2013-11-27

How old is Earth Science?

Many geoscientists think of their field as not much older than Lyell or Hutton; as a science that bloomed sometime during the eighteenth century. Nevertheless, the term geology was first used by Ulisse Aldrovandi in 1603 (Vai and Cavazza, 2003) and introduced as a regular term by Horace de Saussure in 1779. The danish scholar Nicolas Steno (1638-1686) set the bases for stratigraphy: the law of superposition and the principle of original horizontality.

But the roots of the scientific interest for the history of the Earth are even deeper than that.

Ortelius' world map, inspiring his own anticipation of
continental drift
In 1596 Abraham Ortelius, a flemish geographer serving the Spanish crown, wrote: "America (...) was (...) torn away from Europe and Africa, by earthquakes and flood" "the vestiges of the rupture reveal themselves: if someone brings forward a map of the world and considers carefully the coasts of the three aforementioned parts of the earth, where they face each other". This quotation extraordinarily anticipated by more than three centuries the theory of continental drift, but it remained forgotten and was rediscovered only in 1994.
Ortelius' idea was in turn a direct result of the vast exploration discoveries that took place in the previous decades. In the words of Alvarez & Leitao (2012, Geology): "The Iberian Voyages of Discovery of the fifteenth and sixteenth centuries marked a major advance in the understanding of the Earth—the greatest advance since antiquity, and comparable in scope and importance with the Geological Revolution, the Darwinian Revolution, and the Plate Tectonic Revolution, and we encourage geologists and other Earth scientists to embrace the Voyages as part of our geological scientific heritage."
This Edmund Halley’s map of geomagnetic declination (~1700 
AD) came about two centuries later than similar studies by 
Portuguese explorers, who used these magnetic anomalies for the 
long-lived challenge of determining longitude during navigation.

The practical drive behind those first geoscientific questions? In the 16th century, "the Portuguese began to make systematic surveys of magnetic declination by comparing the direction of a compass needle with the line of shadow of the Sun at local noon". Magnetic declination could in this way be used to estimate the geographical longitude, a fundamental navigation problem at the time which final solution had to wait for the eighteenth century, when accurate chronometers were first developed. In fact, it turns out that the phenomenon was well known since centuries earlier, and by 1492, Columbus first described the agonal line in the Atlantic Ocean, where the compass points exactly to the geographic pole.

In 1736, a franco-spanish expedition is set to south America to determine the size and shape of the globe, whether it is flattened or elongated at its poles, a long standing scientific question at the time. The expedition included Charles de La Condamine, Jussieu, Pierre Bouguer, Jorge Juan & Antonio de Ulloa. Several books were published out of these expeditions that had great novelty and impact at the time. Juan & Ulloa's (Relacion historica del viage a la America Meridional hecho de orden de S. Mag. para medir algunos grados de meridiano terrestre y venir por ellos en conocimiento de la verdadera figura y magnitud de la tierra, con otras observaciones astronomicas y phisicas), was published 3 years after La Condamine's but showed far more detail, maps and illustrations.
Juan & Ulloa's cover, 1748


In summary, the systematic study of the Earth has a history behind as long as in any other scientific field. Quoting again A&L: geoscientists can "trace their intellectual ancestry back to the Copernican Revolution of the 16th and 17th centuries, just as astronomers and physicists do".

References:
  • Alvarez & Leitao, 2010, Geology, 38, 231–234, doi: 10.1130/G30602.1
  • Romm, James, Nature 367, 407-408, 1994, A new forerunner for continental drift. doi:10.1038/367407a0
  • G. B. Vai et W. Cavazza, ed, Four centuries of the word 'Geology', Ulisse Aldrovandi 1603 in Bologna, Minerva Edizioni, Bologna, 2003

2013-10-31

Geociencia, Wikipedia y Arte. La experiencia wikiArS

[Presentación del proyecto wikiArS: Barcelona, Miércoles 20 de Noviembre]

En una experiencia pionera, escuelas de arte, Wikimedia, e investigadores del CSIC y de la UB estamos colaborando desde hace dos años para contribuir contenidos gráficos para la obra de referencia más consultada: Wikipedia.

Escasez de contenidos científicos en Wikipedia

Wikipedia no sólo es la mayor enciclopedia y la mayor obra colaborativa que ha existido, sino que también es el único de los 10 sitios más visitados de internet que no tiene ánimo de lucro, ni publicidad, ni coste de acceso. Lo que comenzó en 2001 como uno de los primeros experimentos de la Web2.0 se ha convertido en la obra de referencia más completa y de mejor calidad (ref1, ref2) y en el principal canal de acceso al conocimiento, acercándolo a cualquier escuela u hogar con conexión a internet. Gracias a la libertad de copia de sus contenidos, han habido también muchas experiencias de reutilización de ese conocimiento, por ejemplo produciendo ediciones impresas de la enciclopedia para lugares del planeta donde el acceso a la red no es aún sencillo.
Para seguir siendo una obra de referencia gratuita y reutilizable, Wikipedia sólo puede incorporar texto y gráficos de dominio público o con licencias libres, que puedan ser reproducidos libremente para cualquier uso (comercial, obras derivadas mejoradas o adaptadas...). Por eso muchas entradas de temas científicos en Wikipedia carecen de imágenes adecuadas: porque la mayoría de las imágenes que aparecen en publicaciones científicas están sujetas a copyright y su inclusión en Wikipedia podría poner a la enciclopedia libre en dificultades legales. Hay otras razones para la falta de contenidos científicos, sobretodo en las versiones no inglesas, pero esa es otra historia.
El propósito de la presente colaboración es llenar este vacío de contenidos construyendo un puente entre Wikipedia, la academia científica, y las escuelas de ilustración. La iniciativa se llama wikiArS.

wikiArS

wikiArS está coordinado desde Wikimedia por David Gómez. Un grupo de estudiantes de varias escuelas de arte y publicidad (Llotja de Barcelona, edRa de Rubí, Serra i Abella de l'Hospitalet y la escuela de arte de Manresa y de la Universidad de Cádiz) hace sus prácticas profesionales con encargos para ilustrar artículos de Wikipedia que no tienen imágenes. En el caso de ilustraciones didácticas de temas técnicos es necesario un asesoramiento científico, y éste comenzó de forma experimental desde las Ciencias de la Tierra. Como frutos de la colaboración hay que destacar las ilustraciones y videos sobre la crisis salina del Messiniense y sobre los megacristales de las cuevas de Naica. Pero wikiArS aspira a sentar precedente e involucrar otras disciplinas científicas como la arqueología, la historia o la biología y otras escuelas de arte y diseño se están incorporando a la iniciativa. Ya han sido ilustrados decenas de artículos gracias a unas 120 ilustraciones producidas en este proyecto. 

