El hecho de que un litro de agua con dióxido de carbono
disuelto es capaz de disolver pequeñas cantidades de roca caliza, ya era
conocido por los primeros investigadores de la espeleología. También se
sospechaba que esto tenía que tener alguna relación con la formación de las
cuevas.
En 1958 los cálculos de Weyl demostraban que se trata de
una reacción muy rápida y que el agua que pasa por una estrecha fisura se llega
a saturarse a muy poca distancia, a menudo menos de un metro. Lo cual
significaba paradójicamente que las cuevas no pudieron existir.
En 1964 Bögli publicó su teoría de corrosión de mezclas,
explicando que cuando dos soluciones (casi) saturadas se mezclan siempre hay un
aumento en disolución. De este modo se pudiera explicar el hecho de disolución
de roca caliza a cierta profundidad, lo cual era una idea importante, pero que
resolvía el enigma solo en parte.
En 1977 White propuso una solución a este problema. El descubrió
que cuando el agua llega a una saturación, respecto a calcita, de
aproximadamente un noventa por ciento, la velocidad de la reacción disminuye
mucho (debido a impurezas en la roca caliza). Este punto en saturación donde la
velocidad de la reacción cambia de rápido a muy lento lo llamó detonante o
disparador cinético (kinetic trigger en inglés). Su conclusión era que de este
modo la disolución de la calcita, y por tanto el ensanchamiento de la fisura, puede
persistir por largas distancias, preparando el camino para una posterior
formación de una cueva.
Se supone que cuando el agua pasa por una fisura con
un diámetro de varios milímetros, su velocidad es lo suficiente para mantener
la saturación por debajo del noventa por ciento, por tanto manteniendo un
rápido ensanchamiento en toda la fisura (en realidad esta condición puede
variar de menos de 1 mm hasta unos cuantos centímetros o incluso decímetros,
dependiendo de varios factores, Faulkner, 2013). En los años noventa del siglo
pasado solían llamar a estas primeras fisuras estrechas, pero ya con un
ensanchamiento
rápido “proto conductos”. En el primer decenio del siglo
actual cada vez más investigadores han empezado a llamarlos “agujeros de gusano”
(“wormholes”).
Este artículo trata de intentar de explicar algunos de
los mecanismos que juegan un papel en el ensanchamiento de una fisura muy estrecha
hasta un “wormhole”. Tratamos a los mecanismos según históricamente fueron
descubiertos.
UN POCO DE QUÍMICA
ELEMENTAL
La mayoría de las cuevas del mundo se encuentran en roca
caliza. La caliza, compuesta principalmente por carbonato cálcico (CaCO3),
es casi insoluble en agua pura. Sin embargo, en realidad el agua se carga con
el gas dióxido de carbono (CO2), presente en el aire y en el suelo,
y una vez en solución se transforma en ácido carbónico (H2CO3).
En formula la reacción es la siguiente:
(1) H2O
+ CO2 ↔ H2CO3
(agua) + (dióxido de carbono) ↔ (ácido carbónico)
La presencia de ácido carbónico hace que la roca caliza
si se disuelve ligeramente en agua, formando bicarbonato de calcio.
En formula la reacción es la siguiente:
(2) H2CO3
+ CaCO3 ↔ Ca2+ + 2HCO3¯
(ácido carbónico) + (carbonato cálcico) ↔ (bicarbonato de
calcio)
El bicarbonato de calcio también se suele escribir como
Ca(HCO3)2 . Aquí hemos elegido la anotación en iones
porque es la cantidad de calcio disuelto en agua (Ca2+) que
condiciona todos los mecanismos.
Podemos combinar ambas reacciones en una sola formula:
(3) H2O
+ CO2 + CaCO3 ↔ Ca2+ + 2HCO3¯
(agua) + (dióxido de carbono) + (carbonato cálcico) ↔
(bicarbonato de calcio)
Esta fórmula indica que cada molécula de dióxido de
carbono puede disolver una molécula de carbonato cálcico.
Hay que darse cuenta que se trata de una reacción de
equilibrio, es decir no todo el ácido carbónico se convierte en bicarbonato de
calcio. La reacción funciona hacia los dos lados y llega un momento que se
convierte la misma cantidad de bicarbonato de calcio en ácido carbónico que
ácido carbónico en bicarbonato de calcio, es decir que ya no se puede disolver
más caliza. Se dice que en este momento la solución de agua ha llegado a su
concentración de equilibrio y que está saturada.
