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Analisis fisico de la distribucion espacial de los monticulos del deposito de avalancha de escombros localizado en el area de las nereidas, flanco occidental del volcan nevado del Ruiz.

PHYSICAL ANALYSIS OF THE SPATIAL DISTRIBUTION OF HUMMOCKS FROM THE DEBRIS AVALANCHE LOCATED IN THE AREA OF NEREIDAS, WEST FLANK OF NEVADO DEL RUIZ VOLCANO

INTRODUCCION

Los volcanes son sistemas dinamicos y sus procesos representan una amenaza para las poblaciones que se encuentran a su alrededor. Aunque se ha avanzado en la comprension de la dinamica de los volcanes aun no se ha documentado mucho sobre destructivas avalanchas de escombros (AE) en los flancos volcanicos (USGS, 1981; Yoshida et al., 2012). Las erupciones volcanicas a menudo muestran precursores tales como cambios en los volumenes de gas emitidos, en sismicidad o en la deformacion del suelo asociada al ascenso de magma hacia la superficie; pero desafortunadamente, el colapso del edificio volcanico no esta asociado directamente a estas senales y por lo tanto representa una mayor amenaza.

Un importante ejemplo del colapso de un edificio volcanico ocurrio en 1980 cuando el sector norte del Monte Santa Helena (Estados Unidos) colapso, como consecuencia su cumbre se redujo en 500 m de altura y el edificio volcanico perdio cerca de un tercio de su volumen. Antes de este evento los depositos de avalancha de escombros (DAE) eran interpretados como depositos de lahares o de flujos piroclasticos, e incluso como morrenas (Ui et al., 2000).

Existe un creciente interes en investigar las caracteristicas fisicas de las AE y las diferencias que se producen en cuanto a la distribucion espacial de los DAE, el volumen de roca transportada y la movilidad de la AE en diferentes volcanes, con el objetivo de entender la dinamica de las AE y estimar su magnitud. Sin embargo, debido al colapso en si mismo y a la erosion posterior, los DAE comienzan a desaparecer y es dificil obtener evidencia geologica y geomorfologica del evento. En este sentido, los monticulos se convierten en una importante alternativa ya que son rasgos geomorfologicos de pequena escala que permanecen en el tiempo, distribuidos a lo largo del curso de la AE (Yoshida et al, 2012).

El Volcan Nevado del Ruiz (VNR) es uno de los estratovolcanes activos mas representativos de la Cordillera Central Colombiana, se localiza dentro del Complejo Volcanico Cerro Bravo--Cerro Machin. Debido a su relevancia e importancia en el contexto geologico y social de nuestro pais se estudiaron los probables DAE ubicados en la zona conocida como Las Nereidas al W del VNR. No se tiene conocimiento acerca de estudios o registros concretos de estos DAE. De manera relevante, en cuanto a investigaciones en la zona se encontro que Thouret et al. (1990) sin mayor detalle senalan en un mapa la existencia de una cicatriz relacionada a una AE ubicada en el flanco del W del VNR con orientacion en direccion W hacia la Quebrada Nereidas.

MARCO TEORICO

Avalanchas de escombros

Las AE son enormes masas de rocas deslizandose a velocidades superiores a 250 km/h. Se generan, entre otros, cuando un edificio volcanico colapsa, lo cual es provocado normalmente por la intrusion de magma nuevo, una explosion freatica o un terremoto (Ui et al, 2000).

Los DAE estan caracterizados por dos facies de deposito, la primera incluye bloques de escombros y la segunda incluye una matriz de escombros. La facies de bloques se compone de grandes cuerpos de roca fracturados. La facies de matriz es una mezcla de grano fino de fragmentos volcanicos derivados de diversas partes del volcan fuente (Ui et al, 2000).

