Earth Sciences Research Journal

Artículos

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Earth Sciences Research Journal vol. 25 num. 4 lang. en

  • Anomalous geoelectric potential variations observed along a gas pipeline section in Argentine, possible intensification with variations of the Earth's magnetic field
    el mayo 19, 2022 a las 2:33 pm

    ABSTRACT Significant anomalous geoelectric potential variations have been observed in a section of the NEUBA II gas pipeline along its route in the district of Saavedra, near the area of Goyena, province of Buenos Aires (Argentine), where it goes through major lithological, edaphological and hydrological variations. Detailed research was conducted, showing that these disturbances may be intensified with variations of the Earth's magnetic field, during a magnetic storm, as the pipe-to-soil potential (PSP) values remained constant for weeks and then fluctuations from 0.1 V to 0.15 V were recorded in various parts of the pipeline. On the other hand, to provide another analysis of these variations, models based on the distributed source transmission line (DSTL) theory were used, proposing a uniform geoelectric field along the pipeline route. A design was proposed that would allow modeling the response of the pipeline to variations of induced geoelectric fields, taking into account their intensification based on points of discontinuity due to subsoil characteristics or differences in its structure. Good consistency was achieved between the observed and modeled PSPs. The analysis and monitoring of these PSPs is a useful tool to identify the potential risks caused by geomagnetically induced currents in the pipes that would increase the effects due to the structure or the environment in which it is buried.RESUMEN Se han observado importantes variaciones anómalas en el potencial geoeléctrico sobre un tramo del gasoducto NEUBA II a lo largo de su recorrido en el distrito de Saavedra, cercano a la zona de Goyena, provincia de Buenos Aires (Argentina), donde atraviesa suelos de características litológicas, edafológicas e hidrológicas distintas. Se realizó una investigación detallada que mostró que estas perturbaciones pueden intensificarse con variaciones del campo magnético de la Tierra, durante una tormenta magnética, ya que los valores de la diferencia del potencial tubería-suelo (PSP) permanecían constantes durante semanas y luego se registraron fluctuaciones de 0.1 V a 0.15 V en varias partes del gasoducto. Por otro lado, para brindar otro análisis de estas variaciones, se utilizaron modelos basados en la teoría de la línea de transmisión de fuente distribuida (DSTL), proponiendo un campo geoeléctrico uniforme a lo largo de la ruta del ducto. Se propuso un diseño que permite modelar la respuesta del gasoducto a variaciones de campos geoeléctricos inducidos, teniendo en cuenta su intensificación en base a puntos de discontinuidad por características del subsuelo o diferencias en su estructura. Se logró una buena consistencia entre los PSP observados y modelados. El análisis y seguimiento de estos PSPs es una herramienta útil para identificar los riesgos potenciales provocados por corrientes inducidas geomagnéticamente en las tuberías que incrementan estos efectos debido a la estructura o el entorno en el que está enterrado.

  • Geoid undulation prediction using ANNs (RBFNN and GRNN), multiple linear regression (MLR), and interpolation methods: A comparative study
    el mayo 19, 2022 a las 2:33 pm

    ABSTRACT This study evaluated different methods for geoid undulation prediction and included two types of artificial neural networks (ANNs) - the radial basis function neural network (RBFNN) and the generalized regression neural network (GRNN) - as well as conventional methods including multiple linear regression (MLR) and ten different interpolation techniques. In this work, k-fold cross-validation was used to evaluate the model and its behavior on the independent dataset. With this validation method, each of a k number of groups has the chance to be divided into training and testing data. The performances of the methods were evaluated in terms of the root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), Nash-Sutcliffe efficiency coefficient (NSE), correlation coefficient (R2), and using graphical indicators. The evaluation of the performance of the datasets obtained using cross-validation was performed in two ways. When the method having the minimum error result was accepted as the most appropriate method, the natural neighbor (NN) gave better results than the other methods (RMSE = 0.142 m, MAE = 0.097 m, NSE = 0.98986, and R2 = 0.99011). On the other hand, it was observed that on average, the GRNN exhibited the best performance (RMSE = 0.185 m, MAE = 0.137 m, NSE = 0.98229, and R2 = 0.98249).RESUMEN Este estudio evalúa los métodos diferentes de predicción de ondulación geoide donde se incluye dos tipos de Redes Neuronales Artificiales -la red neuronal de base radial y la red neuronal de regresión generalizada- al igual que métodos convencionales donde se incluyen la regresión lineal múltiple y diez técnicas diferentes de interpolación. En este trabajo, la validación cruzada de K iteraciones se usó para evaluar el modelo y su comportamiento en un conjunto de datos independiente. Con este método de evaluación, cada grupo de números k tiene la posibilidad de dividirse entre datos de entrenamiento y datos de evaluación. El desempeño de los métodos se evaluó en términos de la raíz del error cuadrático medio (RMSE, del inglés root mean square error), el error absoluto medio (MAE, mean absolute error), el coeficiente de eficiencia Nash-Sutcliffe (NSE, Nash-Sutcliffe efficiency coefficient) y el coeficiente de correlación (R2, correlation coefficient) a través de indicadores gráficos. La evaluación del desempeño de los grupos de datos obtenidos con la validación cruzada se realizó en dos vías. Cuando el método que tiene el resultado de mínimo error es aceptado como el método más apropiado, el vecino natural ofrece mejores resultados que otros métodos (RMSE = 0.142 m, MAE = 0.097 m, NSE = 0.98986, and R2 = 0.99011). Por otro lado, se observó que en promedio la red neuronal de regresión generalizada presentó un mejor desempeño (RMSE = 0.185 m, MAE = 0.137 m, NSE = 0.98229, and R2 = 0.98249).