Ilustración fruto de wikiArS explicando el cierre del último canal de conexión entre el Mediterráneo y el Atlántico, que condujo a la desecación parcial del primero durante la Crisis Salina Mesiniense hace 5,96 millones de años. La viñeta recrea el tránsito de mamíferos, como camélidos y gerbillos, a través del estrecho de Gibraltar. Autor: Pau Bahí con asesoramiento de Garcia-Castellanos, licencia CC-SA. 


Los cristales de yeso la cueva de Naica (México) son los más grandes que se conocen (la persona en la parte inferior derecha da idea de la escala). Autor: Van Driessche. Licencia: CC-BY 3.0. 


Ilustración de wikiArS mostrando la zona y los procesos en la mina de Naica (México) en la que se formaron los cristales. Autor: Albert Vila i Andreu Módenes, con asesoramiento de Angels Canals. Licencia: CC-BY 3.0.

La labor del asesor científico (que no necesariamente tiene que ser un investigador senior) es orientar al ilustrador. La secuencia de cada encargo suele ser:
1. El asesor científico o cualquiera de los otros participantes identifican un artículo de Wikipedia que necesite una ilustración. El artículo es sobre un tema que el asesor conoce profesionalmente. No importa el idioma del artículo seleccionado pues el proyecto wikiArS y las ilustraciones que resulten son translingüísticos.
2. El asesor especifica los contenidos generales de la ilustración mediante un formulario online.
3. El coordinador de wikiArS y u otros wikipedistas involucrados como tutores, en contacto con las escuelas, encuentran los estudiantes de artes en prácticas que escojan el encargo y lo lleven a cabo.
4. El estudiante ilustrador realiza el trabajo con la supervisión de su profesor.
5. El asesor supervisa la parte científica del trabajo y da el visto-bueno para su publicación.
6. Una vez lista, se sube la ilustración al repositorio de commons, que generalmente acaba en el artículo de Wikipedia correspondiente, en función de su calidad y del consenso que alcancen los wikipedistas.

Más detalles sobre cómo funciona WikiArS.
El próximo miércoles 20 de noviembre (2013) presentaremos resultados de esta iniciativa en el salón de actos del ICTJA-CSIC, Barcelona.

Para el asesor, el proyecto es una oportunidad de producir material didáctico sobre su tema de estudio, facilitando su alcance social y la difusión (outreach). Para el estudiante de arte, es una oportunidad de realizar sus prácticas en un contexto aplicado, público y con mucha visibilidad, al tiempo que contribuyen a un bien público que se está construyendo colaborativamente y que es útil a mucha gente.

Ver todas las ilustraciones del proyecto en https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Contributions_from_art_and_design_schools

Imágenes libres

Las imágenes suelen utilizar una licencia libre Creative Commons Reconocimiento Compartir Igual 3.0. En caso de utilizarlas es necesario citar en el pie el nombre del autor y la licencia.

Al publicar sus obras en el fondo Wikimedia Commons los estudiantes las están poniendo a disposición de Wikipedia y también de toda la sociedad. Los estudiantes escogen con qué licencia, entre las que admite este fondo, quieren publicar su trabajo. Cada imagen tiene su página informativa donde consta el autor, la licencia de publicación, una descripción escrita, una nota indicando que se ha publicado a través de una colaboración wikiArS.

Wikimedia Commons sólo admite archivos con licencias libres que permitan la reproducción y la creación de obras derivadas para cualquier uso, incluido el comercial, siempre que se cite el autor y la licencia. La mayoría de estudiantes han optado por la licencia recomendada, la Creative Commons Reconocimiento Compartir Igual, que es una licencia copyleft. Esto significa que, en caso de crear obras derivadas, éstas deberán seguir siendo libres, utilizando la misma licencia.

Enlaces de interés:

http://en.wikipedia.org/wiki/Reliability_of_Wikipedia
http://thecollegevoice.org/2011/11/14/our-love-affair-with-wikipedia/
http://chronicle.com/article/The-Undue-Weight-of-Truth-on/130704/


Entidades colaboradoras
Escuela Superior de Arte y Diseño Llotja (Barcelona)
www.llotja.cat
Es la escuela de arte más veterana de España, fundada en 1775. Actualmente es un centro público dependiente del Consorcio de Educación de Barcelona que ofrece estudios de grado universitario y ciclos formativos de grado medio o superior en el campo del arte y el diseño, además de monográficos especializados. El de Ilustración es un Ciclo Formativo de Grado Superior al que los estudiantes acceden con un nivel de bachillerato y que deben completar haciendo un periodo de prácticas profesionales. 


Escuela de Arte y Diseño edRa (Rubí)
http://artedra.net/
Es una escuela de titularidad municipal creada en 1937 que actualmente ofrece ciclos formativos de grado medio y superior en el campo del arte y el diseño. El de Arte Final es un Ciclo Formativo de Grado Medio que finaliza con la realización de un Proyecto Final.

Otras escuelas y centros educativos involucrados (incluídas Escuelas "Art del Treball" de Barcelona y "Pau Gargallo" de Badalona):
https://outreach.wikimedia.org/wiki/WikiArS/Schools

Amical Wikimedia
www.wikimedia.cat
Es una asociación sin ánimo de lucro formada por gente que apoya a la Wikimedia Fundation con proyectos de la WF con el objetivo de que el conocimiento humano esté disponible en catalán. 

Wikimedia España
http://www.wikimedia.org.es/
Esta asociación la formamos para dar apoyo a los objetivos de Wikimedia desde España, por ejemplo negociando la liberación de derechos de autor de obras producidas por entidades públicas o con dinero público.  

CSIC y Universidad de Barcelona
http://www.ictja.csic.es/
Las primeras colaboraciones de investigadores vinieron del ámbito de la geociencia. En concreto de nuestro Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera (Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Barcelona) y posteriormente de la facultad de Geología de la UB.


