Tesi realitzada a l'Institut de Ciències de la Terra “Jaume Almera” (ICTJA-CSIC) / One of the most important tasks of modern volcanology, which represents a significant socio-economic implication, is to conduct hazard assessment in active volcanic systems. These volcanological studies are aimed at hazard that allows to constructing hazard maps and simulating different eruptive scenarios, and are mainly addressed to contribute to territorial planning, definition of emergency plans or managing volcanic crisis. The impact of a natural event, as a volcanic eruption, can significantly affect human life, property, infrastructures, and the environment. Long periods of quiescence are quite common in many volcanic areas and this often leads to a fall in the alert. The consequence is lack of preparation to deal with a volcanic crisis. The present Ph.D. Thesis is focused on the development and application of different tools for the spatial and temporal analyses to assess volcanic hazard in monogenetic volcanic fields. Monogenetic volcanic fields are commonly not regarded as potentially dangerous and only a few studies concerning hazard assessment have been conducted in such environments. In the long-term hazard assessment, we assume that the future eruptive behaviour in the volcanic field could be similar to the last eruptive activity. First, we have developed a new tool, QVAST (QGIS for VolcAnic SuscepTibility), designed to carry out the spatial analysis. This tool allows to calculate the volcanic susceptibility of the area, i.e. the probability of new vent opening, using direct and indirect structural data. Second, we have developed a new tool, HASSET (Hazard Assessment Event Tree), to conduct temporal analysis. Combining both tools and the previous one, VORIS 2.0.1, that uses simulation models to predict the most probable eruptive scenarios and which areas could be affected by a future eruptive event, we can evaluate in a probabilistic way long-term hazard represented by a qualitative hazard map that allows us to identify different levels of hazard in the study area. In this thesis we present different case studies. The first example was carried out at El Hierro Island (Canary Islands), an island essentially characterized by basaltic volcanism with both Strombolian and Hawaiian activity. The last eruption on El Hierro occurred in 2011–2012 demonstrates the importance of reliable data and tools that can enable scientific advisors and decision-makers to consider possible future eruptive scenarios. The second case study was Deception Island (Southern Shetland Archipelago, Antarctica), which is the most active volcano in the South Shetland Islands and has been the scene of more than twenty eruptions over the past two centuries. We identified a number of significant scenarios using our GIS-based tools and evaluated the potential extent of the main volcanic hazards to be expected on the island. The last case study presented is La Garrotxa Volcanic Field (NE of Spain), which is a quaternary volcanic field, located in the Northeast of the Iberian Peninsula, and includes more than 50 well preserved volcanoes. Finally, considering the importance of both quantity and quality of the available volcanic data and an optimum storage mechanism and as complement to the e-tools we have developed, we describe the design of a new spatial database structure, VERDI (Volcanic managEment Risk Database desIgn), which allows different types of data to be manipulated, organized, managed. The design of purpose-built databases should facilitate spatial and temporal analysis that will produce probabilistic hazard models for future vent opening, simulate volcanic hazards and assess their socio-economic impact, avoiding any duplication of information. The methodologies described in this thesis establish the general guidelines of a procedure that facilitates undertaking volcanic hazard assessment in a systematic way, which can be easily applied to any volcanic area or system, and in particular to any monogenetic volcanic field. / Una de las tareas más importantes de la vulcanología moderna, que representa una implicación socio-económica significativa, es llevar a cabo la evaluación de la peligrosidad en los sistemas volcánicos activos. Estos estudios vulcanológicos están enfocados a la elaboración de mapas de peligro y la simulación de diferentes escenarios eruptivos, y están dirigidas para contribuir a la planificación territorial, a la definición de los planes de emergencia o la gestión de crisis volcánicas. La presente Tesis doctoral está enfocada al desarrollo y aplicación de diferentes herramientas informáticas para los análisis espacial y temporal del peligro volcánico en campos volcánicos monogenéticos. En primer lugar, hemos desarrollado una nueva herramienta, QVAST, diseñada para llevar a cabo el análisis espacial, que permite calcular la susceptibilidad volcánica de la zona de estudio, utilizando datos estructurales directos e indirectos. En segundo lugar, hemos desarrollado una nueva herramienta, HASSET, para llevar a cabo el análisis temporal. La combinación de ambos instrumentos y una herramienta anterior, VORIS 2.0.1, que utiliza modelos de simulación para predecir los escenarios eruptivos más probables y aquellas áreas que podrían verse afectadas por un futuro evento eruptivo, nos permite evaluar de forma probabilística el peligro a largo plazo, representado por un mapa cualitativo que nos permite identificar los diferentes niveles de peligro en el área de estudio. En esta tesis se presentan diferentes casos de estudio en campos volcánicos monogenéticos: la isla de El Hierro (Islas Canarias), la isla Decepción (archipiélago de las Shetland del Sur, Antártida), el campo volcánico de La Garrotxa (NE de España). Por último, teniendo en cuenta la importancia de la cantidad y la calidad de los datos volcánologicos disponibles y un mecanismo de almacenamiento óptimo, se describe el diseño de una nueva estructura de base de datos espaciales, VERDI, que permite manipular, organizar y gestionar diferentes tipos de datos. Las metodologías descritas en esta tesis establecen líneas guía generales de un procedimiento que facilita la realización de la evaluación del peligro volcánico de forma sistemática, los cuales se pueden aplicar a cualquier zona volcánica o sistema, y en particular, a cualquier campo volcánico monogenético.

