Hazard Natural: Evenimente Tsunami în Marea Neagră Scrădeanu D., Oaie Gh., pag. 122 – 131

MODELAREA STOCASTICĂ PRELIMINARĂ A PROCESELOR DE

SEDIMENTARE PENTRU ZONA COSTIERĂ ŞI DE SELF A MĂRII NEGRE

Scrădeanu D.1, Oaie Gh.2

1Universitatea Bucureşti – Facultatea de Geologie şi Geofizică, Str. Traian Vuia nr. 6, Bucureşti, 2INCD GEOECOMAR, Str. D. Onciul, nr. 23-25, 024053 Bucureşti, Sect. 2,

daniel@gg.unibuc.ro, goaie@geoecomar.ro

Abstract. În vederea modelării proceselor de sedimentare lacustre, litorale şi marine din zona complexului lacustru Razelm – Sinoe, a cordonului litoral din faŃa Deltei Dunării şi de pe selful intern al Mării Negre, s-au utilizat modele bazate pe definirea unor variabile aleatoare, de tip dinamic. În studiul succesiunilor litologice, fiecărei carote analizate îi va fi asociată o variabilă aleatoare. Evaluarea variabilităŃii globale a procesului de sedimentare s-a facut prin intermediul a trei tipuri de entropii informaŃionale. În vederea efectuării modelării variabilităŃii procesului de sedimentare au fost alese, pentru început, carotele R 300, R 585, respectv MN 07 – 03. În urma analizei s-a constatat că modelele identificate arată domenii de “stabilitate structurală” pe adăncimi cuprinse între 25 şi 100 cm (posibil şi mai mari). Adâncimile de “stabilitate structurală” pot fi transformate în intervale de timp pe baza ratei de sedimentare din zona de prelevare a carotelor analizate şi pot fi utilizate în prognoza unor fenomene catastrofice sau perturbatoare ale procesului de sedimentare. Cuvinte cheie: model stocastic, variabile aleatoare, entropie, stabilitate structurală Introducere

Analiza succesiunilor litologice din zonele litorale ale bazinelor marine actuale oferă informaŃii asupra momentului producerii fenomenelor catastrofice, precum formarea valurilor de tip tsunami. În lucrare sunt utilizate o serie de modele stocastice pentru analiza succesiunilor litologice din zonele litorale ale Mării Negre, având ca obiectiv: • evaluarea varibilităŃii fenomenului de sedimentare din diferite zone ale litoralului Mării Negre; • identificarea legilor de distribuŃie structurată a diferitelor tipuri de formaŃiuni litologice; • determinarea celor mai favorabile intervale de sedimentare pentru prognoza unor fenomene catastrofice. Modele stocatice utilizate se bazează pe: • utilizarea entropiei, ca parametru de cuantificare a variabilităŃii globale a procesului de sedimentare; • semivariogramei, pentru identificarea legilor de distribuŃie structurată, respectiv a perioadelor utilizate pentru prognoza fenomenelor catastrofice. 1. Modele stocastice utilizate Modelele propuse sunt tipice pentru teoria informaŃiei şi se bazează pe definirea unor variabile aleatoare, de tip dinamic, utilizate pentru descrierea detaliată a evoluŃiei sistemului. Aceste variabile au forma generală:

n

n

PPPP

LLLLV

....

...:

321

321

în care,

iL - starea în care se găseşte sistemul (i=1,2,…, n);

iP - probabilitatea de a fi în starea iL (i=1,2,…, n). În studiul succesiunilor litologice din zona litorală şi de ape puŃin adânci a Mării Negre, fiecărei carote analizate îi va fi asociată o variabilă aleatoare, în care:

• iL reprezintă tipul de sediment (mâl, nisip fin, nisip grosier etc.) întâlnit pe un anumit interval;

• iP reprezintă probabilitatea ca la o anumită adâncime să se găsească un anumit tip de sediment.

Modelul stocastic ales pentru analiza succesiunii litologice este unul de tip markovian, în care starea

iL a sistemului depinde de starea )1( −iL .