Enlace: Página sobre el proyecto en la wiki de Wikimedia Outreach:

2013-09-19

Megainundaciones por desbordamiento de lagos

Las inundaciones desencadenadas por el desbordamiento de grandes lagos han sido mayores en el pasado geológico que las inundaciones de origen meteorológico que conocemos históricamente. El fenómeno geológico es el mismo que el que tiene lugar cada vez que un corrimiento de tierras o una avalancha de roca bloquea el valle de un río de montaña, creando un nuevo lago: A veces la barrera colapsa por la presión del agua antes de que el lago rebose, de forma parecida a las inundaciones producidas por el colapso de lenguas glaciares que bloquean el cauce de un río. Pero aún cuando el lago rebose, aunque inicialmente lo haga con poca descarga de agua, existe el riesgo de que lo haga de forma abrupta, con caudales enormes que pueden causar importantes pérdidas humanas y económicas río abajo. Esto es debido a la erosión que realiza el agua en el canal de salida, que se retroalimenta con el flujo de agua que permite evacuar.
Esquema de la retroalimentación entre flujo de agua y erosión del desaguadero de un lago de montaña.
Los datos acumulados sobre el flujo de agua que se alcanza en estos desbordamientos y sus efectos geomorfológicos están sirviendo para estimar empíricamente el riesgo en escenarios naturales. Los resultados son bastante intuitivos: indican que cuanto mayor es el tamaño del lago y mayor la erodabilidad (debilidad) de la barrera, más intenso será el pico de descarga de agua tras el desbordamiento. Pero la predictibilidad que proporcionan estos resultados es muy limitada porque las heterogeneidades de la barrera pueden ser tan determinantes como los factores anteriores. Una sola roca de gran tamaño puede retrasar la erosión del desaguadero y evitar la inundación.  
Este sigue siendo el video que mejor muestra la fuerza a la que puede conducir un desbordamiento (en este caso el mar desborda sobre una mina a cielo abierto). Se trata de la Pantai Remis landslide, que ocurrió en Malasia en 1993.

Pero podría haber otra manera de aprovechar esos datos: modelar numéricamente este tipo de escenarios sí podría servir para estimar la importancia de este tipo de desbordamientos en la evolución del relieve a escalas de tiempo geológico. Varios estudios recientes (e.g., Egholm et al., 2013, Nature) muestran la importancia de la retención de sedimento en los valles fluviales en determinar la evolución del relieve continental. Un modelo cuantitativo del desbordamiento de grandes lagos que permita reproducir los datos de descarga de agua implicada en estas inundaciones podría, en particular, dar luz sobre cuánto vale y de qué depende la propia erodabilidad de las presas naturales, dejando aparte las heterogeneidades, para luego entender mejor la evolución del relieve terrestre: los desbordamientos catastróficos son poco frecuentes en comparación con la erosión gradual del relieve, pero podrían ser relevantes debido a su enorme intensidad. Para ello se podrían integrar modelos numéricos existentes de erosión en ríos de montaña (modelos de evolución del relieve desarrollados por la comunidad geomorfológica y geofísica) con modelos del flujo de agua durante el desbordamiento de lagos (desarrollados principalmente por la comunidad hidrológica).
Time lapse del desbordamiento de una presa de tierra 
en Oregón (Marmot Dam, Sandy River, Oregon)

Pero veamos algunos precedentes a estos estudios: Desde las exploraciones de Gilbert en el Lago Bonneville (Gilbert, 1890), se han acumulado numerosas evidencias de que el desbordamiento de lagos puede desencadenar inundaciones de mayor intensidad que las registradas históricamente. Si los desbordamientos documentados históricamente alcanzan los 105 m3/s (la mitad del débito medio actual del río Amazonas, esto ocurrió p.e. tras el bloqueo del río Yigong por una avalancha en 2000), hay numerosos escenarios geológicos que presentan evidencias de débitos de agua mucho mayores. Los mejor documentados son las inundaciones del Lago Missoula (O'Connor & Baker, 1992) y el río Ob en las Cordillera de Altai (Herget, 2005), pero estos casos consisten en roturas de presas de hielo formadas por lenguas glaciares de edad Pleistocena, y por tanto no están relacionados con la resistencia de la roca. En cambio, el desbordamiento del Lago Bonneville (Jarrett & Malde, 1987) tuvo lugar al sobrepasar su nivel la barrera topográfica formada por un delta fluvial (detritos poco consolidados) a unos 1500 m sobre el nivel del mar. Finalmente, la mayor inundación que se ha documentado es la Inundación Zancleense, que puso fin a la Crisis de Salinidad Messiniense hace 5.33 millones de años (e.g., Blanc, 2006; Garcia-Castellanos et al., 2009), tras el desbordamiento del Océano Atlántico sobre un Mediterráneo parcialmente desecado (el consenso en este caso no es completo). La compilación más completa de este tipo de eventos puede encontrarse en O'Connor & Beebee (2009).

Gracias a estos estudios y a experimentos realizados con barreras de tierra o arena, junto con los escenarios naturales pleistocenos (O'Connor & Beebee, 2009), disponemos de datos sobre la descarga de agua que se extienden a lo largo de 10 órdenes de magnitud en términos de volumen de agua total evacuada. La figura 1 muestra los escenarios naturales mejor estudiados (los de volúmenes más importantes).

Datos sobre inundaciones debidas a roturas de presas naturales, compilados por O’Connor & Beebee (2010). Descarga máxima de agua frente al volumen total de agua. Los datos se extienden a 10 órdenes de magnitud en términos de volumen. Sólo se incluyen las presas naturales que cedieron por rebose (y no por infiltración o colapso).



Estos datos han servido para estimar empíricamente el riesgo en escenarios naturales. Se aplica habitualmente en el desalojo de valles fluviales cuando un río ha sido bloqueado por una avalancha de roca, como ocurrió en el río Hunza (sin consecuencias) o como en el desbordamiento e inundación en 1963 del Lago Issyk (Gerasimov, 1963) o el actual Lago Sarez (localización en este enlace), que presenta todavía riesgo de un desbordamiento catastrófico.

Por último, como curiosidad, el proceso de desbordamiento de lagos ha sido propuesto también como origen de la morfología de algunos de los mayores canales erosivos de la superficie de Marte (ver el libro ‘Megaflooding on Earth and Mars’, por Burr et al., 2009).