Còpia impresa disponible a la Biblioteca de la Facultat de Geologia / El trabajo que aquí se presenta parte de la hipótesis de que los terremotos destructivos ocurridos en el Macizo de la Maladeta y su entorno o, al menos, el de 1373 (M=6,2, Olivera et al., 2006), se produjeron por la actividad de fallas que tienen expresión en superficie. La tesis tiene como finalidad la identificación y caracterización de fallas sismogénicas en esta zona mediante el estudio geológico y la comprensión del contexto geodinámico en el que estas estructuras son activas. Con ello, se pretende contribuir al conocimiento de la peligrosidad sísmica en la región a fin de que ésta pueda ser tenida en cuenta en la evaluación del riesgo sísmico. Para alcanzar tales objetivos, se han de abordar una serie de tareas que incluyen: 1. El análisis de la sismicidad histórica e instrumental. 2. La identificación y la caracterización de los elementos del paisaje (formas y depósitos) a. generados por la actividad reciente de fallas b. desplazados por el movimiento reciente de fallas (marcadores geomorfológicos). 3. La identificación de los fenómenos de deformación activa que pueden actuar en la zona y la evaluación de su significado sismotectónico. Esta labor se hará mediante la cartografía y análisis de las formas que puedan haber sido generadas por deformación activa y la definición de criterios para determinar cuales son de origen neotectónico. 4. La determinación de las características geométricas (buzamiento, longitud y anchura), cinemáticas (tasas de deslizamiento y dirección de desplazamiento) y cronológicas de fallas activas y sus parámetros sísmicos (terremoto característico o máximo asociado, periodo de recurrencia). 5. La discusión del tipo de actividad, teniendo en cuenta la evolución morfotectónica de la zona y el estado de esfuerzos local y regional. MÉTODO Y ESTRUCTURA DE LA TESIS Las tareas planteadas en la sección anterior como objetivos específicos corresponden a etapas del método de trabajo que se ha seguido. En el capítulo 2 se hace una revisión de los trabajos de neotectónica realizados en los Pirineos y se abordan las dificultades que acompañan la búsqueda de estructuras sismogénicas en este contexto y, por extensión, en zonas de deformación lenta y alta montaña. En este capítulo se expone la necesidad de emplear un método de trabajo específico para los estudios neotectónicos realizados en este contexto. El resto del trabajo se articula en capítulos que siguen el guión de trabajo que muestra la Fig. 1. 5 aplicado a la zona de estudio. La identificación de dos indicadores de tectónica activa muy diferentes en el bloque II hace que estos pasos se sigan en paralelo en los bloques III y IV. Así, él capítulo 5 se centra en el estudio de la falla Norte de la Maladeta (FNM), estructura activa con una larga historia de desplazamiento, mientras que los capítulos 6, 7 y 8 tratan de resolver el problema de determinar el origen de un gran número de escarpes identificados en las laderas de la Maladeta. Esta última tarea ha requerido la revisión de conceptos teóricos mediante la investigación bibliográfica. El trabajo ha llevado a la propuesta de definiciones terminológicas, una clasificación de la deformación gravitacional lenta de laderas y la selección de criterios para poder determinar la naturaleza de los escarpes cartografiados. Al final del trabajo, el bloque V recoge las conclusiones de la investigación, la implicación de sus resultados y las recomendaciones acerca de un trabajo futuro en la zona de estudio o en zonas análogas. / The epicenters of the two destructive historical earthquakes in the Central Pyrenees, the Ribagorça (3.3.1373; Olivera et al., 2006) and the Vielha (19.11.1923; Susagna et al., 1994) earthquakes, were located in the Maladeta massif and surroundings. This PhD thesis aims at locating and to characterizing the possible seismogenic sources in the area, which correspond to a peak in the microseismicity of the Pyrenean region according to Souriau et al. (2001). This work aims at broadening the knowledge of the seismic hazard in the region, so that it can be considered in seismic risk assessment. To date, the existence of seismogenic structures in the area has been discussed in only two works (Bordonau y Vilaplana, 1986; Moya y Vilaplana, 1995), but no detailed study has been performed (chapter 1). Reviewing the background papers on seismotectonis and neotectonicsin in the Pyrenees (chapter 2) has helped to better constrain the setting of the study area. Since the end of the Paleogene, the Pyreneean range can be considered as a low deformation zone, with deformation rates across individual structures of << 1 mm/a, an usually, < 0,2 mm/a. The post-orogenic activity has hardly been reflected in the geological records, which are very scarce for the Central and Western Pyrenees. The most recent instrumental data about focal mechanisms in Iberia (Vicente et al., 2008) suggests that the Pyrenees are dominated by extensional stresses. For this reason, the study of neotectonics in the Pyrenees is confronted with problems derived from the geological record of low active faults. There are also other obstacles associated to high mountain environments that have to be dealt with, such as the high erosion rates, the small temporal observation window, often limited to postglacial times, and the morphologic convergence of several processes that generate rectilinear lineaments similar to the neotectonics scarps. Within these processes, we can distinguish the erosive processes and the active deformation (Eg., mass movements, postglacial crustal rebound, etc.). Active deformation is defined as any deformational process that offsets the surface of the Earth. Deformation usually takes place along preexisting discontinuities. These might correspond to active faults reflecting different processes that act simultaneously. Since the main goal of the thesis is to locate and characterize neotectonic and seismogenic faults, an important part of the work (chapters 6 and 7) focuses on understanding these processes, especially on slow gravitational slope deformation and postglacial elastic flexure of the curst. Several criteria to differentiate the role of these processes in the activity of faults in high mountain areas have been established as well. Reviewing the literature has lead to propose a definition for the term “slow gravitational slope deformation” and a classification for it, based on a modification of the classification of Hutchinson (1988).

Esta tesis tiene por objetivo el estudio sobre los paleoambientes, y su evolución, del Mioceno marino de la cuenca de El Camp de Tarragona desde una perspectiva tafonómica e icnológica. En concreto, se han integrado los datos obtenidos a partir del análisis tafonómico de las acumulaciones esqueléticas, tanto de invertebrados como vertebrados, con la información proporcionada por el estudio de las icnoasociaciones e icnofábricas presentes a lo largo de las secciones estudiadas, para finalmente proponer un modelo que explique de la forma más completa posible la evolución sedimentaria y paleoambiental de dichas secciones. Además de introducir el contexto geológico y geográfico de la cuenca de El Camp de Tarragona, se presenta por primera vez una estratigrafía y una cartografía geológica de detalle de la mayor parte de los depósitos marinos miocenos situados a lo largo de la actual franja costera de la Cuenca de El Camp de Tarragona. En concreto de las secciones de El Miracle, Fortí de la Reina, L’Arrabassada, Sanatori, La Savinosa, Cala Romana, Waikiki, Punta de la Móra, Tamarit, Altafulla y Torredembarra. Para englobar los diferentes materiales diferenciados en esas secciones, se proponen cuatro asociaciones de facies principales: A) Facies relacionadas a paleoacantilados, consistentes en conglomerados heterométricos en los que cabe destacar la abundante bioerosión tanto en los litoclastos como en los fósiles. Apareciendo siempre depositadas sobre un sustrato pre-Mioceno, intensamente perforado a techo. B) Facies de plataforma interna, incluyen una gran variedad de facies carbonáticas. Principalmente, o niveles biocalcareníticos con mayor o menor contenido en macrofósiles, o facies con predominancia de trazas fósiles y estratificación cruzada de gran escala. C) Facies de plataforma externa, constituidas por niveles calcisiltíticos intensamente bioturbados. D) Facies siliciclásticas, consistentes en areniscas bioturbadas con estratificación cruzada asociadas a depósitos marinos someros (probablemente asociados a un ambiente estuarino), o niveles de margas relacionados a ambientes de plataforma media o mar abierto. En la cuenca de El Camp de Tarragona, el análisis tafonómico (centrado principlamente en los procesos bioestratinómicos) de los fósiles de vertebrados y sobretodo de invertebrados se ha mostrado como una herramienta muy útil a la hora de interpretar el ambiente deposicional de esos fósiles, complementando la información inferida a través de la litología, sedimentología y taxonomía. En cuanto al estudio icnológico, entre estructuras de bioturbación y bioerosión, se han reconocido 15 icnogéneros, de los cuales 10 han sido clasificados a nivel icnoespecífico. Todas estas trazas fósiles han sido atribuidas a la actividad de invertebrados marinos, principalmente crustáceos y anélidos en el caso de las estructuras de bioturbación, y de bivalvos, anélidos y esponjas en el caso de la bioerosión. Describiendo a partir de los diferentes afloramientos, 5 icnoasociaciones principales: A) Icnoasociación de Cylindrichnus, ligada a ambientes de plataforma externa con baja energía y baja sedimentación (probablemente los más distales en la cuenca de El Camp); B) Icnoasociación de Haentzschelinia/Ophiomorpha, ligada a facies terrígenas posiblemente depositadas en ambientes estuarinos; C) Icnoasociación