Acqua Passante and Ermeta wells (Mt. Amiata, central Italy) and possible environmental implications for their closure

The Mt. Amiata volcano (Tuscany, central Italy) hosts the second largest geothermal field of Italy. Its SW and NE sectors are characterized by the presence of several CO2-rich (mayor que95% by vol.) gas discharges. An intense Hg mining activity had taken place from the 19th century up to the end of the ?70s, particularly close to Abbadia San Salvatore, during which two drillings (Acqua Passante and Ermeta) intercepted a CO2-rich gas fertile horizon. The related gases are emitted in the atmosphere since 1938 and 1959, respectively, causing severe concerns for the local air quality. In this work the results of a geochemical and isotopic survey carried out on these gas emissions from March 2009 to January 2014 are presented. CO2 fluxes from both the two wells and soil from an area of about 653,500 m2 located between them were measured. The two wells are emitting up to 15,000, 92 and 8 tons y-1 of CO2, CH4 and H2S, respectively, while the computed soil CO2 output was estimated at 4,311 ton y-1. The spatial distribution of the CO2 soil flux suggests the presence of preferential patterns, indicating sites of higher permeability. Since the local municipality is evaluating the possibility to plug the Ermeta vent, a temporarily closure should first be carried out to test the possible influence of this operation on the diffuse soil degassing of deep-originated CO2 in the surrounding area. This implies that diffuse soil gases should carefully be monitored before proceeding with its definitive closure.

Caracterización dinámica del glaciar Hurd combinando observaciones de campo y simulaciones numéricas