Descrierea unui astfel de proces se face prin intermediul unei matrici de tranziŃie pentru diferiŃi “paşi”. Alegerea acestora se face în funcŃie de rata de sedimentare a procesului şi de gradul de detaliere al analizei succesiunii. Matricea de tranziŃie este de forma:

nnnn

n

n

PPP

PPP

PPP

M

...

............

...

...

:

21

22221

11211

în care,

ijP reprezintă probabilitatea de trecere din starea “i” în starea “j” (i=1,2,…,n; j=1,2,…,n).

Modalitatea de calcul a probabilităŃilor de tranziŃie de la o stare la alta depinde de obiectivul utilizării lor (Gheorghe A., Scrădeanu D., 1984; Scădeanu, 1995). Evaluarea variabilităŃii globale a procesului de sedimentare se face prin intermediul a trei tipuri de entropii informaŃionale:

• entropia maximă a sistemului:

nH 2max log−= [bit]

• entropia stărilor independente ale sistemului studiat:

( )∑=

=

⋅−=ni

i

iiind PPH1

2log [bit]

• entropia procesului dependent de tip markovian:

( )∑ ∑=

=

=

=

⋅−=ni

i

nj

j

ijijidMarkov PPPH1 1

2log

Identificarea legilor de variabilitate structurată se face, de regulă, prin intermediul semivariogramei indicatoare, în cazul variabilelor de tip alfanumeric (Scrădeanu, 1996; Scrădeanu, Popa, 2002, 2003). Modele structurate de variabilitate, stabilite prin analiză variografică, permit stabilirea intervalelor de timp optime pentru prognoza variabilităŃii şi sunt instrumente complete pentru compararea tipurilor de variabilităŃii structurale pe domenii de sedimentare diferite.

2. Datele utilizate

Probele disponibile pentru această analiză sunt numeroase şi analiza lor este în fazã incipientã. Prelevarea lor s-a realizat din trei zone diferite (Fig.1):

• Complexul lacustru Razelm – Sinoe; • Cordon litoral - Zona Sulina – Sf. Gheorghe; • Marea Neagră – zona de şelf intern;

2.1. Complexul lacustru Razelm – Sinoe

În vederea obŃinerii carotelor din complexul lacustru Razelm – Sinoe s-a utilizat un carotier gravitaŃional tip Kullenberg, întregul proces de prelevare derulându-se la bordul unor nave dotate cu echipamente adecvate. Cele mai multe date provin din carotele prelevate în intervalul 1970 – 1993 (Mihailescu et al. 1974, 1975, 1978, 1979, Oaie 1983), succesiunea litologică fiind reinterpretatã într-o maniera noua, care abordează prezenŃa tsunamite-lor în coloanele de sediment. În cadrul proiectului CEEX 161/2006 au fost descrise şi interpretate următoarele carote: R 300, R 361, R 377, R 579, R 585, R 587, R 588. În vederea modelării variabilităŃii procesului de sedimentare din zona costieră şi de şelf a Mării Negre au fost alese, pentru început, carotele R 300 şi R 585, descrise sintetic mai jos.

Fig.1 Amplasarea locaŃiilor de probare

Carota R 300 Localizare – Nord Cap Iancila (440 50’ 042’’ N; 280 57’ 064’’ E) Lungimea carotei – 83 cm Descriere: 0 – 20 cm – mâl 20 – 21 cm - nisip 21 – 29 cm – mâl 29 – 35 cm – nisip grosier, slab sortat 35 – 42 cm - nisip mediu, slab sortat, cu fragmente de cochilii şi material vegetal, cu granoclasare inversã 42 – 50 cm – nisip mediu cu tulpini de plante în pozitie de crestere 50 – 84 nisip de la fin la foarte fin. Carota R 585 Localizare – Sud Cap Dolojman (440 45’ 054’’ N, 280 56’ 304’’E) Lungimea carotei – 181 cm Descriere: 0 – 15 cm – mâl siltic 15 – 67 cm – mâl 67 – 85 cm – mâl 85 – 103 cm – mâl siltic 103 – 110 cm – nisip fin 110 – 123 cm – nisip mediu 123 – 131 cm – nisip fin 131 – 136 cm– mâl 136 – 142 cm – nisip fin 142 – 144 cm – mâl 144 – 156 cm – nisip 156 – 168 cm - - 168 – 171 cm – nisip mediu 171 – 181 cm – nisip grosier

