INTRODUCCIÓN.
La erosión del lecho de un río, por el sedimento transportado por el mismo río, es un factor muy importante en el encajamiento de ríos en valles. Ya en 1877 Gilbert desarrolló su teoría acerca de la influencia que debiera de tener la carga de sedimento en esta erosión. Sin embargo, no fue hasta 2001 que esta teoría fue probada con datos experimentales. Aunque la teoría se ha desarrollado para ríos superficiales, con solo unos ligeros cambios también es válido para la erosión en cuevas. Por esta razón doy aquí un resumen del artículo original, escrito en inglés. La palabra “bedrock” significa “roca (rock) del lecho (bed) del río” y en este significado es usado en este artículo, por ser una palabra mucho más compacta que su traducción en español.
Hay que tener en cuenta la erosión ocasionada por eventos meteorológicos catastróficos, para una correcta interpretación de la importancia de los resultados del experimento en ríos naturales. Finalmente, se menciona algunas consecuencias para la erosión dentro de galerías subterráneas.
TEORÍA CUALITATIVA DE GILBERT.
Hace más de 130 años, Gilbert (1877) ha sido el primero en suponer que la cantidad de sedimento que es transportado por un río, influye en la erosión de su lecho de dos maneras contrarias. De un lado el sedimento es usado para erosionar el bedrock (roca del lecho del río) y al otro lado el sedimento tapa esta roca y de este modo evita su erosión. Según su teoría la máxima erosión de un río debe de ocurrir con una cantidad de sedimento moderada. Si hay muy poco sedimento, no hay “herramientas” para erosionar el bedrock. Si hay demasiado sedimento el bedrock está tapado, lo que impida su erosión. Según Gilbert, también debe de influir el tamaño del sedimento. Porque son las piedras grandes que se acumulan en el lecho del río, tapándolo y impidiendo su erosión, mientras el sedimento fino (arena y arcilla) suele ser transportado en suspensión, contribuyendo poco o nada a la erosión del lecho.
EXPERIMENTOS DE SKLAR Y DIETRICH.
INTRODUCCIÓN.
Por increíble que parezca, las teorías del siglo pasado contribuyeron la erosión del bedrock principalmente a factores como el pendiente y el caudal de un río y no fue hasta 2001 que Sklar y Dietrich demostraron en unos experimentos tan simples como ingeniosos, la influencia del sedimento en la erosión del bedrock. El experimento demostró las siguientes relaciones:
La relación entre la erosión por sedimento y la dureza del bedrock.
La relación entre la erosión por sedimento y la dureza del sedimento.
La relación entre la erosión por sedimento y la cantidad de sedimento.
La relación entre la erosión por sedimento y el tamaño del sedimento.
DESCRIPCIÓN DEL “MOLINO DE EROSIÓN” USADO EN EL EXPERIMENTO.
Sklar y Dietrich inventaron un aparato muy sencillo para medir la erosión de diferentes clases de roca. La traducción de su nombre sería como:”molinillo de erosión”, y su modo de funcionar es bastante auto-explicativo (figura 1).
Un disco de roca con un diámetro de 22 cm, es fijado al suelo de un cilindro del mismo diámetro. Este cilindro está lleno de agua hasta una altura de 49 cm y el agua dentro del cilindro se mueve en círculos “empujado” por un propulsor. Las cifras exactas no son muy importantes, pero son las medidas que han usado.
La figura 1 muestra el “molino de erosión”, con todas sus dimensiones.
En el cilindro se ha introducido una cantidad de sedimento. El agua que se mueve en círculos transporta el sedimento y de este modo el disco es parcialmente erosionado. El experimento se mantiene durante un tiempo y después el disco es pesado para determinar cuanta roca se ha erosionado.
LA RELACIÓN ENTRE LA EROSIÓN POR SEDIMENTO Y LA DUREZA DEL BEDROCK.
El proceso descrito arriba es repetido con 22 discos de roca natural (entre ellas cuarcita, granito, caliza, arenisca y pizarra) y 6 discos de hormigón.
