A complete and reliable Seismic Soil Response prediction requires a thorough knowledge of the Geotechnical and Geological structure, as well as algorithms to find the transfer function. This fact entails a significant complexity and, consequently, strengthens empiric methods, as for instance the well-known Horizontal to Vertical Spectral Ratios (HVSR). Moreover, the long return periods of earthquakes, especially in low- to-moderate-seismicity regions as Barcelona, hinder the comparison between predictive studies and observations in case of earthquake. In these sites, methods based on ambient vibration (seismic noise) become important. In this PhD thesis the Seismic Soil Response phenomenon is approached trough new theoretical contributions and applications. The main purpose has been to provide new insights and to generate new tools to improve the comprehension and the resolution of Seismic Soil Response related problems. In this way, innovative theories as Surface Sources (DSS) and Diffuse Fields (DFA) have been applied to solve the HVSR direct problem in horizontal layered media, among others. Also, specific field studies have been performed on test sites of the Barcelona plain with three main purposes: i) to improve the knowledge of the soil by means of array techniques based on ambient vibration, ii) to provide new techniques to allow an easy and fast analysis of the lateral heterogeneities and to accurately locate soil anomalies; iii) to suggest and apply smart techniques to densify HVSR measurement sites. Thus, an innovative outcome of this work has been using Ground Penetrating Radar (GPR) for preliminary detection and characterization of anomalous subsoil sections, with special emphasis in those due to paleochannels and to seasonal streams draining rainwater in mountain-sea direction. The observed HVSR curves (one station measurements) are compared with the theoretical ones obtained from DSS and DFA. Moreover, empiric dispersion curves of the Surface Waves (array measurements) are compared with the theoretical ones corresponding to the soil layered structure. Both procedures allow to check for the suitability of the new proposed tools and, to establish the reliability of the found parameters. Thus, we have been able to increase the knowledge, resolution and reliability of the soil parameters in test sites of the Barcelona plain leading to a better knowledge of the Transfer Functions. From different configurations of the DFA formulation it has been shown that, for a specific site, the HVSR response for ambient vibration is linked to HVSR response when the source is a wave-field where every spectral component is obtained by averaging the spectral components of the records of a great number of earthquakes. When lateral homogeneity assumption fails, the horizontal layered formulations are not suitable and discrepancies between empirical and theoretical responses appear. These differences have been attributed to lateral effects. In this sense, analytical results have been obtained for a constant-section valley illuminated by a two-dimensional diffuse field. This approximation enables finding specific properties of HVSR due to lateral contacts. Finally, this work has shown the need for taking into account the detailed subsoil structure in seismic micro-zonation and risk studies, as these heterogeneities may have significant importance on seismic response. So several advanced tools based on GPR have been provided, allowing, in an easy and quick way, detecting and sizing the heterogeneous areas and suggesting sections where ambient vibration measurement should be intensified. / La predicción detallada de la respuesta sísmica del suelo requiere un conocimiento fino de la estructura geológica/geotécnica y el uso de algoritmos que permitan predecir su función de transferencia. Esto presenta una complejidad significativa y ha otorgado un peso importante a métodos empíricos, entre los que destacan las razones espectrales entre componentes horizontal y vertical (HVSR). Además, los largos períodos de recurrencia del fenómeno sísmico, especialmente en entornos de peligrosidad moderada o baja como Barcelona, complican el contraste entre los estudios predictivos y su observación en caso de terremoto. Entonces, el estudio del subsuelo basado en el análisis de la vibración ambiental (ruido) adquiere un especial interés. En esta Tesis se aborda el problema de la respuesta sísmica de suelos con nuevas contribuciones teóricas y aplicadas a la ciudad de Barcelona, que tienen por objetivo aportar nuevo conocimiento y nuevas herramientas para mejorar su comprensión y resolución. Se han presentado aplicaciones de las novedosas teorías de fuentes en superficie (DSS) y de campos difusos (DFA) para resolver el problema directo HVSR en un modelo de capas plano-paralelas, entre otras. Por otra parte se han realizado estudios experimentales específicos sobre zonas test del llano de Barcelona con tres propósitos: i) aumentar el conocimiento del subsuelo usando técnicas de estación múltiple basadas en el ruido ambiental ii) proponer técnicas nuevas que permitan analizar de forma relativamente rápida y simple la heterogeneidad lateral y localizar y dimensionar anomalías del subsuelo y iii) proponer y aplicar técnicas inteligentes de densificación de los puntos de medida HVSR. Así, un aspecto novedoso de este trabajo ha sido el uso de radar de subsuelo (GPR) para la detección y caracterización preliminar de secciones anómalas del subsuelo, con especial énfasis en las debidas a paleocanales y a cauces de riera que drenan las aguas pluviales en la dirección montaña-mar. Así, se ha obtenido modelos de suelo a partir del ajuste simultáneo de las curvas experimentales HVSR (estación simple) a la respuesta de las teorías DSS y la DFA, y de las curvas experimentales de dispersión de las ondas superficiales (redes de estaciones) a la respuesta teórica del modelo por las principales técnicas. Por un lado se ha comprobado la idoneidad de las herramientas teóricas usadas, y por otro la confiabilidad de los parámetros del subsuelo. De este modo se han obtenido los parámetros del subsuelo en las zonas test del llano de Barcelona con una buena resolución y fiabilidad, lo que, a su vez,repercute en un mejor conocimiento de las funciones de transferencia. La teoría DFA, en sus diversas configuraciones, ha permitido vincular experimentalmente las respuestas HVSR de un sitio concreto cuando se usa como fuente: i) la vibración ambiental y ii) el campo de ondas resultante de sumar un gran número de registros de sismo en el sitio, construyendo cada componente espectral a partir del promedio de las componentes de cada registro. Cuando el subsuelo no presenta homogeneidad lateral las formulaciones plano-paralelas no son válidas y aparecen discrepancias entre las respuestas, experimentales y teóricas, que se han atribuido a efectos laterales. En este sentido, se han obtenido resultados analíticos para un valle de sección constante, iluminado por un campo difuso bidimensional que muestran propiedades específicas de HVSR debidas a contactos laterales. Por último, se ha determinado la necesidad de tener en cuenta la estructura fina del subsuelo en estudios de microzonificación y riesgo sísmico, ya que sus heterogeneidades tienen una importancia significativa en la respuesta sísmica. Para ello se ha proporcionando herramientas avanzadas basadas en GPR que permiten, de forma relativamente sencilla, detectar y dimensionar las zonas heterogéneas y sugerir secciones donde sea aconsejable una densificación de los puntos de medida.

