DIPLOMADO LANDSCAPE EVOLUTION MODELS ACROSS THE GEOLOGICAL TIME: APPLICATIONS OF QUANTITATIVE GEOMORPHOLOGY MODELADO NUMÉRICO DE LA EVOLUCIÓN DEL PAISAJE A TRAVÉS DEL TIEMPO GEOLÓGICO: APLICACIONES DE LA GEOMORFOLOGÍA CUANTITATIVA Jean Braun1 Mauricio Bermúdez2,3 1 Université Joseph Fourier, Grenoble-Francia 2 Universidad de Ibagué, Colombia 3 Universidad Central de Venezuela Semester/Semestre: 2016-III Duration: one week from 07-11 June 2016 (Prof. Jean Braun) Duración: una semana del 07 al 11 de Junio de 2016 (Prof. Jean Braun)

Información sobre el diplomado: contactar a Mauricio Bermúdez [email protected]

Evolución del paisaje a través del tiempo (Braun & Willett, 2013) Braun, J., and Willett, S.D., (2013). A very efficient O(n), implicit and parallel method to solve the stream power equation governing fluvial incision and landscape evolution: Geomorphology, v. 180-181, p. 170-179.

I. Introduction/Introducción By solving various evolution equations, geomorphologists now attempt to predict the evolution of landforms (valleys, hillslopes, ...) with the objectives of understanding the processes by which they form and the rate at which these processes operate. We will first review the basic models

(equations) that are currently used to model surface processes in a variety of environments and time scales. We will then focus on the stream power law that governs the long‐term evolution of river profiles and how it is solved numerically. We will then use FASTSCAPE a code recently developed (Braun and Willet, 2013) to solve this equation and that is user friendly and efficient to illustrate the theory and prepare the students in the use of numerical methods in geomorphology. The course will be taught in English with simultaneous translation in spanish. Al resolver varias ecuaciones de evolución, los geomorfólogos ahora intentan predecir la evolución de las formas terrestres (valles, laderas, ...) tratando de entender los procesos por los cuales se forman y la velocidad a la que estos procesos operan. En este curso primero se revisarán los modelos básicos (ecuaciones) que se utilizan actualmente para modelar procesos superficiales en una amplia variedad de entornos y escalas de tiempo. Posteriormente se centrará el curso en la derivación de la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (USLE) y su adaptación a ls expresiones de Índices de Poder de Flujo ("Stream Power Index") que rige a largo plazo la evolución de los los perfiles de los ríos, la incisión fluvial y la forma en que ésta se calcula numéricamente. Posteriormente se empleará el código FASTSCAPE (Braun y Willet, 2013) un código desarrollado recientemente por el Prof. Jean Braun. El curso además de mostrar las distintas ecuaciones que cuantifican la tasa de evolución del paisaje, también trata de preparar a los asistentes en el uso de métodos numéricos aplicados a la geomorfología. El curso será dictado en inglés por el Prof. Jean Braun y en español por Mauricio Bermúdez, incluye una salida de campo al parque los nevados de forma de afianzar diferentes parámetros geomorfológicos. II. Pre-requisite/Prerequisitos Pre-requisite: a basic knowledge of partial differential equations (what they mean, not how they are solved) and basic computer skills; basics of geomorphology will be taught during the first lecture Who can attend the course? Professionals in the field of earth science, geology, geophysics, geomorphology, biology, soil science, risk management (volcanological, geological, seismic, climate), students of careers related to environmental sciences (environmental management, environmental biology, etc. ). The course includes a field trip day to Los Nevados National Park where there is the highest concentration of volcanoes in the Central Cordillera of Colombia Conocimiento básico de las ecuaciones diferenciales parciales (¿qué es lo que ellas significan?), familiarización con herramientas computacionales básicas, conocimiento de algunos conceptos sobre geomorfología, aunque esto último será proporcionado los primeros dos días del curso. ¿Quiénes pueden asistir al curso? Profesionales en el área de ciencias de la tierra, geología, geofísica, geomorfología, biología, edafología, gestión de riesgos (amenazas vulcanológicas, geológicas, sísmicas, climático), estudiantes de carreras afines a las ciencias ambientales (administración ambiental, biología ambiental, etc).