En la fórmula 2 el ácido carbónico está disuelto en el
agua y el carbonato de calcio es la caliza que forma las paredes de una grieta
o cueva. El bicarbonato no es otra cosa que la cantidad de caliza disuelto por
el ácido carbónico. Cuando alguna vez se habla de la velocidad de disolución (siempre
respecto a la caliza), hay que darse cuenta que esto es lo mismo que la
velocidad con que se retroceden las paredes de una grieta o sea, lo rápido que
se ensancha la apertura (diámetro) de una fisura.
Para no complicarnos demasiado la vida con la química, a
partir de ahora llamamos al carbonato cálcico simplemente caliza e indicamos el
bicarbonato con Ca2+.
EL GRAN ENIGMA
Hemos visto que el agua cargada de H2CO3
es capaz de disolver cierta cantidad de caliza. ¿Qué pasa cuando este agua
entra en las estrechas fisuras que se encuentran en la roca caliza por debajo
del suelo? Pues estas fisuras se ensancharán, pero la velocidad con que el agua
puede pasar por fisuras muy estrechas (alrededor de 0,2 mm de anchura) es muy
baja.
En 1958 Weyl calculó que el agua en estas fisuras llega a
saturarse casi por completo a alrededor de un metro de profundidad, perdiendo prácticamente
su capacidad total para ensancharlas.
¿Entonces como es posible que se han formado cuevas, a
menudo a cientos de metros de profundidad y a escala kilométrica?
Las antiguas teorías sobre la formación de cuevas
partieron de la suposición de la existencia de fisuras lo bastante anchas como
para dejar pasar un flujo de agua considerable. El origen de estas fisuras era
un enigma, pero debieron de existir porque sin ellas no se podían explicar las
cuevas. Estas fisuras se llamaban "proto conductos" (hoy en día “wormholes”).
CORROSIÓN DE MEZCLAS
En el año 1964 el suizo Alfred Bögli publicó su famoso
principio de la "corrosión de mezclas" (mixing corrosion). Bögli
demostró que la mezcla de dos aguas completamente saturadas, pero con
diferentes concentraciones de Ca2+, vuelve a tener una cierta capacidad
de disolución (figura 1). Era la explicación perfecta para la milagrosa
reaparición de la capacidad de disolución a grandes profundidades.
Especialmente en los años setenta casi todos los aspectos de la formación de
cuevas se explicaban con este principio. Sin embargo, incluso con la
"corrosión de mezclas" no se podía explicar satisfactoriamente el
ensanchamiento de estrechas fisuras hasta “wormholes”.
La figura 1 muestra
la cantidad de CaCO3 que se puede disolver adicionalmente cuando dos soluciones
saturadas y de diferentes concentraciones se mezclan.
Explicación en detalle:: la curva negra indica le
relación entre la cantidad de carbonato cálcico (CaCO3) y la
cantidad de dióxido de carbono (CO2) disueltas, cuando la solución
está en equilibrio. Toda el área por debajo de esta línea representa soluciones
que no están saturadas. La línea roja indica las posibles mezclas entre las
soluciones saturadas A y B. En esta caso la mezcla está indicado como C1 (se
observa que C1 se encuentra un poco más cerca de B, lo que indica que la
solución B aporta un poco más de agua que la solución A). El punto C1 se encuentra
por debajo de la curva negra lo que significa que no está saturada y por lo
tanto puede disolver una cantidad adicional de CaCO3. Cuando esta mezcla
vuelve a saturarse, su composición química está indicada por C2 (situado sobre
la línea negra). La cantidad adicional que se ha disuelta equivale a la
diferencia entre X1 y X2.
El trayecto inclinado de C1-C2 tiene el siguiente significado: Cuando se
disuelve algo de CaCO3 adicional, se consume un poco de CO2
(en cantidades moleculares iguales como indica la formula 3). Esta disminución
de CO2 se manifiesta en un desplazamiento hacia la izquierda.
EL RÉGIMEN DE DISOLUCIÓN LENTA
En 1977 W.B. White publicó su trabajo acerca del
comportamiento de una solución de agua cuando casi está saturada respecto al Ca2+.
¿Qué es exactamente lo que descubrió?
