viernes, 21 de enero de 2011

FORMACIÓN DE PROTOCONDUCTOS EN LA INTERSECCIÓN DE DOS FRACTURAS.


Marius van Heiningen

INTRODUCCIÓN.
Si dentro de una cueva uno se detiene un momento para observar las paredes de una galería freática, esas galerías cuya sección es más o menos redonda o elíptica (los llamados tubos de presión), es muy probable que podrá determinar la fisura principal por donde la galería ha iniciado su crecimiento. Sin embargo, a menudo uno es capaz de distinguir dos fracturas prominentes, ambas con un desarrollo a lo largo de la galería (figura 1).
Poder explicar y predecir la localización exacta de las galerías dentro de un sistema de karst, es uno de los objetos de estudio de la espeleogénesis y se trata de un asunto altamente complicado. Por tanto, este artículo se concentra en un solo aspecto: explicar porque en una intersección de dos fracturas es muy favorable la formación de un protoconducto, basándose únicamente en la geometría y la velocidad del flujo. Otros factores importantes para la formación de protoconductos (solubilidad de la roca, presencia de pirita o yeso, etc.) serán tratados en otro artículo. Igualmente no trataremos las leyes de la hidrodinámica (ley de Poiseuille, ecuación de Bernoulli, Darcy-Weisbach, etc.), aunque su aplicación ilustran unos aspectos altamente interesantes, como por ejemplo la altura hasta donde puede subir el agua en una galería durante una crecida, por causa de un estrechamiento. Por tanto, también serán tratados en otro artículo.



La figura 1 muestra un tubo freático (en verde) que se ha desarrollado alrededor de la intersección de dos fracturas (en rojo y naranja).

GEOMETRÍA DE UNA FISURA Y DISTRIBUCIÓN DEL FLUJO.
La geometría de una fisura horizontal se puede comparar con una manta, su longitud (l) y anchura (w) es mucho mayor que su altura. La longitud es la dimensión mayor y suele ser la dirección en donde se mueve el flujo de agua que pasa por la fisura, y en lugar de altura hablamos del diámetro de una fisura. Por tanto, el diámetro (d) siempre es la dimensión más pequeña de una fractura y es la distancia entre las dos paredes que son separadas por la fisura. El diámetro típico de una fractura que todavía no se ha ensanchado por disolución es de una fracción de un milímetro. La anchura suele variar entre algunos decímetros y algunos metros, mientras que la longitud puede llegar a decenas de metros o más. La figura 2 muestra las tres dimensiones de una fisura (la anchura y longitud solo parcialmente), y la dirección y velocidad (v) del flujo, que aquí es paralelo a la longitud.



La figura 2 muestra la longitud (l), anchura (w) y diámetro (d) de una fisura llena de agua (azul). La flecha indica la dirección del flujo y la gráfica a la derecha muestra la distribución de la velocidad del flujo dentro de la fisura. La línea roja indica la velocidad máxima (VFmax) que se encuentra justo en el medio.

En fracturas estrechas (menos de 1 centímetro de diámetro) el régimen de flujo es laminar. Debido a la fricción entre la roca y el agua en movimiento, la velocidad del flujo es mínimo cerca de las paredes y máximo en el centro (línea roja). A la derecha de la figura se ha dibujado la distribución de la velocidad del flujo, que tiene la forma de un parábola (línea verde). En este artículo se indica la velocidad máxima dentro de las fisuras como VFmax (V de velocidad y F de fisura).


DOS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DISOLUCIÓN DE LA ROCA MADRE.
En los artículos acerca de la formación de los protoconductos ya se ha explicado que cuanto mayor es la velocidad del flujo, más rápido es el ensanchamiento de la fisura. Por tanto, el primer factor es: la velocidad del flujo.
Además, la disolución es proporcional a la superficie, es decir, si la superficie de un cierto volumen que está en contacto con un disolvente es el doble, este volumen se disuelve en la mitad del tiempo. Por tanto el segundo factor es: la superficie expuesta al disolvente (agua) alrededor de la intersección.

LA VELOCIDAD DEL FLUJO.La figura 3 muestra un volumen de roca con dos fisuras principales de igual diámetro: una horizontal y otra vertical. La línea roja indica la máxima velocidad dentro del flujo (justo en el medio de la fisura) y la dirección del flujo está indicada por las flechas negras (desde la izquierda hacia la derecha). Sin embargo, ¿como es la distribución del flujo en la intersección de ambas fisuras?, indicada en la figura 3 como un círculo amarillo.
Como muestra la figura 2, el flujo es máximo donde la distancia hasta las paredes de la fisura es máxima, lo que explica que el flujo es más rápido en una fisura más ancha (todas las demás circunstancias igual).


La figura 3 muestra dos fisuras de igual diámetro y su intersección (en amarillo). Las líneas rojas indican donde la velocidad es máxima dentro de las fisuras.