  • Seismic site classification of the Costa Rican Strong-Motion Network based on V S30 measurements and site fundamental period
    el mayo 19, 2022 a las 2:33 pm

    ABSTRACT In this paper, the soil profile of the Costa Rican Strong-Motion Network (CRSMN) stations is classified based on actual measurements and seismic regulations. The soil classification of the Costa Rican Seismic Code based on the average shear-wave velocity of the top 30 m (V S3r ) is used as a reference. The site fundamental period (Tf) is included as a parameter to complement the existing characterization. For this, V S3gg measurements from 52 accelerometric stations are related to the site fundamental period obtained through horizontal-to-vertical spectral ratios (HVSR) using ground motion records from the Costa Rican Strong-Motion Database. The H/V ratios are estimated with 5% damped acceleration response spectra and with traditional Fourier amplitude spectra from the S-wave window. From the relation be-tween V S3g and Tf, different ranges of are assigned to the existing soil profile classification and a graph with three-lines and four-areas is proposed to classify the stations of the CRSMN. These lines are plotted from the intersection between values assigned to each site class. The assigned classification at each station will be the one corresponding to the area where the pair of values (V S3g - Tf) falls. With this proposal, both parameters take relevance and are compensated, reducing the differences due to possible errors in measurements or interpretations.RESUMEN En este artículo, se propone una nueva clasificación de sitio para la Red de Acelerógrafos de Costa Rica (RACR). Se utiliza como referencia la clasificación de sitio del Código Sísmico de Costa Rica basada en la velocidad promedio de la onda de corte de los 30 m superiores (VS3g). El período fundamental del sitio (T f ) se incluye como parámetro para complementar la caracterización existente. Para ello, las mediciones de V S3gg de 52 estaciones acelerométricas se relacionan con el período fundamental del sitio, este obtenido a partir de relaciones espectrales H/V utilizando registros de la Base de Datos de Movimiento Fuerte de Costa Rica. Las relaciones H/V se estiman con espectros de respuesta de aceleración con 5% de amortiguamiento y con espectros de amplitud de Fourier tradicionales obtenidos de la ventana de ondas S. A partir de la relación entre V S3g y T f , fueron asignados diferentes rangos de T f a la clasificación de perfil de suelo existente y se propone un gráfico con tres líneas y cuatro áreas para clasificar las estaciones de la RACR. Estas líneas fueron graficadas a partir de la intersección de los valores asignados a cada clase de sitio. La clasificación de cada estación será la correspondiente a la zona donde se encuentre el conjunto de valores V S30 y T f . Con esta propuesta, ambos parámetros toman relevancia y se compensan, reduciendo las diferencias por posibles errores en las mediciones o interpretaciones.

  • A Modelling Study by Factorial Design on GNSS Positioning
    el mayo 19, 2022 a las 2:33 pm