Els patrons d'eixams de dics aporten evidències sobre les condicions de paleoesforços, cinemàtica cortical i règims tectònics. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és discernir i caracteritzar en tres dimensions els patrons estructurals d‘eixams de dics magmàtics. Amb aquest objectiu s'ha dut a terme l'estudi de casos de quatre diferents escenaris geològics i dues sèries d'experiments de modelització analògica. La comparació entre els resultats obtinguts a partir dels diferents estudis de camp i de modelització ha permès avançar en el coneixement dels factors mecànics i tectònics associats a l'emplaçament i deformació de dics. Es pot fer una distinció entre patrons simples i més complexos mitjançant la comparació entre contextos geològics i tectònics diferents i mitjançant l'ajut de la modelització analògica. Els casos més simples s'han observat en contextos extensionals en l'escorça mitja-superior. Els eixams es caracteritzen per intrusions paral·leles que es propaguen al llarg de fractures perpendiculars a σ3. No obstant això, les heterogeneïtats presents en les roques encaixants, com ara diàclasis, produeixen modificacions en els patrons d'intrusió, ja que el magma utilitza determinades fractures preexistents per a la intrusió. Aquesta situació caracteritza en diferent grau els eixams d'Aiguablava (Serralada Costanera Catalana) i del SE de Sardenya. Com a conseqüència, en cada situació es dóna un patró de segmentació de dics diferent. Els models analògics reprodueixen aquest tipus de relacions i permeten comprovar aquestes diferències. Els altres dos contextos regionals estudiats (Independence Dyke Swarm a Sierra Nevada, Califòrnia, i diversos eixams de dics màfics de l'Anti-Atlas del Marroc) revelen patrons estructurals més complexos. La seva intrusió en l'escorça mitjana i, sobretot, subsegüent deformació, van tenir lloc durant esdeveniments orogènics sota condicions de major pressió litostàtica i esforços diferencials menors. Tot i que de la mateixa manera que en els casos precedents el mecanisme d'intrusió fonamental va ser la hidrofractura, les condicions tectòniques orogèniques i les propietats mecàniques del sistema dic-roca encaixant (comportament fràgil-dúctil) mostren una influència important en el desenvolupament d'estructures. És relativament comú en aquestes situacions l'aparició de sistemes conjugats de dics híbrids, així com de patrons en echelon. A més, a causa dels contrastos de competència entre dics i roques encaixants, la deformació tendeix a localitzar-se durant i després de l'emplaçament, generant foliacions i zones de cisalla. Aquest fenomen ha estat reproduït en una sèrie d'experiments analògics de deformació fràgil-dúctil al voltant de dics parcialment fosos. / Los patrones de enjambres de diques aportan evidencias sobre las condiciones de paleoesfuerzos, cinemática cortical y regímenes tectónicos. El objetivo principal de esta Tesis es discernir y caracterizar en tres dimensiones los patrones estructurales de enjambres de diques magmáticos. Para ese propósito, se ha llevado a cabo el estudio de casos de cuatro diferentes escenarios geológicos y dos series de experimentos de modelización analógica. La comparación entre los resultados obtenidos a partir de los diferentes estudios de campo y de modelización ha permitido avanzar en el conocimiento de los factores mecánicos y tectónicos asociados al emplazamiento y deformación de diques. Se puede realizar una distinción entre patrones simples y más complejos mediante la comparación entre contextos geológicos y tectónicos distintos y mediante la ayuda de la modelización analógica. Los casos más simples se han observado en contextos extensionales en la corteza media-superior. Los enjambres se caracterizan por intrusiones paralelas que se propagan a lo largo de fracturas perpendiculares a 3. Sin embargo, las heterogeneidades presentes en las rocas encajantes, tales como diaclasas, producen modificaciones en los patrones de intrusión, puesto que el magma utiliza ciertas fracturas pre-existentes para la intrusión. Esta situación caracteriza en diferente grado los enjambres de Aiguablava (Cordillera Costera Catalana) y del SE de Cerdeña. Como consecuencia, en cada situación se da un patrón de segmentación de diques distinto. Los modelos analógicos recrean este tipo de relaciones y permiten comprobar dichas diferencias. Los otros dos contextos regionales estudiados (Independence Dyke Swarm en Sierra Nevada, California, y varios enjambres de diques máficos del Anti-Atlas de Marruecos) revelan patrones estructurales más complejos. Su intrusión en la corteza media y, sobretodo, subsiguiente deformación, tuvieron lugar durante eventos orogénicos bajo condiciones de mayor presión litostática y esfuerzos diferenciales menores. Aunque del mismo modo que en los casos precedentes el mecanismo de intrusión fundamental fue la hidrofractura, las condiciones tectónicas orogénicas y las propiedades mecánicas del sistema dique-roca encajante (comportamiento frágil-dúctil) muestran una influencia importante en el desarrollo de estructuras. Es relativamente común en estas situaciones la aparición de sistemas conjugados de diques híbridos, así como de patrones en echelon. Además, debido a contrastes de competencia entre diques y rocas encajantes, la deformación tiende a localizarse durante y después del emplazamiento, generando foliaciones y zonas de cizalla. Dicho fenómeno ha sido reproducido en una serie de experimentos analógicos de deformación frágil-dúctil alrededor de diques parcialmente fundidos. / Patterns of dyke swarms provide evidences about paleostress, crustal kinematics and geotectonic regimes. The main aim of this Thesis is to discern and characterize the three-dimensional structural patterns of magmatic dyke swarms. For this purpose, case studies on four different field reference areas and two series of analogue modelling experiments have been carried out. Comparison of the results obtained from different field-based and modelling studies has allowed gaining insight into the mechanical and tectonic factors associated with the emplacement and deformation of dykes. A distinction from simple to more complex patterns could be made by comparing different tectonic cases and also with the help of analogue modelling. The simplest cases have been observed in mid- to upper-crustal extensional settings. Swarms are characterized by sub-parallel intrusions which propagate along fractures normal to 3. However, heterogeneities in the granitoid host rocks, as joints, produce modifications in the intrusion patterns, since magma may use these pre-existing anisotropies to intrude. To different extents, this situation characterizes the Aiguablava (Catalan Coastal Ranges) and SE Sardinia cases. In consequence, particular dyke segmentation patterns are characteristic of each region. Analogue models recreate this type of relations and test the differences in segmentation associated with diverse previously fractured basements. More complex structural patterns have been recognized in the other studied dyke swarms (Independence Dyke Swarm in Sierra Nevada, California and various swarms of mafic dykes in the Anti-Atlas of Morocco). Their intrusion into the mid-crust and subsequent deformation took place under higher confining pressures and lower differential stresses during orogenic events. Although the main intrusion mechanism was also hydrofracturing as in the other study cases, the particular orogenic tectonic conditions and mechanical properties of the dyke-host rock system (brittle-ductile behavior) had a large influence on the developed structures. Arrays of conjugate sets of hybrid dykes and en echelon dykes are more common in these cases. Moreover, as an effect of competence contrasts between dykes and host rocks, deformation localization structures (foliations, shear zones) developed during or after the emplacement. This situation has been reproduced in series of analogue experiments of ductile deformation around partially molten dykes in isotropic rocks.

