SIMSAFADIM-CLASTIC: Modelización 3D de transporte y sedimentación clástica subacuática

Abstract

La modelización numérica ha sido una herramienta importante para complementar estudios geológicos en los que ha sido difícil la comprensión de la realidad debido a su tridimensionalidad y al hecho de tener únicamente una visión limitada bidimensional o casi-tridimensional de la misma.

Centrado en el estudio y análisis del relleno de cuencas sedimentarias, la modelización numérica puede proporcionar información sobre la distribución espacial y temporal de los cuerpos sedimentarios, así como de la compleja heterogeneidad geológica presente.

En este ámbito, la tesis presentada se ha centrado en la elaboración de un programa informático (denominado SIMSAFADIM-CLASTIC) que simula, en las tres dimensiones del espacio, los procesos de transporte y sedimentación de tres tipos diferentes de sedimentos elásticos terrígenos y que incorpora la interacción con organismos productores de carbonato.

En este sentido, el programa informático desarrollado es pionero en esta línea de investigación, ya que la mayoría de los programas de modelización existentes en la actualidad se centran en la modelización de uno u otro tipo de sedimentos o en una modelización únicamente bidimensional o utilizando leyes empíricas para simular el transporte y sedimentación.

El programa desarrollado ha sido validado mediante la comparación de los resultados obtenidos con los respectivos resultados analíticos, obteniéndose diferencias entre los mismos muy pequeñas o despreciables. Además, el programa incorpora un método de control del volumen de sedimento presente dentro del sistema (basado en el método Boundary Mass Flux Control) que minimiza y corrige el error producido bajo condiciones donde domina la componente advectiva del transporte (números de Grid- Peclet superiores a 1) y que el método Euleriano utilizado no controla.

La principal limitació que ha condicionat i que encara condiciona en la actualitat (tot i que en menor grau) qualsevol estudi geològic, és la realitat tridimensional amb la qual es presenta la natura i la seva diversitat. Aquesta tridimensionalitat, sovint difícil d’observar (tot i que no d’imaginar) en el terreny, no permet fer aproximacions de l’estructura i composició reals sense realitzar estudis alternatius. Aquestes aproximacions poden tenir com a objectiu principal la representació geomètrica en 3D del que s’observa en el terreny o, per altre banda, poden intentar reproduir el procés que ha generat aquella geometria observada.

Centrada en l’estudi i anàlisi del rebliment de conques sedimentàries, la modelització numèrica ha estat, des dels anys 70, l’objectiu principal de diferents autors (Harbaugh i Bonham-Carter, 1970; Allen, 1978; Bitzer i Harbaugh, 1987; Hardy i Gawthorpe, 1998; Haupt et al., 1999; Bitzer i Salas, 2002), ja que pot proporcionar informació sobre la distribució espacial i temporal dels diferents cossos sedimentaris i de les diferents relacions existents entre ells, així com de les seves característiques físiques, químiques i petrològiques. Aquesta és una informació molt valuosa en el camp de la prospecció d’hidrocarburs i d’altres substàncies d’interès per a l’home degut al seu aprofitament i explotació.

Molts dels models realitzats fins l’actualitat s’han centrat en les dues dimensions de l’espai (Komar , 1973; Bridge i Leeder, 1979; Strobel et al, 1989; Bitzer i Harbaugh, 1987; Hardy et al., 1994; Syvitski i Hutton, 2001) degut, principalment, a limitacions informàtiques i matemàtiques. Aquest fet comporta una limitació important en la geometria i distribució dels cossos sedimentaris obtinguts, tenint en compte que depenen dels processos que els generen i que aquests actuen, bàsicament, en les tres dimensions de l’espai.