Referencias:
Burr, D.M., Baker, V.R., Carling, P.A. (Eds), 2009. Megaflooding on Earth and Mars. Cambridge University Press. 319 pp.
Garcia-Castellanos, D., 2006. Long-term evolution of tectonic lakes: Climatic controls on the development of internally drained basins. In: Tectonics, Climate, and Landscape evolution. Eds.: S.D. Willett, N. Hovius, M.T. Brandon & D.M. Fisher. GSA Special Paper 398. 283-294. doi: 10.1130/2006.2398(17).
Garcia-Castellanos, D., F. Estrada, I. Jiménez-Munt, C. Gorini, M. Fernàndez, J. Vergés, R. De Vicente, 2009. Catastrophic flood of the Mediterranean after the Messinian Crisis. Nature, 462, 778-781. doi:10.1038/nature08555
Gerasimov, V.A. (1965). Issykskaia katastrofa 1963 g. i otrazhenie ee in geomorfoogii doliny r. Issyk. [The Issyk catastrophe in 1963 and its effect on geomorphology of the 166 Jim E. O’Connor and Robin A. Beebee Issyk River valley.] Akademiia Nauk SSSR, Izvestiia Vsesoiuznogo, Geograficheskogo Obshchestva, 97–6, 541–547. (En ruso, disponemos de traducción).
Gilbert, Grove Karl, 1890. Lake Bonneville. 438 p., 51 leaves of plates. Monographs of the United States Geological Survey, v. 1.
O’Connor, J.E. & Beebee, R.A., 2009, Floods from natural rock-material dams, in Burr, D., Carling, P., and Baker, V. editors, Megafloods on Earth and Mars: Cambridge University Press.
O’Connor, J.E., 1993, Hydrology, Hydraulics, and Geomorphology of the Bonneville Flood: Geological Society of America Special Paper 274, 83 p.
O’Connor, J.E., & Baker, V.R., 1992, Magnitudes and implications of peak discharges from Glacial Lake Missoula: Geological Society of America Bulletin, v. 104, p. 267–279, doi:10.1130/0016-7606(1992)104<0267:maiopd>2.3.CO;2.
Walder, J.S. & O’Connor, J.E., 1997: Methods for predicting peak discharge of floods caused by failure of natural and constructed earthen dams. Water Resources Research 33: 2337–2348.

2013-07-13

Descent to the Thrihnukagigur volcanic conduit, Iceland

[location map]
A few days ago I joined a descent to the Þríhnúkagígur volcanic conduit in Iceland. It consists of a 150-meter vertical descent along a volcanic pipe. This lava conduit was abruptly emptied of lava during the last eruption in the area, about 4500 years ago. The reason for the emptying may have been that the magma chamber found an easier (lower?) exit to the surface. Thanks to that you can actually walk down there today and see exciting things. Some of them I suspect are the erosive marks left by outflowing rocks. There are also solidified droplets of magma falling along the walls of the crater as this became empty. More interestingly, you can see that the pipe is elongated and at its two extremes there is a near-vertical fault. The magma may have taken advantage of this fault when searching its way to the surface. There is some limited scientific literature that i did not yet check, so take this critically since i am not a volcanologist.
Here are some videos of the event:


Unsurprisingly but nicely, the fault is oriented in NE-SW direction, as usual for the SW Icelandic portion of the Mid-Atlantic ridge. Part of the 2 cm/year of the spreading between Eurasia and North America is sometimes taking place here.

One of the cracks along the North-Atlantic ridge, a few hundred
meters from the crater.
Eurasia to your left, N.America to the right.

Looking upwards towards the entrance to the cave. Note the elongated shape
of the pipe when looking upward toward the surface.
I guess this reflects the fault plane along which the pipe formed. 
The fault in one of the edges of the conduit. Its continuation could be followed behind the camera. 
All together the descent is a very recommendable experience if you are a geoscientist, if you love volcanos, or if you are just rich. It's organised by the consortium Inside the Volcano.

More pictures of the trip here.

2013-04-27

Humans, Lakes, and Plate Tectonics in the Amazon Basin

ResearchBlogging.orgTectonics and surface processes have historically interfered with landscape and therefore with human societies. Earthquakes and floods are the most dramatic phenomenons in this respect, but there might be more subtile ways for the Solid Earth to shape our life style.
According to genetical and linguistic studies, the first humans arrived to the Americas in several migrations, starting ~15000 yr ago, around the end of the last glaciation. This age seems confirmed by datations of human coprolites from caves in Oregon (see Paisley Caves, at Lake Chewacan, original Science paper by Gilbert et al., 2008, here).

But when did these first migrants reach South America is as poorly constrained as controversial. In fact, it is now questioned that South America was populated from the north. Direct migrations from Asia across the Pacific may have occurred repeatedly during the Holocene. Equally debated are the causal relationship between three ubiquitous processes in the continent: the onset of a warmer climate since 10-15 kyr BP (Fig. 1), the massive extinction of most of the largest fauna of the continent, and the expansion of humans.

Fig. 1. Three proxies for surface temperature of the Earth, as a function of time (years BP). Young Dryas cold period is visible around 11kyr BP. Source: William M. Connolley in Commons
The puzzle becomes even more complicated because the Amazon basin is one of the most active sedimentary basins of the Cenozoic (last 65 million years), presently accumulating tens of centimeters of sediment every year, fed from the erosion of the second largest tectonic building in the world: the Andes. Needless to say, this long-term tectonic drive is also very sensitive to climate changes, in ways that are no yet well understood.