Bajo las leyes de friccion de Coulomb, materiales granulares deben dejar de moverse horizontalmente a distancias 1,6 veces la altura de colapso. En contraste, si se desliza un volumen de 1 [km.sup.3] de roca este alcanza distancias 10 a 15 veces mas grandes que su altura de colapso, esta es una de las propiedades mas desconcertantes en el estudio de la dinamica de las AE (Shea and van Wyk de Vries , 2010). Se han propuesto diferentes modelos para explicar esta discrepancia con respecto a las predicciones teoricas (Shea and van Wyk de Vries, 2010). Campbell (1989) y Takarada et al. (1999) proponen el modelo de plug flow, el cual es el modelo mas ampliamente aceptado (Yoshida et al., 2012). Este modelo indica que cuando un material con un alto limite de elasticidad (es decir, que no se deforma facilmente) se desliza, casi toda la cizalla se confina a sus bordes y su base, con la mitad de la cizalla total concentrada en el 8% mas bajo del material en movimiento, su centro permanece casi sin deformarse y el material es simplemente empujado hacia adelante en masa. Esto explica las grandes distancias alcanzadas y adicionalmente la sutil relacion estratigrafica que se ha observado se preserva dentro de los DAE. El alto limite de elasticidad sugiere que se mueve sobre un colchon de aire comprimido o que el material de grano fino dentro de la AE puede adquirir propiedades fluidas por el aire atrapado y arrastrado (Francis et al., 2004).

Caracteristicas geomorfologicas de las avalanchas de escombros

Las superficies de los DAE muestran dos morfologias principales. Las primeras son monticulos con bases circulares o elipticas, y las segundas son crestas. Shea and van Wyk de Vries (2010) senalan que los monticulos se forman cuando las rocas que se deslizaron son heterogeneas. En general las AE producidas por el colapso del edificio volcanico dan lugar a una morfologia de anfiteatro en la fuente y monticulos en la superficie del deposito (Ui et al, 2000).

Shea et al. (2008) estudiaron los monticulos de DAE en el Volcan Mombacho (Nicaragua) y observaron que en general grupos de monticulos alineados, que reflejan una direccion preferente, coinciden con la direccion de transporte de la AE.

Coeficiente de friccion y movilidad de la avalancha

La relacion H/L es el coeficiente de friccion de la roca en contacto con el suelo, donde H es la altura de colapso y L es la distancia horizontal maxima recorrida. Generalmente 0,06 < H/L < 0,2 para AE producto del colapso de un edificio volcanico, relacion menor a la encontrada en las avalanchas no volcanicas de tamano similar (Ui et al., 2000). La movilidad de la avalancha (L/H) es reciproco del coeficiente de friccion (Yoshida et al., 2012).

[FIGURA 1 OMITIR]

Relacion tamano del monticulo--distancia a la fuente

Entre los parametros que expresan el tamano de un monticulo el mas confiable es el area de la base ya que es poco afectada por los cambios del terreno posteriores a la ocurrencia de la AE. Yoshida et al. (2012) encontraron una ecuacion que relaciona el tamano final de los monticulos (A) sobre la superficie de deslizamiento y su distancia a la fuente (D).

A - [alfa] [e.sup.(-[beta]*D)] Ecuacion 1

Donde [alfa] es el intercepto de una expresion de regresion lineal e indica el tamano promedio inicial de los monticulos a 0 kmde distancia, y [beta] es la pendiente de la expresion de regresion que indica la tasa de decrecimiento en el tamano de los monticulos con la distancia.

LOCALIZACION DEL AREA DE ESTUDIO

El area de estudio corresponde a la zona conocida como Las Nereidas, donde drenan el rio Molinos, la quebrada Nereidas y el rio Claro, a lo largo del flanco W del VNR (FIGURA 1).

DATOS Y METODOS

El trabajo de campo se enfoco en la medicion de tres parametros fundamentales, area de la base, altura y localizacion de los monticulos. Primero, se determino la localizacion y el perimetro de la base de cada monticulo usando un receptor manual de GPS, simultaneamente se realizo un registro fotografico a partir del cual se determino la altura (h) (FIGURA 2). Los perimetros de las bases de los monticulos fueron digitalizados como poligonos usado ArcGIS[TM], sobre una ortofoto de la zona de estudio. A partir de estos poligonos se calculo el area de la base (A) y la distancia (D) de cada monticulo a la fuente de la AE (FIGURA 3).