L’anàlisi de la sedimentologia, geometria i trajectòria de diverses clinoformes deltaiques successives en estudis d'aflorament o en bases de dades de sísmica de reflexió han estat àmpliament utilitzats com una eina per a (1) inferir canvis en el nivell del mar i per a (2) interpretar els factors de control a curt i llarg termini sobre la evolució dels marges de conca, així com en la durada i tipus de transport de sediment groller des dels continents fins als oceans. Els models deposicionals, majoritàriament enfocats en la influència de l’eustatisme (acomodació) i l‘aport de sediment, principalment a partir de dades sísmiques de gran escala, mostren un menor interès/focus en l’anàlisi de fàcies i els procesos deposicionals que s’en infereixen, els quals operen en diferents posicions al llarg dels clinotemes individuals, i en l’estudi de com aquests procesos canvien amb la trajectòria i el temps. Les seqüències deposicionals de Castissent, de l’Eocè inferior (alogrup de Castissent, Pirineus sud-centrals, Espanya) consisteixen principalment, a la conca d’Ainsa, en dipòsits de barra de desembocadura i lòbuls sorrencs de front deltaic en transició a turbidites de talús, formats en un sistema de river-delta dominat per avingudes. La deposició d’aquests cossos sedimentaris va estar fortament controlada per la interacció entre fluxos hiperpícnics d’origen continental, la influència dels processos litorals sobre aquests fluxos, i l’activitat tectònica, tant local com regional, la cinemàtica sinsedimentària de la qual encara no ha estat explicada en suficient detall. La cartografia i correlació de cicles sedimentaris d’alta freqüència evidencia que aquests poden ser considerats clinotemes deltaics limitats per les seves relatives superfícies límit o clinoformes (discordances sigmoïdals), la formació de les quals estaria estrictament controlada per l’activitat tectònica. Per altra banda, els perfils sísmics d’alta resolució vinculats a dades de pou i sondejos proporcionen els mitjans necessaris per a lligar l’arquitectura deposicional (trajectòria de clinoformes) amb els processos i patrons de dispersió de sediment. L’Expedició 313 de l’IODP (Integrated Ocean Drilling Program) va perforar un grup de clinotemes del Miocè a l’offshore de Nova Jersey per tal de capturar un registre complet de varacions del nivell del mar a través de la integració d’estratigrafia sísmica, dades de pou i sondejos, i cronostratigrafia. En la base de dades de l’Expedició 313, aquesta valoració es pot efectuar a través de diferents clinotemes successius, amb els respectius anàlisis de facies i interpretacions de processos i ambients deposicionals al llarg d’un mateix clinotema (Poyatos-Moré and Hodgson, 2012; Hodgson et al., in prep.). No obstant, estudis d’aflorament com el de les seqüències de Castissent o de subsòl com el de Nova Jersey tracten sovint l’acomodació i l’aport sedimentari com un problema bidimensional, mitjancant l’anàlisi d’un perfil de marge de conca paral·lel a la direcció principal de l’aport. Els resultats d’aquests estudis han estat comparats amb la part inferior de la Formació Waterford (Conca de Karoo, Sud-àfrica), un cas d’estudi d’aflorament tridimensional d’un sistema de talús-plataforma exhumat, que permet la identificació de la posició del rollover de la clinoforma i de les associacions de fàcies al llarg de tres perfils deposicionals paral·lels a l’aport (Jones, 2013; Jones et al., 2013a and b). Aquests perfils de marge de conca de la Fm Waterford mostren tots ells trajectòries similars, tot i que amb una significativa variabilitat lateral pel que fa a la presencia de sorra al talús. D’aquesta manera, aquest estudi demostra que la variabilitat lateral en la fisiografia dels marges de conca afecta significativament a la dispersió de sediment entre ambients de plataforma, talús i fons de conca, i ha de ser per tant considerada, juntament amb el règim de processos, com a factor de control clau quan s’intenten elaborar prediccions de bypass de sediment en successions de marge de plataforma. / The analysis of sedimentology, geometry and trajectory of successive deltaic clinoforms in outcrop-based studies or in high-resolution reflection seismic datasets has been widely employed as a tool to (1) infer relative sea-level changes and (2) to interpret short and long-term factors controlling basin margin evolution and timing of coarse-grained sediment delivery from continents to oceans. Sea-level (accommodation) and sediment supply-driven models have been developed mainly on large-scale seismic data, with less focus on sedimentary facies analysis and inferred depositional processes in operation at different positions along individual clinothems, and how these process change with trajectory and time. The Lower Eocene Castissent depositional sequences (Castissent Group, South-Central Pyrenees, Spain) mainly consist, in the Ainsa basin, in mouth-bar deposits and delta front sandstone lobes in transition to slope turbidites, deposited in a flood-dominated river-delta system. Deposition of these bodies was strongly controlled by the interaction between continental-derived hyperpycnal flows, the influence of shoreline processes over these flows and the local and regional tectonic activity, whose syn-sedimentary thrust-and-fold kinematics has not been explained in enough detail yet. Field mapping and correlation of high-frequency cycles show that they can be considered deltaic clinothems bounded by clinoform surfaces (their sigmoid bounding unconformities) whose formation is strictly controlled by tectonics. Moreover, high resolution seismic profiles tied to cored and dated boreholes data provide a means to link the depositional architecture (clinoform trajectory) to sediment dispersal processes and patterns. IODP Expedition 313 cored a set of Miocene clinothems offshore New Jersey to capture a complete record of sea-level change through integration of seismic stratigraphy, core and well logs, and chonostratigraphy. In the Expedition 313 dataset, this analysis can be performed over successive clinothems, with the assessment of sedimentary facies and process-based interpretations of environments of deposition down a single clinothem (Poyatos-Moré and Hodgson, 2012; Hodgson et al., in prep.). However, some outcrop-based studies like the Castissent sequences or subsurface-based studies like the New Jersey margin commonly treat accommodation and sediment supply as a 2D problem, by analyzing a margin profile parallel to the main sediment route. The results of these works have been compared with the lower Waterford Formation (Karoo basin, South-Africa), which provides a 3D outcrop-based case study of an exhumed shelf-to-slope system that allows the identification of clinoform rollover positions and depositional facies associations along three depositional dip profiles (Jones, 2013; Jones et al., 2013a and b). These parallel basin margin profiles of the lower Waterford Formation show all broadly similar trajectories, although with a significant along-margin variability. Thus, strike variability in basin margin physiography strongly affects sediment dispersal between shelf, slope and basin floor settings and it must be therefore considered together with process regime as a key controlling factor when attempting stratigraphic predictions of sediment bypass in shelf-margin successions.

El Alto Atlas de Marruecos se formó por la inversión durante el Cenozoico de un rift continental que se formó durante el Triásico-Jurásico. El Alto Atlas de Marrakech, donde afloran principalmente materiales del basamento y del Triásico sinrift, había sido considerado como un alto o zona poco subsidente durante el rifting Triásico-Jurásico. El estudio multidisciplinario presentado en esta tesis, que integra análisis estructural y termocronología de baja temperatura, revela que el rifting Triásico-Jurásico tuvo un desarrollo completo en el Alto Atlas de Marrakech (con espesores de materiales Triásico-Jurásicos de hasta 4.5-6 km) y por tanto, sugiere que el rift del Tethys y del Atlántico estaban conectados durante el Triásico hasta el Jurásico medio-superior. El estudio de las principales cuencas Triásicas y sus fallas limitantes indican un mecanismo de apertura en extensión, siendo los movimientos direccionales menores, lo que difiere de previas interpretaciones que sugerían un modelo de apertura con movimientos direccionales importantes, incluyendo la zona de falla de Tizi n’Test. La buena exposición de las fallas y cuencas Triásicas proporciona buenos análogos de campo para la exploración en el subsuelo de sistemas extensionales de pre-sal. El análisis estructural también muestra que el rift del Alto Atlas de Marrakech fue estrecho, muy segmentado y que se desarrolló en una dirección ortogonal a la dirección de extensión regional de la época (~NW-SE), a diferencia del Alto Atlas central que desarrolló de forma oblicua. Esta diferencia en la orientación del rift la atribuyo a la indentación del macizo precámbrico del Ouzellarh (parte del Cratón Africano), que desvió la dirección general del rift evidenciando el marcado rol que ejerce la anisotropía litosférica heredada en la dirección y evolución del