A candidate region to study the interactions between tectonics, climate and environment during the arrival of the hominids to South America is the Beni Basin. The mechanics of paleoenvironment must be well understood first, though. The Llanos de Moxos (LM) is the seasonally flooded savannah at the south-western Amazonia. This region is very sensitive to changes in hydrology and climate because of its extremely low topographic gradients and small changes in precipitation patterns can result in large shifts of the forest-savannah ecotone (Hamilton et al., 2004; Mayle et al., 2007).
The Llanos de Moxos (LM) is likely the region in Amazonia that was most intensely modified by pre-Columbians during the late Holocene (Erickson, 2008), but recently discovered earlier archaic archaeological sites suggests that hunter-gatherers inhabited the LM already since the early Holocene (Lombardo, 2012). From preliminary data, it seems that these early societies disappeared and the area was re-occupied by the so-called "earth movers" (Mann, 2000, 2008) only after a 2,000 year hiatus in the archaeological record. Some of the early Holocene archaeological sites were buried by sediments deposited when rivers entered a phase of high rate of avulsions (Lombardo et al., 2012). These shifts suggest that one or more major environmental changes happened in the LM during the Holocene causing the abandonment and burial of the early sites.
Fig. 2. Topographic map from Aalto et al., 2003. The Beni and Mamore river flood plains within the Llanos, northern Bolivia. The two rivers are the principal sediment and water sources for the Madeira River, the
largest sediment source for the Amazon
Little is known about the causes and the timing of these Mid-Holocene environmental changes of the LM landscape. Climate change is the usual suspect, as suggested by the coeval deposition of a sedimentary lobe of the Río Grande that buried some of the early sites (Lombardo et al., 2012) and the shift toward wetter conditions inferred from paleo-ecological archives (Baker et al., 2001; Mayle et al., 2000). However, current models of the long-term evolution of foreland basins consider the topography and drainage of these systems as mainly controlled by vertical surface motions related to 1) the rates of sediment supply and accumulation; 2) the long-term, long-wavelength isostatic subsidence of the Amazon foreland basin in response to the progradation of the Andean thrust belt and the increasing sediment weight (DeCelles & Giles, 1996; Garcia-Castellanos & Cloetingh, 2012); and 3) the tectonic uplift of a flexural forebulge in the external parts of the basin (Figs. 3 to 5), related to the same processes.
Fig. 3. Cartoon showing the standard partition of foreland basins and the main
processes involved in their evolution. From a hydrological point of view, the Amazon foreland
basin is an overflowed basin where sediment has overfilled the foredeep and the drainage is
carrying sediment beyond the forebulge uplift. After Garcia-Castellanos & Cloetingh (2012).
If tectonics have been the drive for the geological evolution of the Amazon foreland basin, it is reasonable to surmise that the neotectonic motions are still shaping the recent drainage history of the LM (see refs. by Dumont). But what are these motions? The green cover of the area difficults a direct assessment of what's going on in terms of neotectonics in the basin. What should we expect from the accumulated knowledge about the long-term history of foreland basin systems? (e.g. Garcia-Castellanos & Cloetingh, 2011; Fig. 3).

Fig. 4. After Roddaz, Baby, Herail et al., 2005, EPSL. Proposed model for the evolution of the Iquitos forebulge and the backbulge based on sediment provenance.

Fig. 5. After Roddaz, Baby, Herail et al., 2005 - Tentative Map for the Amazonian forebulge and backbulge associated to the weight of the Andes. 

T he geological history of Amazonia has been shaped by the uplift of the Andes during the Tertiary. Most of the area consists of a Tertiary sedimentary infill that accumulated in the trough resulting from the weight of the Andes, as its tectonic napes staked on top of the southamerican plate. When the Andes reached a significant elevation, they caused the onset of orographic precipitation, concentrating most rainfall along the eastern flank of the Andes. This resulted in higher erosion rates that changed the sedimentation regime in the Andean foreland and in Amazonia. The thickness of the deposited sediments reached more than 1000 meters. It is not clear if this happened between 23 and 10 Ma, due to the mechanism described above (Hoorn et al. 2010); or between 9 and 4.5 Ma, due to a reduction in the subduction angle of the Nazca plate in the Central Andes that shifted the sedimentation area eastward (Latrubesse et al. 2010). Nowadays these sediments constitute what is known as the Pebas  formation, which outcrops in several areas of Peru and Brazil. What did Amazonia look like during this period? The most accepted hypothesis suggests that a huge lake and wetland system formed in the foreland basin: the so-called Lake Pebas, presumably connected with the Caribbean Sea. The instability of this connection would contribute to explain the high diversity of fresh water fish with marine ancestors that now live in the Amazon river system (Hubert & Renno, 2006). For more info on this see How lake-like was Lake Pebas?

In this tectonic context, let's move back to the human colonization of the region:
In the Llanos de Moxos savannah, between 400 and 1400 AD, pre-Columbians built hundreds of monumental earth mounds, known locally as “lomas”. These earth mounds are planned, complex buildings made by one or more pyramids built on top of elevated platforms (Fig. 6). Monumental mounds can be up to 20 meters high and can cover up to 30 hectares. There are more than 350 of these pre-Columbian buildings in this area (see A story of people and rivers in the Amazon 5000 years ago, original paper here):

Figure 6. From this The Holocene paper.

Earlier than that, during the early Holocene (between 11,000 and 5,000 years ago) this portion of Amazonia was relatively dryer than today, inundations were less frequent and rivers transported few sediments. During these stable climatic conditions there was no deposition of fluvial sediments in the savannahs and soils were forming all over the Llanos de Moxos. But things changed during the Mid-Holocene, between 5 and 4 ky BP. The Rio Grande entered in a period of frequent avulsions and high sedimentation, probably triggered by wetter conditions. As a result, in the South-eastern LM, a ­fluvial distributary system formed. Suddenly, the landscape was transformed into a large swamp, dominated by something similar to an interior delta or a sedimentary lobe. The former soils were buried and the landscape became a mosaic of patches of savannahs closely interwoven and sometimes enclosed by forested paleo-levees.

Fig. 7. Google map of the Llanos de Moxos area.

Only by then, in the Late Holocene, did the pre-Columbians begun transforming the landscape. The lobe deposition favored the development of a complex pre-Columbian society by increasing the region’s agricultural potential. Firstly, it created a convex-up topography, which greatly reduced its susceptibility to ­flooding; secondly, the construction of the elevated ­fluvial levees significantly improved drainage conditions at the local scale. Furthermore, the Río Grande also provided relatively younger sediments derived from its Andean catchment that are rich in nutrients. Thus, the Río Grande removed the two biggest obstacles faced by tropical agriculture in the rest of Amazonia: severe waterlogging and poor soils. But the Río Grande’s job was not perfect: fl­uvial levees enclosed patches of ­floodplain, resulting in ponding and pronounced waterlogging. Thus pre-Columbian people had to transform the landscape through the construction of a drainage system in order to further improve agricultural conditions (Fig. 6).

The network of canals had a significant impact on the local edaphology: it pushed the forest-savannah boundary towards the savannah, eventually increasing the area of well-drained, usable land. The new inhabitants were lucky because they had several lakes placed on the top of the sedimentary lobe. Building canals that transported the water from the lakes to the agricultural fields they were able to perform agriculture even during the dry season.