El curso incluye una salida de campo de un día al Parque Nacional Los Nevados donde existen la mayor concentración de volcanes en la Cordillera Central de Colombia III. Objectives/Objetivos a) Familiarize the participants with the basic concepts of geomorphology b) Provide basic concepts of (revised, modified) universal soil loss equation (USLE, RUSLE and MUSLE) c) Show how the equations mentioned above are adapted and transformed to the Stream Power Index d) Show to participants many applications about these methods e) Familiarize students with various numerical codes and routines designed to estimate different geomorphological measures using Geographical Information Systems (GIS). a) Familiarizar a los asistentes con los conceptos básicos de geomorfología b) Proporcionar conceptos básicos de ecuaciones universales de pérdida de suelo USLE, RUSLE y MUSLE c) Mostrar cómo las ecuaciones antes mencionadas son adaptadas y transformadas a la ecuación de Índice de Poder de Flujo (Stream Power Index) d) Familiarizar a los asistentes con las distintas aplicaciones que puede hacerse del uso de los métodos antes mencionados e) Familiarizar al estudiante con diversos códigos numéricos y rutinas diseñadas bajo ARCGIS que permitan la estimación de diferentes medidas geomorfológicas. IV. Methodology/Metodología The course is theoretical-practical, which is expected at the end of this, each assistant would be able to describe equations and theoretical models governing quantitative geomorphology theories. Also we expected each participant can developed scientific projects involving relationships among tectonic and climate processes. El curso es de tipo teórico-práctico, donde a la final se espera que cada asistente además de conocer las distintas ecuaciones y modelos teóricos que rigen la geomorfología cuantitativa, los procesos tectónicos y las variables de tipo climática puedan diseñar experimentos sencillos en áreas de particular interés para el asistente. V. Assessment/Evaluación The evaluation will be continuous and will be headed by Prof. Mauricio Bermudez, the assessment includes the development of a computational project where participants try to estimate different geomorphological measurements from digital elevation models at different scales. For this purpose the following programs are used: FastScape, ArcGIS, Matlab, WhiteBox (former TAS), GRASS, and R. CIDRE: La evaluación será de forma continua y estará a cargo del Prof. Mauricio Bermúdez, la evaluación comprende el desarrollo de un proyecto computacional en donde los asistentes traten de estimar diferentes medidas geomorfológicas a partir de modelos digitales de elevación a

diferentes escalas. Para esta finalidad se emplearán los siguientes programas: FastScape, ArcGIS, Matlab, WhiteBox (antiguo TAS), GRASS, CIDRE y R. VI. Course Content/Programa detallado 1. Introduction to different types of geomorphological system: eolian, river, glacial, structural, volcanic, denudational, marine, karst and anthropic 2. Routing flow a) Introduction b) Algorithms c) Implementation of algorithms for estimating mass movements d) Contaminant transport in channel bed sediments 3. The advection/difussion/wave equations a) analytical and numerical methods b) erosional decay of ancient orogens c) Modeling the fluvial-geomorphic response of mountain building 4. USLE, RUSLE, MUSLE and SPI (Stream Power Index) equations a) Landscape evolution models with FASTSCAPE b) Some applications along Los Andes (Venezuela, Central Cordillera of Colombia). Orinoco basin (Venezuela, Colombia) river. 1. Introducción a los distintos tipos de ambientes geomorfológicos: Eólico, fluvial, glacial, estructural, volcánico, denudacional, marino, cárstico, y antrópico 2. Enrutamiento de flujo a) Introducción b) Algoritmos c) Aplicación de algoritmos para la estimación de movimientos en masas d) Transporte de contaminantes en canales de ríos 3. Ecuación de advección/onda a) Métodos analíticos y numéricos b) Decaimiento erosional de orógenos c) Modelado de la respuesta fluvial-geomorfológica al levantamiento orogénico 4. Ecuación USLE, RUSLE, MUSLE y SPI (Stream Power Index) a. Modelado de procesos de evolución del paisaje con FASTSCAPE b. Algunas aplicaciones a lo largo de Los Andes (Venezuela, Cordillera Central de Colombia). Cuenca del río Orinoco (Venezuela, Colombia). VII. Distribution of the course by days/Distribución del curso por días Content for the course (could be slightly modified to adapt to attendees' knowledge or expectations):

Day one: - General introduction on modeling of geological processes - Landscape evolution as an example of such a process (key questions) - Basic equations for landscape evolution as an example of PDEs - Spatial discretisation (triangular, rectangular and irregular meshes) - Basic methods to solve PDEs (finite difference, finite volume, finite elements) - Time integration, explicit vs implicit - The need and advantages/disadvantages of solving systems of algebraic equations Day two and three: Each participant will write his/her own landscape evolution model, using his/her own laptop computer and any computing language he/she is familiar with (Matlab, R, python, C, Fortran, etc.). Several steps are involved; each of them will be used to introduce a concept in numerical modeling (mentioned below in parentheses): - Definition of the problem (equation to be solved, boundary conditions, initial condition, etc.) - Setting up arrays, constants (basic language, memory assignment, etc.) - Finding the receiver array, ie. deciding the direction of water flow on the landscape (do loops, conditions) - Inverting the receiver array to find the donor array (indirect addressing of arrays) - Building the stack or order in which the solution is calculated on the landscape (recurrence) - Computing the drainage area (integral calculation by summation) - Solving the landscape evolution equation (differentiation and explicit vs implicit time integration) - Outputting the solution (graphics) - Analyzing the solution (extract information from arrays) Day four: - We will complete the landscape evolution model by adding a diffusion solver to represent hillslope processes - In the afternoon we will use the model and/or the official FastScape distribution to investigate the behaviour of a landscape subjected to erosion - This will include: how drainage density is controlled by diffusion processes; model the propagation of knickpoints; retreat vs down wearing of escarpments; etc. Day five: Visit to the Ibagué fault system and surrounding volcanic chains, discussion in the field of major geomorphological features. The course will end on a discussion between participants and the lecturer on topics of interest to the participants. Día uno - Introducción general al modelado de los procesos geológicos - Evolución del paisaje como un ejemplo de tal proceso (preguntas claves) - Ecuaciones básicas para la evolución del paisaje como un ejemplo de EDP