2.2. Cordon litoral din faŃa Deltei Dunării - zona Sulina – Sf. Gheorghe) Având în vedere obiectivele proiectului MEdC – ANCS – CEEX 161/2006 au fost urmărite aspectele referitoare la influenŃa evenimentelor de tip tsunami de-a lungul litoralului românesc. În acest sens, au fost efectuate observaŃii geologice-sedimentologice într-o serie de tranşee şi pe carote. În cursul anului 2007 au fost prelevate carote din zona situată în imediata vecinătate a cordonului litoral dintre Marea Neagră şi complexul de lacuri costiere din zona Deltei Dunării (Fig. 1). ObservaŃiile au fost efectuate pe depozitele de plajă acumulate de-a lungul zonei litorale cuprinsă între braŃele Sulina şi Sf. Gheorghe, în spatele cordonului litoral. Tranşeele, săpate în vederea efectuării observaŃiilor de teren şi a probărilor, au fost poziŃionate la o distanŃă suficient de mare de linia valurilor, astfel încât, să poată fi eliminat, pe cât posibil, efectul furtunilor. ObservaŃiile au fost efectuate pe plajă în apropierea Canalului cu Sondă (Fig. 1), într-o tranşee cu adâncimea de 1.10 m, continuată cu carota CS 1, cu lungimea de 50 cm, prelevată de pe fundul acesteia. O altă tranşee a fost sapată până la adâncimea de 50 cm în zona terminaŃiei estice a Canalului ÎmpuŃita, de aici fiind prelevată carota CI 1.

CI 1 Localizare – terminaŃia estica a Canal ÎmpuŃita (450 05’ 580 ‘’ N, 290 39’ 111’’ E) Lungimea carotei – 100 cm Descriere: 0 – 20 cm – nisip 20 – 21 cm – nisip negricios (material vegetal) 21 – 35 cm – nisip 35 – 48 cm – material vegetal 48 – 87 cm – nisip mediu 87 – 100 cm – material vegetal CS 1 Localizare – Canalul cu Sondă – terminatia estica (450 04’ 884’’ N, 290 38’ 912’’ E) Lungimea carotei – 147 cm Descriere: 0 – 34 cm – alternanŃă nisip fin/nisip grosier 34 – 46 cm – nisip mediu 46 – 62 cm – nisip grosier (cochilifr) 62 – 75 cm – lumaşel (cu matrice nisipoasă) 75 – 105 cm – nisip fin 105 – 120 cm – nisip mediu 120 – 130 cm – nisip fin (cu material vegetal) 130 – 139 cm – mâl (bogat in material vegetal) 139 – 147 cm – material vegetal (plaur) În lucrarea de faŃă aceste carote nu vor fi utilizate ca elemente ale modelării proceselor de sedimentare.

2.3. Marea Neagră – zona de şelf intern De pe şelful intern al Mării Negre au fost prelevate o serie de carote (Fig. 1) utilizând un carotier gravitaŃional Kullenberg cu lungimea de 6 m. Adâncimea apei în zona de probare a variat între 12 m şi 42 m. Carotierul a fost utilizat la bordul navei de cercetări marine Mare Nigrum, aceasta fiind dotată corespunzator pentru prelevarea de carote. Pe profilul Gura PortiŃa au fost prelevate carote din locaŃiile menŃionate în Tabelul 1.