de Ophiomorpha, ligadas a ambientes de plataforma interna sometidos a condiciones energéticas variables, y a mayor o menor tasa de sedimentación; D) Icnoasociación de Thalassinoides, presentes en ambientes de plataforma interna y externa; y E) Icnoasociación de Gastrochaenolites/Entobia, principalmente asociada a facies de paleoacantilado, aunque también es común en sustratos minerales biogénicos. Finalmente en función de las facies que presentan y de su localización geológica/geográfica, se propone agrupar las secciones estudiadas en dos dominios principales: A) Dominio periumbral, influenciado por el paleorelieve y el alto estructural existente (unidad Salou-Tarragona), y constituido por facies de paleoacantilado, de plataforma interna y siliciclásticas (secciones de El Miracle, Fortí de la Reina, L’Arrabassada, Sanatori, La Savinosa y Cala Romana). B) Dominio distal, dominado por una sedimentación carbonática en ambientes de plataforma interna a externa, y sin influencia de altos estructurales cercanos (secciones de Waikiki, Punta de la Móra, Tamarit, Altafulla y Torredembarra). / The aim of the present research was the study of the paleoenvironments recorded in the marine Miocene sediments from El Camp de Tarragona Basin, through the taphonomic and ichnological perspectives. In particular, it is intended to integrate the data obtained from the taphonomic analysis of the skeletal accumulations, both from invertebrates as vertebrates, with the information provided by the study of the ichnoassemblages and the ichnofabrics identified along the studied sections, in order to propose a general model to interpret the sedimentary and paleoenvironmental evolution of these sections. In addition to a general overview of the geology of El Camp de Tarragona Basin, detailed geological cartography and stratigraphy of the coastal outcrops of this basin are presented for the first time. In particular, in those sections named as El Miracle, Fortí de la Reina, L’Arrabassada, Sanatori, La Savinosa, Cala Romana, Waikiki, Punta de la Móra, Tamarit, Altafulla and Torredembarra. To include the various materials differentiated in these studied sections, four main facies associations are proposed: a) Facies related to paleocliffs consisting of heterometric conglomerates and complete oysters. Bioerosion is abundant both in lithoclasts and fossils. These deposits usually lay upon the pre-Miocene substrate, which is also intensely bored. b) Inner-platform facies, which include a variety of carbonate deposits. Large-scale, cross-bedded biocalcarenites record the presence of subtidal dune fields, while rhodophyte carbonates, and bivalve and echinoid (clypeasteroid) coquines constitute factory facies in different settings. c) Outer-platform facies are constituted by intensely bioturbated calcisiltites, which are rich in glauconite in most distal settings. d) Siliciclastic facies, which crop out very locally and consist of well-sorted fine- to medium-grained, quartzitic sandstones with large-scale cross-bedding and common bioturbation structures indicative of shallow marine conditions, or marly units related with open marine conditions. Finally, according to the facies identified and their geological/geographical location, the studied sections are enclosed in two main domains: a) Perihorst domain, whose sedimentation is highly influenced by the presence of a Mesozoic high or horst, and constituted by paleocliff, inner-platform and siliciclastic facies. b) Distal domain, dominated by carbonate sedimentation related to inner- and outer-platform facies, and without influence of close structural highs.

El estudio de sistemas fluviales mediante el análisis de testigos sedimentarios supone una oportunidad singular para comprender los patrones espaciales y temporales que rigen la dinámica de la agradación fluvial bajo la influencia de diferentes fuerzas motrices, como son la variabilidad climática o las actividades humanas. Los abanicos aluviales y deltas de los principales valles alpinos de modelado glaciar son importantes cubetas sedimentarias (Hinderer, 2001), que proporcionan registros sedimentarios de alta resolución por ser entornos relativamente estables (Schulte et al., 2008, 2009a). Este trabajo se centra en el análisis de la dinámica sedimentaria de llanuras deltaicas en los Alpes Berneses. En el valle del bajo Hasli se ha aplicado un análisis multi-proxy que incidió principalmente en el estudio de la dinámica fluvial del pasado, concretamente en los últimos 2500 años, lo que posibilitó el análisis de las interacciones del sistema fluvial con la variabilidad climática y con los cambios de usos del suelo. Los análisis realizados incluyen un estudio cronoestratigráfico y geoquímico de testigos sedimentarios. Se realizó una modelización de la agradación sedimentaria en llanuras deltaicas y una estimación de la erosión del suelo y del transporte de sedimentos en cuencas tributarias de pequeña dimensión. Los registros geoquímicos del delta del río Aare permiten identificar dos grupos de elementos principales, uno que engloba el OC y metales como el Cu, Zn y Pb, que se asocian con los horizontes orgánicos, y otro donde se agrupan los elementos químicos de materiales asociados a minerales de aluminosilicatos. Se distinguen por un lado, periodos marcados por un aumento del aporte sedimentario, asociados a fases climáticas frías y por otro lado una mayor incidencia de formación de suelos ricos en materia orgánica en periodos cálidos. La realización de un índice de concentración de metales ha permitido encontrar evidencias de fases de actividad minera durante el Periodo Romano y la Edad Media Temprana, así como un incremento generalizado en la Época Moderna. La modelización de la agradación en las llanuras deltaicas del Aare y del Lütschine ha mostrado que existe una relación directa entre las diferencias en las tasas de sedimentación de cada testigo sedimentario y el ambiente sedimentario en el que se inscribe cada uno de ellos. Las tasas de sedimentación se asocian a ambientes sedimentarios específicos: las depresiones interdistributarias se caracterizan por tener tasas de sedimentación más bajas, mientras que en las áreas proximales del delta o las más cercanas al canal se registran tasas elevadas. El análisis del volumen de material depositado y su distribución temporal en los deltas del Aare y del Lütschine indica la inexistencia de un incremento significativo de los sedimentos acumulados en los últimos 1000 años, periodo marcado por una fuerte intervención humana. Se estima que el principal motivo es la eficiente gestión hidrológica desarrollada por las comunidades locales, que han conseguido, a partir de medidas de mitigación estructurales (levées), que la mayor parte de los sedimentos transportados por los ríos Aare y Lütschine sea transferida directamente hacia el lago Brienz. Se ha efectuado un primer avance para intentar cuantificar la erosión y el transporte fluvial, mediante el modelo RUSLE y WaTEM/SEDEM, en cuencas tributarias de las llanuras deltaicas del Aare y del Lütschine. Los resultados obtenidos muestran algunas incoherencias en relación a la realidad geomorfológica, ya que son incapaces de explicar la elevada variabilidad de los procesos erosivos y de transporte en entornos alpinos. Sin embargo, se ha podido evaluar la aplicabilidad del modelo RUSLE en ámbitos alpinos, así como el análisis de la influencia del coeficiente de erosión y la importancia de los diferentes usos del suelo en la erosión potencial del suelo. / The study of fluvial systems by means of sediment cores is one of the most interesting approaches to understand the spatial and temporal pattern of river dynamics under the influence of different driving forces such as climate variability and human activities. This work focuses on the analysis of the sedimentary dynamics of two delta plains from the Bernese Alps. In the lower Hasli valley a multi-proxy paleoenvironmental analysis of fluvial and alluvial sediments was conducted, allowing the reconstruction of the interactions of climate variability in river systems and changes in land use. The research combines stratigraphical and geochemical analysis of sediment cores. Other approach focused on modeling sediment aggradation in the Hasli valley and in the Lütschine delta plain. An estimation of soil erosion and transport in tributary watersheds was also conducted in both of the mentioned delta plains. The results of the geochemical analysis from the Aare sediments showed periods of increased sediment agradation that are associated with cold climatic phases, whereas organic rich soil formation occurred during warmer periods. The development of a metal anomaly index provided evidences of phases of mining activity during the Roman Period and the Early Middle Ages, as well as a general increase of metal concentration during the Modern Era. The volume and temporal distribution of aggradation in delta plains indicates the absence of a significant increase of accumulation during the last 1000 years, despite strong human intervention. This may be due to an efficient water management by local communities that were able to implement structural mitigation measures in river channels (embankment) that bypass the majority of transported sediments towards Lake Brienz. A first approach was made in the quantification of erosion and river transport in tributary watersheds of the Aare and Lütschine delta plains. The results indicate some inconsistencies in relation to the geomorphological landforms, since they are unable to explain the high variability of erosion and transport in alpine sedimentary environments. However, the data obtained evaluate the applicability of RUSLE model in mountain regions and allowed the analysis of erosion coefficient and land use importance on the estimation of potential soil erosion.