[FIGURA 3 OMITIR]

A partir de los datos de altura (h) y area (A) se calculo el volumen de cada monticulo. Geometricamente se aproximo cada uno a la forma de un cono (FIGURA 4), siendo el volumen (V) igual a 1/3 del area de la base por la altura:

V = 1/3 A.h Ecuacion 2

Para calcular la movilidad de la avalancha (L/H) y su reciproco, el coeficiente de friccion (H/L), H se definio como la diferencia entre la altura de la fuente del colapso y la posicion terminal de la avalancha (posicion del monticulo mas lejano observable), y L como la distancia horizontal entre la posicion terminal de la avalancha y la fuente del colapso (Yoshida et al, 2012). El procedimiento descrito se aplico a 281 monticulos observados.

[FIGURA 4 OMITIR]

RESULTADOS

Distribucion espacial de los monticulos, direccion de transporte y posible fuente

La distribucion espacial de los monticulos se observa en la FIGURA 5, los poligonos amarillos corresponden a cada monticulo en vista de planta. Siguiendo la metodologia de Shea et al. (2008), se definieron grupos de monticulos que mostraban un patron de alineacion y elongacion en una direccion preferente (siluetas rojas, FIGURA 5). Estos grupos identificados coinciden con la direccion de transporte de la AE. Se definieron 30 tendencias compuestas por grupos de 2 a 9 monticulos. La distribucion espacial y la direccion de transporte de los monticulos indican que la fuente de la AE tiene un origen al SE de la zona de estudio. Como fuentes alternativas del deposito, se utilizaran la cicatriz de DAE orientada en direccion W hacia la quebrada Nereidas identificada por Thouret et al. (1990) y el Crater Arenas del VNR.

Relacion area--distancia

Los poligonos sobre la ortofoto de la zona permitieron obtener el area de la base de cada monticulo. Se hallaron las distancias horizontales entre cada posible fuente y el centro de cada monticulo. Posteriormente se construyeron graficas semi-logaritmicas de la distancia a cada fuente en funcion de distribucion del area (FIGURA 6). Los monticulos muestran un amplio rango de areas para todas las distancias. Se calculo una regresion lineal que indica que el area de los monticulos decrece exponencialmente con la distancia. Aplicando los metodos usados por Yoshida et al. (2010), se dividio el curso de la AE en lapsos de 500 m, para cada lapso se calculo la mediana del area de los monticulos y la mediana de la distancia de los monticulos a la fuente. La mediana se uso porque no es afectada por datos extremos, por lo que es mas representativa que la media, para los datos obtenidos de los monticulos (Triola, 2006). Los datos contenidos en los lapsos muy proximales a la fuente y los lapsos muy lejanos, fueron excluidos del analisis de regresion lineal debido a que el numero de monticulos era muy pequeno.

La relacion entre el area de los monticulos y su distancia a la fuente esta descrita por la funcion A = [afa] [e.sup.(-[beta]*D)]. Los resultados se resumen en la TABLA 1. El valor absoluto del coeficiente de correlacion senala como la fuente mas probable es la cicatriz identificada por Thouret et al. (1990).

[FIGURA 5 OMITIR]

[FIGURA 6 OMITIR]

Volumen de la masa colapsada y area cubierta

A partir de los datos de area de la base y altura de los monticulos, se aplico la ecuacion V = 1/3 A.h para determinar el volumen de cada monticulo individual. La suma total de los volumenes calculados corresponde a un volumen de masa colapsada de 5,05 x [10.sup.-3] [km.sup.3].

Asumiendo como mejor fuente la cicatriz propuesta por Thouret et al. (1990), siguiendo la direccion de transporte inferida y la geomorfologia del area, y considerando la distribucion general de los monticulos, se definio el area total cubierta por estos depositos (FIGURA 5) que se estima es de 47,7 [km.sup.2].

Movilidad y friccion

La distancia vertical H recorrida por la AE se definio como la diferencia entre la altura de la fuente del colapso y la altitud terminal de la AE (altitud del monticulo mas lejano). Dado que la fuente se encuentra a una altura de 5.000 m y el monticulo mas alejado a la fuente esta a una altura de 2.375 m, se calcula que H=2,6 km. La distancia horizontal L recorrida por la AE definida como la distancia horizontal entre la posicion terminal de la AE y la fuente del colapso, fue determinada como L=17,8 km. En consecuencia, la movilidad de la avalancha (L/H) es igual a 6,8 y el reciproco coeficiente de friccion (H/L) tiene un valor de 0,15.