Tabel 1. PoziŃionarea carotelor prelevate pe profilul Gura PortiŃa

Carota φ λ Adâncimea apei (m)

PO 2 440 37’ 2 N 29

0 07’ 8 E 20

PO 3 440 35’ 2 N 29

0 13’ 3 E 27.50

PO 4 440 30’ 3 N 29

0 22’ 4 E 42

Descrierea litologică a carotelor din tabel evidenŃiază succesiuni litologice dominate de mâluri cu faună de moluşte, silturi cenuşii cu lamine vegetale până la argile compacte, situate în talpă. Un aspect particular apare în Carota PO 4 - « între 200 – 210 cm apar numeroase fragmente vegetale în nisipuri; în baza stratului, între 250 – 256 cm nivelele nisipoase se îngroaşă şi sunt mai numeroase ». Dintr-o primă analiză a coloanelor litologice PO 2 – PO 4 nu se poate spune că există argumente convingătoare legate de acŃiunea unor valuri de tip tsunami. Însă, prezenŃa în

Carota PO 2 a unei alternanŃe de nisipuri mediu-fine cu silturi, dezvoltarea acestora mai ales în structuri de tip lenticular, dar şi prezenŃa resturilor de plante, sugerează un eveniment marin semnificativ care putea avea origine terigenă. Trebuie menŃionat faptul că, locaŃia carotei este la 12 km distanŃă de linia Ńărmului. În Carota PO 4, localizată la 35 km distanŃă faŃă de Ńărm, prezenŃa unei intercalaŃii cu numeroase fragmente de plante sugerează, de asemenea, un eveniment marin important, care a putut transporta material terigen la o distanŃă atât de mare faŃă de Ńărm. În cursul anului 2007 o altă carota a fost prelevată din partea sudică a insulei Sahalin. Descrierea litologică simplificată este următoarea: Carota MN 07 – 03 Localizare – Sud insula Sahalin (440 44’ 292’’ N, 290 30’ 219’’ E) Lungime – 300 cm Adâncimea apei – 12 m Descriere: 0 – 17 cm – mâl 17 – 21 cm – mâl 21 – 25 cm – nisip fin 25 – 30 cm – mâl 30 – 66 cm – mâl siltic 66 – 76 cm – mâl siltic 76 – 80 cm – nisip fin 80 – 210 cm – mâl 210 – 213 cm – nisip fin 213 – 300 – mâl (cu intercalaŃii nisipoase rare)

În carota MN 07 – 03, se poate remarca alternanŃa mâl/nisip, în fracŃia mai grosieră fiind vizibile fragmente vegetale. Într-un mediu dominat de depuneri de sedimente fine (mâl, silt), datorate unui aport extrem de puternic al Dunării, prezenŃa nivelelor mai grosiere poate fi explicată prin acŃiunea unor factori de mediu mult mai dinamici. Analizele micriopaleontologice şi geochimice vor confirma dacă intercalaŃiile mai grosiere au putut fi depuse de evenimente de tip tsunami.

Dintre carotele menŃionate, doar MN 07-03 va fi utilizată în vederea modelării proceselor de sedimentare de pe şelful intern al Mării Negre. 3. Modelarea variabilităŃii procesului de sedimentare din zona costieră şi de şelf a Mării Negre Din probele descrise mai sus au fost selectate pentru exemplificare trei carote:

• două carote din zona complexului lacustru Rezelm-Sinoe - R 300 (Fig.2), • R 585 – (Fig.5); • o carotă din zona Mării Negre - MN 07-03 (Fig.8).

Pentru cele trei carote s-a realizat o analiză a variabilităŃii globale şi structurată a procesului de sedimentare pe baza a trei tipuri de entropii, cu un pas de eşantionare de 5 cm.

3.1. Carota R 300

3.1.1. Variabilitatea globală Pentru carota R300 (Fig.2) s-au separat următoarele categorii litologice:

• Mâl (S1); • Nisip grosier (S2); • Nisip mediu cu cochilii (S3); • Nisip mediuj cu plante (S4); • Nisip fin (S5).

Pe baza matricilor de tranziŃie s-au evaluat cele trei tipuri de entropii • Hmax=2,32 • Hind = 1,90 • HdMarkov=0,36

Din analiza valorilor entropiilor rezultă că procesul de sedimentare are o variabilitate mare, dar cu o componentă structurată foarte puternică (rezultă din valoarea redusă a entropiei procesului markovian!).