This Thesis is devoted to the construction of global climate networks (CNs) built from time series -surface air temperature anomalies (SAT)- using nonlinear analysis. Several information theory measures have been used including mutual information (MI) and conditional mutual information (CMI). The ultimate goal of the study is to improve the present understanding of climatic variability by means of networks, focusing on the different spatial and time-scales of climate phenomena. An introduction to the main components of this interdisciplinary work are offered in the first three chapters. Climate variability and patterns are introduced Chapter 1, network theory in Chapter 2, and nonlinear time series analysis -especially information theoretic methodology- in Chapter 3. In Chapter 4, the statistical similarity of SAT anomalies in different regions of the world is assessed using MI. These climate networks are constructed from time series of monthly averaged SAT anomalies, and from their symbolic ordinal representation, which allows an analysis of these interdependencies on different time scales. This analysis allows identifying topological changes in the networks when using ordinal patterns (OPs) of different time intervals. Intra-seasonal (of a few months), inter-seasonal (covering a year) and inter-annual (several years) timescales are considered. The nature of the interdependencies is then explored in Chapter 5 by using SAT data from an ensemble of atmospheric general circulation model (AGCM) runs, all of them forced by the same historical sea surface temperature (SST). It is possible to separate atmospheric variability into a forced component, and another one intrinsic to the atmosphere. In this way, it is possible to obtain climate networks for both types of variability and characterize them. Furthermore, an analysis using OP allows to construct CNs for several time scales, and evaluate the connectivity of each different network. This selecting both time scale and variability type allows to obtain a further insight into the study of SAT anomalies. The connectivity of the constructed CNs allows to assess the influence of two main climate phenomena: ENSO and the North Atlantic Oscillation (NAO). In Chapter 6, a natural extension of the network construction methodology is implemented in order to infer the direction of the links. A directionality index (DI) is used. DI can be defined as the difference of the CMI between two time series x(t) and y(t), calculated in two ways: i) considering the information about x(t) contained in t time units in the past of y(t), and ii) considering the information about y(t) contained in t time units in the past of x(t). DI is used to quantify the direction of information flow among the series, indicating the direction of the links of the network. Two SAT datasets -one monthly-averaged and another daily-averaged- are used. The links of the obtained networks are interpreted in terms of known atmospheric tropical and extra-tropical variability phenomena. Specific and relevant geographical regions are selected, the net direction of propagation of the atmospheric patterns is analyzed, and the direction of the inferred links is tested using surrogate data. These patterns are also found to be acting on various time scales, such as synoptic atmospheric waves in the extra-tropics or longer time scale events in the tropics. The final Chapter 7 presents the main conclusions, and a discussion of future work. / El objetivo de esta tesis es la creación de redes climáticas (CN por las siglas en inglés) a partir de un conjunto global de series temporales de temperatura del aire superficial (SAT), utilizando técnicas de análisis no lineal de series temporales. Varias metodologías son aplicadas al estudio de la variabilidad climática, incluyendo la Información mutua (MI) y la información mutual condicional (CMI). El objetivo principal de esta tesis es estudiar la variabilidad climática a través del análisis de redes haciendo énfasis en los diferentes patrones espaciales y temporales del sistema climático. Una introducción a los componentes principales de este trabajo interdisciplinario se presenta en los primeros tres capítulos. La variabilidad climática y los patrones atmosféricos se introducen en el Capítulo 1, la teoría de redes en el Capítulo 2, y el análisis no lineal de series temporales, especialmente metodos en teorá de la información, en el Capítulo 3. En el Capítulo 4, la similitud estadística de las anomalías de SAT en diferentes regiones del mundo es evaluada utilizando MI. Estas redes climáticas globales son construidas a partir de series temporales de SAT promediadas a escalas de tiempo mensuales, y a partir de su representación simbólica, permitiendo un análisis de estas interdependencias en varias escalas temporales. Se identifican cambios topológicos entre las redes, como resultado de variaciones en el intervalo de construcción de losOP. Escalas intra-estacionales (unos meses), inter-estacionales (cubriendo un año) e inter-anuales (varios años), son consideradas. Se encuentra que un incremento en el espaciado de los patrones ordinales (por lo tanto, en la escala de tiempo del análisis ordinal), resulta en redes climáticas con un incremento en la conectividad en el Pacífico ecuatorial. Al contrario, el número de conexiones significativas decrece al realizar el análisis ordinal en una escala de tiempo más corta (es decir, comparando meses consecutivos). Este efecto es interpretado como una consecuencia del efecto de El Niño-Oscilación Sud (ENSO) actuando en escalas de tiempo más largas y de una mayor estocasticidad en las series temporales en escalas de tiempo más cortas. La naturaleza de las interdependencias es explorada en el Capítulo 5, utilizando datos de SAT, resultantes de un conjunto de salidas de un modelo atmosférico de circulación global (AGCM), todas forzadas por la misma temperatura de la superficie del mar (SST). Es posible separar la variabilidad atmosférica en una componente forzada y otra intrínseca a la atmósfera. De esta forma, se obtienen redes climáticas para ambos tipos de variabilidad, lo que posibilita caracterizarlas. Un análisis utilizando OP permite crear CNs para diferentes escalas temporales, y encontrar la escala de OP para la cual las diferentes redes presentan mayor conectividad. Este doble proceso de selección permitie estudiar la variabilidad de las anomalías de SAT desde un nuevo punto de vista. La conectividad de las redes climáticas así construídas permite evaluar la influencia de dos fenómenos climáticos: ENSO y la Oscilación del Atlántico Norte (NAO). Para esto, se pueden comparar las redes originales, con redes provenientes de series temporales a las que se les quitaron linealmente estos fenómenos. Un resultado clave de este análisis es que la conectividad de la red de variabilidad forzada es muy afectada por ENSO: eliminando el índice NINO3.4 (que caracteriza ENSO), se provoca una pérdida general de la conectividad en la red. El hecho de que incluso conexiones entre áreas muy alejadas del océano Pacífico ecuatorial se hayan perdido al quitar el índice, sugiere que estas regiones no están directamente conectadas sino que ambas son influenciadas por la zona dominada por ENSO, especialmente en escalas de tiempo interanuales. Por otro lado, en la red de variabilidad interna, independiente del forzado de las SST, las conexiones delMar del Labrador con el resto del mundo resultan significantemente afectadas por NAO, con un máximo en escalas intra-anuales. Aunque las conexiones no locales más fuertes resultan las forzadas por el océano, se muestra la presencia de teleconexiones asociadas con la variabilidad interna. En el Capítulo 6, una extensión natural de la metodología de construcción de redes es implementada, permitiendo inferir la dirección de las conexiones. Un índice de direccionalidad (DI), puede ser definido como la diferencia entre la CMI entre dos series temporales x(t ) e y(t ) calculada de dos formas: i) considerando la información de x(t ) contenida en τ unidades de tiempo en el pasado de y(t ) y ii) considerando la información de y(t ) contenida en τ unidades de tiempo en el pasado de x(t ). Este índice DI, se utiliza para cuantificar la dirección del flujo de información entre las series, lo que equivale a la dirección de la conexión entre los respectivos nodos de la red. Dos conjuntos de series temporales, uno promediado mensualmente y el otro promediado diariamente, son usados. Las conexiones de las redes resultantes son interpretadas en términos de fenómenos de variabilidad tropical y extratropical conocidos. Regiones específicas y relevantes son seleccionadas, la dirección neta de propagación de los patrones atmosféricos es analizada y contrastada con un test de inferencia estadística. Se encuentra que diferentes patrones de variabilidad, actúan en varias escalas de tiempo, tales como ondas sinópticas atmosféricas en los extra-trópicos o escalas de tiempo mayores en los trópicos. La dependencia de valores de DI con τ es investigada. Para la escala sinóptica (τ Ç 10 días), DI presenta una dependencia con τ, con un mínimo en los trópicos y máximos (en forma de trenes de ondas) en los extra-trópicos. Para valores mayores de τ, los links resultan ser relativamente robustos a la elección del parámetro, mostrando una conectividad alta en los trópicos y baja en los extra trópicos. El análisis demuestra la capacidad de DI de inferir la dirección neta de las interacciones climáticas, y de mejorar la compresión actual de fenómenos climáticos y de la predictabilidad climática. La red resultante está en total acuerdo con los conocimientos actuales de fenómenos climáticos, validando esta metodología para inferir, directamente de los datos, la dirección neta de las interacciones climáticas. Finalmente, el Capítulo 7, presenta las conclusiones, y una discusión de trabajo futuro.