Tenint en compte la diversitat de fàcies que poden reblir una conca sedimentària, hi ha models que s’han centrat en la modelització de sediments carbonatats (Read et al. 1986; Goldhammer et al. 1987; Bosence i Waltham 1990; Bice 1991) i, d’altres, en sediments terrígens (Lawrence et al., 1990; Martínez i Harbaugh, 1994; Flemings et al., 1996a, 1996b; Hardy i Gawthorpe, 1998), però pocs han intentat una modelització conjunta d’ambdós tipus o ho han fet centrant-se en les 2D. Com a conseqüència, es redueix el seu camp d’aplicació i, per exemple, s’obvia l’efecte que provoca sobre els organismes productors de carbonats la presència de sediments clàstics en suspensió. A

més a més, la majoria d’ells utilitzen lleis empíriques que, tot i extreure resultats realistes, no tenen en compte els processos reals que han actuat.

Per aquest motiu, l’objectiu principal d’aquesta tesi s’ha centrat en l’elaboració d’un programa informàtic capaç de modelitzar, en les tres dimensions de l’espai (3D), el transport i sedimentació de diferents materials clàstics (terrígens i carbonatats) i la seva interferència sobre la producció carbonatada produïda per diferents associacions d’organismes. Aquest fet permetrà establir les relacions espacials i temporals dels diferents cossos sedimentaris generats i obtenir una distribució en 3D de diferents paràmetres característics de cada cos sedimentari.

Concretament, es presenta un nou model informàtic 3D de transport i sedimentació clàstica que s’ha incorporat al model de sedimentació carbonatada de Bitzer i Salas (2001) i la corresponent extensió a las 3D en el codi anomenat SIMSAFADIM (Bitzer i Salas, 2002). Respecte al seu precursor, la nova versió, anomenada SIMSAFADIM-CLASTIC, incorpora el transport i sedimentació de sediments clàstics i la seva interacció amb organismes productors de carbonat.

A part d’aquest, altres objectius lligats al principal han estat l’elaboració d’un algoritme coherent per a la sedimentació de materials clàstics, així com per a la discretització temporal i espacial utilitzada, i la incorporació d’un mètode de control del volum de sediment, que eviti l’error ocasionat per la component advectiva de l’equació del transport en els casos on aquesta component domina.

Per a la visualització dels resultats, s’han desenvolupat diferents programes informàtics (Visualization GOCAD i CREATESCRIPTS) que permeten automatitzar la seva visualització mitjançant el programari GOCAD(R).

Prediction of sedimentary facies distribution and geometric architecture of sedimentary basins by process-oriented numerical models has become an important tool in geological studies with the advent of computers and computer methods (Harbaugh and Bonham-Carter, 1970; Allen, 1978; Bitzer and Harbaugh, 1987; Hardy and Gawthorpe, 1998; Haupt et al., 1999; Bitzer and Salas, 2002). Computer-based prediction models relate to spatial distribution of physical, chemical and petrophysical characteristics within sedimentary bodies.

Various sedimentary modelling programs have been developed, most of them considering either clastic material (Lawrence et al., 1990; Martínez and Harbaugh, 1994; Flemings et al., 1996a, 1996b; Hardy and Gawthorpe, 1998) or carbonate sediments (Read et al., 1986; Goldhammer et al., 1987; Bosence and Waltham, 1990; Bice, 1991). Only a few models have attempted to consider mixed carbonate-clastic sedimentation. Moreover, most programs are designed in two dimensional space (Komar , 1973; Bridge and Leeder, 1979; Strobel et al, 1989; Bitzer and Harbaugh, 1987; Hardy et al., 1994; Syvitski and Hutton, 2001), which is a major restriction as geologic processes work in three dimensional space, resulting in a great variety of sedimentary facies types and complex 3D architecture of sedimentary bodies.

Lithologic heterogeneity within sedimentary basins needs to be represented by three-dimensional models. Furthermore, the interaction between different types of sediments, such as clastic and carbonate materials, needs to be represented within an integrated multiprocess model.

In this work, a 3D forward mathematical simulation model for clastic sediments has been developed and added to the 3D carbonate sedimentation model SIMSAFADIM, which was developed by Bitzer and Salas (2002). The new extended model SIMSAFADIM-CLASTIC, simulates clastic transport and sedimentation including processes of carbonate production, transport and sedimentation in three dimensions.

Other results of this thesis are the creation of a coherent algorithm for clastic sediment deposition and the discretization of time and space. A new method for mass balance control (Bitzer, 2004 unpublished) was coupled to the new program too.