3.1.2. Variabilitatea structurată Pentru identificarea variabilităŃii structurate spaŃial (pe direcŃie verticală, cu toleranŃă 10%) s-au identificat modele pentru cele cinci categorii litologice (S1, .., S5):

• Pentru mâl şi nisip fin (Fig. 3), variogramele indicatoare arată o structură cu tendinŃa, cu raze de minimum 20-40 cm;

• Pentru nisip grosier şi mediu (Fig.4), variograme cu tendinŃa crescătoare, staŃionare, probabil, la raze de peste 100 cm.

Mal

Nisip

Mal

NisipGrosier

NisipMediuCochilii

NisipMediuPlante

NisipFin

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Fig. 2 Carota R 300

0 5 10 15 20 25

Lag Distance

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

Variogram

0 5 10 15 20 25

Lag Distance

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

Variogram

Fig.3 Variograma indicatoare pentru mâl (S1) şi nisip fin (S5)

S1 S5

0 5 10 15 20 25

Lag Distance

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Inve

rted

Aut

oco

varian

ce

0 5 10 15 20 25

Lag Distance

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

Inve

rted

Aut

ocov

aria

nce

0 5 10 15 20 25

Lag Distance

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Inve

rted

Auto

cova

riance

Fig.4 Variograma şi autocovarianŃa pentru nisip grosier (S2), nisip mediu cu cochilii (S3) şi nisip mediu cu plante (S4)

S3 S4 S2

3.2. Carota R 585

3.2.1. Variabilitatea globală Pentru carota R 585 (Fig.5) au fost stabilite următoarele categorii litologice:

• Mâl siltic (R1) • Mâl (R2) • Nisip fin (R3) • NisipMediu (R4) • Nisip grosier (R5)

iar pe baza matricilor de tranziŃie s-au calculat: • Hind=1.87; • Hmax= 2,32; • HiMarkov=1,05

Se observă existenŃa unui potenŃial de structurare a procesului de sedimentare mai redus decât la carota R 300 care se reflectă în modele structurate.

3.2.2 Variabilitatea structurată Modele structurale ale celor cinci litotipi sunt:

• Pentru mâl (Fig.6) sunt staŃionare la raze de ordinul 50-80 cm. • Pentru nisipuri (Fig.7) structurarea este redusă (pentru nisipul fin aceasta fiind total

aleatoare).

.

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

MalSiltic

Mal

MalSiltic

NisipFin

NisipMediu

NisipFin

MalNisipFinMal

NisipFin

Mal

NisipMediu

NisipGrosier

Fig. 5 Carota R 585

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Lag Distance

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

Variogram

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Lag Distance

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Variogram

Fig.6. Variogramele indicatoare pentru mâl siltic (R1) şi mâl (R2)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Lag Distance

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Vario

gram

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Lag Distance

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Vario

gram

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Lag Distance

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

Vario

gra

m

Fig.7. Variogramele indicatoare pentru nisip fin (R3), nisip mediu (R4) şi nisip grosier (R5)

3.3 Carota MN 07-03

3.3.1. Variabilitatea globală În carota MN 07-03 (Fig.8) au fost separate trei categorii litologice:

• Mâl (M1); • Nisip fin (M2) • Mâl siltic (M3)

pentru care s-au calculat entropiile: • Hind=0,88; • Hmax= 1,58; • HiMarkov=0,39

Acestea indică o mult mai mare stabilitate a procesului de sedimentare şi, ca urmare o structura spaŃială mai mare.

3.3.2. Variabilitatea structurată

Modelele structurate ale celor trei tipuri litologice sugerează:

• Pentru mâl şi mâl siltic o structură care se stabilizează la raze de influenŃă de peste 80 cm ;

• Pentru nisip fin o lipsă de structurare (cauzată de lipsa informŃiei pe adâncimea investigată (Fig.9).

