Models and approaches for environmental education in Iowa, 1999

This guide provides a variety of tools that can help an educator, building staff or school district decide how to include environmental education in their curriculum.

Using spatially distributed parameters and multi-response objective functions to solve parameterization of complex applications of semi-distributed hydrological models

Application of semi-distributed hydrological models to large, heterogeneous watersheds deals with several problems. On one hand, the spatial and temporal variability in catchment features should be adequately represented in the model parameterization, while maintaining the model complexity in an acceptable level to take advantage of state-of-the-art calibration techniques. On the other hand, model complexity enhances uncertainty in adjusted model parameter values, therefore increasing uncertainty in the water routing across the watershed. This is critical for water quality applications, where not only streamflow, but also a reliable estimation of the surface versus subsurface contributions to the runoff is needed. In this study, we show how a regularized inversion procedure combined with a multiobjective function calibration strategy successfully solves the parameterization of a complex application of a water quality-oriented hydrological model. The final value of several optimized parameters showed significant and consistentdifferences across geological and landscape features. Although the number of optimized parameters was significantly increased by the spatial and temporal discretization of adjustable parameters, the uncertainty in water routing results remained at reasonable values. In addition, a stepwise numerical analysis showed that the effects on calibration performance due to inclusion of different data types in the objective function could be inextricably linked. Thus caution should be taken when adding or removing data from an aggregated objective function.

Advanced geostatistical and machine-learning models for spatial data analysis of radioactively contaminated regions

Radioactive soil-contamination mapping and risk assessment is a vital issue for decision makers. Traditional approaches for mapping the spatial concentration of radionuclides employ various regression-based models, which usually provide a single-value prediction realization accompanied (in some cases) by estimation error. Such approaches do not provide the capability for rigorous uncertainty quantification or probabilistic mapping. Machine learning is a recent and fast-developing approach based on learning patterns and information from data. Artificial neural networks for prediction mapping have been especially powerful in combination with spatial statistics. A data-driven approach provides the opportunity to integrate additional relevant information about spatial phenomena into a prediction model for more accurate spatial estimates and associated uncertainty. Machine-learning algorithms can also be used for a wider spectrum of problems than before: classification, probability density estimation, and so forth. Stochastic simulations are used to model spatial variability and uncertainty. Unlike regression models, they provide multiple realizations of a particular spatial pattern that allow uncertainty and risk quantification. This paper reviews the most recent methods of spatial data analysis, prediction, and risk mapping, based on machine learning and stochastic simulations in comparison with more traditional regression models. The radioactive fallout from the Chernobyl Nuclear Power Plant accident is used to illustrate the application of the models for prediction and classification problems. This fallout is a unique case study that provides the challenging task of analyzing huge amounts of data ('hard' direct measurements, as well as supplementary information and expert estimates) and solving particular decision-oriented problems.

Case studies and mathematical models of ecological speciation. 1. Cichlids in a crater lake.

A recent study of a pair of sympatric species of cichlids in Lake Apoyo in Nicaragua is viewed as providing probably one of the most convincing examples of sympatric speciation to date. Here, we describe and study a stochastic, individual-based, explicit genetic model tailored for this cichlid system. Our results show that relatively rapid (<20,000 generations) colonization of a new ecological niche and (sympatric or parapatric) speciation via local adaptation and divergence in habitat and mating preferences are theoretically plausible if: (i) the number of loci underlying the traits controlling local adaptation, and habitat and mating preferences is small; (ii) the strength of selection for local adaptation is intermediate; (iii) the carrying capacity of the population is intermediate; and (iv) the effects of the loci influencing nonrandom mating are strong. We discuss patterns and timescales of ecological speciation identified by our model, and we highlight important parameters and features that need to be studied empirically to provide information that can be used to improve the biological realism and power of mathematical models of ecological speciation.

Rockfall travel distance analysis by using empirical models (Solà d'Andorra la Vella, Central Pyrenees)

The prediction of rockfall travel distance below a rock cliff is an indispensable activity in rockfall susceptibility, hazard and risk assessment. Although the size of the detached rock mass may differ considerably at each specific rock cliff, small rockfall (<100 m3) is the most frequent process. Empirical models may provide us with suitable information for predicting the travel distance of small rockfalls over an extensive area at a medium scale (1:100 000¿1:25 000). "Solà d'Andorra la Vella" is a rocky slope located close to the town of Andorra la Vella, where the government has been documenting rockfalls since 1999. This documentation consists in mapping the release point and the individual fallen blocks immediately after the event. The documentation of historical rockfalls by morphological analysis, eye-witness accounts and historical images serve to increase available information. In total, data from twenty small rockfalls have been gathered which reveal an amount of a hundred individual fallen rock blocks. The data acquired has been used to check the reliability of the main empirical models widely adopted (reach and shadow angle models) and to analyse the influence of parameters which affecting the travel distance (rockfall size, height of fall along the rock cliff and volume of the individual fallen rock block). For predicting travel distances in maps with medium scales, a method has been proposed based on the "reach probability" concept. The accuracy of results has been tested from the line entailing the farthest fallen boulders which represents the maximum travel distance of past rockfalls. The paper concludes with a discussion of the application of both empirical models to other study areas.