DISCUSION

Fuente de la avalancha

Una revision bibliografica de los trabajos realizados en la zona de interes permitio reconocer que hasta el momento no se ha realizado ningun tipo de trabajo que indique la existencia en el area de DAE. Thouret et al. (1990) plantean la existencia de una morfologia en forma de anfiteatro en el sector occidental del volcan, asociando esta geoforma a la cicatriz dejada por el deslizamiento de una AE, lo que se constituye en la unica evidencia que hasta el momento se halla identificado en la zona la ocurrencia de un evento de este tipo.

Yoshida et al. (2012) senalan en su trabajo sobre las AE que existe una fuerte correlacion entre el tamano de los monticulos y su distancia a la fuente. En este sentido, el coeficiente de correlacion de -0,8643 que se obtuvo, senala como fuente mas plausible la cicatriz reconocida por Thouret et al. (1990), en comparacion a otra fuente como el Crater Arenas.

Dinamica de la avalancha

La orientacion de los grupos de monticulos identificados refleja que localmente la AE se movilizo en multiples direcciones (flechas en la FIGURA 5), estos cambios pudieron ser inducidos por controles topograficos. La direccion general de trasporte a lo largo del curso de la AE fue en sentido noroccidente. En las regiones centro y norte de la zona de estudio, la distribucion espacial de los monticulos y las direcciones de trasporte identificadas reflejan que existio un control topografico importante, los monticulos se ubicaron principalmente entre los cauces de la quebrada Nereidas y el rio Molinos. Alli se observa como las direcciones de transporte divergen en dos sentidos, la AE se extiende en forma de abanico como es intuitivo, pero la distribucion espacial de los depositos se ve limitada al norte por una gran barrera topografica. En el sector proximal a la fuente algunos monticulos se emplazaron sobre formas topograficas de pendiente alta lo que sugiere una gran energia de deslizamiento de la AE. En la region sur de la zona, la distribucion espacial de los monticulos y su orientacion reflejan que el transporte estuvo controlado por el cauce del rio Claro y por una barrera topografica notoria ya que los monticulos divergen a lado y lado de esta. Por ultimo, en la region terminal de la AE las direcciones de trasporte cambian drasticamente, los monticulos son escasos y su orientacion es mas aleatoria debido a que en este punto la energia ha disminuido.

La forma de los monticulos individuales es variable e irregular, el tamano de la base es mayor en el extremo proximal del deposito y disminuye hacia el extremo distal. El area esta correlacionada negativamente con la distancia a la fuente siguiendo una funcion exponencial de la forma A = [3.757,3116.sup.e(-0,1933*D)] (FIGURA 6, TABLA 1).

Cuando una masa volcanica colapsa se rompe en bloques mas pequenos, que sufren adicional rompimiento durante el deslizamiento hasta su emplazamiento. Debido a que los monticulos estan compuestos por tales masas de roca, el area inicial de los monticulos a 0 km de distancia que se calculo como 3.757,3116 [m.sup.2] es equivalente al tamano de los bloques que inicialmente fueron generados en la fuente.

Se calculo un coeficiente de friccion (H/L) igual a 0,15 que, segun senalan Ui et al. (2000), se encuentra dentro del rango de 0,2 y 0,06 que corresponde efectivamente a una AE producto del colapso de un edificio volcanico. Esta informacion es de gran importancia en terminos de prevencion de este tipo de eventos. Con la relacion entre H y L es posible establecer zonas de riesgo para futuras AE. Si conocemos la altura de la que colapsaria la masa de rocas volcanicas, en terminos generales, se podria estimar la distancia maxima de desplazamiento.

La movilidad de la avalancha (L/H) es igual a 6,8; dicho de otra manera, la distancia maxima alcanzada por la AE fue 6,8 veces mayor que la altura de colapso. Esta particular relacion se explica mediante el Modelo de plug-low; la gran distancia alcanzada se debe presumiblemente a que durante el deslizamiento la roca se mueve sobre un colchon de aire comprimido y/o el material de grano fino dentro de la avalancha adquiere propiedades fluidas debido al aire atrapado y arrastrado durante el movimiento. La movilidad calculada es menor en comparacion a avalanchas de caracteristicas similares (H similares, ocurridas en estratovolcanes) (TABLA 2). Yoshida et al. (2012) senalan que la movilidad esta relacionada con la tasa de decrecimiento que en este caso se obtuvo igual a -0,1933. Es decir, este valor tan pequeno indica que debido a la gran movilidad de la avalancha fue poca la ruptura de los bloques generados inicialmente al colapsar la masa de roca.