El objetivo fundamental de esta tesis es la caracterización de la morfología y del estado de deformaciones y tensiones del Glaciar Hurd (Isla Livingston, Archipiélago de las Shetland del Sur, Antártida), mediante una combinación de observaciones de campo, registros de georradar y simulaciones numéricas. La morfología y el estado de deformaciones y tensiones actuales son la expresión de la evolución dinámica del glaciar desde tiempos pretéritos hasta recientes, y su análisis nos dará las pautas con las cuales ser capaces de predecir, con el apoyo de las simulaciones numéricas, su evolución futura. El primer aspecto que se aborda es el estudio de las estructuras que pueden observarse en la superficie del glaciar. Describimos las distintas técnicas utilizadas (medidas de campo, fotointerpretación de ortofotografías, análisis geoquímico de cenizas volcánicas, etc.) y presentamos el análisis e interpretación de los resultados morfo-estructurales, así como la correlación, mediante análisis geoquímicos (fluorescencia de rayos X), entre las cenizas volcánicas que extruyen en la superficie del Glaciar Hurd y las del volcán Decepción, origen de las cenizas. Esto nos permite realizar una datación de las mismas como Tefra 1, correspondiente a la erupción de 1970, Tefra 2, correspondiente a las erupciones pre-1829, y el conjunto Tefra 3, asociado a las erupciones más antiguas. En segundo lugar nos ocupamos de las estructuras presentes en el interior del glaciar, cuya herramienta de detección fundamental es el georradar. Identificadas estas estructuras internas, las vinculamos con las observadas en la superficie del glaciar. También hemos estudiado la estructura hidrotérmica del glaciar, obteniendo una serie de evidencias adicionales de su carácter politérmico. Entre éstas se contaban, hasta ahora, las basadas en el valor del parámetro de rigidez de la relación constitutiva del hielo determinada por ajuste de modelos dinámicos y observaciones realizados por Otero (2008) y las basadas en las velocidades de las ondas de radar en el hielo determinadas con el método de punto medio común por Navarro y otros (2009). Las evidencias adicionales que aportamos en esta tesis son: 1) la presencia de estructuras típicas de régimen compresivo en la zona terminal del glaciar y de cizalla en los márgenes del mismo, y 2) la presencia de un estrato superficial de hielo frío (por encima de otro templado) en la zona de ablación de los tres lóbulos del Glaciar Hurd –Sally Rocks, Argentina y Las Palmas–, que alcanzan espesores de 70, 50 y 40 m, respectivamente. Este estrato de hielo frío está probablemente congelado al lecho subglaciar en la zona terminal (Molina y otros, 2007; esta tesis). Por último, nos ocupamos de la simulación numérica de la dinámica glaciar. Presentamos el modelo físico-matemático utilizado, discutimos sus condiciones de contorno y cómo éstas se miden en los trabajos de campo, y describimos el procedimiento de resolución numérica del sistema de ecuaciones parciales del modelo. Presentamos los resultados para los campos de velocidades, deformaciones y tensiones, comparando estos resultados con las estructuras observadas. También incluimos el análisis de las elipses de deformación acumulativa, que proporcionan información sobre las estructuras a las que puede dar lugar la evolución del estado de deformaciones y tensiones a las que se ve sometido el hielo según avanza, lentamente, desde la cabecera hasta la zona terminal del glaciar, con tiempos de tránsito de hasta 1.250 años, recogiendo así la historia de deformaciones en el glaciar. Concluyendo, ponemos de manifiesto en esta tesis que las medidas de campo de las estructuras y niveles de cenizas, las medidas de georradar y las simulaciones numéricas de la dinámica glaciar, realizadas de forma combinada, permiten caracterizar el régimen actual de velocidades, deformaciones y tensiones del glaciar, entender su evolución en el pasado y predecir su evolución futura. ABSTRACT The main objective of this thesis is to characterize the morphology and the state of strains and stresses of Hurd Glacier (Livingston Island, South Shetland Islands archipelago, Antarctica) through a combination of field observations, ground-penetrating radar measurements and numerical simulations. The morphology and the current state of strain and stresses are the expression of the dynamic evolution of the glacier from the past to recent times, and their analysis gives us the guidelines to be able to predict, with the support of numerical simulations, its future evolution. The first subject addressed is the study of structures that can be observed on the glacier surface. We describe the different techniques used (field measurements, photointerpretation of orthophotos, geochemical analysis of volcanic ashes, etc.) and we present the analysis and interpretation of the morpho-structural results, as well as the correlation with geochemical analysis (XRF) between the volcanic ashes extruded to the surface of Hurd Glacier and those of Deception Island volcano, from which the ashes originate. This allows us dating the ashes as Tephra 1, corresponding to the 1970 eruption, Tephra 2, corresponding to the pre-1829 eruptions, and the Tephra 3 group, associated with older eruptions. Secondly we focus on the study of the structures present within the glacier, which are detected with the help of ground-penetrating radar. Once identified, we link these internal structures with those observed on the glacier surface. We also study the hydrothermal structure of the glacier, getting a series of additional evidences of its polythermal structure. Among the evidences available so far, we can mention those based on the value of the stiffness parameter of the constitutive relation of ice, determined by fitting dynamic models to observations, as done by Otero (2008), and those based on the velocity of propagation of the radar waves through the glacier ice, measured using the common midpoint method, as done by Navarro et al. (2009). The additional evidences that we provide in this thesis are: 1) the presence of structures typical of compressive regime in the terminal zone of the glacier, together with shear at its margins, and 2) the presence of a surface layer of cold ice (overlying a layer of temperate ice) in the ablation zone of the three lobes of Hurd Glacier –Sally Rocks, Argentina and Las Palmas–, reaching thicknesses of 70, 50 and 40 m, respectively. This cold layer is probably frozen to the subglacial bed in the terminal zone (Molina and others 2007; this thesis). Finally, we deal with the numerical simulation of glacier dynamics. We present the physical-mathematical model, discuss its boundary conditions and how they are measured in the field work, and describe the method of numerical solution of the model’s partial differential equations. We present the results for the velocity, strain and stress fields, comparing these results with the observed structures. We also include an analysis of the ellipses of cumulative deformation, which provide information about the structures that can result from the evolution of the strain and stress regime of the glacier ice as it moves slowly from the head to the snout of the glacier, with transit times of up to 1,250 years, so picking the history of deformation of the glacier. Summarizing, we show in this thesis that field measurements of structures and ash layers, ground-penetrating radar measurements and numerical simulations of glacier dynamics, performed in combination, allow us to characterize the current regime of velocities, strains and stresses of the glacier, to understand its past evolution and to predict its future evolution.