Radiolarian biochronology and Pacific origin of Jurassic-Cretaceous oceanic terranes in Costa Rica and Puerto Rico

AbstractAs demonstrated during several recent geological conferences, there is still a large debate concerning the origins of the Mesozoic oceanic remnants on the Caribbean Plate. The geodynamic models describing the Mesozoic history of the Caribbean realm can be divided into two main categories based on the origin of the Caribbean Plate: 1) An in situ origin between the Americas; 2) A Pacific origin and an eastward transport relative to the Americas. The study of the ribbon-bedded radiolarite is a key in determining the origins of associated Mesozoic oceanic terranes and may help to achieve a general agreement regarding the basic principles on the evolution of the Caribbean Plate. The Early Jurassic to early Late Cretaceous Bermeja Complex of Puerto Rico, witch contains serpentinized peridotite, altered basalt, amphibolite, and chert (Mariquita Chert Formation), and the contemporaneous Santa Rosa Accretionary Complex, which crops out in several half-windows along the south shores of the Santa Elena Peninsula in northwestern Costa Rica, are two of these little-known and crucial ophiolitic mélanges. The Manzanillo and Matambú fore-arc Terranes of the Nicoya Peninsula in the northwestern Costa Rica, which contain Late Cretaceous to Early Paleogene radiolarian-bearing siliceous mudstones and cherts associated with arc-derived mafic to intermediate volcaniclastics, bring important information on the history of the western active margin of the Caribbean Plate. A systematic radiolarian study of these three regions is presented herein in three different articles.The radiolarian biochronology of the Mariquita Chert Formation of the Bermeja Complex presented in this work indicate an early Middle Jurassic to early Late Cretaceous (late Bajocian-early Callovian to middle Albian-middle Cenomanian) age for the Mariquita Chert Formation. The illustrated assemblages contain 150 species, of which 3 are new (Pantanellium karinae, Loopus bermejaense, and L. boricus), and belonging to 59 genera. A review of the previous radiolarian published works on this formation and the results of this study suggest that the Bermeja Complex ranges in age from Middle Jurassic to early Late Cretaceous (late Aalenian to middle Cenomanian) and also reveal a possible feature of the complex, which is the youngling of radiolarian cherts from north to south, evoking a polarity of accretion. On the basis of a currently exhaustive inventory of the ribbonbedded radiolaritic facies on the Caribbean Plate, a re-examination of the distribution of Middle Jurassic sediments associated with oceanic crust from the Caribbean realm, and a paleoceanographical argumentation on the water currents, we come to the conclusion that the radiolarite and associated Mesozoic oceanic terranes of the Caribbean Plate are of Pacific origin. The previous argument for a Pacific origin of the Bermeja Complex presented by Montgomery et al. (1994a), based on their radiolarian age and their estimation of the oldest Proto-Caribbean oceanic crust, is nowadays seriously questionable, owing to the recent progresses in radiolarian biostratigraphy and new discoveries on the age of the first oceanic crust spreading between the Americas. Furthermore, we interpret the radiolarian Parvicingulidae-rich assemblages in the low-latitude Caribbean context as potential indicators of upwelling or land nutrients inputs, instead of indicators of paleolatitudes,as firstly stated by Pessagno and Blome (1986). Eventually, a discussion on the origin of the cherts of the Mariquita Formation illustrated by Middle Jurassic to middle Cretaceous geodynamic models of the Pacific and Caribbean realms bring up the possibility that the rocks of the Bermeja Complex are remnants of two different oceans.The Santa Rosa Accretionary Complex contains various oceanic assemblages of alkaline basalt, radiolarite and polymictic breccias. The radiolarian biochronology (19 illustrated assemblages, 232 species belonging to 63 genera) presented in this work indicate an Early Jurassic to early Late Cretaceous (early Pliensbachian to earliest Turonian) age for the sediments associated with oceanic basalts or recovered from blocks in breccias or megabreccias from the Santa Rosa Accretionary Complex. This study brings to light the Early Jurassic age of a sequence of ribbon-bedded radiolarite, which was previously thought to be of Cretaceous age, intruded by alkaline basalts sills. The presence of Early Jurassic large reworked blocks of radiolarite in a polymictic megabreccia, firstly reported by De Wever