Magnitud y edad de la avalancha

La AE se extendio cubriendo un area de 47,7 [km.sup.2] y transporto un volumen de roca estimado de 5,05 x [10.sup.-3] [km.sup.3] hasta una distancia maxima de 17,8 km, deslizandose desde una altura de colapso de 2,6 km. En comparacion con otros DAE estudiados en otras partes del mundo (TABLA 2), en donde el volumen se calculo a partir la cicatriz en la fuente, el volumen que se estimo es comparativamente mucho menor, lo que indica estaria subestimado posiblemente debido a que en ausencia de mayor informacion sobre de la fuente, el volumen se calculo aproximando los monticulos a una forma conica. Esto causaria un valor subestimado ya que las formas de los monticulos varian de uno a otro siendo en algunos casos de cimas redondeadas. Adicionalmente, se desconoce el volumen de material erosionado y no se calculo el volumen de los depositos bajo los monticulos, que tienen una morfologia aproximadamente plana y de los cuales se desconoce su espesor.

En comparacion con el DAE "Holoceno" del Volcan Socompa que transporto un volumen de roca de 15 [km.sup.3] una distancia de 35 km y es considerada una de las AE mas grandes del mundo, se concluye que los DAE en Las Nereidas corresponden a una AE de magnitud menor.

Grand y Handszer (1989) senalan la existencia de un flujo piroclastico en la zona de Las Nereidas que denominaron la Ignimbrita de Rio Claro-Molinos. En cuanto a su geomorfologia describen extensas mesetas de pendiente suave hacia el W formadas por los depositos de flujo piroclastico, disectados por el rio Claro, el rio Molinos y la quebrada Nereidas. Proponen una edad para las ignimbritas de 40.000 a 90.000 anos basada en una datacion obtenida por el metodo de huellas de fision. Thouret et al. (1990) le asigna a este flujo piroclastico una edad K-Ar de 200.000 anos. Como se menciono antes, los cauces de los rios Claro y Molinos, y la quebrada Nereidas controlaron la direccion de transporte de la AE. En este sentido, los DAE debieron haberse emplazado posterior a la ocurrencia de los depositos de ignimbritas, es decir, deben tener una edad menor a 40.000 anos.

CONCLUSIONES

Se documentaron aspectos geomorfologicos y se calcularon parametros fisicos de los monticulos ubicados al occidente del VNR en el sector conocidos como Las Nereidas, utilizando ArcGIS[TM], el software matematico MATLAB[TM] y analisis estadisticos.

Los DAE ubicados en el sector de Las Nereidas corresponden a una AE de magnitud menor (en comparacion con el DAE "Holoceno" del Volcan Socompa) ocurrida hace menos de 40.000 anos, que se movilizo en sentido NW. La masa de roca colapso desde una altura de 2,6 km, donde los bloques creados tenian un area inicial de 3.757,3 [m.sup.2], dichos bloques fueron muy poco fracturados a lo largo del deslizamiento, el cual ocurrio horizontalmente por una distancia de 17,8 km, es decir 6,8 veces mayor que la altura de colapso, cubriendo un area total de 47,7 [km.sup.2].

Todos los datos documentados en esta investigacion representan un aporte importante al conocimiento de la zona occidental del VNR. La correlacion negativa entre el tamano de los monticulos y su distancia a la fuente, la particular relacion entre la altura de colapso y la distancia maxima recorrida por los DAE revelan informacion de la magnitud y movilidad de la avalancha, que a menudo son dificiles de estimar a partir de las geoformas conservadas en la fuente. En este sentido, la informacion documentada aqui permite no solo entender mejor la dinamica de las AE, sino estimar el peligro y alcance de futuros eventos.

DOI: http://dx.doi.org/10.18273/revbol.v38n2-2016006

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan su agradecimiento al Departamento de Geociencias, a la Facultad de Ciencias, y a la Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogota, por el apoyo logistico y academico para la realizacion de este trabajo. Igualmente agradecen a ISAGEN por suministrar los datos de topografia de alta resolucion y por apoyo logistico en campo. Los comentarios y sugerencias de dos revisores anonimos contribuyeron a mejorar el trabajo.