Particularidades geológicas del yacimiento aurífero la holguinera, parte noroccidental de la región de Holguín, Cuba.

El yacimiento Holguinera forma parte del campo metalogénico de Aguas Claras, ubicado aproximadamente a 10,5 kilómetros al norte de la ciudad de Holguín, principal núcleo poblacional de la provincia a la que da nombre. Las coordenadas del punto medio del yacimiento son 20º56’18,81’’N y 76º16’59,18’’O; mientras la cota es de 151 metros. Desde el punto de vista geográfico-administrativo, se encuentra al suroeste de la localidad Aguas Claras y colinda al oeste con el caserío de Guajabales. Este yacimiento se ubica en el extremo oriental del conocido yacimiento Reina Victoria, con el cual se conecta mediante pequeñas manifestaciones e indicios auríferos entre los que se mencionan Santiago, Casualidad, Milagro, Relámpago y Nené El yacimiento La Holguinera es uno de los más antiguos de los que se conocen en esta región. Según los informes que aún se conservan en la Oficina Nacional de Recursos Minerales de Cuba. El yacimiento La Holguinera se integra regionalmente en la mega formación conocida como Zona Estructuro-Facial Auras y representa en sí misma una alternancia de formaciones litológicas plegadas y deformadas que proceden del Complejo Ofiolítico y del Arco Volcánico Cretácico. La cobertera que yace sobre ellas consiste en materiales volcánicos y volcano-sedimentarios, que son los productos de la erosión y sedimentación de las principales unidades litológicas. La aflorabilidad del yacimiento La Holguinera y sus flancos es buena, pero se debe más bien a la actividad minera tradicional, gracias a la cual ha quedado al descubierto en superficie gran parte de las menas oxidadas. En la actualidad se observa una gran profusión de trincheras, cortas, sondeos, pozos mineros, desagües, portalones y cortes, que son los testigos de la frenética actividad minera de esos años. Los estudios mineragráficos y petrográficos de las texturas volcánicas relícticas sugieren que la mineralización aurífera del yacimiento La Holguinera se encuentra encajada en una roca de composición andesítica de textura fina microporfirítica, y de forma secundaria en la roca encajante del tipo harzburguita, alterada a listvenitas. Los mismos fluidos que alteraron a los cuerpos intrusivos difundieron hacia el encajante ultramáfico, originando una variedad litológica secundaria conocida como listvenita, compuesta por productos de alteración metasomática del tipo talco-carbonato-cuarzo-sulfuro, con mineralización aurífera acompañante (listvenitas). Las menas de este yacimiento son sulfurosas, sulfuro-polimetálicas, pirítica, cromítica y sulfurosas de hierro.

Changes in spatial point patterns of pioneer woody plants across a large tropical landslide

We assessed whether the relative importance of positive and negative interactions in early successional communities varied across a large landslide on Casita Volcano (Nicaragua). We tested several hypotheses concerning the signatures of these processes in the spatial patterns of woody pioneer plants, as well as those of mortality and recruitment events, in several zones of the landslide differing in substrate stability and fertility, over a period of two years (2001 and 2002). We identified all woody individuals with a diameter >1 cm and mapped them in 28 plots measuring 10 × 10-m. On these maps, we performed a spatial point pattern analysis using univariate and bivariate pair-correlation functions; g (r) and g12 (r), and pairwise differences of univariate and bivariate functions. Spatial signatures of positive and negative interactions among woody plants were more prevalent in the most and least stressful zones of the landslide, respectively. Natural and human-induced disturbances such as the occurrence of fire, removal of newly colonizing plants through erosion and clearcutting of pioneer trees were also identified as potentially important pattern-creating processes. These results are in agreement with the stress-gradient hypothesis, which states that the relative importance of facilitation and competition varies inversely across gradients of abiotic stress. Our findings also indicate that the assembly of early successional plant communities in large heterogeneous landslides might be driven by a much larger array of processes than previously thought.

