Inversão gravimétrica rápida do relevo do embasamento aplicando o funcional da variação total

Apresentamos um novo método de inversão linear bidimensional de dados gravimétricos produzidos por bacias sedimentares com relevo do embasamento descontínuo. O método desenvolvido utiliza um modelo interpretativo formado por um conjunto de fitas horizontais bidimensionais justapostas cujas espessuras são os parâmetros a serem estimados. O contraste de densidade entre o embasamento e os sedimentos é presumido constante e conhecido. As estimativas das espessuras foram estabilizadas com o funcional da Variação Total (VT) que permite soluções apresentando descontinuidades locais no relevo do embasamento. As estimativas do relevo são obtidas através da resolução de um sistema de equações lineares, resolvido na norma L₁. Como métodos lineares subestimam as estimativas de profundidade do embasamento de bacias maiores que cerca de 500 m, amplificamos as estimativas de profundidade através da modificação da matriz associada ao modelo interpretativo de fitas. As estimativas obtidas através deste procedimento são em geral ligeiramente superestimadas. Desse modo, elas são corrigidas através de uma correção definida pela expressão da placa Bouguer. Testes em dados sintéticos e reais produziram resultados comparáveis aos produzidos pelo método não linear, mas exigiram menor tempo computacional. A razão R entre os tempos exigidos pelo método não linear e o método proposto cresce com o número de observações e parâmetros. Por exemplo, para 60 observações e 60 parâmetros, R é igual a 4, enquanto para 2500 observações e 2500 parâmetros R cresce para 16,8. O método proposto e o método de inversão não linear foram aplicados também em dados reais do Steptoe Valley, Nevada, Estados Unidos, e da ponte do POEMA, no Campus do Guamá em Belém, produzindo soluções similares às obtidas com o método não linear exigindo menor tempo computacional.

Inversão gravimétrica do relevo do embasamento usando regularização entrópica

Apresentamos um novo método de inversão gravimétrica para estimar o relevo descontínuo do embasamento de bacias sedimentares, cujos pacotes sedimentares podem ter contraste de densidade constante ou variando hiperbolicamente com a profundidade. O método combina a maximização da medida de entropia de ordem zero e a minimização da medida de entropia de primeira ordem do vetor de soluções (profundidades do embasamento). O modelointerpretativo consiste de um conjunto de primas retangulares verticais justapostos, com o contraste de densidade conhecido, cujas espessuras representam as profundidades do embasamento e são os parâmetros a serem determinados. A minimização da entropia de ordem um favorece soluções apresentando descontinuidades abruptas e a maximização da entropia de ordem zero é empregada apenas para evitar sua minimização excessiva. O método foi aplicado a dados sintéticos simulando: (i) bacias intracratônicas com o relevo do embasamento suave ou apresentando descontinuidades abruptas localizadas e (ii) bacias marginais falhadas. No caso de embasamento suave, a comparação dos resultados com aqueles obtidos através da suavidade global e da suavidade ponderada mostrou que ambos os métodos delinearam o embasamento. No caso de embasamentos falhados, seja em bacias intracratônicas ou marginais, as soluções obtidas com a regularização entrópica e a suavidade ponderada foram equivalentes, delineando o embasamento e as descontinuidades, o que não ocorreu com a suavidade global. A regularização entrópica, no entanto, não requereu informação a priori sobre a profundidade, diferentemente da suavidade ponderada. Tanto o método proposto como os métodos das suavidades global e ponderada foram aplicadas a quatro conjuntos de dados reais. O primeiro é proveniente da Ponte do Poema que está localizada no campus da Universidade Federal do Pará, Belém, Pará, permitiu certificar a aplicabilidade prática do método, uma vez que o relevo abaixo da ponte é acessível. O segundo, da porção norte do Steptoe Valley, Nevada, Estados Unidos. As soluções obtidas com a regularização entrópica e com a suavidade ponderada mostram um embasamento apresentando diversas descontinuidades verticais, o que não aconteceu com a suavidade global. O terceiro conjunto provém do graben de San Jacinto, situado na Califórnia, Estados Unidos, que levou a soluções em que o graben é assimétrico e apenas a suavidade ponderada apresentou solução com fundo achatado. O quarto conjunto de dados é oriundo do graben do Büyük Menderes, localizado na Turquia ocidental. As soluções do método proposto e da suavidade ponderada apresentaram grandes deslocamentos verticais, confirmados pela geologia, o que não aconteceu com a suavidade global.