La investigación se ha desarrollado en la región de Las Tablas, ubicada en el denominado Arco Seco de la República de Panamá. En esta región, el abastecimiento de agua potable, debido al aumento de la población, se ve afectada por diversos factores tales como la deforestación, contaminación de acuíferos, bajos caudales, etc. La complejidad geológica y la discontinuidad estratigráfica plantean la necesidad de una estrategia de exploración adecuada. Esto se debe a que las rocas cristalinas con diferentes grados de alteración presentan propiedades hidráulicas muy diferentes. Por otro lado, los acuíferos pueden estar limitados las estructuras lineales producidas por procesos de tectónicos. Es por ello que, en este estudio, se aborda el problema mediante el empleo de un concepto exploratorio diferente, integrando procedimientos geofísicos, geológicos, hidroquímicos e isotópicos. Las rocas de la zona están constituidas por secuencias volcano Sedimentarias, cuyo origen se ubica en el Cretácico. En estas se distinguen la formación Playa Venado y las de la formación Valle Riquito, de origen volcánico e intrusivo respectivamente. También se han caracterizado las litologías de la formación Macaracas de origen sedimentario. El análisis hidroquímico de los puntos de aguas seleccionados en el sector NE indica que la mayor parte de las aguas muestreadas no presenta un catión dominante. Estas se encuentran en la región intermedia con una composición cálcico-sódico-potásica con una facies bicarbonatada. Los puntos de agua seleccionados en el sector SW, en el triángulo de los aniones, al igual que en el caso del sector NE, presentan una predominancia de los bicarbonatos. Estos puntos fueron muestreados durante la estación seca. En el caso del triángulo de los cationes, no existe un catión dominante y las muestras corresponden a una mezcla de aguas magnésicas, cálcicas y sódicas-potásicas. Este primer análisis muestra que las aguas subterráneas tienen poca evolución e interacción con la roca encajante en su recorrido. Los puntos muestreados durante la estación lluviosa presentan resultados similares a los obtenidos en la estación seca. También se ha utilizado el análisis de isótopos estables), los datos obtenidos corresponden a las dos estaciones seca (abril 2006) y lluviosa (noviembre-diciembre de 2006). Estos datos indican que la concentración isotópica en las aguas superficiales y subterráneas difiere durante la época seca. Los métodos geofísicos empleados en este estudio, se seleccionaron en función de los objetivos planteados y de los medios técnicos disponibles. La combinación de técnicas de campo natural y a escala regional, como la magnetometría y la gravimetría, con los métodos geoeléctricos de detalle, han aportado información complementaria entre sí. La magnetometría ha permitido determinar las principales alineaciones estructurales y los emplazamientos de los diques intrusivos y volcánicos, mientras que la gravimetría ha contribuido además a delimitar una cuenca sedimentaria de más de 700 metros de grosor que puede considerarse un acuífero potencial. Por otro lado, los SEV's y las tomografías eléctricas han demostrado su aplicabilidad para definir la geometría de las estructuras de interés hidrogeológico. La integración de todas las técnicas de estudio aplicadas ha permitido obtener respuestas coherentes con las hipótesis planteadas para resolver el problema en estudio. En el análisis mediante el empleo de los métodos geoeléctricos, el cálculo de la respuesta de modelos teóricos facilita la interpretación de los datos de campo. Además, ayuda a comprender y resolver el problema de la equivalencia, ya que se puede incorporar información a priori o comprobar el efecto de iniciar el proceso de inversión a partir de una u otra hipótesis geológica. La adecuada selección del dispositivo electródico es esencial, ya que este en función de la sensibilidad y penetración puede dar lugar a modelos sustancialmente diferentes.