rift. En cuanto a los resultados de termocronología de (U-Th)He, las edades de enfriamiento de zHe del Jurásico medio-superior a Cretácico inferior obtenidas en el Alto Atlas de Marrakech indican que la subsidencia relacionada con el rift cesó en el Jurásico medio tardío, seguida por un periodo de exhumación en el que se erosionaron 2-3 km de roca. Este resultado, conjuntamente con resultados similares obtenidos por autores previos en la Meseta y el Anti-Atlas muestran una amplia área de exhumación durante esa época, siguiendo la orientación del margen Atlántico. Los modelos térmicos basados en los datos de termocronología de zHe y aHe indican que la orogenia Atlásica en las zonas internas de la cordillera empezó en el Cretácico superior. Los modelos muestran que la exhumación relacionada con la compresión se aceleró en el Oligoceno o en el Mioceno, lo cual es coherente con depósitos sinorogénicos datados anteriormente en las cuencas de antepaís periféricas. El acortamiento orogénico en el Alto Atlas de Marrakech se acomodó por pliegues de gran longitud de onda donde el basamento está involucrado, y por la creación de cabalgamientos de tipo shortcut o by-pass. Los indicadores de movimiento direccional en dichos cabalgamientos son menores. Tanto las evidencias estructurales de campo como los datos de termocronología indican que les fallas activas durante la extensión Triásico-Jurásico no fueron reactivadas en la etapa compresiva, actuando como butresses. La comparación entre las secciones estructurales actuales y la reconstrucción de las cuencas Triásicas-Jurásicas apoyada en la termocronología sugiere acortamientos mínimos totales para el Alto Atlas de Marrakech de entre 13 y 14.2 km (21% y 17% respectivamente). / The High Atlas of Morocco is an aborted continental rift developed during the Triassic-Jurassic and moderately inverted during the Cenozoic. The Marrakech High Atlas, with large exposures of basement and Triassic early syn-rift deposits, has been viewed as a morphologic high or a poorly subsiding domain during the Triassic-Jurassic rifting. The multidisciplinary approach presented in this thesis that integrates structural analysis and low-temperature thermochronology reveals that the Triassic-Jurassic rift was well developed in the Marrakech High Atlas (4.5-6 km thickness of Triassic-Jurassic deposits) and suggests that the Tethys and Atlantic rifts were connected in Triassic to Mid-Late Jurassic times. The main Triassic basins and basin-margin faults show a dominant dip-slip opening kinematics with strike-slip playing a minor role, at variance to models proposing a major strike-slip component, including faults belonging to the Tizi n’Test fault zone. Well-exposed fault and graben structures provide good analogues for the exploration of pre-salt systems in the subsurface. This multidisciplinary study also shows that the Marrakech High Atlas was a narrow and highly segmented orthogonal rift (sub-perpendicular to the main regional extension direction which was ~NW-SE), in contrast to the central and eastern segments of the Atlas rift which developed obliquely. This difference in orientation is attributed to the indented Ouzellarh Precambrian salient, part of the West African Craton, which deflected the general rift trend in the area evidencing the major role of inherited lithospheric anisotropies in rift direction and evolution. The Mid-Late Jurassic to Early Cretaceous zHe cooling ages obtained in certain areas indicate that rift-related subsidence in the Marrakech High Atlas finished in late Mid Jurassic times and was followed by a period of exhumation where nearly 2-3 km of rock were eroded. This, together with previous results in the Moroccan Meseta and Anti-Atlas, define a Mid-Late Jurassic to Early Cretaceous exhuming high following the orientation of the current Atlantic margin. Thermal models based on thermochronologic data indicate that Atlas orogeny in the inner parts of the High Atlas started in the Late Cretaceous, and compression-related exhumation accelerated since the Oligocene or Miocene, consistent with dated tectonics-sedimentation relationships elsewhere. Shortening appears accommodated by basement-involved large-scale folding, and by newly formed shortcut or by-pass thrusting, with rare left-lateral strike-slip indicators. Field structural evidence and thermochronology show that Triassic faults were mostly not reactivated, acting as buttresses. The Triassic-Jurassic basins reconstruction assisted by thermochronology and on the constrained tectonic structures, when compared with present-day cross-sections, suggests minimum values of total shortening in the Marrakech High Atlas of 13 to 14.2 km (21% to 17%).

La hidrologia històrica quantitativa és una branca emergent de les ciències de la Terra que es basa en l’ús d’informació històrica (és a dir, informació produïda per les persones: documents, imatges, limnimarques) per a reconstruir el cabal pic de riuades antigues. Aquesta ciència multidisciplinària (molt propera, en concepte, a la paleohidrologia) utilitza mètodes d’historiografia, hidràulica, hidrologia, meteorologia, climatologia, estadística i, fins i tot, de les ciències socials, i té moltes aplicacions útils, no només en la planificació del risc d’inundacions, sinó també en la recerca hidrològica bàsica. Malgrat tot plegat, la hidrologia històrica quantitativa no s’ha convertit, de moment, en una eina d’ús general a Catalunya i a la conca de l’Ebre. Aquesta tesi desenvolupa algunes de les grans possibilitats de la hidrologia històrica quantitativa tot aplicant-la en diversos casos d’estudi en diferents conques de Catalunya i la conca de l’Ebre. La conclusió final és que l’ús de la hidrologia històrica millora la prevenció i la gestió del risc de riuades, tant en conques aforades com no aforades de la zona estudiada. / Era idrologia istorica quantitativa ei ua branca emergenta des sciéncies dera Tèrra que se base en emplec d’informacion istorica (ei a díder, informacion produsida pes persones: documents, imatges, limnimarques) entà rebastir eth cabau pic d'aiguats ancians. Aguesta sciéncia multidisciplinària (fòrça propèra, en concèpte, ara paleoidrologia) emplegue metòdes d’istoriografia, idraulica, idrologia, meteorologia, climatologia, estadistica e, autaplan, des sciéncies sociaus, e a fòrça aplicacions utiles, non sonque ena planificacion deth risc d’inondacions, mès tanben ena recèrca idrologica basica. Maugrat tot aquerò, era idrologia istorica quantitativa non s’a convertit, de moment, en un utís d’emplec generau en Catalonha e ena conca der Ebre. Aguesta tèsi desvolòpe bères ues des granes possibilitats dera idrologia istorica quantitativa en tot aplicar-la en diuèrsi casi d’estudi enes diferentes conques de Catalonha e dera conca der Ebre. Era conclusion finau ie qu’er emplec dera idrologia istorica melhore era prevencion e era gestion deth risc d’inondacions, tant en conques aforades coma no aforades dera zòna estudiada. / La hidrología histórica cuantitativa es una rama emergente de las ciencias de la Tierra que se basa en el uso de información histórica (es decir, información producida por las personas: documentos, imágenes, limnimarques) para reconstruir el caudal pico de riadas antiguas. Esta ciencia multidisciplinaria (muy próxima, en concepto, a la paleohidrología) utiliza métodos de historiografía, hidráulica, hidrología, meteorología, climatología, estadística e, incluso, de las ciencias sociales, y tiene muchas aplicaciones útiles, no sólo en la planificación del riesgo de inundaciones, sino también en la investigación hidrológica básica. A pesar de todo ello, la hidrología histórica cuantitativa no se ha convertido, de momento, en una herramienta de uso general en Cataluña y en la cuenca del Ebro. Esta tesis desarrolla algunas de las grandes posibilidades de la hidrología histórica cuantitativa aplicándola en varios casos de estudio en diferentes cuencas de Cataluña y la cuenca del Ebro. La conclusión final es que el uso de la hidrología histórica mejora la prevención y la gestión del riesgo de inundaciones, tanto en cuencas aforadas como no aforadas de la zona estudiada. / Quantitative historical hydrology is an emerging branch of Earth sciences that is based on the use of historical information (that is, man-made pieces of information: documents, pictures, flood marks) to reconstruct the peak flows of long-past floods. This multidisciplinary science (which is very close in concept to paleohydrology) uses methods from historiography, hydraulics, hydrology, meteorology, climatology, statistics, and even social sciences, and is full of possible useful applications, not only in flood risk management but also in basic hydrological research. However, quantitative historical hydrology is not being generally used in Catalonia or the Ebro River basin so far. This thesis develops some of the huge possibilities of quantitative historical hydrology by applying it to several study cases in different catchments in Catalonia and the Ebro River basin. The final conclusion is that the use of historical hydrology improves flood risk prevention and management, both in gauged and ungauged catchments within the studied area.