Inversão gravimétrica do relevo de bacias extencionais através da variação total

Apresentamos um método de inversão de dados gravimétricos para a reconstrução do relevo descontínuo do embasamento de bacias sedimentares, nas quais o contraste de densidade entre o pacote sedimentar e o embasamento são conhecidos a priori podendo apresentar-se constante, ou decrescer monotonicamente com a profundidade. A solução é estabilizada usando o funcional variação total (VT), o qual não penaliza variações abruptas nas soluções. Comparamos o métodoproposto com os métodos da suavidade global (SG), suavidade ponderada (SP) e regularização entrópica (RE) usando dados sintéticos produzidos por bacias 2D e 3D apresentando relevos descontínuos do embasamento. As soluções obtidas com o método proposto foram melhores do que aquelas obtidas com a SG e similares às produzidas pela SP e RE. Por outro lado, diferentemente da SP, o método proposto não necessita do conhecimento a priori sobre a profundidade máxima do embasamento. Comparado com a RE, o método VT é operacionalmente mais simples e requer a especificação de apenas um parâmetro de regularização. Os métodos VT, SG e SP foram aplicados, também, às seguintes áreas: Ponte do Poema (UFPA), Steptoe Valley (Nevada, Estados Unidos), Graben de San Jacinto (Califórnia, Estados Unidos) e Büyük Menderes (Turquia). A maioria destas áreas são caracterizadas pela presença de falhas com alto ângulo. Em todos os casos, a VT produziu estimativas para a topografia do embasamento apresentando descontinuidades bruscas e com alto ângulo, em concordância com a configuração tectônica das áreas em questão.

Mapeamento do relevo do embasamento de bacias sedimentares através da inversão gravimétrica vinculada