Amb la participació de l'Station d'Ecologie Experimentale Moulis - CNRS / La part primera d’aquest treball, relativa a la teoria i la metodologia, té com a objectiu l'anàlisi de les diferents possibilitats de coneixement del carst i dels seus processos, aprofundint però en la perspectiva hidrogeològica. Així s’analitza l'aportació de l'equip interdisciplinari d'hidrologia subterrània del Laboratori Subterrani de Moulis (França), tractant-se els continguts de les diferents aproximacions: hidrodinàmica, hidrogeotèrmia, hidrogeoquímica i hidrobiològica. Aquesta part primera, encara que no tingui una explícita intenció epistemològica, estableix una base per a una molt necessària i interessant recerca teòrica i epistemològica del carst, és a dir, per a un treball des de la perspectiva de la hidrologia teòrica. La segona part correspon a la recerca experimental realitzada en diferents sistemes hidrogeològics dels Pirineus de Catalunya. Les diferents unitats investigades se situen a la Val d'Aran i altes valls del Llobregat i Segre. Els exemples estudiats, com a conseqüència de la seva diferent situació, presenten característiques físiques i factors definitoris de naturalesa ben distinta. La quantificació del grau de carstificació ha estat un dels objectius bàsics en cadascuna de les unitats experimentals. En les recerques desenvolupades en aquest treball dedicat als aqüífers de l’alta muntanya dels Pirineus, es poden plantejar quatre grans aspectes d’interès: la metodologia, els resultats experimentals i el models conceptuals, les reflexions en el terreny de la hidrologia teòrica i el valor estratègic dels recursos hídrics i la seva gestió des de la sostenibilitat. La metodologia d’enfocament sistèmic es desenvolupa a partir d’una recerca hidrològica, experimental i interdisciplinària. Els resultats indiquen que els sistemes presenten característiques molt contrastades i il·lustren molt bé l’originalitat i diversitat pròpia del medi càrstic. Els exemples estudiats constitueixen una casuística que ha permès analitzar característiques molt diverses en relació amb el funcionament hidrològic i els processos: infiltració ràpida i lenta i la seva importància relativa, infiltració en pèrdues com un tipus particular d’infiltració ràpida, infiltració parcial en una conca i el tipus de complexitat que això introdueix, la influència dels tipus d’infiltració en els processos, el desenvolupament de l’epicarst i l’existència d’aqüífers epicàrstics, les implicacions que té la precipitació sigui en forma de neu o no, el paper del mantell nival segons la seva importància, l’origen i el flux del CO2 en les diferents parts de l’aqüífer, la circulació a la zona saturada en aqüífers de característiques ben diferents, la diversitat de característiques de les zones de descàrrega de cadascun dels sistemes… En un dels exemples –Moixeró– ha estat possible la recerca experimental de la circulació profunda: zona de transició i zona saturada amb punts d’observació al seu interior. També té un considerable interès l’anàlisi de la situació espacial dels processos de carstificació (dissolució) en el sistema càrstic, és a dir, si la carstificació es desenvolupa en el conjunt de sistema (carst superficial, zona no saturada i zona saturada) o bé, de forma més important, en alguna d’aquestes parts del sistema. En aquest sentit, els sistemes aranesos en general, i particularment els de Joeu i Aigüèira, permeten realitzar interessants reflexions. L’anàlisi del funcionament hidrològic en cadascun dels sistemes ha permès inferir-los una estructura característica, és a dir, conèixer i definir un esquema o model conceptual per a cada sistema o aqüífer. En definitiva, el treball realitzat ens introdueix en la diversitat i la complexitat que caracteritza el carst i l’aqüífer càrstic i aquests aspectes tenen, així mateix, un marcat interès des del punt de vista teòric i de la hidrologia teòrica. L’anàlisi de l’estructura tipus dels sistemes (binària o monàdica) i la seva relació o influència en els models hidrogeològics conceptuals que caracteritzen els sistemes; en aquest mateix sentit, la reflexió sobre l’energia i el potencial de carstificació implicats en els processos de carstificació es pot abordar a partir dels conceptes de la termodinàmica dels processos irreversibles (entropia, ordre, desordre, grau d’organització, evolució lluny de l’equilibri…). Els resultats de la hidrologia experimental introdueixen una altra perspectiva, un altre context en el que situar i utilitzar les observacions de terreny (els aspectes geològics, però sobretot els geomorfològics), que adquireixen un altre valor i profunditat. Els recursos i les reserves hídriques subterrànies avaluades en els sistemes estudiats tenen un interès estratègic des de la perspectiva de la hidrologia operativa. A més, en tots els sistemes s’ha realitzat una anàlisi de l’estructura geològica a un nivell inferior de la descàrrega natural amb l’objectiu de conèixer les possibilitats d’existència de reserves profundes. Es proposa un gestió sostenibilista d’aquests sistemes, és a dir, una utilització racional, que exigeix iniciatives de protecció i de coneixement que suposaran la realització d’un programa de cartografies hidrogeològiques (i de vulnerabilitat i de risc), així com un programa de sondeigs de reconeixement i d’experiències amb traçadors. / The first section of this thesis, which contains the theory and methodology relevant for this study, has as objective to analyse the different possibilities of knowledge of karst and its processes, giving special attention to hydrogeological perspective. Thus, the contribution of the interdisciplinary subterranean hydrology’s team of the Subterranean Laboratory of Moulis (France) is analysed, together with the contents of the different areas of study: hydrodynamics, hydrogeothermy, hydrogeochemistry and hydrobiology. This first section establishes a basis for a necessary and interesting theoretical and epistemological karst’s research; thus, for a study from the perspective of theoretical hydrology. The second section consists in the experimental research undertaken in different hydrogeological systems of the Catalan Pyrenees. The systems investigated are situated in Val d’Aran and upper valleys of the rivers Llobregat and Segre. A systemic methodology is developed from a hydrologic, experimental and interdisciplinary research. To quantify the level of karst development has been one of the principal objectives in each of the diverse experimental units. From the different researches developed in this study in relation to the high mountain aquifers of Pyrenees four areas of interest can be detected: the methodology, the experimental results and conceptual models, the ideas in relation to theoretical hydrology and the strategic value of hydric resources and its sustainable management. The results indicate that the systems present contrasted characteristics, which show the originality and diversity of the karstic environment. The study introduces us into the diversity and complexity that characterizes karst and karstic aquifers, aspects that have an important interest from the point of view of the theory and of the theoretical hydrology. The ideas about energy and karstification potential implied in karst development processes can be addressed to with the thermodynamics’s concepts of the irreversible processes, such as entropy and self-organization. The results of experimental hydrology also introduce another perspective, another context to put and use the field observations (the geological aspects, but especially the geomorphological ones), which acquires another value and depth. The resources and groundwater volumes examined in the systems studied have a strategic interest from the perspective of operative hydrology and, a sustainable management of those is proposed.

Los márgenes continentales representan una zona de fuertes interacciones entre el continente, el océano y la atmósfera. Las condiciones hidrodinámicas de estos márgenes a su vez controlan la dispersión de los sedimentos en la plataforma continental y hacia mar abierto. Dentro de los márgenes continentales, los cañones submarinos representan zonas de intercambio intenso entre el talud continental y la cuenca profunda. El material orgánico particulado transportado por los cañones, representa una fuente de alimento clave para las comunidades bentónicas profundas Dentro de este contexto y asociado principalmente al proyecto de investigación español PROMETEO se ha realizado la presente tesis, sobre el estudio de los flujos anuales de material particulado en la columna de agua dentro del sistema del cañón submarino de Blanes, el cañón submarino y su talud adyacente. El objetivo del presente trabajo es caracterizar la variabilidad temporal y espacial de los flujos de partículas y materia orgánica, así como la biodisponibilidad y el valor nutricional de dicha materia orgánica para las comunidades bentónicas de aguas profundas del margen catalán. El estudio, se centró en un período de muestreo de un año de duración, de Noviembre de 2008 a Noviembre de 2009. La medida directa de los flujos se ha realizado mediante el fondeo de 8 líneas instrumentadas dotadas de trampas de sedimento y correntímetros a lo largo de dos transectos, uno en el eje del cañón de Blanes y otro en su talud adyacente, a las mismas profundidades. La evolución temporal de los flujos de partículas muestra tres períodos distintos determinados por: i) la presencia de tormentas; ii) la convección del mar abierto y el florecimiento primaveral de fitoplancton; y iii) las entradas de aerosoles. Los resultados obtenidos muestran que los flujos de masa fueron más altos en el cañón (un orden de magnitud), en comparación con los del talud. La distribución espacial de los flujos de masa total y sus componentes principales (materia orgánica, carbonatos, ópalo y litogénicos) pone de manifiesto los contrastes entre los dos dominios fisiográficos del área de estudio (cañones vs. talud). La concentración de partículas de OC en el talud fue consistentemente más alta que en el cañón, los flujos de materia orgánica son relativamente altos dentro del cañón a pesar de que la fracción litogénica domina