LiDAR remote sensing applied to forest resources assessment

Disponer de información precisa y actualizada de inventario forestal es una pieza clave para mejorar la gestión forestal sostenible y para proponer y evaluar políticas de conservación de bosques que permitan la reducción de emisiones de carbono debidas a la deforestación y degradación forestal (REDD). En este sentido, la tecnología LiDAR ha demostrado ser una herramienta perfecta para caracterizar y estimar de forma continua y en áreas extensas la estructura del bosque y las principales variables de inventario forestal. Variables como la biomasa, el número de pies, el volumen de madera, la altura dominante, el diámetro o la altura media son estimadas con una calidad comparable a los inventarios tradicionales de campo. La presente tesis se centra en analizar la aplicación de los denominados métodos de masa de inventario forestal con datos LIDAR bajo diferentes condiciones y características de masa forestal (bosque templados puros y mixtos) y utilizando diferentes bases de datos LiDAR (información proveniente de vuelo nacionales e información capturada de forma específica). Como consecuencia de lo anterior, se profundiza en la generación de inventarios forestales continuos con LiDAR en grandes áreas. Los métodos de masa se basan en la búsqueda de relaciones estadísticas entre variables predictoras derivadas de la nube de puntos LiDAR y las variables de inventario forestal medidas en campo con el objeto de generar una cartografía continua de inventario forestal. El rápido desarrollo de esta tecnología en los últimos años ha llevado a muchos países a implantar programas nacionales de captura de información LiDAR aerotransportada. Estos vuelos nacionales no están pensados ni diseñados para fines forestales por lo que es necesaria la evaluación de la validez de esta información LiDAR para la descripción de la estructura del bosque y la medición de variables forestales. Esta información podría suponer una drástica reducción de costes en la generación de información continua de alta resolución de inventario forestal. En el capítulo 2 se evalúa la estimación de variables forestales a partir de la información LiDAR capturada en el marco del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA-LiDAR) en España. Para ello se compara un vuelo específico diseñado para inventario forestal con la información de la misma zona capturada dentro del PNOA-LiDAR. El caso de estudio muestra cómo el ángulo de escaneo, la pendiente y orientación del terreno afectan de forma estadísticamente significativa, aunque con pequeñas diferencias, a la estimación de biomasa y variables de estructura forestal derivadas del LiDAR. La cobertura de copas resultó más afectada por estos factores que los percentiles de alturas. Considerando toda la zona de estudio, la estimación de la biomasa con ambas bases de datos no presentó diferencias estadísticamente significativas. Las simulaciones realizadas muestran que las diferencias medias en la estimación de biomasa entre un vuelo específico y el vuelo nacional podrán superar el 4% en áreas abruptas, con ángulos de escaneo altos y cuando la pendiente de la ladera no esté orientada hacia la línea de escaneo. En el capítulo 3 se desarrolla un estudio en masas mixtas y puras de pino silvestre y haya, con un enfoque multi-fuente empleando toda la información disponible (vuelos LiDAR nacionales de baja densidad de puntos, imágenes satelitales Landsat y parcelas permanentes del inventario forestal nacional español). Se concluye que este enfoque multi-fuente es adecuado para realizar inventarios forestales continuos de alta resolución en grandes superficies. Los errores obtenidos en la fase de ajuste y de validación de los modelos de área basimétrica y volumen son similares a los registrados por otros autores (usando un vuelo específico y parcelas de campo específicas). Se observan errores mayores en la variable número de pies que los encontrados en la literatura, que pueden ser explicados por la influencia de la metodología de parcelas de radio variable en esta variable. En los capítulos 4 y 5 se evalúan los métodos de masa para estimar biomasa y densidad de carbono en bosques tropicales. Para ello se trabaja con datos del Parque Nacional Volcán Poás (Costa Rica) en dos situaciones diferentes: i) se dispone de una cobertura completa LiDAR del área de estudio (capitulo 4) y ii) la cobertura LiDAR completa no es técnica o económicamente posible y se combina una cobertura incompleta de LiDAR con imágenes Landsat e información auxiliar para la estimación de biomasa y carbono (capitulo 5). En el capítulo 4 se valida un modelo LiDAR general de estimación de biomasa aérea en bosques tropicales y se compara con los resultados obtenidos con un modelo ajustado de forma específica para el área de estudio. Ambos modelos están basados en la variable altura media de copas (TCH por sus siglas en inglés) derivada del modelo digital LiDAR de altura de la vegetación. Los resultados en el área de estudio muestran que el modelo general es una alternativa fiable al ajuste de modelos específicos y que la biomasa aérea puede ser estimada en una nueva zona midiendo en campo únicamente la variable área basimétrica (BA). Para mejorar la aplicación de esta metodología es necesario definir en futuros trabajos procedimientos adecuados de medición de la variable área basimétrica en campo (localización, tamaño y forma de las parcelas de campo). La relación entre la altura media de copas del LiDAR y el área basimétrica (Coeficiente de Stock) obtenida en el área de estudio varía localmente. Por tanto es necesario contar con más información de campo para caracterizar la variabilidad del Coeficiente de Stock entre zonas de vida y si estrategias como la estratificación pueden reducir los errores en la estimación de biomasa y carbono en bosques tropicales. En el capítulo 5 se concluye que la combinación de una muestra sistemática de información LiDAR con una cobertura completa de imagen satelital de moderada resolución (e información auxiliar) es una alternativa