- Discretización espacial (triangular, rectangular y mallas irregulares) - Métodos básicos para resolver EDPs (diferencia finita, volumen finito, elementos finitos) - Integración a lo largo del tiempo, explícita vs implícito - La necesidad y ventajas / desventajas de la resolución de sistemas de ecuaciones algebráicos Día dos y tres: Cada participante escribirá su propio modelo de evolución del paisaje, utilizando su propia computadora y cualquier lenguaje de computación con el que esté familiarizado con (Matlab, R, python, C, Fortran, etc.). Varios pasos están involucrados; cada uno de ellos se utilizará para introducir un concepto en el modelado numérico (mencionado a continuación entre paréntesis): - Definición del problema (ecuación a resolver, las condiciones de contorno, condición inicial, etc.) - La creación de matrices, constantes (lenguaje básico, la asignación de memoria, etc.) - Encontrar el conjunto de receptores, es decir. decidir la dirección del flujo de agua en el paisaje (hacer ciclos, condiciones) - La inversión de la matriz de receptores para encontrar la matriz de donantes (direccionamiento indirecto de matrices) - La construcción de la pila o el orden en el que la solución se calcula sobre el paisaje (recurrencia) - Cálculo del área de drenaje (cálculo integral mediante la suma) - Resolver la ecuación de evolución del paisaje (la diferenciación y la integración explícita vs implícita a través del tiempo) - Salida de la solución (gráficos) - El análisis de la solución (información extracto de matrices) Día cuatro: - Vamos a completar el modelo de evolución del paisaje mediante la adición de un solucionador de difusión para representar procesos de ladera - Por la tarde vamos a utilizar el modelo y / o la distribución oficial FastScape para investigar el comportamiento de un paisaje sometido a la erosión - Esto incluirá: cómo la densidad de drenaje es controlada por procesos de difusión; modelar la propagación de knickpoints; retiro versus disminución de escarpes; etcétera Día quinto: Visita a la zona de fallas de Ibagué, visitas a cadenas volcánicas circundantes y discusión en campo de principales rasgos geomorfológicos El curso finalizará en un debate entre los participantes y el conferencista sobre temas de interés para los participantes. El contenido del curso es dinámico y puede ser modificado ligeramente de acuerdo a las expectativas de los participantes y grado de conocimiento: VII. REFERENCES/REFERENCIAS Beaumont, C., Kooi, H., Willett, S., (2000). Coupled tectonic-surface process models with applications to rifted margins and collisional orogens. In Geomorphology and Global Tectonics, Summerfield MA (ed.). Wiley: Chichester; 29–55.

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Jean Braun: Professor. Licence en Physique de l’Université de Liège, Belgique (1979-1983). PhD in Geophysics and Oceanography, Dalhousie University, Halifax, Canada (1983-1988). Post-doctoral Fellow, Research Fellow, Fellow, Senior Fellow, Professor, The Australian National University, Canberra, Australia (1989 - 2004). Professor: Université de Rennes 1, France (2004-2009). Université Joseph Fourier, Grenoble-France (2009-present). Chaire d’Excellence Senior de l’Agence Nationale de la Recherche (2005-2009). Fellow, Canadian Institute for Advanced Research since 1993. Senior Member Institut Universitaire de France since 2010. Author of 108 papers and two (02) books. Interest of research: Numerical modeling of geological processes, tectonics, geomorphology, thermochronology, mantle dynamics, etc. Mauricio A Bermúdez: Docente e Investigador Escuela de Geología, Minas y Geofísica, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela. Docente e investigador Universidad de Ibagué, Colombia, Adjunct Faculty, Syracuse University, Estado de Nueva York, Estados Unidos. Doctor en Ciencias de la Tierra, 2010, Université Joseph Fourier, Francia. Master en Matemáticas, 2002, Universidad Central de Venezuela (UCV). Licenciado en Matemáticas, 1998, Universidad Central de Venezuela (UCV). Intereses de investigación: Geomorfología, geología estructural, tectónica, termocronología cuantitativa, geoestadística. Análisis de Cuencas. Cuantificación de la exhumación y erosión mediante termocronología por trazas de fisión in-situ y detrítica. Matemáticas y Estadística aplicadas a las Ciencias de la Tierra.