REFERENCIAS

Campbell, C. S. 1989. The stress tensor for simple shear flows of a granular material. Journal of Fluid Mechanics, 203: 449-473.

Francis, P., and Oppenheimer, C. 2004. Volcanoes. Oxford University Press, New York, 521p.

Grand, M., y Handszer, A. 1989. Naturaleza y dinamica de un flujo piroclastico en la zona de Nereidas, departamento de Caldas. Trabajo de Grado, Universidad de Caldas, 136 p.

Shea, T., van Wyk de Vries, B., and Pilato, M. 2008. Emplacement mechanisms of contrasting debris avalanches at Volcan Mombacho (Nicaragua), provided by structural and facies analysis. Bulletin of Volcanology, 70: 899-921.

Shea, T., and van Wyk de Vries, B. 2010. Collapsing volcanoes: the sleeping giants' threat. Geology Today, 26: 72-77.

Takarada, S., Ui, T., and Yamamoto, Y 1999. Depositional features and transportation mechanism of valley-filling Iwasegawa and Kaida debris avalanches, Japan. Bulletin of Volcanology, 60: 508-522.

Thouret, J.C., Cantagrel, J., Salinas, R., and Murcia, A. 1990. Quaternary eruptive history of Nevado del Ruiz (Colombia). In: S.N. Williams (Ed), Nevado del Ruiz Volcano, Colombia, I. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 41: 225-251.

Triola, M. 2006. Estadistica. Pearson, Mexico, 872p.

Ui, T., Takarada, S., and Mitsuhiro, Y 2000. Debris avalanches. In: Encyclopedia of Volcanoes, Sigurdsson, H., Houghton, B., McNutt, S. R., Rymer, H., and Stix, J. (Eds), Academic Press, San Diego, 1442p.

United States Geological Survey-USGS. 1981. The 1980 eruptions of Mount St. Helens, Washignton, Geological Survey Professional Paper 1250. Lipman, P.W., and Mullieaux, D.R (Eds). United States Government Printing Office, Washigton D. C, 873p.

Yoshida, H., Sugai, T., and Ohmori, H. 2010. Longitudinal downsizing of hummocks by the freely-spreading volcanic debris avalanches in Japan. The Quaternary Research, 49: 55-67.

Yoshida, H., Sugai, T., and Ohmori, H. 2012. Size-distance relationships for hummocks on volcanic rockslide-debris avalanche deposits in Japan. Geomorphology, 136: 76-87.

Trabajo recibido: diciembre 20 de 2014

Trabajo aceptado: septiembre 18 de 2015

Manuscrito publicado en internet: noviembre 20 de 2015

Laura Vanessa Velasquez-Rocha (1); John Jairo Sanchez-Aguilar (1)

(1) Departamento de Geociencias. Universidad Nacional de Colombia--Sede Bogota, Colombia. Cra 30 45-03, Edificio 224. lvvelasquezr@unal.edu.co, jjsancheza@unal.edu.co
TABLA 1. Resultados de la relacion entre el area--distancia
para las dos posibles fuentes.

Fuente            [alfa]      [beta]    Coeficiente de
                                         correlacion

Cicatriz        3.757,3116   -0,19333      -0,8643
Crater Arenas   3.039,0545   -0,09919      -0,3174

TABLA 2. Comparacion entre los depositos de avalancha
ubicada al occidente del Volcan Nevado del Ruiz en la zona
de Las Nereidas y otros depositos ubicados en otras partes
del mundo. (1) Ui et al. (2000). (2) Este trabajo.

Depositos          Altura   Distancia   H/L    L/H      Volumen
                   H (km)    L (km)                   ([km.sup.3])

1956--              2,4        18       0,13   7,5        0,8
Bezymianny (1)

Pungarehu--         2,6        31       0,08   11,9       7,5
Taranaki (1)

1980--St.           2,55       24       0,11   9,4        2,5
Helena (1)

Las Nereidas (2)    2,6       17,8      0,15   6,8       0,005
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Author:Velasquez-Rocha, Laura Vanessa; Sanchez-Aguilar, John Jairo
Publication:Boletin de Geologia
Date:Apr 1, 2016
Words:4433
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