    ABSTRACT Although researchers have widely studied the analysis and modeling of error sources on Global Navigation Satellite Systems positioning, some of these errors have not been eliminated significantly. Only some of the Global Navigation Satellite System's data are modeled. The present work was undertaken to determine the effect of different variables: sea-son, the number of visible satellites, and dilution of precision on the efficiency of horizontal and vertical CORS (Continuously Operating Reference Stations) positioning. The CORS data was collected at 14 different test points during 600 epochs with 1-second intervals for this aim. Factorial designs supply an efficient solution to understand the impact of several factors on a response variable. A full factorial design with three factors at two levels was applied for these purposes. The main and the interaction effects of factors were analyzed on the CORS horizontal and vertical positioning. According to the full factorial design results, while all main and interaction effects of factors significantly affected the CORS horizontal positioning error, some elements did not affect the CORS vertical positioning error. Also, the regression equations were obtained for all situations to investigate the other level of selected factors in the response variables.RESUMEN A pesar de que los investigadores han analizado y modelado ampliamente las fuentes de error de posicionamiento en los Sistemas Globales de Navegación Satelital (GNSS, Global Navigation Satellite System), algunos de estos errores no se han eliminado significativamente. Y solo parte de esta información de los Sistemas Satelitales de Navegación Global ha sido modelada. Este trabajo se realiza con el fin de determinar los efectos de diferentes variables: temporada, número de satélites visibles, e imprecisión en la eficiencia de posicionamiento horizontal y vertical CORS (estaciones de referencia en funcionamiento continuo). La información CORS se recolectó en 14 escenarios de prueba durante 600 períodos y con intervalos de un segundo para este objetivo. Los diseños factoriales proveen una solución eficiente para entender el impacto de varios factores ante una respuesta variable. En este trabajo se aplicó un diseño factorial completo con tres factores en dos niveles. Los efectos principales y de interacción de factores se analizaron con el posicionamiento CORS horizontal y vertical. De acuerdo con los resultados del diseño factorial completo, mientras que los efectos principales y de interacción de factores afectaron significativamente el error de posicionamiento horizontal, algunos efectos principales y de interacción de factores no afectaron el posicionamiento vertical CORS. También las ecuaciones de regresión se obtuvieron para todas las situaciones con el fin de investigar los otros niveles de factores seleccionados en la respuesta de variables.

  • Runoff Curve Number (CN model) Evaluation Under Tropical Conditions
    el mayo 19, 2022 a las 2:33 pm

    ABSTRACT In tropical countries the Curve Number method (CN) of the Soil Conservation Service (SCS) is widely used in civil engineering (to calculate drainage infrastructure) as well as in agricultural and environmental studies. However, little is known about the accuracy of CN method in tropical watersheds. To reveal this accuracy, this study compares the SCS-CN model with the methodology proposed by Hawkins (1993) where CN (CNq) values are determined with field data measured in an Andean micro-basin. For this, CN values for the tropical micro watershed "La Vega" were identified using the tables proposed by the SCS and its respective antecedent moisture and slope corrections (CNAMC2S); subse-quently CNq values were derived from 55 events in which runoff and rainfall were measured. According to the results obtained, it was found that in the tropical micro watershed evaluated in this study, the SCS-CN model overestimated runoff. The SCS-CN model is strongly influenced by the antecedent humidity and its impact becomes stronger in high rainfalls records; however, the antecedent humidity influence was not observed in measured runoff data. Despite the SCS-CN model did not show a direct relationship between CN and rainfall, this relationship was observed in measured data. Furthermore, a clear relationship between runoff and maximum rainfall intensity was found, so it is considered that including this factor in future research can improve the model's predictions. This study shows that SCS-CN model has some inaccuracies and it requires further studies to know its applicability in tropical conditions.RESUMEN En países tropicales el Número de Curva (CN) del Servicio de Conservación de Suelos (SCS) es ampliamente usado en ingeniería civil (para calcular infraestructura de drenaje), así como en estudios agrícolas y ambientales. Sin embargo, se conoce poco sobre la precisión del modelo SCS-CN en cuencas tropicales; para revelar esta precisión, este estudio compara la metodología del SCS-CN con la metodología propuesta por Hawkins (1993), donde se determinan valores de CN (CNq) a partir de datos de campo medidos en una microcuenca Andina. Para esto, se identificaron los valores de CN para la microcuenca tropical "La Vega" utilizando las tablas propuestas por el SCS con sus respectivas correcciones por humedad antecedente y pendiente (CNAMC2S); posteriormente, los valores de CNq se derivaron de 55 eventos en los que se midieron lluvia y escorrentía. De acuerdo con los resultados obtenidos, se encontró que, en la microcuenca tropical evaluada en este estudio, el método del SCS sobreestimó la escorrentía. El modelo del SCS- CN está fuertemente influenciado por la humedad antecedente y su impacto es más fuerte en registros de altas precipitaciones, sin embargo, la influencia de la humedad antecedente no se observó en las escorrentías medidas. A pesar de que el modelo SCS-CN no presentó una relación directa entre CN y precipitación, esta relación si se observó en los datos medidos, además, se encontró una clara relación entre escorrentía e intensidad máxima de precipitación, por lo que se considera que incluir este factor en futuras investigaciones puede mejorar las predicciones del modelo. Este estudio muestra que el modelo SCS-CN tiene algunas inexactitudes y requiere más estudios para conocer su aplicabilidad en condiciones tropicales.

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Mauricio Eberle Morales

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