El Océano Ártico está caracterizado por la presencia de una cobertura de hielo marino, cuya extensión varía entre verano e invierno. El hielo marino incorpora material particulado y especies químicas asociadas (nutrientes, metales, contaminantes, etc.) durante su formación en las plataformas continentales. A lo largo de su ciclo de vida, diversos procesos físicos, químicos y biológicos determinan la concentración tanto de sedimentos del hielo marino (SIS) como de las especies químicas atrapados a ellos. Durante su deriva desde la costa a la cuenca ártica, el hielo intercepta/acumula especies químicas procedentes de la atmosfera, aunque SIS también puede incorporar especies químicas disueltas del agua superficial. Finalmente, durante el deshielo las especies químicas y SIS transportados son liberados al agua. Así, el hielo marino se convierte en un importante agente de transporte y distribución. Sin embargo, se desconoce cual es la eficiencia de intercepción de flujos atmosféricos, el origen tanto de SIS como de los radionúclidos incorporados, el tiempo de transito del hielo en el Océano ártico, así como la importancia del transporte de especies químicas y SIS y su liberación en las zonas de ablación. Para responder a dichas preguntas, un grupo de radionúclidos naturales (7Be, 210Po-210Pb y 234Th) y artificiales (137Cs, 239,240Pu), caracterizados por tener sus fuentes bien definidas y diferente vidas medias, fueron analizados en muestras de precipitación, hielo marino, agua superficial y por debajo del hielo, SIS muestreadas durante ARK XXII/2 (2007) a lo largo de la Cuenca ártica central. La distribución de 7Be muestra un enriquecimiento en el hielo marino con respecto al agua superficial. Puesto que todo 7Be incorporado el hielo durante su formación se ha desintegrado durante su deriva, el flujo atmosférico aparece como la fuente más importante de 7Be en el hielo. Mediante un balance de masa se estimó que el hielo intercepta aproximadamente 30% del flujo atmosférico de 7Be. Esta estimación podría ser extrapolada para otras especies químicas atmosféricas, como nutrientes o contaminantes. Dado que el hielo intercepta/acumula 7Be y 210Pb durante su deriva, éstos también podrían ser arrastrados por SIS, y por tanto ser utilizados para estimar su tiempo de transito. La presencia de radionúclidos artificiales en SIS (240Pu/239Pu ratio atómica, en combinación con las actividades de 137Cs y 239,240Pu) permiten delimitar su origen geográfico. SIS procedentes del mar de Laptev y Kara tienen 240Pu/239Pu ratios atómicas inferiores al global fallout (0.18), mientras que SIS procedentes de las plataformas de Alaska presentan 240Pu/239Pu ratios atómicos superiores al global fallout. Los datos muestran que la mayoría de SIS en la Cuenca Euroasiática vienen de las plataformas siberianas, en concordancia con los análisis de retro-trayectorias y los principales patrones de deriva. El uso de radionúclidos en SIS como trazadores para estimar el tiempo de transito y el origen del hielo, juntamente con el hecho que SIS no contenga 234Thxs o que sólo una pequeña fracción del 7Be en SIS sea explicada por el arrastre del agua superficial si todo 210Pb en SIS viene de esta fuente, hace que la deposición atmosférica sea la principal fuente de radionúclidos en SIS. La relevancia del hielo como agente de transporte y fuente de radionúclidos en las áreas de deshielo, como el Estrecho de Fram, se demuestra en que los flujos anuales de 7Be disuelto en hielo (67±55Bq·m-2·y-1) son comparables a los input atmosféricos en esta región (113-131Bq·m-2·y-1). Además, el flujo anual de SIS en este área, calculado usando el balance de masa de 7Be y el flujo promedio anual de área de hielo a través éste, es de media 240(4.5-1700)·106 toneladas, comparable descargadas anualmente por los ríos árticos (115·106 toneladas). / The Arctic Ocean is characterized by being covered by sea ice with a large variability between summer and winter. Sea ice incorporates particles and associated chemical species (metals, nutrients, contaminants, etc.) during its formation mainly in the continental shelves, while dissolved solutes are excluded. Along the whole life cycle of sea ice, diverse physical, chemical and biological processes determine the concentration of the sea-ice sediments (SIS) and chemical species entrapped in it. During its drifts offshore to the central Arctic Basin, sea ice also intercepts/incorporates chemical species from the atmosphere although, SIS may also incorporate some chemical solute compounds from the surface waters. Eventually, transported chemical species and SIS, are released to the underlying water column during melting process. Thus, sea ice becomes an important transport and distribution agent. However, the interception efficiency of atmospheric fluxes by sea ice, the origin of the entrapped SIS and radionuclides, the transit times of sea ice in the Arctic Ocean, as well as the importance of the transport of chemical species and SIS and its release in the ablation area are all poorly understood. To address these questions, a suite of natural (7Be, 210Po-210Pb and 234Th) and artificial (137Cs, 239,240Pu) radionuclides, characterized to have well-known sources and different half-lives, were analysed in samples from precipitation, sea ice, surface water, water beneath ice and SIS collected during the ARK XXII/2 expedition in 2007 along the central Arctic. The distributions of 7Be showed enrichment in sea ice (129±90Bq·m-3) with respect to surface water (7.1±1.3Bq·m-3). Since any 7Be incorporated to sea ice during its formation has decayed during drift, the direct atmospheric flux appears as the most important source of 7Be in sea ice. A mass balance was used to calculate that sea ice intercepts about 30% of the 7Be atmospheric flux. This estimation may be extrapolated to other atmospheric chemical species, such as nutrients or contaminants. Given that 7Be and 210Pb are intercepted and accumulated during sea ice transit and may also scavenge by SIS, both radionuclides can be used to assess sea ice transit time. The presence of SIS indicates that ice floes are formed in continental shelves. The presence of artificial radionuclides in SIS (240Pu/239Pu atom ratio, in combination with 137Cs and 239,240Pu activity) allow constraining their geographical origin. SIS originating in the Laptev and Kara Seas has 240Pu/239Pu atom ratios lower than those imprinted by global fallout (0.18), while SIS originating from the Alaskan shelf present 240Pu/239Pu atom ratios greater than global fallout. Data showed that most of the SIS in the Eurasian Basin originated from the Siberian shelves, in agreement with back-trajectory analyses and main drift patterns. The evidence of using 7Be/210Pb ratio, 137Cs and 239,240Pu in SIS as tracers to estimate sea ice transit time and origin, and the fact that SIS did not contain 234Thxs or that a small fraction of 7Be activity in SIS is explained by scavenging of seawater if all 210Pb in SIS does, make the atmospheric deposition the main source of radionuclides in SIS. The relevance of sea ice as a significant transport and source of radionuclides in melting areas, such as the Fram Strait, is reflected in the annual fluxes of dissolved 7Be carried by sea ice (67±55Bq·m-2·y-1), which are comparable to atmospheric inputs in this region (113-131Bq·m-2·y-1). In addition, the annual mass flux of SIS at the Fram Strait, assessed using a 7Be mass balance and the mean annual ice area efflux through it, is on average 240 (4.5-1700)·106 tons, value comparable to 115·106 tons discharged annually by Arctic rivers.

