Aplicacions del CPTU en Geociències Marines: estudi de casos de la Mediterrània

Abstract

Aquesta Tesi Doctoral tracta de l'aplicació de l'assaig de penetració in situ (CPTU) en l'estudi de les propietats geotècniques i sedimentològiques del recobriment sedimentari a quatre ambients sedimentaris de la Conca Mediterrània: la plana deltaica del delta del Llobregat, la plataforma externa i el talús superior del Golf de Lleó i el talús balear del Canal d'Eivissa, a la Conca Mediterrània Occidental, i el ventall submarí del Nil, a la Conca Mediterrània Oriental.<br/><br/>Aquest estudi es basa principalment en perfils de CPTU, altres assajos in situ com el piezòmetre i les diagrafies de pous, análisis sedimentològiques de mostres de sediment, anàlisis geotècniques de laboratori i dades geofísiques. La disponibilitat de dades a partir d'aquest ampli ventall de tècniques ha estat possible mercès a la col&#8729;laboració amb la indústria destinada a la caracterització geotècnica dels fons marins. Els perfils de CPTU obtinguts a les seqüències sedimentàries investigades han permès reconèixer el gran potencial que té aquesta tècnica en la identificació del tipus de sediment i les seves propietats geotècniques.<br/><br/>Els resultats obtinguts mostren que la resistència normalitzada i la ràtio de fricció proporcionades pels CPTU constitueixen paràmetres molt útils per al reconeixement de tendències granulomètriques. Més precisament, hom ha demostrat que la fricció constitueix un paràmetre molt útil en la detecció de variacions granulomètriques en seqüències formades per materials fins, com les del talús del Golf de Lleó. D'altra banda, els perfils de la seqüència deltaica del delta del Llobregat han mostrat que la resistència no corregida també pot ésser representativa d'alternances de materials fins i grollers.<br/><br/>Hom ha estimat l'estat de consolidació pels tres cassos d'estudi del talús continental tot i aplicant la relació empírica basada en la relació entre la ràtio de sobreconsolidació, l'esforç de preconsolidació i l'esforç vertical efectiu. Mercès a aquesta aproximació hem vist que sota el nivell de sobreconsolidació aparent que la majoria de seqüències sedimentàries marines presenten, els sediments que no han estat afectats per processos de desestabilització solen presentar sobrepressió. On hi ha paquets de materials esllavissats, com al ventall submarí del Nil, els perfils de CPTU han permès identificar el grau de sobreconsolidació dels nivells reemmotllats. Aquesta sobrepressió respon a les condicions sedimentàries i estructurals de cada indret.<br/><br/>Al Golf de Lleó, la sobrepressió està associada a nivells relativament més grollers i permeables en els que hom hi ha detectat la presència de gas. Es tracta de nivells condensats dipositats en períodes d'alt nivell eustàtic. Hom atribueix l'acumulació de gas en aquests nivells a la degradació de la matèria orgànica i/o a la migració ascendente de gas, com suggereix la presència d'un cràter d'escapament (<i>pockmark</i>) de grans dimensions a tocar del punt d'assaig. Hom associa la sobrepressió a episodis de disminució de la pressió hidrostàtica que causaren l'exsolució del gas acumulat principalment en aquests nivells condensats; exsolució que es produiria durant les fases de nivell eustàtic baix dels darrers 340 ka. En canvi, al talús balear del Canal d'Eivissa, hom associa la sobrepressió amb la presència de capes carregades de bombolles de gas, possiblement d'origen volcànic o hidrotermal.<br/><br/>Aparentment, aquest gas s'acumulà preferentment en un nivell més groller i amb menor resistència a la cisalla (nivell feble o <i>weak layer</i>), tal i com ho indiquen el perfil corresponent i valors de sensitivitat molt elevats. Hom considera que aquests dos factors precondicionants (acumulació de gas i nivell feble) expliquen el desencadenament de l'esllavissament d'Ana, i el fet particular que allà on s'ha trobat erosió no hi ha sobrepressió, la qual cosa indicaria que la sobrepressió es dissipà per l'erosió associada a l'esllavissament.

<i>The present PHD Thesis deals with the application of the in situ cone penetration test (CPTU) in the study of the physical and geotechnical properties of the sediment record at four sedimentary environments of the Mediterranean Basin: the Llobregat delta plain, the outer shelf and the upper slope of the Gulf of Lion in the western basin, and the Nile deep sea fan, in the eastern basin.<br/><br/>This study is mainly focused on CPTU profiles, other in situ tests such as the piezometer and well logs, sedimentological analyses, laboratory geotechnical analyses and geophysical data. Data availability from such a wide range of tools is thanks to the collaboration with the industry focused on the seafloor geotechnical characterization. CPTU profiles acquired in the studied sedimentary sequences allowed recognizing the large potential of the CPTU in identifying sediment type and providing its geotechnical properties. Results obtained show that CPTU derived normalised resistance and friction ratio are the most reliable parameters when interpreting grain size trends.<br/><br/>Particularly, we demonstrate that friction constitutes a promising parameter when dealing with fine&#8208;grained sedimentary successions, as we found in the upper slope of the Gulf of Lion. Moreover, CPTU profiles in the sedimentary successions of the Llobregat Delta show that CPTU direct resistance measures can be very useful when interpreting heterogeneous sediments, such as coarse levels within fine&#8208;grained sedimentary sequences.<br/><br/>We have estimated the consolidation state for the three continental slope study cases by applying the empirical approximation which defined the overconsolidation ratio as the ratio between the preconsolidation pressure and the vertical effective stress. Thanks to this approximation we observe that the below the apparent overconsolidation that characterised marine sedimentary sequences the sediments that remain unaffected by instability processes are usually underconsolidated due to the existence of overpressure. Where slided materials occur, such as those we found in the Nile deep sea fan, CPTU profiles allowed identifying the overconsolidation ratio in the remoulded sediments. Overpressure is related to particular sedimentary and structural conditions of each study case. In the Gulf of Lion, overpressure is related to coarse&#8208;grained levels where we identify gas. Such levels correspond to condensed layers that were deposited under high sea level conditions.<br/><br/>We associate the gas accumulation in these levels to the organic degradation and/or an upward gas seepage, as suggested by the existence of a close pockmark. We link the overpressure to hydrostatic pressure diminutions causing gas exsolution during prolonged periods of sea level lowering of the last 340 kyr. In contrast, at the Balearic slope of the Eivissa Channel, we link overpressure to gas charging likely of volcanic or hydrothermal origin. Apparently, the gas was preferentially accumulated in a coarser layer in which the shear strength is lower (weak layer), as suggested by the corresponding profile and high values of sensitivity. We consider both features (gas charging and weak layer) the preconditioning for the Ana slide, as well as the fact that where erosion is found no overpressure is identified, thus suggesting that overpressure was locally dissipated by the slide. </I>