These interpretations disregard the tectonic origin of the basin and its long-term control on environment commented above (see also refs. by Dumont). The ­fluvial landscape created by Río Grande was probably an important factor behind the emergence of the monumental mounds culture in the South-eastern LM, as it provided favorable soils, nutrients and drainage characteristics. Pre-Columbians additionally domesticated that environment by building a network of drainage canals. But what has been the role of the tectonic deformation during these events is yet an open question calling for answers, yet another reto terrícola

References:

  • Aalto, R., Maurice-Bourgoin, L., Dunne, T., Montgomery, D.R., Nittrouer, C.A., Guyot, J.-L., 2003. Episodic sediment accumulation on Amazonian flood plains influenced by El Niño/Southern Oscillation. Nature, 425(6957), 493-497.
  • DeCelles, P.G., and Giles, K.A. (1996) Foreland basin systems. Basin Research, 8, 105–123.
  • Dumont, 1996 - Tectonophysics.     Dumont, Fournier - 1994 - Quaternary International.
  • Garcia-Castellanos, D. & S. Cloetingh, 2011. Modeling the interaction between lithospheric and surface processes in foreland basins. In: Tectonics of Sedimentary Basins: Recent Advances, C. Busby & A. Azor (eds.). Blackwell Pub. Ltd., 152-181, doi:10.1002/9781444347166.ch8 [pdf]
  • Lombardo, U., & Prümers, H. (2010). Pre-Columbian human occupation patterns in the eastern plains of the Llanos de Moxos, Bolivian Amazonia Journal of Archaeological Science, 37 (8), 1875-1885 DOI: 10.1016/j.jas.2010.02.011
  • Lombardo, Jan-Hendrik May, & Heinz Veit (2012). Mid- to late-Holocene fluvial activity behind pre-Columbian social complexity in the southwestern Amazon basin The Holocene
Lombardo, U., May, J., & Veit, H. (2012). Mid- to late-Holocene fluvial activity behind pre-Columbian social complexity in the southwestern Amazon basin The Holocene, 22 (9), 1035-1045 DOI: 10.1177/0959683612437872

2013-01-07

Preguntas abiertas en la geociencia - borrador

ResearchBlogging.org
[Esta lista responde a una curiosidad personal sobre las preguntas científicas que mantienen ocupados a quienes investigan sobre la Tierra, principalmente en disciplinas relacionadas con la tierra sólida. Un borrador inicial lo esbocé a partir de estudios anteriores (por ejemplo, el del 125 anniversario de Science. o el informe de la NAS Origen y evolución de la Tierra [pdf] [html], o este otro informe de la NAS sobre procesos de superficie), y finalmente con más ideas que surgieron a través de Twitter, discusiones, y de esta entrada del blog anterior. La selección es por tanto arbitraria y las referencias no siempre son las más adecuadas. Cualquier sugerencia serán tenida en cuenta para la versión final. Si crees que tu campo es muy excitante pero está poco o mal representado, por favor, deja un comentario o contacta a través de Twitter con @danigeos]

[Updated English version here; La versión inglesa tiene actualizaciones significativas.]

La Tierra Primitiva y el Sistema Solar 
  1. ¿Cómo se formaron la Tierra y los demás planetas del sistema solar? ¿Se formaron in situ o han cambiado frecuentemente de órbita? ¿Qué causó la distinta estructura de capas de los planetas solares? [Reciente artículo en Science sobre Mercurio]
  2. ¿Colisionó la Tierra primitiva con otro planeta (Theia), dando origen a nuestro satélite? Sólo hay pruebas circunstanciales, tales como medidas de la duración de la rotación Terrestre y del mes lunar en el pasado, que apuntan a una Luna mucho más próxima a la Tierra durante las primeras etapas del Sistema Solar.
  3. ¿Porqué la tectónica de placas domina el paisaje sólo en la Tierra? [artículo de divulgación] ¿Se formó la corteza de la Tierra durante las primeras etapas de su evolución o es el resultado de una destilación gradual del manto que compite en la actualidad con el reciclaje de la corteza en las zonas de subducción? ¿Crece la cantidad de corteza o consigue ese reciclaje compensar su formación en las dorsales centro-oceánicas y otras zonas volcánicas?
  4. ¿Cuál ha sido el balance energético de la Tierra en escalas de tiempo geológicas? ¿Cómo descendió su temperatura interna desde que se formó por la acreción de condritas? ¿Cómo de abundantes son los elementos radiogénicos en su interior? ¿Pudo alguna vez un "sol débil y joven" calentar la "bola de nieve" terrestre?
  5. ¿Cómo de inherente a la evolución planetaria es el desarrollo de condiciones para la vida? [Ref. 1] Sabemos ahora que los planetas similares a la Tierra son abundantes en nuestra galaxia (dos de cada tres estrellas pueden serlo [por ejemplo, Nature, 2012]), pero ¿cuántos de ellos desarrollan una química duradera basada en el agua?


Interior de la Tierra

  1. Cuando los planetas se enfrían, sus procesos internos y los de la superficie coevolucionan, química y mecánicamente, configurando la composición de la atmósfera. ¿Cuál es la composición química y las propiedades mecánicas de las rocas en el manto de la Tierra a la presión y temperatura extremas que sufren? [ref.2]
  2. ¿Cuáles son los procesos dinámicos y químicos en el interior de la Tierra que mantienen la tectónica de placas? La futura proliferación de sismómetros de una forma más uniforme sobre la superficie del planeta permitirá obtener imágenes sísmicas del interior mucho mejores, proporcionando una distribución detallada de velocidad de las ondas sísmicas. Al mismo tiempo, los laboratorios de física de minerales delimitarán mejor lo que estas velocidades de las ondas mecánicas nos dicen sobre la composición del manto a las altas profundidades y temperaturas en que se encuentran allí las rocas. Sólo entonces los modelos informáticos podrán poner a prueba los modelos geodinámicos propuestos y tratar de encajar cuantitativamente estos datos y otras observaciones geofísicas tales como variaciones de la gravedad. [ref.3]
  3. ¿Cómo encaja el campo geomagnético con las propiedades convectivas del hierro en el interior terrestre? ¿Qué podemos aprender acerca del comportamiento mecánico de los materiales en esas profundidades a partir del campo geomagnético [contexto más? Nature] Los cambios geomagnéticos se registran en las rocas, por lo que proporcionan una vista de la Tierra en el pasado: ¿Son las inversiones magnéticas demasiado rápidas para estar relacionadas con la dinámica del núcleo? [Ejemplo.1] [Ej.2] [Ej.3] Podría su frecuencia estar relacionada con la distribución de las placas tectónicas? [GRL artículo]. ¿Qué causa los supercrones (largos períodos sin inversiones magnéticas)? Algo interno al núcleo, o inducido externamente por el manto o placas en subducción? ¿El campo geomagnético fue siempre dipolar, o fue más asimétrico en el pasado? [introduction]
  4. ¿Los hotspots de intraplaca han sido creados por fuentes procedentes del manto inferior de la Tierra? ¿O pueden ser explicados por una convección más somera? [Por ejemplo, Morgan, 1971 , o este documento reciente sobre la geología de Yellowstone].
  5. ¿Qué nos dice acerca de la dinámica de la Tierra la heterogeneidad de la densidad, composición y velocidad de las ondas sísmicas en el manto y en la litosfera? [ej.3]
  6. ¿Que formó las grandes provincias ígneas y los basaltos masivos de inundación como los basaltos de la cuenca del río Columbia?