L’estudi integrat de la hidrologia subterrània, la geologia i l’estratigrafia del ventall deltaic fòssil del massís de Sant Llorenç del Munt (Eocè, província Barcelona) ha permès definir el model hidrogeològic conceptual. Aquest contribueix a la comprensió del funcionament hidrodinàmic d’aquest tipus de sistemes, condicionats directa o indirectament per l’estratigrafia. Per a la caracterització hidrogeològica s’han realitzat diversos assajos de bombeig, s’ha estudiat l’evolució piezomètrica, s’han definit les fàcies hidroquímiques i s’han analitzat isòtops ambientals (δ2H i δ18O). A nivell geològic s’ha realitzat una cartografia a escala 1:25.000, s’han definit les unitats estratigràfiques i les seves relacions, s’ha correlacionat el registre litològic de pous i s’han elaborat 4 talls geològics del massís. S’han reconegut 10 unitats lito-hidroestratigràfiques, corresponents a diversos ambients sedimentaris. La part al·luvial esta formada per bretxa de clasts paleozoics (Bp), conglomerat clast-sostingut poligènic (Cp), conglomerat clast-sostingut carbonàtic (Cc), conglomerat matriu-sostingut poligènic (Cmp), conglomerat matriu-sostingut carbonàtic (Cmc) i gres i lutita vermells (GLv). La part marina està constituïda per conglomerat gris (Cg), gres gris (Gg), lutita gris (Lg) i calcària i marga (CM). La disposició estratificada del conjunt pren un cabussament general cap al NO. A nivell hidrogeològic s’ha constatat una permeabilitat per fracturació que desenvolupa aqüífers en conglomerat (Cp, Cc, Cg) i gres gris (Gg) classificats com a pobres, quelcom permeables. S’han establert 5 grups hidroquímics que han permès explicar l’evolució del flux al llarg del ventall deltaic, juntament amb les dades isotòpiques i estratigràfiques que han determinat les principals zones de recàrrega. El flux evoluciona des d’hidrofàcies bicarbonatades càlciques a la zona de ventall al·luvial cap a composicions enriquides en sodi i empobrides en calci cap a les parts profundes del mateix ambient. Aquests nivells aqüífers es recarreguen per precipitació directe al massís conglomeràtic. Els nivells més superficials tendeixen a ser drenats per les rieres mentre que els aqüífers més profunds es troben relativament confinats per litofàcies de gres i lutita vermells (GLv). Localment trobem conglomerats progradants que arriben fins a la part marina i recarreguen els nivells de gresos grisos de front deltaic (Gg). Les dades isotòpiques indiquen que els nivells aqüífers del front deltaic també es recarreguen a partir dels cursos d’aigua superficial. Al llarg d’aquesta unitat l’aigua s’enriqueix progressivament en magnesi i sulfat procedent de les mateixes litofàcies marines. En profunditat l’aigua subterrània es van enriquint en sodi i clor, a mida que perd calci, fins arribar als nivells aqüífers més profunds confinats per les litofàcies de lutita gris (Lg). Així, l’arquitectura sedimentària condiciona la hidrodinàmica del sistema, de manera que existeixen 4 unitats hidrogeològiques ben diferenciades. La primera unitat és un sistema aqüífer format per conglomerat de ventall al·luvial proximal (principalment litofàcies Cp, Cc). La segona unitat està formada pel cinturó de fàcies del ventall al·luvial distal (GLv) funcionant com aqüitard, tot i que puntualment hi apareguin conglomerats progradants. La tercera unitat és sistema aqüífer constituït per les fàcies de front deltaic (Cg, Gg), molt condicionada pel relleu i l’encaixament de les rieres. La darrera unitat està constituïda per les fàcies de prodelta (Lg) i funciona com aqüitard. Els principals sistemes aqüífers estan desenvolupats pel confinament de les litofàcies més permeables interdigitades amb els materials menys permeables. Aquest model hidroestratigràfic permet entendre com els principals elements estratigràfics i geològics condicionen la hidrodinàmica subterrània, permetent una millor gestió dels recursos hídrics en aquest tipus de sistemes. / El estudio integrado de la hidrogeología subterránea, la geología y la estratigrafía del abanico deltaico fósil del macizo de Sant Llorenç del Munt (Eoceno, provincia de Barcelona) ha permitido definir el modelo hidrológico conceptual. Éste contribuye a la comprensión del funcionamiento hidrodinámico de este tipo de sistemas, condicionados directa o indirectamente por la estratigrafía. Para la caracterización hidrogeológica se han realizado diversos ensayos de bombeo, se ha estudiado la evolución piezométrica, se han definido las facies hidroquímicas y se han analizado isótopos ambientales (δ2H i δ18O). A nivel geológico se ha realizado una cartografía a escala 1:25.000, se han definido las unidades estratigráficas y sus relaciones, se ha correlacionado el registro litológico de pozos y se han elaborado 4 cortes geológicos del macizo. Se han reconocido 10 unidades lito-hidroestratigráficas, correspondientes a varios ambientes sedimentarios. La parte aluvial está formada por brecha de clastos paleozoicos (Bp), conglomerado clasto-sostenido poligénico (Cp), conglomerado clasto-sostenido carbonático (Cc), conglomerado matriz-sostenido poligénico (Cmp), conglomerado matriz-sostenido carbonático (Cmc) y arenisca y lutita rojos (GLv). La parte marina está constituida por conglomerado gris (Cg), arenisca gris (Gg), lutita gris (Lg) y caliza y marga (CM). La disposición estratificada del conjunto toma un buzamiento general hacia el NO. A nivel hidrogeológico se ha constatado una permeabilidad por fracturación que desarrolla acuíferos en conglomerado (Cp, Cc, Cg) y arenisca gris gris (Gg) clasificados como pobres, algo permeables. Se han establecido 5 grupos hidroquímicos que han permitido explicar la evolución del flujo a lo largo del abanico deltaico, junto con los datos isotópicos y estratigráficos que han determinado las principales zonas de recarga. El flujo evoluciona desde hidrofácies bicarbonatadas cálcicas en la zona de abanico aluvial hacia composiciones enriquecidas en sodio y empobrecidas en calcio hacia las partes profundas del mismo ambiente. Estos niveles acuíferos se recargan por precipitación directa en el macizo conglomerático. Los niveles más superficiales tienden a ser drenados por los arroyos mientras que los acuíferos más profundos se encuentran relativamente confinados por litofacies de arenisca y lutita rojos (GLv). Localmente encontramos conglomerados progradantes que llegan hasta la parte marina y recargan los niveles de areniscas grises del frente deltaico (Gg). Los datos isotópicos indican que los niveles acuíferos del frente deltaico también se recargan a partir de los cursos de agua superficial. A lo largo de esta unidad el agua se enriquece progresivamente en magnesio y sulfato procedente de las mismas litofacies marinas. En profundidad el agua subterránea se va enriqueciendo en sodio y cloro, a medida que pierde calcio, hasta llegar a los niveles acuíferos más profundos confinados por las litofacies de lutita gris (Lg). Así, la arquitectura sedimentaria condiciona la hidrodinámica del sistema, de manera que existen 4 unidades hidrogeológicas bien diferenciadas. La primera unidad es un sistema acuífero formado por conglomerado de abanico aluvial proximal (principalmente litofácies Cp, Cc). La segunda unidad esté formada por el cinturón de facies de abanico aluvial distal (GLv) funcionando como acuitardo, a pesar que puntualmente esté atravesado por conglomerados progradantes. La tercera unidad es el sistema acuífero constituido por las facies de frente deltaico (Cg, Gg), muy condicionada por el relieve y el encajamiento de los arroyos. La última unidad está constituida por las facies de prodelta (Lg) y funciona como acuitardo. Los principales sistemas acuíferos están desarrollados por el confinamiento de las litofácies más permeables interdigitadas con los materiales menos permeables. Este modelo hidroestratigráfico permite comprender como los principales elementos estratigráficos y geológicos condicionan la hidrodinámica subterránea, permitiendo una mejor gestión de los recursos hídricos en este tipo de sistemas. / A conceptual hydrogeologic model of the fossil alluvial fan of the Sant Llorenç del Munt massif (Eocene, Barcelona province) has been defined after the integration of groundwater hydrology, geology and stratigraphy. This conceptual model contributes to a better understanding of the hydrodynamic behavior this kind of systems directly or indirectly controlled by the stratigraphy. For the hydrogeological characterization several pumping tests were conducted, the evolution of piezometric evolution has been studied, hydrochemical facies have been defined and environmental isotopes (δ2H and δ18O) have been analyzed. In terms of geology, a 1:25.000 scale mapping has been carried out, the stratigraphic units and their relations have been defined, the lithological record of wells has been correlated and four geological cross sections have been built up. 10 lito-hidroestratigraphic units have been recognized, which correspond to different sedimentary environments. The alluvial part is build up by: brecchia of Paleozoic clasts (Bp), clast-supported polygenic conglomerate (Cp), clast-supported carbonate conglomerate (Cc), matrix-supported polygenic conglomerate (Cmp), matrix-supported carbonate conglomerate (Cmc) and red sandstone and mudstone (GLv). The marine part consists of gray conglomerate (Cg), gray sandstone (Gg), gray mudstone (Lg) and limestone and marl (CM). The stratified set dips towards the NW. In terms of hydrogeology, hydraulic conductivity due to fracturing provide aquifers in conglomerates (Cp , Cc , Cg) and gray sandstone (Gg) classified as poor, somewhat permeable. 