Apresentamos três novos métodos estáveis de inversão gravimétrica para estimar o relevo de uma interface arbitrária separando dois meios. Para a garantia da estabilidade da solução, introduzimos informações a priori sobre a interface a ser mapeada, através da minimização de um (ou mais) funcional estabilizante. Portanto, estes três métodos se diferenciam pelos tipos de informação físico-geológica incorporados. No primeiro método, denominado suavidade global, as profundidades da interface são estimadas em pontos discretos, presumindo-se o conhecimento a priori sobre o contraste de densidade entre os meios. Para a estabilização do problema inverso introduzimos dois vínculos: (a) proximidade entre as profundidades estimadas e verdadeiras da interface em alguns pontos fornecidas por furos de sondagem; e (b) proximidade entre as profundidades estimadas em pontos adjacentes. A combinação destes dois vínculos impõe uma suavidade uniforme a toda interface estimada, minimizando, simultaneamente em alguns pontos, os desajustes entre as profundidades conhecidas pelas sondagens e as estimadas nos mesmos pontos. O segundo método, denominado suavidade ponderada, estima as profundidades da interface em pontos discretos, admitindo o conhecimento a priori do contraste de densidade. Neste método, incorpora-se a informação geológica que a interface é suave, exceto em regiões de descontinuidades produzidas por falhas, ou seja, a interface é predominantemente suave porém localmente descontínua. Para a incorporação desta informação, desenvolvemos um processo iterativo em que três tipos de vínculos são impostos aos parâmetros: (a) ponderação da proximidade entre as profundidades estimadas em pontos adjacentes; (b) limites inferior e superior para as profundidades; e (c) proximidade entre todas as profundidades estimadas e um valor numérico conhecido. Inicializando com a solução estimada pelo método da suavidade global, este segundo método, iterativamente, acentua as feições geométricas presentes na solução inicial; ou seja, regiões suaves da interface tendem a tornar-se mais suaves e regiões abruptas tendem a tornar-se mais abruptas. Para tanto, este método atribui diferentes pesos ao vínculo de proximidade entre as profundidades adjacentes. Estes pesos são automaticamente atualizados de modo a acentuar as descontinuidades sutilmente detectadas pela solução da suavidade global. Os vínculos (b) e (c) são usados para compensar a perda da estabilidade, devida à introdução de pesos próximos a zero em alguns dos vínculos de proximidade entre parâmetros adjacentes, e incorporar a informação a priori que a região mais profunda da interface apresenta-se plana e horizontal. O vínculo (b) impõe, de modo estrito, que qualquer profundidade estimada é não negativa e menor que o valor de máxima profundidade da interface conhecido a priori; o vínculo (c) impõe que todas as profundidades estimadas são próximas a um valor que deliberadamente viola a profundidade máxima da interface. O compromisso entre os vínculos conflitantes (b) e (c) resulta na tendenciosidade da solução final em acentuar descontinuidades verticais e apresentar uma estimativa suave e achatada da região mais profunda. O terceiro método, denominado mínimo momento de inércia, estima os contrastes de densidade de uma região da subsuperfície discretizada em volumes elementares prismáticos. Este método incorpora a informação geológica que a interface a ser mapeada delimita uma fonte anômala que apresenta dimensões horizontais maiores que sua maior dimensão vertical, com bordas mergulhando verticalmente ou em direção ao centro de massa e que toda a massa (ou deficiência de massa) anômala está concentrada, de modo compacto, em torno de um nível de referência. Conceitualmente, estas informações são introduzidas pela minimização do momento de inércia das fontes em relação ao nível de referência conhecido a priori. Esta minimização é efetuada em um subespaço de parâmetros consistindo de fontes compactas e apresentando bordas mergulhando verticalmente ou em direção ao centro de massa. Efetivamente, estas informações são introduzidas através de um processo iterativo inicializando com uma solução cujo momento de inércia é próximo a zero, acrescentando, em cada iteração, uma contribuição com mínimo momento de inércia em relação ao nível de referência, de modo que a nova estimativa obedeça a limites mínimo e máximo do contraste de densidade, e minimize, simultaneamente, os desajustes entre os dados gravimétricos observados e ajustados. Adicionalmente, o processo iterativo tende a "congelar" as estimativas em um dos limites (mínimo ou máximo). O resultado final é uma fonte anômala compactada em torno do nível de referência cuja distribuição de constraste de densidade tende ao limite superior (em valor absoluto) estabelecido a priori. Estes três métodos foram aplicados a dados sintéticos e reais produzidos pelo relevo do embasamento de bacias sedimentares. A suavidade global produziu uma boa reconstrução do arcabouço de bacias que violam a condição de suavidade, tanto em dados sintéticos como em dados da Bacia do Recôncavo. Este método, apresenta a menor resolução quando comparado com os outros dois métodos. A suavidade ponderada produziu uma melhoria na resolução de relevos de embasamentos que apresentam falhamentos com grandes rejeitos e altos ângulos de mergulho, indicando uma grande potencialidade na interpretação do arcabouço de bacias extensionais, como mostramos em testes com dados sintéticos e dados do Steptoe Valley, Nevada, EUA, e da Bacia do Recôncavo. No método do mínimo momento de inércia, tomou-se como nível de referência o nível médio do terreno. As aplicações a dados sintéticos e às anomalias Bouguer do Graben de San Jacinto, California, EUA, e da Bacia do Recôncavo mostraram que, em comparação com os métodos da suavidade global e ponderada, este método estima com excelente resolução falhamentos com pequenos rejeitos sem impor a restrição da interface apresentar poucas descontinuidades locais, como no método da suavidade ponderada.

Urban rural water exchange : PRW in the Lockyer Valley

A significant amount (ca. 15-25 GL/a) of PRW (Purified Recycled Water) from urban areas is foreseen as augmentation of the depleted groundwater resources of the Lockyer Valley (approx. 80 km west of Brisbane). Theresearch project uses field investigations, lab trials and modelling techniques to address the key challenges: (i) how to determine benefits of individual users from the augmentation of a natural common pool resource; (ii) how to minimise impacts of applying different quality water on the Lockyer soils, to creeks and on aquifier materials; (iii) how to minimuse mobilisation of salts in the unsaturated and saturated zones as a result of increased deep drainage; (iv) determination of potential for direct aquifer recharge using injection wells?