White descubrió que llega un momento que la rápida
disolución de la roca caliza se ralentiza enormemente cuando la solución se
acerca a su saturación. Es decir que hay un régimen de
disolución rápida y un régimen de disolución lenta. La
figura 2 muestra el cambio entre estos dos regímenes, cuando la saturación
llega a aproximadamente un 90 por ciento (aunque a veces se comienza a notar
este efecto a partir de los 60 por ciento). Este cambio abrupto en el
comportamiento de la disolución es debido a ciertas impurezas, como fosfatos y
silicatos, que se encuentran en las calizas naturales. Hasta este momento se
había pensado que la velocidad con que una solución de agua se satura era
rápida y que la saturación era completa. Lo cual significaba que el agua perdía
toda su capacidad de disolución en los primeros metros de una fisura estrecha.
Ahora se dieron cuenta que la velocidad con que se disuelve la caliza disminuye
tanto (normalmente a partir de una saturación de 90 por ciento), que la
solución nunca llega a saturarse por completo.
La consecuencia es que una solución de agua sigue
manteniendo una pequeña capacidad de disolución, incluso después de haber
penetrado por una estrecha fisura hasta una distancia de varios kilómetros.
En resumen: White había descubierto que una solución
nunca pierda toda su capacidad de disolución. Es verdad que esta capacidad se
hace muy pequeña cuando la solución se acerca a una saturación casi completa,
pero no se pierde totalmente, ni siquiera después de haber penetrado por una
estrecha fisura hasta una distancia de varios kilómetros.
Al final se había encontrado un mecanismo capaz de
explicar el ensanchamiento de una fisura muy estrecha, y por toda su longitud y
además en un tiempo geológicamente aceptable.
La figura 2 muestra
la velocidad de disolución de Ca2+ respecto al porcentaje de
saturación. Hasta un 90 por ciento la velocidad es alta y la caliza de las
paredes de la fisura se disuelve rápidamente. Si la saturación supera el 90 por
ciento, la velocidad de disolución baja enormemente y se disuelve muy poca
caliza. Por eso la solución no llega nunca a saturarse por completa,
manteniendo una pequeña capacidad de disolución. Un flujo de agua sigue
disolviendo (un poco de) caliza, incluso después de haber penetrado por una
estrecha fisura hasta una distancia de varios kilómetros. La unidad de
velocidad de disolución es mol/cm2s.
LOS MODELOS NUMÉRICOS
No fue hasta principios de los años noventa que
aparecieron los primeros modelos numéricos acerca del desarrollo de una fisura
estrecha hacia un conducto penetrable (Dreybrodt, 1990 y Palmer, 1991). Con estos
modelos, basados en simulaciones matemáticas hechos por ordenador, se pudieron
cuantificar los procesos de disolución. Por ejemplo, se podía calcular con
bastante exactitud el tiempo que necesita una fisura aislada y estrecha, para
convertirse en una galería ancha (aunque siempre dependiendo de las
suposiciones básicas del modelo).
A continuación vamos a describir los procesos que actúan
en el ensanchamiento de una fisura, partiendo de la situación mostrada en la
figura 3.
La figura 3 muestra
un macizo de caliza. Un flujo de agua atraviesa este macizo por una estrecha
fisura de longitud L. El agua entra en punto A y sale en punto B, y la
diferencia en altura entre los dos puntos es Δ h.
Un arroyo llega a
tener contacto con una formación de caliza. Cierta cantidad de agua entra en el
punto A por una fisura estrecha y sale del macizo en el punto B a una distancia
L de 1000 metros. La apertura (diámetro) de la fisura es de 0,2 mm y la
diferencia en altura entre A y B es de 50 metros..
MÁS CAUDAL, MÁS
DISOLUCIÓN
La diferencia en altura (∆h) causa una presión
hidrostática que "empuja" un flujo por la fisura. Cuando el agua
fluye por una fisura, la caliza es disuelta muy lentamente de sus paredes y por
eso la fisura se ensancha un poco. Como consecuencia puede pasar algo más de
agua por esta fisura lo que hace que también se disuelve un poco más de caliza
de sus paredes. De esta manera el proceso entra en un "bucle
positivo", es decir: cuanta más cantidad de agua pasa por la fisura, cada
vez mayor es la cantidad de caliza que se disuelve de sus paredes por segundo.
En resumen: si
un litro de agua disuelve una porción de caliza, pues 2 litros de agua
disuelven 2 porciones de caliza.
Por si solo, este mecanismo puede doblar el diámetro de
una fisura en bastante menos de 100.000 años, pero además existe un segundo
mecanismo de igual importancia.