efectiva para la realización de inventarios continuos en bosques tropicales. Esta metodología permite estimar altura de la vegetación, biomasa y carbono en grandes zonas donde la captura de una cobertura completa de LiDAR y la realización de un gran volumen de trabajo de campo es económica o/y técnicamente inviable. Las alternativas examinadas para la predicción de biomasa a partir de imágenes Landsat muestran una ligera disminución del coeficiente de determinación y un pequeño aumento del RMSE cuando la cobertura de LiDAR es reducida de forma considerable. Los resultados indican que la altura de la vegetación, la biomasa y la densidad de carbono pueden ser estimadas en bosques tropicales de forma adecuada usando coberturas de LIDAR bajas (entre el 5% y el 20% del área de estudio). ABSTRACT The availability of accurate and updated forest data is essential for improving sustainable forest management, promoting forest conservation policies and reducing carbon emissions from deforestation and forest degradation (REDD). In this sense, LiDAR technology proves to be a clear-cut tool for characterizing forest structure in large areas and assessing main forest-stand variables. Forest variables such as biomass, stem volume, basal area, mean diameter, mean height, dominant height, and stem number can be thus predicted with better or comparable quality than with costly traditional field inventories. In this thesis, it is analysed the potential of LiDAR technology for the estimation of plot-level forest variables under a range of conditions (conifer & broadleaf temperate forests and tropical forests) and different LiDAR capture characteristics (nationwide LiDAR information vs. specific forest LiDAR data). This study evaluates the application of LiDAR-based plot-level methods in large areas. These methods are based on statistical relationships between predictor variables (derived from airborne data) and field-measured variables to generate wall to wall forest inventories. The fast development of this technology in recent years has led to an increasing availability of national LiDAR datasets, usually developed for multiple purposes throughout an expanding number of countries and regions. The evaluation of the validity of nationwide LiDAR databases (not designed specifically for forest purposes) is needed and presents a great opportunity for substantially reducing the costs of forest inventories. In chapter 2, the suitability of Spanish nationwide LiDAR flight (PNOA) to estimate forest variables is analyzed and compared to a specifically forest designed LiDAR flight. This study case shows that scan angle, terrain slope and aspect significantly affect the assessment of most of the LiDAR-derived forest variables and biomass estimation. Especially, the estimation of canopy cover is more affected than height percentiles. Considering the entire study area, biomass estimations from both databases do not show significant differences. Simulations show that differences in biomass could be larger (more than 4%) only in particular situations, such as steep areas when the slopes are non-oriented towards the scan lines and the scan angles are larger than 15º. In chapter 3, a multi-source approach is developed, integrating available databases such as nationwide LiDAR flights, Landsat imagery and permanent field plots from SNFI, with good resultos in the generation of wall to wall forest inventories. Volume and basal area errors are similar to those obtained by other authors (using specific LiDAR flights and field plots) for the same species. Errors in the estimation of stem number are larger than literature values as a consequence of the great influence that variable-radius plots, as used in SNFI, have on this variable. In chapters 4 and 5 wall to wall plot-level methodologies to estimate aboveground biomass and carbon density in tropical forest are evaluated. The study area is located in the Poas Volcano National Park (Costa Rica) and two different situations are analyzed: i) available complete LiDAR coverage (chapter 4) and ii) a complete LiDAR coverage is not available and wall to wall estimation is carried out combining LiDAR, Landsat and ancillary data (chapter 5). In chapter 4, a general aboveground biomass plot-level LiDAR model for tropical forest (Asner & Mascaro, 2014) is validated and a specific model for the study area is fitted. Both LiDAR plot-level models are based on the top-of-canopy height (TCH) variable that is derived from the LiDAR digital canopy model. Results show that the pantropical plot-level LiDAR methodology is a reliable alternative to the development of specific models for tropical forests and thus, aboveground biomass in a new study area could be estimated by only measuring basal area (BA). Applying this methodology, the definition of precise BA field measurement procedures (e.g. location, size and shape of the field plots) is decisive to achieve reliable results in future studies. The relation between BA and TCH (Stocking Coefficient) obtained in our study area in Costa Rica varied locally. Therefore, more field work is needed for assessing Stocking Coefficient variations between different life zones and the influence of the stratification of the study areas in tropical forests on the reduction of uncertainty. In chapter 5, the combination of systematic LiDAR information sampling and full coverage Landsat imagery (and ancillary data) prove to be an effective alternative for forest inventories in tropical areas. This methodology allows estimating wall to wall vegetation height, biomass and carbon density in large areas where full LiDAR coverage and traditional field work are technically and/or economically unfeasible. Carbon density prediction using Landsat imaginery shows a slight decrease in the determination coefficient and an increase in RMSE when harshly decreasing LiDAR coverage area. Results indicate that feasible estimates of vegetation height, biomass and carbon density can be accomplished using low LiDAR coverage areas (between 5% and 20% of the total area) in tropical locations.