Movimiento de las placas tectónicas y la deformación

  1. ¿Cómo se transforma el movimiento del manto terrestre en motor de la tectónica de placas? [Por ejemplo, Negredo et al., GRL, 2004, frente a van Benthem y Govers, JGR, 2010]. ¿A qué profundidades tiene lugar esa transferencia de momento? ¿La colisión continental frena la subducción de la placa, como sugiere el paradigma del slab-pull[Walter Alvarez, EPSL, 2010]
  2. ¿Encaja la deformación de largo plazo (deducida del paleomagnetismo y de la geología estructural) con los movimientos actuales derivados a partir de GPS y de la deformación neotectónica en la corteza? [Calais et al., EPSL, 2003] ¿Cómo se relacionan estas observaciones y qué podemos aprender sobre la estructura de la litosfera combinándolas? [ref] ¿Cómo y cuándo se propaga la deformación tectónica hacia el interior de las placas? [Por ejemplo, Cloetingh et al., 2005, QSR ]  
  3. ¿El movimiento de las placas está en estado estacionario? ¿Cómo de rígidas son éstas? ¿por qué y cuándo se deforman? [Davis et al, (2005) doi:. 10.1038/nature04781 y Wernicke & Davis, (2010) doi: 10.1785/gssrl.81.5.694]
  4. ¿Cómo se acomoda el movimiento relativo entre continentes a lo largo de los límites difusos de placa? (por ejemplo, el límite entre Iberia y África). ¿Qué determina la (a)sismicidad de un contacto de placas?
  5. Cómo y cuándo se propaga la deformación de los bordes de los continentes hacia el interior de los mismos? [e.g., Cloetingh et al., 2005, QSR] 
  6. Cómo está estratificada la resistencia mecánica de la litosfera: ¿como un jelly sandwich? (con la corteza inferior débil rodeada por corteza superior y manto resistentes) ¿O más bien como una créme brulée? (con una corteza resistente reposando sore el manto dúctil) [Burov & Watts, 2006]. ¿Se concentran los esfuerzos en el manto superior? ¿O justo al contrario? [Por ejemplo, McKenzie et al, 2000;. Jackson, 2002; Handy & Brun, 2004, y un bonito post reciente].
  7. ¿Puede el clima influir en la deformación tectónica? ¿Hay alguna evidencia de campo que confirme la hipótesis de que la erosión y el clima pueden cambiar los patrones de deformación tectónica (como predicen los modelos informáticos)? [Willett, 1999; Whipple, 2009 ; García-Castellanos, EPSL, 2007]
  8. ¿Pueden predecirse los terremotos? [Ej.4 , ej.5]. La evaluación de riesgo sísmico se basa sobretodo en pronósticos basados a su vez en estadísticas de terremotos en el pasado. Poco se sabe acerca de cómo se forman las fallas y cuándo se reactivan [ej.6], y lo que es peor, no parece haber ningún camino claro para resolver este problema en un futuro próximo. Habrá que esperar a algún descubrimiento inesperado.
  9. ¿Pueden predecirse las erupciones volcánicas? ¿Qué determina las tasas de acumulación de magma en las cámaras magmáticas y qué mecanismos desencadenan la erupción? Este es otro campo que parece casi tan necesitado de avances fundamentales como el anterior. [ej.7]
  10. A menudo las predicciones de los modelos de isostasia no se ajustan perfectamente a la elevación observada. A la diferencia entre ambos conceptos se le llama topografía dinámica, pero se sabe muy poco sobre su origen. ¿Podemos aprender sobre la convección en el manto a partir de su estudio?

La historia de la superficie terrestre y el medio ambiente actual

Mediterráneo desecado (Autor: Roger Pibernat)
  1. Es comúnmente aceptado que el relieve terrestre es el resultado de una compleja interacción entre la deformación tectónica, el clima, y una serie de procesos mecánicos, químicos y biológicos que actúan sobre la superficie de la tierra sólida. La masiva disponibilidad de  modelos topográficos con resoluciones de unos pocos metros ha servido de base y de desafío para una mejor comprensión de la evolución del relieve. Pero, ¿podemos utilizar la topografía para deducir los movimientos tectónicos del terreno?, ¿y para derivar las condiciones climáticas pasadas? ¿Sabemos lo suficiente acerca de los procesos de erosión? ¿es la estocasticidad de los eventos meteorológicos y tectónicos relevante en el paisaje terrestre? ¿Y cuánto ha contribuido la vida a dar forma a la superficie de la Tierra?
  2. ¿Se pueden predecir o cuantificar conceptos geomorfológicos clásicos como la peniplanación (enrasamiento progresivo del relieve por la erosión)? Algunas cadenas montañosas como los Apalaches o los Urales retienen su relieve durante periodos de 10^8 años, y numerosos valles fluviales se han conservado bajo kilómetros de hielo antártico en movimiento durante millones de años. ¿Qué determina que el relieve persista durante periodos de tiempo tan largos?  
  3. ¿Podemos predecir cuantitativamente la producción y el transporte de sedimentos para evaluar riesgos o para fines científicos? ¿Qué leyes rigen la erosión y el transporte que gobiernan la evolución de la superficie de la Tierra? [NAS SP informe de 2010] ¿Es posible relacionar cuantitativamente los nuevos registros climáticos y tectónicos con el registro sedimentario? ¿Es posible separar las señales de ambos procesos?   [Por ejemplo, Nature Geosc ].  
  4. ¿Hasta qué punto quedan grabadas las perturbaciones del clima y la tectónica en el registro estratigráfico? Jerolmack y Paola [2010, GRL] sostienen que la dinámica del transporte de sedimentos puede ser suficientemente "ruidoso" como para borrar cualquier señal de una fuerza externa.
  5. ¿Como se han formado los gigantes salinos de la geología? ¿Qué causó y cómo evolucionó el enorme depósito de sal en el Mediterráneo durante la Crisis de Salinidad Mesiniense? ¿Llegó adesecarse el Mediterráneo? ¿Cuáles fueron los efectos sobre el clima y la biología, y qué podemos aprender de los eventos extremos como estos? [Por ejemplo, Hsu, 1983; Clauzon et al, Geología, 1996; Krijgsman et al, 1996; García-Castellanos, 2011 ]
  6. ¿Podemos reconstruir cuantitativamente la ecología y el clima pasados en base a los  patrones fluviales? [Por ejemplo, Hartley et al., 2010, J.Sedim.Res.]