MÁS VELOCIDAD del
FLUJO, MÁS VELOCIDAD de DISOLUCIÓN
Cuanto más ancha es una fisura, mayor es la velocidad con
que fluye el agua (por razones de disminución de resistencia al flujo).
Entonces, mientras sigue el proceso de ensanchamiento de la fisura, el agua
permanece cada vez menos tiempo dentro de la grieta (porque fluye más rápido) y
por eso sale con un menor porcentaje de saturación. En la figura 2 observamos
que cuando una solución esta cerca de saturación total (concentración de
equilibrio), una pequeña disminución en el porcentaje de saturación aumenta
muchísimo su velocidad de disolución de caliza. Como consecuencia el flujo de
agua es capaz de disolver la caliza más rápido, lo que aumenta la velocidad de
ensanchamiento de la fisura.
En resumen: si
una corriente de agua disuelve una porción de caliza por segundo, pues una
corriente de agua que fluye algo más rápida y por tanto está un poco menos
saturado, disuelve más de una porción por segundo. Lo importante es que la
velocidad de disolución es mayor en la parte más distante de la fisura, donde
al principio prácticamente no había disolución (=ensanchamiento de la fisura).
RÉGIMEN DE DISOLUCIÓN
RÁPIDA POR TODA LA FISURA
Los dos mecanismos juntos hacen que el diámetro de la
fisura se ensancha cada vez más rápido, que cada vez pasa una mayor cantidad de
agua por la grieta y que la concentración de Ca2+ sea cada vez
menor.
Pues puede llegar el momento que en la salida de la
fisura (punto B) el porcentaje de saturación baja hasta un 90 por ciento,
imponiendo un régimen de disolución rápida por toda la fisura. Esto significa
que a partir de este momento la disolución es máxima y casi igual en toda la
longitud de la fisura. Desde este momento la fisura puede ensancharse con una
velocidad de hasta 0,1 mm por año, lo cual significa que una fisura en estas
condiciones se puede ensanchar hasta un conducto con un diámetro de 2 metros en
tan solo 10.000 años.
COMBINACIÓN DEL
RÉGIMEN DE DISOLUCIÓN LENTA Y RÁPIDA
Ahora es cuando realmente se puede apreciar el
significado del descubrimiento de White. Un régimen de disolución rápida no es
capaz de abrir una fisura estrecha, porque la solución enseguida llega a
saturarse. Con un régimen de disolución lenta no se puede llegar a formar una
cueva en un tiempo geológicamente aceptable. Pues ninguno de los dos factores es
eficaz por sí solo. Sin embargo, la combinación de los dos nos ofrece un modelo
muy útil: la disolución lenta abre la fisura hasta el tamaño de un wormhole y
la disolución rápida lo aumenta hacia el tamaño de una cueva. La duración de la
fase de disolución lenta es de decenas de miles hasta cientos de miles de años
y la duración de la fase de disolución rápida es de decenas de miles de años.
EVENTO DE RUPTURA
El rápido ensanchamiento de la fisura también aumenta
enormemente la cantidad de agua (Q) que puede pasar por la fisura. La figura 4
muestra que el aumento es muy abrupto y este proceso es llamado "evento de
ruptura" (breakthrough) y el tiempo que ha transcurrido desde el inicio
del ensanchamiento de la fisura hasta el momento en que ocurre el evento de
ruptura se llama "tiempo de ruptura" (breakthrough time).
El concepto de evento de ruptura es muy importante,
porque indica, entre otros, que un conducto (fisura) está creciendo a máxima
velocidad. También indica que por el “wormhole” comienza a fluir tanta agua,
que en muchos casos no se puede mantener el régimen de la presión hidrostática.
Si se colapsa esta presión, se ralentiza el crecimiento del “wormhole”, y es
posible que nunca llegue al tamaño de una cueva (practicable por el hombre). En
caso contrario se puede decir que a partir del evento de ruptura la cueva
realmente empieza a formarse.
En nuestro ejemplo (figura 3) el tiempo de ruptura es de
unos 19.000 años (figura 4) y para formar una galería de 2 metros de diámetro
solo pasarían 29.000 años desde el momento que el agua empezó a entrar en la
fisura inicial.
La figura 1 muestra la determinación de la “Curva de 90 por ciento” (en roja). Por detalles ver el texto.
La figura 2 muestra la curva de Bögli, la curva de 90 por ciento de saturación y los regímenes de disolución lenta y rápida. También muestra 2 ejemplos de posibles mezclas resultantes. Por detalles ver el texto.
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