Understanding the Aquifier : 3D Visualisation and Groundwater Time-Series Animation in Lockyer Valley

The Lockyer Valley, southeast Queensland, hosts intensive irrigated agriculture using groundwater from over 5000 alluvial bores. A current project is considering introduction of PRW (purified recycled water) to augment groundwater supplies. To assess this, a valley-wide MODFLOW simulation model is being developed plus a new unsaturated zone flow model. To underpin these models and provide a realistic understanding of the aquifer framework a 3D visualisation model has been developed using Groundwater Visualisation System (GVS) software produced at QUT.

The hydrogeology, hydrology and hydrochemistry of the Condamine River Valley alluvium

The Cainozoic alluvium of the Condamine River valley is interpreted to consist of sediments deposited as floodplain and sheetwash deposits in bedrock valleys eroded into Mesozoic sedimentary rocks and tertiary volcanics. A maximum recorded sediment accumulation of 134 m is centred just south of Dalby. The lower section ofboth the flood plain and sheetwash alluvium is composed of variegated sandy and clayey sediments and the upper section of brown and grey sandy and clayey sediments.

Visualisation modelling in 3D of an alluvial aquifer system at a valley-wide scale to understand groundwater status : Lockyer, QLD

Visualisation provides a method to efficiently convey and understand the complex nature and processes of groundwater systems. This technique has been applied to the Lockyer Valley to aid in comprehending the current condition of the system. The Lockyer Valley in southeast Queensland hosts intensive irrigated agriculture sourcing groundwater from alluvial aquifers. The valley is around 3000 km2 in area and the alluvial deposits are typically 1-3 km wide and to 20-35 m deep in the main channels, reducing in size in subcatchments. The configuration of the alluvium is of a series of elongate “fingers”. In this roughly circular valley recharge to the alluvial aquifers is largely from seasonal storm events, on the surrounding ranges. The ranges are overlain by basaltic aquifers of Tertiary age, which overall are quite transmissive. Both runoff from these ranges and infiltration into the basalts provided ephemeral flow to the streams of the valley. Throughout the valley there are over 5,000 bores extracting alluvial groundwater, plus lesser numbers extracting from underlying sandstone bedrock. Although there are approximately 2500 monitoring bores, the only regularly monitored area is the formally declared management zone in the lower one third. This zone has a calibrated Modflow model (Durick and Bleakly, 2000); a broader valley Modflow model was developed in 2002 (KBR), but did not have extensive extraction data for detailed calibration. Another Modflow model focused on a central area river confluence (Wilson, 2005) with some local production data and pumping test results. A recent subcatchment simulation model incorporates a network of bores with short-period automated hydrographic measurements (Dvoracek and Cox, 2008). The above simulation models were all based on conceptual hydrogeological models of differing scale and detail.

A 3D visualisation model applied to a thick, multi-layered alluvial groundwater system under stress : Condamine Valley, QLD

The upper Condamine River in southern Queensland has formed extensive alluvial deposits which have been used for irrigation of cotton crops for over 40 years. Due to excessive use and long term drought conditions these groundwater resources are under substantial threat. This condition is now recognised by all stakeholders, and Qld Department of Environment and Resource Management (DERM) are currently undertaking a water planning process for the Central Condamine Alluvium with water users and other stakeholders. DERM aims to effectively demonstrate the character of the groundwater system and its current status, and notably the continued long-term drawdown of the watertable. It was agreed that 3D visualisation was an ideal tool to achieve this. The Groundwater Visualisation System (GVS) developed at QUT was utilised and the visualisation model developed in conjunction with DERM to achieve a planning-management tool for this particular application

Diversity of Cicadellidae in agricultural production areas in the Ovens Valley, Northeast Victoria, Australia