Geodynamic events reconstructed in the Betic, Maghrebian, and Apennine chains (central-western Tethys)

A synthetic study has been made to identify main tectono-sedimentary and geodynamic events in central-western Tethys. For this, an interdisciplinary analysis has been performed on successions belonging to tectonic units derived from Betic-Maghrebian-southern Apennine “Flysch basin” domain. The stratigraphic records of the internal, external, and mixed successions deposited in lateral basins of different chains show very similar characters, especially regarding: (a) lithostratigraphy and ages; (b) kind and provenance of supplies (immature and supermature petrofacies from internal and external margins, respectively); (c) presence of “mixed successions” (composed of alternating internal and external petrofacies) attesting to clear palaeogeographic relationships between opposite depositional systems; and (d) timing of the deformation. In addition, specific lithofacies reveal correspondence with similar sedimentary events, such as: (1) very thick silicoclastic supply concentrated in restricted time ranges indicating the main deformational phases in the margin/basin systems; (2) levels rich in black-shales, glauconian, siliceous-producers, and volcaniclastic intercalations, widespread in the studied successions and linked to particular events at the Tethyan scale (anoxic periods, starvation-upwelling, acid-intermediate penecontemporaneous volcanic activity, respectively). Tectonic influence has also been recorded by means of unconformities and tectofacies (such as turbidites, slumps, or olisthostromes, etc.), being correlated with the main deformational phases. Similar stratigraphic and tectonic events have also been found in the Calvana unit of Val Marecchia nappe (Ligurides, northern Apennine). Correlations of stratigraphic and tectonic events support the proposal of an evolutionary geodynamic model involving the presence of a “Mesomediterranean microplate” in intermediate position during Africa-Europe convergence. The closure of central-western Tethys occasioned the Betic-Maghrebian-southern Apennine oceanic branch deformation and the birth of perimediterranean chains during middle-late Miocene.

(Table 4) Chemistry of iron-rich basalts from ODP Hole 106-648B

Analysis numbers 344-370, SAMF 12.5-12.7; 442-369, SAMF 12.7-12.9; 422-77, SAMF 12.9-13.1; 95-156, SAMF 13.1-13.3; 272-82, SAMF 13.3-13.5; 285-33, SAMF 13.5-13.7. Analyses are listed in depth order within each SAMF division.