5 hydrochemical groups have been established which allow explaining the evolution of the flow throughout the fan delta. Together with isotopic and stratigraphic data the main recharge areas have been determined. The flow evolves from calcium bicarbonate hydrofacies in the area of alluvial fan to compositions enriched in sodium and reduced in calcium into the deep parts of the same environment. These aquifers levels are recharged by direct precipitation in the conglomeratic massif. The most superficial levels tend to be drained by streams while deeper aquifers are relatively confined by red sandstone and mudstone lithofacies ( GLv). Prograding conglomerates locally reach the marine levels and recharge gray sandstones of the delta front (Gg) levels. The isotopic data indicate that the aquifer levels of the delta front are also recharged by surface water. Throughout this unit water gets progressively enriched in magnesium and sulfate from the same marine litofacies. Groundwater gets progressively enriched in sodium and chlorine, as they lose calcium until reaching deeper aquifer levels that are confined by the grey mudstone litofacies (Lg). Thus, the sedimentary architecture affects the hydrodynamics of the system giving as a result four distinct hydrogeological units. The first unit is a conglomerate aquifer system that consists of proximal alluvial fan (mainly litofacies Cp, Cc). The second unit is formed by the distal alluvial fan facies (GLv) that works as an aquitard, although occasionally prograding conglomerates cut it. The third aquifer system unit is constituted by the delta front facies (Cg, Gg), highly influenced by the relief and streams entrenchment. The last unit consists of prodelta facies (Lg) that also works as an aquitard. The main aquifer systems are developed by confinement of the most permeable litofacies interfingering with less permeable materials. This hydrostratigraphic model allows understanding how the main stratigraphic and geologic elements condition groundwater flow and allow an enhanced water resource management in such systems.

No description available.

La descàrrega d’aigua subterrània al mar (SGD, en les seves sigles en anglès) es defineix com a qualsevol flux d’aigua a través del marge continental des del substrat marí cap a la columna d’aigua del mar. La SGD inclou, doncs, aigua dolça d’origen continental i aigua salada que recircula a través de l’aqüífer costaner. A banda de la seva importància en el cicle hidrològic, com a font d’aigua dolça que pot alimentar, per exemple, zones humides, la SGD és considerada una font important de diversos compostos dissolts d’origen terrestre (com ara nutrients, metalls traça o contaminants) cap a l’oceà costaner. Aquests fluxos d’elements dissolts associats a la SGD poden tenir una gran influència en els cicles biogeoquímics dels ambients costaners marins, especialment en zones oligotròfiques i regions semi-àrides, com ara el Mar Mediterrani. Malgrat la importància de la SGD pel desenvolupament dels cicles biogeoquímics marins, els estudis sobre el paper de la SGD com a font de compostos dissolts als ecosistemes costaners del Mar Mediterrani són escassos. A més, a escala de tot el Mar Mediterrani, no existeixen estimacions de la magnitud de la SGD ni dels fluxos de compostos químics associats. L’objectiu principal d’aquesta Tesi Doctoral és avaluar la importància de la descàrrega d’aigua subterrània al Mar Mediterrani, així com el paper que juga com a font de compostos dissolts al mar i la utilitat dels isòtops de radi (Ra) com a traçadors per quantificar la SGD. Amb aquesta finalitat, s’han estudiat tres ambients Mediterranis costaners amb característiques hidrogeològiques diverses: i) una zona humida litoral alimentada per aigua subterrània provinent de diversos aqüífers (Marjal de Peníscola, Castelló); ii) un port natural semi-tancat, amb descàrregues d’aigua subterrània provinents d’un sistema calcari carstificat, i influenciat per la resuspensió freqüent de sediments (Port de Maó, Illes Balears); i iii) una badia oberta al mar amb descàrrega difusa d’aigua subterrània a través d’un aqüífer detrític superficial (Badia de Palma, Illes Balears). A banda d’aquestes tres zones d’estudi, també s’ha dut a terme un estudi general a tota la conca amb la finalitat d’obtenir una primera estimació de la SGD a tot el Mar Mediterrani, així com dels fluxos de nutrients associats a aquesta descàrrega. Els resultats derivats d’aquests estudis aporten nous coneixements en l’aplicació dels isòtops de Ra com a traçadors de SGD i realcen la seva idoneïtat en un ampli ventall de sistemes amb característiques hidrogeològiques diverses. Els isòtops de Ra han estat utilitzats amb èxit per a quantificar fluxos de nutrients cap al mar i, per primera vegada al Mar Mediterrani, s’ha quantificat els fluxos de metalls traça associats a la SGD, evidenciant la rellevància de la SGD com a font d’aquests compostos en ambients marins. L’avaluació de la SGD a tota la conca ha permès estimar la descàrrega d’aigua subterrània a tot el Mar Mediterrani ((0.2 – 4.3)·1012 m3·yr-1), demostrant que la SGD és un procés rellevant a llarga escala i d’una magnitud, per exemple, superior a les entrades d’aigua fluvial. A més, s’ha estimat que la SGD representa una font important de nutrients dissolts a tot al Mar Mediterrani, d’una magnitud comparable a les fonts externes considerades tradicionalment (i.e. aportacions atmosfèriques i del rius). Aquesta nova concepció de la magnitud de la SGD i dels seus fluxos associats demostra la rellevància de la SGD en els cicles biogeoquímics del Mar Mediterrani, accentuant la necessitat d’incloure aquests procés en futurs estudis marins, tan costaners com globals. / Submarine groundwater discharge (SGD) is defined as any flow of water through the continental margin from the seabed to the coastal ocean, including fresh meteoric groundwater and seawater recirculating through coastal aquifers. SGD has been recognized as a major component of the hydrological cycle and a significant source of various dissolved terrestrial compounds (e.g. nutrients, trace metal, carbon, contaminants) to the coastal ocean. These fluxes of chemical elements via SGD may have a profound impact on the biogeochemical cycles of the receiving water bodies. This can be especially relevant in oligotrophic and semi-arid regions, such as the Mediterranean Sea. However, and despite the potential importance of SGD in regulating coastal biogeochemical cycles of the Mediterranean Sea, there is still a lack of detailed assessments on the relevance of SGD as a source of chemical constituents into this basin. Indeed, the magnitude of SGD to the entire Mediterranean basin and its associated fluxes of dissolved compounds have never been evaluated. The main objective of this PhD Thesis is to evaluate the importance of SGD in the Mediterranean Sea by using radium (Ra) isotopes, paying attention to the role that SGD plays as a source of dissolved chemical compounds to the sea and to the use of Ra isotopes as SGD tracers. To this aim, contrasting Mediterranean coastal environments were selected, including: i) a coastal wetland nourished by groundwater inflowing from several aquifers (Peníscola marsh, Castelló); ii) a semi-enclosed embayment highly influenced by bottom sediments (Port of Maó, Minorca, Balearic Islands); and iii) a detrital bay open to the sea (Palma Bay, Majorca, Balearic Islands). Aside from these three specific sites, the first appraisal of the magnitude of SGD into the entire Mediterranean Sea was also conducted, demonstrating its significance as a source of dissolved compounds in a basin-wide scale. Results from these studies provide new insights into the use of Ra isotopes as tracers to quantify SGD and underline their suitability in a wide range of Mediterranean hydrogeological settings. We successfully applied them to estimate SGD-driven fluxes of dissolved nutrients and, for the first time, trace metals to a coastal Mediterranean area, stressing the role SGD may play as a source of these constituents to the marine environment. We show that SGD is a volumetrically important process in the Mediterranean Sea, contributing up to (0.2–4.3)·1012 m3·yr-1, a magnitude that is significantly larger than riverine discharge. SGD also represents a major source of dissolved nutrients to the basin, rivaling the conventional external sources (i.e. atmospheric deposition and river discharge). This new understanding of the magnitude of SGD and its associated chemical fluxes demonstrates the profound implications of SGD in the biogeochemical cycles of the Mediterranean Sea, emphazising the need for its consideration in coastal and basin-wide studies.