De todas estas rocas su fuerza tensile (una medida de resistencia contra rotura) es determinado.
Resulta que la resistencia contra la erosión es proporcional con el cuadrado de su fuerza tensile (figura 2). Esto quiere decir que es mucho más difícil de erosionar una roca dura que una roca blanda. Desde luego que esto coincide con la lógica, pero en este caso han sido capaz de determinar la relación cuantitativa exacta.
Por ejemplo, una roca que tiene una fuerza tensile 5 veces mayor que otra roca, tiene 25 veces más resistencia contra la erosión.
La figura 2 muestra la relación entre la fuerza tensile de la roca y su grado de erosión (en gramos por hora). Se puede ver que la erosión de una caliza es más rápido que la erosión de una cuarcita. La relación exacta es E = 7.7 Ft-2.
LA RELACIÓN ENTRE LA EROSIÓN POR SEDIMENTO Y LA DUREZA DEL SEDIMENTO.
Para determinar la influencia que puede tener la litología del sedimento, se han repetido el experimento, pero con sedimentos diferentes (sedimento de cuarcita, arenisca, caliza, etc.).
Resulta que la resistencia contra la erosión sigue siendo proporcional con el cuadrado de su fuerza tensile, y además que la erosión es mayor usando un sedimento más duro. Un sedimento que consiste de cuarcita causará mucho más erosión que un sedimento que consiste de caliza, independiente de la naturaleza del bedrock.
LA RELACIÓN ENTRE LA EROSIÓN POR SEDIMENTO Y LA CANTIDAD DE SEDIMENTO.
Para determinar la influencia de la cantidad de sedimento se han repetido el mismo experimento, pero en cada repetición con un poco más de sedimento.
Resulta que al principio la erosión aumenta con el aumento de sedimento, pero que después de cierta cantidad la erosión disminuye con el aumento de sedimento hasta llegar a ser imperceptible (figura 3), coincidiendo con un suelo totalmente tapado.
La erosión es máxima cuando el suelo está solo parcialmente tapado, es decir una alternancia de claros y tapados.
La figura 3A muestra la relación entre la erosión y la cantidad de sedimento. La erosión tiene un máximo para una cantidad de aproximadamente 200 gramos de sedimento. La erosión es imperceptible por 1000 gramos de sedimento. La figura 3B muestra la superficie que es tapado según la cantidad de sedimento.
LA RELACIÓN ENTRE LA EROSIÓN POR SEDIMENTO Y EL TAMAÑO DEL SEDIMENTO.
Para determinar la influencia del tamaño del sedimento se han repetido el mismo experimento, manteniendo la misma cantidad de sedimento (es decir el mismo peso), pero aumentando en cada repetición el tamaño de los granos o fragmentos del sedimento usado.
Resulta que la erosión aumenta con el tamaño del sedimento (figura 4), pero solo mientras el flujo es capaz de mover los fragmentos. Si los fragmentos son tan grandes que un arroyo no los puede mover, lógicamente no hay erosión.
RESUMEN DE LOS RESULTADOS.
Los cuatro experimentos han demostrado lo siguiente:
Primero: Independiente del sedimento usado, cuanto más dura es la roca más resistente es contra la erosión.
Segundo: Independiente del bedrock, cuanto más duro es el sedimento usado, mayor es la erosión del bedrock.
Tercero: La erosión es máximo cuando el suelo solo está tapado parcialmente.
Cuarto: Cuanto más grande es el tamaño de los granos o piedras que constituyen el sedimento, mayor es la erosión del bedrock, siempre que la corriente es capaz de mover el sedimento.
La figura 4 muestra la relación entre la erosión y el tamaño de los granos del sedimento. La masa del sedimento es constante y en este caso 70 gramos. Llega un momento que la corriente no puede mover los granos y por lo tanto no hay erosión.
EROSIÓN OCASIONADA POR EVENTOS CATASTRÓFICOS.