El clima, la Vida y la Tierra Sólida

El registro geológico muestra que el clima es relativamente estable en las escalas de tiempo de la tectónica de placas mientras que sufre cambios cíclicos ligados a cambios orbitales, en escalas de entre 20.000 y un millón de años. En períodos más cortos, de entre décadas y milenios, estos cambios son también muy significativos, pero peor comprendidos. El estudio del pasado terrestre, de épocas en las que el planeta estuvo sometido a condiciones climáticas extremas, puede ayudar a entender los mecanismos responsables. 

  1. ¿Qué causó el mayor cambio isotópico del carbono en la Tierra? [Nat.Geo revisión]  
  2. ¿Fue la Tierra una enorme "bola de nieve" durante las primeras etapas de la vida?
  3. ¿Hubo también ríos y lagos en Marte? ¿Hubo grandes inundaciones explosivas similares a las de la Tierra?
  4. ¿Cuáles fueron las causas de las extinciones en masa como la del límite KT, el Pérmico-Triásico o el Triásico Tardío? ¿qué controló la recuperación?  [Artículos recientes: ej.8 , ej.9ej.10 ]
  5. ¿Qué desencadenó la extrema variabilidad climática del Cuaternario y la aceleración más o menos coetánea del ritmo de erosión continental y de sedimentación en los márgenes de los continentes? [Peizhen, Molnar et al., 2001] ¿Alguna relación con el cierre tectónico del Estrecho de América Central? ¿Cómo se traducen cuantitativamente estos cambios del clima en cambios del nivel del mar?
  6. ¿Qué causó las grandes extinciones del Cuaternario? ¿La expansión humana? ¿El cambio climático? ¿Fue la extinción de gran fauna hace unos 13.000 años un resultado del evento climático conocido como Younger Dryas? ¿Fue causado por un impacto meteorítico? ej.11 , ej.12 ] ¿O podría estar relacionada con el desagüe repentino del lago Agassiz ?
  7. ¿Qué relevancia tienen los microorganismos del subsuelo en la dinámica de la tierra por su control de la formación del suelo y del ciclo del metano (clima)?
  8. La composición de la atmósfera está ligada a la presencia de vida, una fuerza química de gran alcance [Artículo reciente]. La evolución de la Tierra ha afectado claramente la evolución de la vida (ver la explosión cámbrica de vida animal, por ejemplo; un reciente documento). ¿En qué medida la evolución está determinada por la geología? ¿Es posible cuantificar estos enlaces para hacer predicciones confiables que permitan llenar los vacíos de información o la evaluación de las posibilidades de vida extraterrestre?
  9. ¿Qué parte del cambio climático actual es antropogénico? ¿Cómo van impactar en el clima las crecientes emisiones de una población mundial cada vez mayor? Una buena parte de la respuesta parece estar en el pasado remoto del planeta. 

Cuestiones abiertas más generales




  1. Muchas de las preguntas anteriores están relacionadas con la enorme variabilidad de escalas espaciales y temporales de los procesos terrestres. La observación directa (mediante muestreo de roca o mediante teledetección remota) se limita a una capa delgada alrededor de la superficie sólida de la Tierra, y la experimentación física se limita a las presiones de las capas más superficiales del planeta. Muchos procesos, incluyendo la tectónica de placas dependen de la naturaleza de los materiales que componen la roca, hasta las más pequeñas escalas atómicas. Las respuestas pueden llegar a través de nuevos dispositivos y herramientas analíticas que trabajan a muy altas presiones y temperaturas como las del interior de la Tierra.
  2. La diversidad de escalas de tiempo involucradas en la evolución terrestre también plantean un problema a conocer las propiedades mecánicas y químicas de los materiales. En parte porque se trata de escalas de tiempo que varían en muchos órdenes de magnitud, mientras que nuestras observaciones están limitadas al presente. Pero también debido a que la comparación de los experimentos de laboratorio (por ejemplo, la física de minerales) o modelos analógicos (por ejemplo, los experimentos en sandbox)  con la geología no siempre es convincente.
  3. Implementación de la episodicidad en el gradualismo: Por razones históricas, la geología en general ha subestimado el papel de la episodicidad en la naturaleza. Sin embargo, los acontecimientos puntuales o excepcionales tienen un peso relevante en muchos subsistemas terrestres. Un ejempo sería el efecto de las grandes inundaciones en la evolución del paisaje. Ya he mencionado la importancia de la variabilidad del clima. También la tectónica de placas pudo haber sido episódica ya durante el Arcaico [ref] y como bien sabemos la deformación tectónica en escalas de tiempo humanas se produce en forma de terremotos, de forma impredecible y episódica. El entendimiento futuro de la Tierra se beneficiará de la incorporación de todo el espectro de frecuencias (la episodicidad) a los modelos de fenómenos naturales, en lugar de aproximarnos sistemáticamente a estos procesos como si se trataran de fenómenos graduales.

Referencias generales:
Zwaan, J. (2010). Origin and evolution of earth: Research questions for a changing planet by the committee on grand research questions in the solid-earth sciences, National Research Council. National Academies Press, Washington, D.C., 2008. No. of pages: 137. (paperback). Geological Journal, 45 (2-3), 350-350 DOI: 10.1002/gj.1188