et al. (1985) is confirmed. Therefore, the alkaline basalt associated with these radiolarites could be of Jurassic age. In the Carrizal tectonic window, Middle Jurassic radiolarian chert blocks and Early Cretaceous brick-red ribbon-bedded radiolarites overlying pillow basalts are interpreted as fragments of a Middle Jurassic oceanic basement accreted to an Early Cretaceous oceanic plate, in an intra-oceanic subduction context. Whereas, knobby radiolarites and black shale at Playa Carrizal are indicative of a shallower middle Cretaceous paleoenvironment. Other younger oceanic remnants documented the rapid approach of the site of sedimentation to a subduction trench during the late Early Cretaceous (AlbianCenomanian), maybe early Late Cretaceous (Turonian).In total, 60 species belonging to 34 genera were present in relatively well-preserved radiolarian faunas from volcaniclastics and associated pelagic and hemipelagic rocks of the Matambú and Manzanillo terranes, ranging in age from Late Cretaceous to Early Paleogene (middle Turonian-Santonian to late Thanetian-Ypresian). This study shows that radiolarians can provide significant biostratigraphic control in the Nicoya Peninsula where very similar lithologies of different ages are present. Two radiolarian samples directly date the Berrugate Formation for the first time (middle Turonian-Santonian and Coniacian-Santonian). These ages allow to determine a volcanic arc activity on the western edge of the future Caribbean Plate at least since the Santonian that could have lasted through the middle Turonian-early Campanian interval by stratigraphic superposition. Moreover on the basis of these radiolarian ages, the Loma Chumico Formation of Albian age, and the Berrugate Formation of middle Turonian-early Maastrichtian age, can now be clearly differentiated. Two samples from the Sabana Grande Formation give a Coniacian-Santonian age and a Coniacian-Campanian age and indicate that there is a stratigraphic gap of ~10 million years between this formation and the underlying Albian Loma Chumico Formation.RésuméComme cela a pu se vérifier à plusieurs reprises lors de conférences géologiques récentes, le débat sur l'origine des terrains océaniques mésozoïques de la Plaque Caraïbes est toujours d'actualité. Les modèles géodynamiques décrivant l'histoire de la région caraïbes peuvent être classés en deux catégories basées sur l'origine de la Plaque Caraïbes : 1) Une origine in situ entre les Amériques ; 2) Une origine Pacifique et un transport vers l'est, par rapport aux Amériques. L'étude des radiolarites rubanées est capitale pour la détermination de l'origine des terrains océaniques allochtones du Mésozoïque et peut être utile pour parvenir à un compromis général concernant les principes basiques de l'évolution de la Plaque Caraïbes. Le complexe de Bermeja à Porto Rico qui est constitué de péridotites serpentinisées, de basaltes altérés, d'amphibolites et de cherts (Formation des Cherts de Mariquita), et le Complexe d'Accrétion de Santa Rosa qui affleure dans plusieurs demi-fenêtres tectoniques au sud de la Péninsule de Santa Elena au nord-ouest du Costa Rica sont deux de ces mélanges ophiolitiques peu décrits et déterminants. Les terrains de fore-arc de Manzanillo et de Matambu dans la Péninsule de Nicoya au nord-ouest du Costa Rica qui sont composés de calcaires siliceux et de cherts riches en radiolaires associés à du matériel volcanique d'arc mafique à intermédiaire, apportent d'importantes informations sur l'histoire de la marge active occidentale de la Plaque Caraïbe. Une étude systématique des radiolaires de ces trois régions est présentée dans ce travail sous forme de trois articles.La biochronologie des radiolaires de la Formation des Cherts de Mariquita du Complexe d'Accrétion de Santa Rosa présentée dans ce travail indique un âge Jurassique Moyen inférieur à Crétacé Supérieur inférieur (Bajocien supérieur-Callovien inférieur à Albien moyen-Cénomanien moyen) pour la Formation des Cherts de Mariquita. Les assemblages illustrés contiennent 150 espèces, parmis lesquelles 3 sont nouvelles (Pantanellium karinae, Loopus bermejaense et L. boricus), et appartenant à 59 genres différents. Une révision des travaux publiés précédemment sur les radiolaires de cette formation, ainsi que les résultats de cette étude suggèrent que le Complexe de Bermeja a un âge allant du Jurassique moyen au Crétacé Supérieur inférieur (Aalénien supérieur à Cénomanien moyen) et révèle aussi une caractéristique éventuelle du complexe qui est le rajeunissement des radiolarites du nord au sud, évoquant une polarité d'accrétion. Sur la base d'un inventaire actuellement exhaustif du facies