Espeleotemas

Como ya vimos, los iones de calcio y bicarbonato producidos en la reacción de disolución en la formación de cuevas a partir de roca caliza viajan disueltos en el agua y son transportados por toda la cueva. Tal estado no es permanente, pues bajo determinadas condiciones pueden precipitarse y formar espeleotemas, depósitos cristalinos de CaCO3 (calcita) que decoran las superficies de la cueva.

Una de las principales causas de la deposición de carbonato de calcio es la desgasificación de la solución. Cuando la solución se empieza a formar lo hace en ambientes aislados de la atmósfera y su concentración de CO2 es hasta 250 veces mayor que la del aire. Al modificar esta condición, es decir, poner en contacto la solución con aire, esta empieza a perder moléculas de CO2 para establecer un equilibrio de concentraciones entre ambos sistemas. Sin el dióxido de carbono necesario, la solución pierde acidez y es incapaz de mantener los iones de calcio disueltos, de manera que estos escapan y se precipitan mediante la siguiente reacción:

Ca +2(ac)      +     2 HCO3 (ac)    ---->       CaCO3(s)    +       H2O(l)    +    CO2(g)  

Figura 1. Ejemplos de estalactitas, estalagmitas y columnas. Tomada de:
http://nides.bc.ca/assignments/rocks/Stalagmites_files/tolkien.jpg

Los espeleotemas se pueden formar por goteo, evaporación y corrientes de agua que circulan en la cueva. En el primer caso se generan estructuras conocidas como estalactitas y estalagmitas que se posicionan en las superficies superiores e inferiores de la cueva, respectivamente. Cuando el agua se filtra por el techo de la caverna desemboca en determinado sitio y empieza a precipitar carbonato de calcio según la reacción mostrada. Este primer precipitado forma una especie de cilindro hueco por cuyo interior sigue fluyendo el agua. De esta manera, precipitados posteriores se van depositando y van cerrando el canal del cilindro, obligando al agua a fluir por su exterior, dándole una estructura cónica y formando eventualmente las estalactitas. En algunos casos el agua que gotea a través de la estalactita todavía contiene moléculas de carbonato, y cuando cae al piso se precipita formando las estalagmitas. Las columnas son el resultado de la unión de una estalactita con una estalagmita.

Figura 2. Helictitas subaciatics. Tomada de:
http://www.goodearthgraphics.com/virtcave/helictit/helictit.html

En cavernas secas y con poca agua el agua se filtra lentamente, evaporándose de forma rápida y precipitando la calcita en estructuras con formas inusuales. Un ejemplo de ellas son las helictitas, espeleotemas que desarrollan crecimiento angular gracias a la capilaridad del agua. Su formación es similar a la de las estalactitas, pero como no hay suficiente agua y la disponible se evapora fácilmente, el carbonato se deposita de forma desorganizada.

Otros tipos de espeleotemas comunes son las pisolitas (forma de perla, acumulación de capas de calcita en forma esférica), las cortinas (agua rica en calcita precipita el mineral a lo largo de las paredes) y las coladas (calcita precipitada a partir de agua que fluye laminarmente en las paredes de la cueva). Para mas informacion puede visitar el siguiente enlace:
http://www.goodearthgraphics.com/virtcave/virtmap.html

¿Cuánto tiempo tardan los espeleotemas en formarse?¿De qué depende su crecimiento?
El tiempo y velocidad de crecimiento de los espeleotemas no es constante y depende de factores como la concentración de CO2 en el aire de la cueva, la concentración de CaCO3 en la disolución y la frecuencia de goteo. Su velocidad de crecimiento varia en promedio entre 0.007mm/año a 40.09mm/año dependiendo de la estructura a formar. Por ejemplo, para que una estalactita crezca 2.5 cm se requieren aproximadamente 4000 años. En el siguiente video se hace una demostración simple de la formación de estalactitas y estalagmitas en tiempo corto:

Referencias:

Tarbuck, E., Lutgens, F. (2010). Ciencias de la Tierra. Pearson Educacion: Madrid
http://www.muyinteresante.es/ciencia/preguntas-respuestas/icomo-se-forman-las-estalactitas-y-las-estalagmitas
http://www.nps.gov/grba/naturescience/cave-geology-in-depth.htm
http://www.waitomocaves.com/downloads/Speleothems.pdf
http://www.goodearthgraphics.com/virtcave/virtmap.html

Formación de cuevas de solución

Figura 1. Ejemplo de cueva de solucion. Tomada de http://www.che.ufl.edu/ladd/research/dissolution/dissolution.htm

Las cuevas de solución se forman principalmente en rocas calizas, un tipo de roca sedimentaria química compuesta en su mayoría por minerales de calcita (CaCO3). El carbonato de calcio es uno de los minerales mas comunes de la corteza terrestre, abarca el 4% m/m. Algunas de sus propiedades son:

Densidad: 2.711 g/cm3
Punto de fusión: 1339°C
Solubilidad en agua: 0.0013g/100mL (25°C)