Los experimentos cuantitativos de Sklar y Dietrich han confirmado las ideas de Gilbert acerca de la importancia de la carga de sedimento que lleva un río.
Con los resultado de este experimento en mano se ha propuesto que la situación más favorable para la erosión del bedrock (encajonamiento del río) sería un bedrock parcialmente cubierto con sedimento relativamente grueso (gravilla y cantos rodados), es decir con una cobertura de sedimento moderada (como también ha postulado Gilbert).
Sin embargo, no hay que subestimar la importancia de los eventos catastróficos. Es normal que arroyos y ríos tienen a veces un caudal muy superior a los máximos anuales, causados por condiciones meteorológicos muy extremos (por ejemplo, una tormenta con una descarga de cientos de litros de lluvia por metro cuadrado, lluvias muy intensivas durante semanas, deshielo abrupto de grandes masas de nieve o una combinación de circunstancias). La frecuencia de un caudal extremadamente elevado puede variar de unas pocas veces al siglo hasta menos de una vez por siglo.
Las consecuencias de una crecida excepcional son muy marcadas, frecuentemente se han documentado que todo el sedimento acumulado durante más de un siglo se ha desaparecido en un solo evento (moviendo hasta bloques de más de 50 toneladas), dejando el bedrock muy erosionado. (nota 1)
La relativa importancia de erosión ocasionada por eventos catastróficos comparado con la erosión continuo (la erosión normal), con altas y bajas anuales, es difícil de cuantificar (depende de muchos variables), pero es sin duda muy importante. Es decir que también en un lecho normalmente completamente tapado con sedimento puede ocurrir erosión importante a escala de cientos de años.
Nota 1: Los eventos catastróficos suelen hacer las delicias de los buscadores de oro aficionados en California, que en masa se presentan río abajo donde el sedimento se ha redepositado, lavando la gravilla en busca de pepitas de oro.
CONSECUENCIAS PARA CUEVAS.
El mecanismo de erosión del bedrock por el sedimento transportado por el propio río es de igual importancia para ríos subterráneos. La presencia de gravilla o cantos rodados en un río ya indica que la profundización del suelo de la galería es una combinación de erosión mecánica y disolución.
Se describe dos posibles situaciones:
Si el agua de una galería fundamentalmente proviene de infiltración de agua meteórica que cae sobre la propia caliza (drenaje autógeno o drenaje autóctono), el sedimento es generado en las misma cueva. Los bloques pueden caer del techo en el curso de agua, donde se puede mover (si el caudal es lo suficiente), disolver o desintegrar en trozos más pequeños, dando lugar a cantos y gravilla. Normalmente la cantidad de sedimento grueso es mínima y además suele ser del mismo material relativamente blando que la roca madre en donde se encuentra la cueva (caliza, dolomita, yeso, sal).
Si el agua de una galería es derivado de una escorrentía superficial que se origina en rocas adyacentes impermeables (drenaje alógeno o drenaje alóctono), la mayoría del sedimento puede provenir de fuera de la cueva. En este caso el sedimento es a menudo más abundante y además suele existir de un material más duro (por ejemplo cuarcitas e areniscas de cuarzo).
La erosión suele ser mayor en ríos vadosos que en ríos freáticos, por la simple razón que la corriente se concentra en el suelo de la galería (donde se encuentra el sedimento) y no es dispersado por toda la galería.
Tanto por la cantidad como por la naturaleza del sedimento, se puede concluir que el mecanismo de erosión mecánica es más importante en cuevas con un drenaje alógeno.
También en cuevas la ocurrencia de eventos catastróficos es muy importante, pero será tratado en otro artículo.
NOTA.
La primera parte del artículo es un resumen del artículo “sediment and rock strength controls on river incisión into bedrock” (control del sedimento y de la fuerza de la roca sobre la incisión de un río en su lecho de roca). Todos los dibujos son adaptaciones de los dibujos de este artículo.