CONCLUZII

Analiza succesiunilor litologice din zona litorală a Mării Negre conduce la următoarele concluzii:

• Succesiunea litologică este structurată spaŃial şi identificarea modelelor depinde numai de acurateŃea şi cantitatea informaŃiei disponibile;

• Modele identificate arată domenii de “stabilitate structurală” pe adâncimi cuprinse între 25 şi 100 cm (posibil şi mai mari);

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

Mal(M1)

NisipFin(M2)Mal(M1)

MalSiltic(M3)

NisipFin(M2)

Mal(M1)

NisipFin(M2)

Mal(M1)

Fig. 8 Carota MN07_03

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Lag Distance

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

Var

iogr

am

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Lag Distance

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0.055

Var

iogr

am

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Lag Distance

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Var

iogr

am

Fig.9. Variogramele indicatoare pentru mâl (M1), nisip fin (M2) şi mâl siltic (M3)

M1

M2

M3

• Adâncimile de “stabilitate structurală” pe adâncime pot fi transformate în intervale de timp pe baza ratei de sedimentare din zona de prelevare a carotelor analizate şi pot fi utilizate în prognoza unor fenomene catastrofice sau perturbatoare ale procesului de sedimentare.

BIBLIOGRAFIE Gheorghe A., Scrădeanu D. (1984). Hydrogeoilogical and probabilistic methods used in the study of dewatering systems for coal deposits, Anuarul Institutului de Geologie şi Geofizică, vol LXIV. Mihăilescu N.,Iosof V.,Rădan S.,Bleahu M.,Baltreş A.,Giuşcă R.,Vanghele I.(1974) -Studiul complex al Deltei Dunării în vederea punerii în evidentă a unor concentraŃii valorificabile de substanŃe minerale utile solide (sectorul Sf.Gheorghe - Razelm). Tema 28 b. Arhiva IGR. Bucureşti. Mihăilescu N., Rădan S., Iosof V., Baltreş A., Rosette Ianc, Alexandra Medeşan, Tiepac I., Giuşcă R.,Vanghele I., Ştefana Roman (1975) - Studiul complex al depozitelor recente din Delta Dunării (sectorul DunavaŃ-Gura Dranov) .Tema 10.6.b, Arhiva IGR. Bucureşti. Mihăilescu N., Rădan S., Artin Luciana, Motaş I., Iosof V., Baltreş A., Ştefana Romana, Ianc Rosette, Vanghele I., Rădan S.C., Rădan Maria (1978) – Studiul geologic şi geofizic al Deltei Dunării pentru stabilirea potenŃialului economic. Sectorul L.GoloviŃa – L.Sinoe. Tema 10.2, Arhiva IGR. Bucureşti. Mihăilescu N., Rădan S., Artin Luciana, Iosof V., Ianc Rosette, Motaş I., Roman Ştefana, Baltreş A. (1979) –Studiul geologic si geofizic al Deltei Dunării pentru stabilirea potenŃialului economic. (Sectorul L.Zmeica- Depresiunea MatiŃa). Tema 10.2, Arhiva IGR.Bucureşti. Oaie Gh. (1983). Studiul sedimentelor din carotele zonei Razelm – Sinoe prin metode sedimentologice complexe (exclusiv radiometrie şi gamadensimetrie) pentru stabilirea posibilităŃilor de corelare şi valorificare economică, Arhiva FacultăŃii de Geologie şi Geofizică, Bucureşti Scrădeanu D., (1995). Informatică geologică, Editura UniversităŃii Bucureşti. Scrădeanu D., (1996), Modele geostatistice in hidrogeologie. Editura Didactică şi Pedagogică, vol I., Bucureşti. Scrădeanu D, Popa R., (2002). Geostatistică aplicată, Editura UniversităŃii Bucureşti. Scrădeanu D, Popa R., (2003). Geostatistică aplicată, Editura UniversităŃii Bucureşti. Schwarzacher W. (1975). Sedimentation model and quantitative stratigraphy, Elsevier Scientific Publishing Company.