La figura 4 muestra el círculo amarillo amplificado. Hay tres razones porque podemos deducir que la velocidad del flujo es mayor dentro del círculo amarillo:
La primera razón: La distancia entre el centro del círculo y las paredes más cercanas (las esquinas), es decir el radio de la intersección (flecha verde), es mayor que el radio de las fisuras (flecha negra). Arriba ya se ha explicado que cuanto más grande es la distancia hasta las paredes, mayor es la velocidad del flujo.
La segunda razón: La flecha negra que sale del centro del círculo, no termina en una pared (donde la velocidad es mínima), sino en una zona de máxima velocidad. Por tanto, desde el final de la flecha negra hacia el centro del círculo, la velocidad del flujo solo puede aumentar y por tanto es mayor que la VFmax.
La tercera razón: En la figura 4 se ha dibujado la distribución aproximada de la VFmax dentro del círculo amarillo (líneas rojas en forma de estrella). Lógicamente, la velocidad dentro de esta zona, marcada con rosa y finas líneas rojas, es mayor que la VFmax.

Conclusión: Si el flujo dentro de la intersección de ambas fisuras es mayor a la máxima velocidad del flujo en las fisuras (VFmax), también la velocidad de disolución debe de ser mayor. Con otras palabras: el retroceso de las paredes en la intersección es mayor que en las fisuras y por tanto se ensancha más rápido.


La figura 4 es una amplificación de la parte derecha de la figura 3. Se muestra el tubo (en amarillo) y su radio (en verde) que cabe dentro de la intersección de dos fisuras de igual diámetro. Dentro de la zona marcada en rosa la velocidad del flujo es mayor que la velocidad máxima dentro de las fisuras. La esquina derecha inferior se ve amplificada en la figura 5.


LA SUPERFICIE EXPUESTA A LA DISOLUCIÓN.La disolución de las esquinas de la intersección es más rápida que en cualquier otra parte de las fisuras, porque están siendo disueltas por los dos lados. La figura 5 muestra el desarrollo de la disolución de la esquina derecha inferior en 4 pasos. La figura 5.1 muestra 6 bloques de igual volumen y 6 lados, donde cada lado está expuesto a la misma cantidad de disolución. La figura 5.2 muestra que cuando de los bloques B y C se han disuelto una cuarta parte, del bloque A solo queda alrededor de la mitad, porque se ha disuelto por dos lados. En la figura 5.3 se muestra como la mayor disolución ha llegado a formar un frente de disolución en línea recta. Sin embargo, este frente recto no se mantiene, sino se desarrolla hacia un frente convexo hacia la roca (figura 5.4). La razón es que ahora el diámetro de la intersección es bastante más grande que el diámetro de las fisuras (ya desde el principio era más grande y además ha aumentado más deprisa) y por tanto la velocidad del flujo en la intersección también es bastante mayor. Ya hemos visto que mayor velocidad del flujo es igual a un mayor retroceso de las paredes y como consecuencia la línea recta se transforma en una línea convexa hacia la roca. Como en las cuarto esquinas pasa lo mismo el resultado final es un conducto más o menos circular (figura 6).


La figura 5 muestra el retroceso de las paredes de una esquina, hasta formarse una línea convexa que juntos con las otras 3 esquinas forma un conducto circular.


COMENTARIO.

Se ha explicado como una intersección de dos fisuras es un lugar preferencial para la formación de un protoconducto (semi)circular, únicamente basándose en el principio “mayor velocidad del flujo, mas disolución” y en la geometría de las esquinas de la intersección.
No hay que olvidar que hay numerosos factores que también pueden influir en el desarrollo de los protoconductos, de los cuales la “corrosión de mezclas” es un factor muy obvio porque la intersección es una línea de confluencia de dos flujos diferentes.
Si el diámetro de las fisuras es bastante desigual, el proceso descrito ya no es válido, porque la aportación del flujo menor es casi insignificante. Esto explica porque los protoconductos se suelen formar en intersecciones de fisuras principales (de diámetro parecido) y no se forman conductos en cualquiera de las intersecciones menores (entre fisura ancha y estrecha).


La figura 6 muestra un conducto circular (en amarillo) que es el resultado de la disolución preferencial de las esquinas. Se ve que el diámetro del conducto (en verde) es mucho mayor que el diámetro de las fisuras (en rojo).

Creo que sería un buen ejercicio para cualquier espeleólogo intentar descubrir las dos fisuras principales (si las haya), cuando se trata de un conducto (epi)freático. El protoconducto original estaría en la intersección (imaginaria) de ambas fisuras, que no necesariamente debe de haber estado en el centro de la galería. Por ejemplo, los estratos que componen la roca donde se está desarrollando la galería, pueden tener características diferentes, como su solubilidad, presencia de minerales de sulfuro, etc., ocasionando un ensanchamiento desigual.
Otro ejercicio interesante es investigar lo que pasa cuando una galería se gira, porque es frecuente que una de las dos fisuras es substituida por una fisura nueva.

De todos modos, acostumbrarse a determinar las fisuras principales, a veces de menos de 1mm de grosor, ya es un paso importante para empezar a entender la cueva.

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