There is a paucity of data on the distribution of Cicadellidae (leafhoppers) in Australia. This study quantifies the relative abundance, seasonal activity and diversity of leafhoppers in the Ovens Valley region of north-east Victoria, Australia. Species diversity and abundance was assessed at four field sites in and around the field borders of commercially grown tobacco crops using three sampling techniques (pan trap, sticky trap and sweep net). Over 51 000 leafhopper samples were collected, with 57 species from 11 subfamilies and 19 tribes identified. Greater numbers and diversity of leafhoppers were collected in yellow pan traps. The predominant leafhopper collected was Orosius orientalis (Matsumura). Twenty-three leafhopper species were recorded for the first time in Victoria and eight economically important pest species were recorded. Seasonal activity of selected leafhopper species, covering two sampling seasons, is presented.

Use of 3D visualisation to enhance groundwater stable isotope data and its interpretation, Lockyer Valley, southeast Queensland

The use of stable isotope ratios δ18O and δ2H are well established in assessment of groundwater systems and their hydrology. The conventional approach is based on x/y plots and relation to various MWL’s, and plots of either ratio against parameters such as Clor EC. An extension of interpretation is the use of 2D maps and contour plots, and 2D hydrogeological vertical sections. An enhancement of presentation and interpretation is the production of “isoscapes”, usually as 2.5D surface projections. We have applied groundwater isotopic data to a 3D visualisation, using the alluvial aquifer system of the Lockyer Valley. The 3D framework is produced in GVS (Groundwater Visualisation System). This format enables enhanced presentation by displaying the spatial relationships and allowing interpolation between “data points” i.e. borehole screened zones where groundwater enters. The relative variations in the δ18O and δ2H values are similar in these ambient temperature systems. However, δ2H better reflects hydrological processes, whereas δ18O also reflects aquifer/groundwater exchange reactions. The 3D model has the advantage that it displays borehole relations to spatial features, enabling isotopic ratios and their values to be associated with, for example, bedrock groundwater mixing, interaction between aquifers, relation to stream recharge, and to near-surface and return irrigation water evaporation. Some specific features are also shown, such as zones of leakage of deeper groundwater (in this case with a GAB signature). Variations in source of recharging water at a catchment scale can be displayed. Interpolation between bores is not always possible depending on numbers and spacing, and by elongate configuration of the alluvium. In these cases, the visualisation uses discs around the screens that can be manually expanded to test extent or intersections. Separate displays are used for each of δ18O and δ2H and colour coding for isotope values.

Assessment of pre- and post-flood groundwater recharge via 3D visualisation, Lockyer Valley, southeast Queensland

The Lockyer Valley in southeast Queensland supports important and intensive irrigation which is dependant on the quality and availability of groundwater. Prolonged drought conditions from ~1997 resulted in a depletion of the alluvial aquifers, and concern for the long-term sustainability of this resource. By 2008, many areas of the valley were at < 20% of storage. Some relief occurred with rain events in early 2009, then in December 2010 - January 2011, most of southeast Queensland experienced unprecedented flooding. These storm-based events have caused a shift in research focus from investigations of drought conditions and mitigation to flood response analysis. For the alluvial aquifer system of the valley, a preliminary assessment of groundwater observation bore data, prior to and during the flood, indicates that there is a spatially variable aquifer response. While water levels in some bores screened in unconfined shallow aquifers have recovered by more than 10 m within a short period of time (months), others show only a small or moderate response. Measurements of pre- and post-flood groundwater levels and high-resolution time-series records from data loggers are considered within the framework of a 3D geological model of the Lockyer Valley using Groundwater Visualisation System(GVS). Groundwater level fluctuations covering both drought and flood periods are used to estimate groundwater recharge using the water table fluctuation method (WTF), supplemented by estimates derived using chloride mass balance. The presentation of hydraulic and recharge information in a 3D format has considerable advantages over the traditional 2D presentation of data. The 3D approach allows the distillation of multiple types of information(topography, geological, hydraulic and spatial) into one representation that provides valuable insights into the major controls of groundwater flow and recharge. The influence of aquifer lithology on the spatial variability of groundwater recharge is also demonstrated.