radiolaritique rubané sur la Plaque Caraïbes, d'un nouvel examen de la distribution globale des sédiments du Jurassique Moyen associés à de la croûte océanique et d'une argumentation paléocéanographique sur les courants, nous arrivons à la conclusion que les radiolarites et les unités tectoniques océaniques du Mésozoïque associées de la Plaque Caraïbes sont d'origine pacifique. L'argument antérieur pour une origine pacifique du Complexe de Bermeja présenté par Montgomery et al. (1994a), basé sur leur âge à radiolaire et leur estimation de l'âge de la plus vieille croûte océanique des Proto-Caraïbes, est sérieusement remis en question aujourd'hui, en raison des progrès récents de la biostratigraphie des radiolaires et des nouvelles découvertes concernant l'âge du début de l'océanisation entre les Amériques. En outre, dans le contexte de basses latitudes des Caraïbes, nous interprétons les assemblages à radiolaires riches en Parvicingulidae comme étant des indicateurs potentiels d'apports en nutriments des zones d'uppwelling ou des terres, plutôt que des indicateurs de paléolatitudes, comme exposer pour la première fois par Pessagno et Blome (1986). Finalement, une discussion sur l'origine des cherts de la Formation de Mariquita illustrée par des modèles géodynamiques du Jurassique Moyen au Crétacé moyen des régions pacifique et caraïbes, fait poindre la possibilité que les roches du Complexe de Bermeja proviennent de deux océans différents.Le Complexe d'Accrétion de Santa Rosa contient plusieurs assemblages océaniques différents de basaltes alcalins, radiolarites et brèches polymictes. La biochronologie des radiolaires (19 assemblages illustrés, 232 espèces appartenant à 63 genres) présentée dans ce second travail indique un âge Jurassique Inférieur à Crétacé Supérieur inférieur (Pliensbachien inférieur à Turonien initial) pour les sédiments associés aux basaltes océaniques ou provenant de blocs dans des brèches ou des mégabrèches du Complexe d'Accrétion de Santa Rosa. Cette étude met en évidence l'âge Jurassique Inférieur d'une séquence de radiolarites rubanées entrecoupée de sills de basaltes alcalins, dont l'âge estimé était précédemment le Crétacé.La présence de blocs plurimétriques de radiolarites d'âge Jurassique Inférieur remaniés dans une mégabrèche polymicte, dont la présence avait été signalée par De Wever et al. (1985), est confirmée. Par conséquent, les basaltes alcalins associés à ces radiolarites pourraient aussi être d'âge Jurassique. Dans la fenêtre tectonique de Carrizal, des blocs de radiolarites d'âge Jurassique Moyen et des radiolarites du Crétacé Inférieur recouvrant des basaltes en coussins sont interprétés comme des fragments d'une croûte océanique d'âge Jurassique Moyen accrétés à une plaque océanique d'âge Crétacé Inférieur, dans un contexte de subduction intra-océanique. Alors que dans la même zone, les radiolarites « noueuses » et les argiles noires associées sont interprétées comme des indicateurs d'un milieu peu profond au Crétacé. D'autres fragments océaniques plus jeunes documentent une approche rapide du lieu de sédimentation vers une fosse de subduction pendant le Crétacé Inférieur supérieur (Albien-Cénomanien), peut-être Crétacé Supérieur (Turonien).Au total, 60 espèces appartenant à 34 genres ont été déterminées à partir de faunes à radiolaires relativement bien préservées, extraites de roches volcanoclastiques et pélagiques à hémipélagiques associées, provenant des terrains de Matambu et Manzanillo et ayant des âges compris entre le Crétacé Supérieur et le Paléogène Inférieur (Turonien moyen-Santonien à Thanétien supérieur-Yprésien). Cette étude montre que les radiolaires peuvent fournir un contrôle stratigraphique significatif dans la Péninsule de Nicoya, où des lithologies similaires, mais d'âges différents sont présentes. Deux échantillons à radiolaires permettent de dater la Formation de Berrugate pour la première fois (Turonien moyen-Santonien et Coniacien-Santonien). Ces âges permettent d'établir une activité volcanique d'arc le long de la marge occidentale de la futur Plaque Caraïbes au moins depuis le Santonien et qui pourrait avoir durée jusqu'au Turonien moyen-Campanien inférieur. De plus, sur la base de ces âges à radiolaires, la Formation de Loma Chumico d'âge Albien, et la Formation de Berrugate d'âge Turonien moyen-Maastrichtien inférieur, peuvent maintenant être différenciées. Deux échantillons de la Formation de Sabana Grande donnent des âges Coniacien-Santonien et Coniacien-Campanien et indiquent qu'il existe une lacune stratigraphique d'environ 10 millions d'années entre cette formation et la Formation de Loma Chumico sous-jacente d'âge Albien.