los flujos de masa total (hasta 80%). La materia orgánica recogida por las trampas de sedimentos en la primavera tuvo un valor nutricional más alto que a finales de otoño-invierno debido a la floración del fitoplancton. Durante este período la composición bioquímica del carbono polimérico (BPC) se caracteriza por un aumento en la contribución de lípidos en comparación con la misma observada durante el período de tormenta. De acuerdo con la teoría del aprovechamiento óptimo -optimum foraging theory de MacArtur and Pianka (1966), los resultados de este estudio sugieren que, después de los eventos episódicos de invierno, los detritívoros de aguas profundas tendrían que ingerir más detritus para cumplir con sus requerimientos de alimento lábil que durante la primavera. Llegamos a la conclusión que, si bien los cañones submarinos, como el cañón de Blanes actúan como conductos principales para el transporte de material y que después de eventos episódicos de alta energía, el suministro de alimentos lábil al ecosistema bentónico está conectado a los procesos biológicos que ocurren en la superficie del mar. Nuestros resultados confirman el papel clave ecológico de los cañones submarinos para el funcionamiento de los ecosistemas de aguas profundas, y pone de manifiesto la importancia de los cañones en la vinculación de las tormentas episódicas y la producción primaria que ocurren en la superficie del mar hasta el fondo del mar. / Continental margins represent areas of strong interactions between the continent, the ocean and the atmosphere. In continental margins, submarine canyons represent one of the most intense exchange zones between the upper slopes to the deep sea, because canyons can act as an important channel for the material to the seabed. Within this context and mainly associated to the Spanish research project PROMETEO, this thesis presents the temporal and spatial variability of total mass fluxes and bioavailability of organic matter to the deep-sea benthos in the Blanes canyon system, which includes the submarine canyon and adjacent open slope on the Western Mediterranean Sea. During one year sampling period (November 2008-November 2009), we have investigated the particles fluxes and their contents, the biochemical composition and bioavailability of particulate organic matter into the Blanes canyon system. Direct fluxes measurements were performed by 8 mooring lines equipped with sediment traps and currentmeters along two transect, Blanes canyon and the adjacent slope at the same depth. The temporal evolution of particle fluxes shows three different periods determined by the storms, open ocean convection and phytoplankton bloom and aerosol inputs. The results show that the mass fluxes were higher in the canyon (an order of magnitude). Both habitats showed an increase of total mass fluxes during autumn and winter. The spatial distribution of total mass fluxes and its main components (organic matter, carbonates, opal and lithogenic) shows the contrasts between the two domains (canyon vs. open slope). Concentration of OC particles in the open slope was consistently higher than in the canyon. Lithogenic fraction dominates the total mass flows (up 80%). We show that the organic matter collected by sediment traps in spring had higher nu-tritional value than in late autumn-winter. During this period the biochemical composition of BPC was characterized by increasing lipid contributions compared with those observed during the storm period, characterized by higher protein contents. According to the optimal foraging theory, this results suggest that after winter episodic events deep-sea detritivors would need to ingest more to fullfill their food requi-rements than in spring. We conclude that while submarine canyons, like the Blanes canyon act as major conduits for material exported from the continental shelf after high-energy episodic events, the supply of labile food to deep-sea ecosystem is connected to the biological processes occurring at the sea surface.

Tesi realitzada a l'Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC) / This dissertation is devoted to seismic tomography. I have implemented a new modelling tool for 3-D joint refraction and reflection travel-time tomography of wide-angle seismic data (TOMO3D). The reason behind this central objective is the evidence that the information based on 2-D seismic data does not allow to capture the structural complexity of many 3-D targets, and in particular that of the seismogenic zone in subduction margins. The scientific rationale for this statement, which justifies the central part of my thesis work, is based on the analysis of 2-D models obtained in the convergent margin of Nicaragua, a seismically active area where a textbook example of tsunami earthquake took place in 1992. In this application I modelled two perpendicular wide-angle seismic profiles for the characterisation of the overriding plate and the interplate fault. To do this, I applied TOMO2D, a state-of-the-art joint refraction and reflection 2-D travel-time tomography code. The inversion outcomes are two 2-D velocity models along both profiles, together with the 1-D geometry of the interplate boundary. In combination with other geophysical data measurements, namely coincident multichannel seismic profiles and gravity data, these models provide new constraints on the nature and structure of the margin, and in particular add new insights on the nucleation and propagation of the said earthquake and its tsunamigenic behaviour. Ultimately, this case study evidences the aforementioned limitations of 2-D modelling in the investigation of 3-D geological structures and phenomena. Following from this first application and with the idea of increasing the amount of data used in travel-time tomography, I focused on an a priori paradoxical phenomenon related to water-layer multiple phases, that under certain circumstances, is observed on wide-angle record sections. The interest of this study lies in the fact that this phenomenon can provide additional constraints on travel-time tomography models. First, I propose and corroborate the hypothesis explaining the apparent paradox, and then derive the most favourable geological conditions for the phenomenon to occur. Subsequently, the possibility to model this multiple-like phases is introduced in TOMO3D. The development of TOMO3D, which constitutes the core of my work, is founded on TOMO2D, from which it inherits the numerical methods for solving the forward and inverse problems. Source files have been rewritten, redefining and introducing the necessary variables and functions to handle 3-D data inversion. The tests made with the sequential version of the code emphasise the need of parallelisation for practicality reasons. Indeed, the increasing size of data sets along with the modelling of the additional spatial dimension results in computationally demanding inversions. Hence, I parallelised the forward modelling part of the code, which takes up to 90% of the computing time, with a combination of multiprocessing and message-passing interface extensions. Subsequently, the parallel version of TOMO3D is applied to a complex synthetic case simulating a subduction zone. This first 3-D application serves to evaluate the correctness of the code's programming, and as step-by-step description of the modelling procedure, with particular attention on the layer-stripping strategy used to successively model several reflectors. The outcomes demonstrate the ability of the code and the chosen inversion strategy to accurately recover the velocity distribution and the geometry of the two reflectors. Finally, TOMO3D is applied to a real 3-D wide-angle seismic data set acquired at the Pacific margin of Ecuador and Colombia to extract a 3-D velocity model of the overriding and incoming plates, which is then compared to previous results obtained with an extensively tested and used 3-D refraction travel-time tomography code (FAST). The comparison indicates that TOMO3D is more accurate than FAST but at the same time it is computationally more demanding. However, the parallelisation of TOMO3D allows using high-performance computing facilities, which is not the case of FAST or most of the existing codes. / Aquesta tesi està dedicada a la tomografia sísmica. Concretament, he implementat una eina de modelització 3D per a la tomografia conjunta de temps de trajecte de refraccions i reflexions (TOMO3D). La raó darrere d'aquest objectiu és l'evidència de que la informació basada en dades sísmiques 2D no permet copsar la complexitat de gran part dels cossos geològics, i en particular de la zona sismogènica en marges de subducció. El desenvolupament del TOMO3D es basa en el TOMO2D, un codi d'avantguarda per a la tomografia conjunta de refraccions i reflexions en 2D. Els arxius de codi han estat reescrits, redefinint i introduint les funcions necessàries per dur a terme la inversió 3D. Els testos fets amb la versió seqüencial del codi posen de manifest la necessitat de paral·lelització ja que l'increment de la mida dels conjunts de dades així com la modelització de la dimensió espacial afegida fan que les inversions siguin computacionalment exigents. La versió paral·lelitzada del TOMO3D ha sigut aplicada a un cas sintètic complex que simula una zona de subducció. Aquesta primera aplicació 3D serveix per avaluar la correcció de la programació del codi, i com a descripció pas a pas del procediment de modelització. Els resultats demostren la capacitat del codi per recuperar acuradament la distribució de velocitat i la geometria dels dos reflectors. Finalment, el TOMO3D és aplicat a un conjunt 3D de dades de sísmica de gran angle adquirit al marge pacífic d'Equador i Colòmbia per extreure'n un model 3D de la velocitat de les plaques cavalcant i subduïda, que és comparat amb el resultat obtingut amb un codi 3D de tomografia de temps de trajecte de refraccions (FAST). La comparació indica que el TOMO3D és més acurat que el FAST però al mateix temps és computacionalment més exigent. Tot i així, la paral·lelització del TOMO3D permet utilitzar plataformes de supercomputació, a diferència del que passa amb el FAST i la majoria de codis existents.