Esta tesis presenta un estudio sobre la neotectónica y la dinámica de la red fluvial en dos cuencas de antepaís de las cordilleras del Atlas de Marruecos, la cuenca de Ouarzazate, situada al sur del Alto Atlas, y la cuenca de Missour, al sur del Medio Atlas. Las cuencas de Ouarzazate y Missour acumularon sedimentos durante el Neógeno, pero actualmente presentan un drenaje externo, y por tanto están en erosión. La reciente incisión fluvial ha creado un paisaje dominado por extensos depósitos fluviales y aluviales encajados, formados por sedimentos gruesos depositados durante el Pleistoceno por los ríos que drenan las montañas adyacentes. Las estructuras más frontales del frente sur del Alto y Medio Atlas emergen en el interior de las cuencas de antepaís estudiadas, deformando toda la serie del relleno sedimentario, incluso los depósitos cuaternarios, que actúan como marcadores tectónicos. Las dataciones de depósitos fluviales encajados (edades de abandono), ya existentes en la cuenca de Ouarzazate, y realizadas a propósito de este trabajo en la cuenca de Missour, constituyen un marco geocronológico para el cálculo de las tasas de deformación tectónica e incisión fluvial en las dos cuencas estudiadas. En la cuenca de Ouarzazate, donde estudios previos habían propuesto un control esencialmente climático sobre la dinámica de encajamiento de la red fluvial, se demuestra que el proceso de formación y abandono de niveles de depósitos fluviales encajados (glacis y terrazas) está frecuentemente controlado por capturas fluviales favorecidas por el “cover effect” que afecta a los ríos principales. Por otro lado, la medición de las flexiones que las estructuras tectónicas producen en los marcadores datados permite calcular tasas de deformación tectónica reciente. La comparación entre las tasas de acortamiento recientes (~0.1 mm/a) con las tasas a largo plazo (~0.04 mm/a desde el Mioceno), calculadas mediante la restitución de secciones geológicas, ha constatado un incremento de la velocidad de deformación en el frente Subatlásico. Este incremento, reconocido en una sola estructura, no representa un incremento general de la convergencia, sino el desplazamiento de la actividad tectónica hacia el antepaís probablemente debido a la variación en el campo de esfuerzos inducida por la descarga isostática causada por el vaciado erosivo de la cuenca. Además, se ha constatado la posibilidad de un terremoto de magnitud 6 en la zona de Ouarzazate, aunque con un largo periodo de recurrencia (~10 ka). En la cuenca de Missour, el estudio geomorfológico de la cuenca hidrográfica del río Moulouya desvela que la red fluvial está ajustándose a un nuevo régimen desde que la antigua cuenca endorreica conectara con el Mediterráneo. Los perfiles longitudinales de los principales cauces presentan knickpoints de dimensiones destacables, tanto en los ríos que drenan el Jebel Bou Naceur (Medio Atlas), como en los que drenan los Hauts Plateaux (margen distal de la cuenca). El salto vertical de los knickpoints que drenan el Jebel Bou Naceur, estimado en de 800-1000 metros, corresponde a suma de la incisión fluvial derivada del descenso general del nivel de base en la red fluvial principal, (500-600 metros), más el levantamiento tectónico del Medio Atlas respecto a la cuenca de Missour (300-400 metros). Los depósitos aluviales datados en la cuenca de Missour también han sido utilizados cómo marcadores para determinar las tasas recientes de deformación tectónica e incisión fluvial, dando como resultado valores equiparables a los obtenidos en la cuenca de Ouarzazate. Los nuevos datos aportan información sobre cómo fueron los primeros estadios de erosión en la cuenca de Missour / This thesis presents a thorough study about the neotectonics and the dynamics of the Quaternary river network in two foreland basins of the Atlas Mountains of Morocco, the Ouarzazate basin and the Missour Basin. These basins are located to the south of the High and Middle Atlas respectively, and accumulated terrestrial sediments during the Neogene. Now they show an external drainage, and therefore are in a state of erosion. The recent fluvial incision has created a landscape dominated by extensive and embedded (terrace) levels of fluvial and alluvial deposits of Pleistocene age, consisting of coarse sediments deposited by rivers draining the adjacent mountains. The tectonic structures of the southern front of the High and Middle Atlas emerge within the foreland basins, deforming the entire sedimentary series, even the Quaternary deposits, which act as markers for neotectonic deformation. Cosmogenic dating of embedded fluvial deposits (abandonment ages), which were previously available in the Ouarzazate basin, and acquired in this work in the Missour Basin, provide a geochronological framework for calculating rates of tectonic deformation and fluvial incision in both foreland basins. In the Ouarzazate basin, where previous studies have proposed a climatic control on the dynamics of the river network, it is shown that the aggradation and abandonment of the embedded levels of fluvial deposits (glacis and terraces) is often controlled by fluvial piracy, which is favored by the "cover effect" that affects trunk streams. On the other hand, the measurements of tectonic flexures affecting dated surfaces (tectonic markers) allow obtaining reliable values of recent tectonic rates of individual structures. The comparison between the recent (~0.1 mm/yr) and long-term shortening rates (~0.04 mm/yr since the middle Miocene), calculated by restoring geological sections, attests an increase of deformation rates in the frontalmost structure of southern High Atlas, emerging in the Ouarzazate basin. This increase is local and does not necessarily represent a general increase in convergence rates at the plate scale, but the displacement of tectonic activity toward the foreland is probably due to variation in the stress field induced by the isostatic discharge caused by the erosional emptying of the basin. In addition, I note the possibility of an earthquake of magnitude 6 in the region of Ouarzazate, albeit with a large quiescence period (~10 ky). In the Missour Basin, a geomorphological study reveals that the Moulouya basin river network is adjusting to a new regime since the basin became externally drained and connected to the Mediterranean. There are knickpoints of remarkable large dimensions in the longitudinal profiles of both the main rivers draining the Middle Atlas and the ones draining the Hauts Plateaux (distal margin of the basin). These knickpoints are preserved in lithological contrasts and have been created by two different mechanisms: incision in the lower reaches of rivers induced by the base level drop, estimated at 500-600 meters, and tectonic uplift of the Jebel Bou Naceur (Middle Atlas) with respect the Missour Basin, estimated at 300-400 meters. The alluvial deposits dated in the Missour Basin have been used to determine recent fluvial incision and tectonic rates of tectonic deformation, which are comparable to the ones calculated in the Ouarzazate basin. The new data acquired provide information about the first stages of erosion in the Missour basin, which were controlled by a fast base level drop.