Figura 2. El agua lluvia se mezcla con dióxido de 

carbono para formar ácido carbónico compuesto que 

actúa para disolver la roca caliza. Tomada de:

http://www.esi.utexas.edu/outreach/caves/caves.php

Como la medida de solubilidad indica, el

carbonato de calcio no es muy soluble en agua, entonces ¿Cómo se disuelve para desintegrar la roca y formar cuevas? A medida que el agua lluvia atraviesa la atmósfera y el subsuelo adquiere agregados de CO2 que reaccionan con las moléculas de H2O formando solución débil de ácido carbónico mediante la siguiente ecuación:

H2O(l)    +    CO2(g)        --->       H2CO3(ac)

De esta manera, el agua ácida penetra en el terreno y se filtra por presión en la roca calcárea a través de fracturas y poros, diluyendo el material y abriéndose paso hacia su interior. Paralelamente se lleva a cabo un proceso erosivo que desgasta la roca y desprende material, agrandando los canales y pasadizos formados por la disolución para formar galerías de mayor tamaño. Este proceso puede tardar alrededor de 100.000 años hasta formar una verdadera cueva. La reacción se lleva a cabo de la siguiente manera:

CaCO3      +      (H⁺ + HCO₃^- )        -->         Ca⁺²      +        2HCO₃^-

Como se puede observar los únicos productos de la reacción son los iones de calcio y bicarbonato, que viajan disueltos en el agua.

En el siguiente video se muestra de manera resumida el proceso de formación de cuevas de solución:

¿Qué factores afectan la reacción?
Propiedades como la solubilidad del carbonato de calcio y su frecuencia de reacción depende de factores como la cantidad de CO2 presente en la solución, pH, oxidación de materia orgánica, temperatura, presión, concentración de otros compuestos accesorios, fluidez de la solución y porcentaje de mezcla de cada componente. Generalmente el proceso se lleva mejor en condiciones con mayor cantidad de CO2, O2 y materia orgánica, pH ácido, temperatura reducida, mayor presión y mayor concentración de sales.

¿El ácido carbónico es el único que contribuye en la formación de cuevas de caliza?
No necesariamente. En algunas cuevas, como la de Lechuguilla en México, donde las disoluciones bajo presión contienen sulfuro de hidrógeno proveniente de sedimentos profundos con petroleo que pudieron migrar hacia superficie a través de fracturas mezclándose con oxigeno y formado el ácido sulfúrico que disolvió la roca.



Referencias

Dematteis, G. (1975). Manual de la espeleología. Editorial Labor: Barcelona
Tarbuck, E., Lutgens, F. (2010). Ciencias de la Tierra. Pearson Educacion: Madrid
http://www.icr.org/article/origin-limestone-caves/
http://geomaps.wr.usgs.gov/parks/cave/

Espeleología: estudio de cuevas

   ¿Qué es la espeleología? 

 La espeleología se refiere al estudio científico de la naturaleza, origen y formación de sistemas de cuevas. Se centra en la descripción de formas de vida, estructuras, procesos y propiedades de tales medios, así como de técnicas para su exploración. Se le considera una ciencia multidisciplinar puesto que requiere la aplicación de conocimientos relacionados con química, biología, geología, cartografía, física, arqueología, entre otros. 

  ¿Qué es una cueva?

Una cueva es una cavidad de origen natural en un terreno lo suficientemente grande para permitir la entrada de un hombre. Se originan en diversos tipos de rocas y a partir de diferentes procesos geológicos. Su rango de tamaño va desde cuevas pequeñas y aisladas hasta redes de mayor extensión con varias conexiones y pasajes. 

 Tipos de cuevas 

 • Cuevas de solución: aguas subterráneas se filtran en rocas carbonatadas y sulfatadas, disolviendo sus minerales y formando túneles, pasajes irregulares e incluso cavernas a lo largo de fallas y planos de estratificación.

 • Cuevas de lava: formadas a partir de flujos tubulares de lava. A medida que la lava avanza forma canales cada vez mas profundos cuya superficie empieza a enfriarse y solidificarse, formando una capa dura que cubre el canal. Mientras esto sucede, la lava en el interior sigue fluyendo hasta drenarse por completo de manera que al finalizar el proceso, quede el tubo vacío y forme la cueva. (Ver figura 1)

Figura 1. Formación de los tubos de lava. Imagen tomada de:
 http://www.nps.gov/elma/naturescience/lava-tubes-and-caving.htm

 • Cuevas marinas: el constante choque de las olas con rocas costeras ejerce una presión tal que desgasta la roca y conlleva a su fragmentación, de manera que se empiezan a formar cavidades de mayor tamaño. 

Figura 2. Gruta de Fingal (Escocia) con presencia de basalto columnar.
Tomado de: http://universomarino.com/2013/03/22/la-gruta-de-fingal-en-escocia/

 • Cuevas glaciares: el agua fundida a partir de nieve o hielo fluye a través de grietas en los glaciares formando túneles y canales. Se encuentran en el interior o en la base del glaciar.

Figura 3. Espeleólogos haciendo rappel en una cueva glaciar en Groenlandia.
Fotografía de Carsten Peter tomada de http://nationalgeographic.es/ciencia/
fotos/caves-gallery/imagen/glaciar-espeleolog%C3%ADa

Referencias:
http://www.speleogenesis.info/directory/glossary/
http://www.nature.nps.gov/geology/USGSNPS/cave/cave.html#types