Tesi realitzada a l'Institut de Ciències de la Terra “Jaume Almera” (ICTJA-CSIC) / The multi-seismic experiments carried out under the ALCUDIA research initiative include a normal incidence and a wide-angle seismic reflection datasets. These constrain the internal architecture, the detailed crustal and lithospheric structure and, provide the necessary knowledge on physical properties across the Central Iberia Zone. The normal incidence seismic images from south to north: the suture zone of Ossa-Morena Zone (the Central Unit), the undulating Central Iberian domain, the intruded granitic bodies (the Mora Granite, the Toledo Anatectic complex, etc) up to the Toledo Fault, just south of the Tajo Basin. The study area is characterized by undulating topography characterized by a series of synclines and anticlines. The image shows a weakly reflective upper crust, ~13-18 km thick. The sinusoidal topography reflects the folding, the imbricate thrust systems, and listric extensional faults imaged by the normal incidence data. At deeper levels the image reveals arcuate and laminated events suggesting boudinage like structures. These features are disrupted in the south most probably due to the existence of the suture zone. The deep expression of the outcropping suture zone, is slightly displaced to the north with respect to its surface position and, it is imaged as an under-thrusting of a thin slice of lower crust. Towards the northern end of the transect, beneath the Toledo fault, a north dipping band of reflectivity suggest a significant thinning of the lower crust to the north. The Mohorovicic discontinuity is delineated as a sharp decrease in reflectivity at the base of the lower crust, located at ~31-33 km depth (10.5 s two-way travel-time). The wide-angle seismic reflection data acquired in early May 2012, was aimed to provide the distributions of the physical properties (P- and and S-wave velocities, densities, and Poisson’s ratio) of the crust beneath the study area. It was designed to be nearly coincident with the normal incidence profile. The obtained P- and S- wave velocity models reveal significant lateral velocity variations in the upper crust, which are consistent with the observation from the surface outcrops. The lower crust is identified by a sharp increase in velocity at ~13 km and ~20 km beneath the Central Iberian Zone and the Tajo Basin, respectively. The base of the crust is strongly constrained by the high amplitude PmP and SmS arrivals and it is located at ~31 km in the southern end and at ~35.5 km below the northern end of the wide-angle transect. The wide-angle was also used to produce low-fold P- and S-wave wide-angle stacks. This was done to take a closer look to the Moho discontinuity, and to be able to estimate the internal structure and generate synthetic seismograms in which the PmP and SmS would be qualitatively comparable to the phases observed in the shot records. This place key constraints on the structure of the Moho discontinuity beneath the Central Iberian Zone and the Tajo Basin in the Variscan orogen of the central Iberian Massif. The images reveal gradual deepening from ~31 km (10.2 s) in the Central Iberian Zone to ~35.5 km (11.8 s) beneath the Tajo Basin for the Moho discontinuity. The wide-angle seismic data and the results derived from it are compatible with the normal incidence images. / Los experimentos de multi-sísmicas realizados en el marco de la iniciativa del proyecto ALCUDIA incluyen una incidencia normal y sísmica gran angular de los conjuntos de datos de reflexión sísmica. Estos limitan las estructuras internas, la estructura detallada de la corteza y litosfera y, proporcionan el conocimiento necesario de las propiedades físicas a lo largo de la Zona Central Ibérica. Las imágenes sísmicas de incidencia normal se presentan de Sur a Norte: las estructuras de la Zona Ossa-Morena (Unidad Central), el ondulante domino Ibérico Central, los cuerpos intrusivos graníticos (Granitos de Mora, complejo Anatético de Toledo, etc.) hasta la falla de Toledo, justo al Sur de la cuenca del Tajo. La zona de estudio está caracterizada por una topografía ondulada debido a una serie de sinclinales y anticlinales. La imagen muestra una corteza inferior débilmente reflectante, ~13-18 km de espesor. La topografía sinodal refleja los pliegues, los sistemas de cabalgamientos imbricados, y fallas extensionales lístricas observados por los datos de sísmica de incidencia normal. A niveles más profundos las imágenes revelan estructuras arqueadas y laminares que sugieren estructuras como boundinage. Estas características son interrumpidas hacia el Sur, muy probablemente debido a la existencia de la zona de sutura. La expresión más profunda del afloramiento de la zona de sutura, está ligeramente desplazada hacia el Norte con respecto a su localización en superficie y, esta es vista como un cabalgamiento profundo de una fina capa de corteza inferior. Hacia el límite norte del perfil, debajo la falla de Toledo, una banda de reflectividad buzando hacia norte sugiere un adelgazamiento de la corteza inferior hacia el Norte. La discontinuidad de Mohorovicic se delimita como una fuerte disminución de la reflectividad a la base de la corteza inferior, localizada a unos ~31-33 km de profundidad (10.5 s tempo doble). Los datos de gran ángulo de sísmica de reflexión adquiridos a principios de mayo de 2012, tenían como objetivo proporcionar las distribuciones de las propiedades físicas (velocidades P y S, densidades, y el coeficiente de Poisson) de la corteza bajo la zona de estudio. Este perfil fue diseñado para ser casi coincidente con el perfil de incidencia normal. Los modelos de velocidad de P y S obtenidos revelan importantes variaciones laterales de velocidad en la corteza superior, que son coherentes con la observación de los afloramientos en superficie. La corteza inferior se identifica por un fuerte aumento de la velocidad a ~13 km y ~20 km de profundidad en Zona Central Ibérica y en la Cuenca del Tajo, respectivamente. La base de la corteza está fuertemente limitada por grandes amplitud de las llegadas de PmP y SmS y se encuentra a ~31 km en el extremo sur y a ~35,5 km por debajo del extremo norte del perfil de sísmica de gran ángulo. La sísmica de gran ángulo también se utilizó para producir low-fold stacks para las ondas P y las S. Esto se hizo para tomar una mirada más cercana a la discontinuidad de Moho, y para ser capaces de estimar la estructura interna y generar sismogramas sintéticos donde las fases PmP y SmS serían cualitativamente comparables a las fases observadas en los registros sísmicos. Esto dio lugar restricciones clave en la estructura de la discontinuidad de Moho bajo la Zona Central Ibérica y la Cuenca del Tajo en el orógeno Varisco del Macizo Central Ibérico. Las imágenes revelan una profundización gradual de ~31 km (10,2 s) en la Zona Central Ibérica a ~35,5 km (11,8 s) debajo de la cuenca del Tajo para la discontinuidad de Moho. Los datos sísmicos de gran ángulo y los resultados derivados de ellos son compatibles con las imágenes de incidencia normal.