Paleoclimatología y espeleología

Figura 2. El estudio de anillos en los tallos de plantas ayuda
 a identificar periodos secos o lluviosos. Tomada de:
 http://mdifiore92.wordpress.com/tag/paleoclimatology/

¿Qué es la paleoclimatología?

La paleoclimatología es una disciplina científica que estudia cómo y en qué medida ha cambiado el clima en la Tierra a través del tiempo geológico. Su objetivo es encontrar las razones por las cuales el clima varía e identificar factores que ayuden a predecir cómo cambiara en un futuro y de qué manera puede afectar la vida en la Tierra.

¿Cómo se relaciona la paleoclimatología con la espeleología?

Una de las principales herramientas para realizar estudios del clima en el pasado es la presencia de espeleotemas en las cavernas. Esto, porque son estructuras muy sensibles a los cambios climáticos, es decir,  su velocidad y forma de crecimiento está altamente influenciada por los elementos del clima (ej, temperatura, presión, humedad, precipitación) y evidencian de manera física y química los cambios de tales elementos.

Figura 1. Corte longitudinal de una estalagmita mostrando
mostrando diferentes etapas de crecimiento. La estalactita
de la derecha es iluminada por luz ultravioleta. Credito:
Paul Williams. Tomada de:http://www.windows2universe.
org/earth/climate/CDcourses_investigate_climate.html

El principal factor que afecta el crecimiento de los espeleotemas (para los estudios generalmente se analizan muestras de estalactitas y estalagmitas) es la cantidad de agua drenada a la cueva. Una evidencia visible de este hecho, es que cuando el espeleotema detiene su crecimiento su superficie adquiere un color oscuro y apariencia erodada. Así podemos inferir que poco crecimiento (grosor y longitud)  de los espeleotemas se debe, entre otros factores, a periodos de sequía, poca precipitación o altas temperaturas que evitaron la circulación de agua en la cueva.

A pesar que la apariencia del espeleotema es una herramienta significativa, sus observaciones tienden a ser muy subjetivas y no ofrecen información muy clara ni confiable; además reflejan cambios en un tiempo relativo, es decir, no indican un tiempo exacto de ocurrencia. Para obtener  mejores resultados  en los estudios paleoclimáticos, se hace un análisis químico adicional de las muestras enfocándose en la presencia de isotopos y elementos radiactivos.

Los isotopos son elementos que poseen el mismo número atómico, es decir, el mismo número de protones en el núcleo  pero diferente número másico (diferente número de neutrones). Por ejemplo, el hidrogeno posee tres isotopos: deuterio, tritio e hidrogeno; todos poseen un protón pero el deuterio posee un neutrón, el tritio dos  y el hidrogeno, ninguno.

En la paleoclimatología se relaciona la presencia del isotopo ¹⁸O está bastante relacionada con el ciclo hidrológico y los cambios de temperatura del aire. Por ejemplo, la relación lineal entre la proporción de  deuterio y  ¹⁸O indica la medida media de precipitación anual. Además la presencia de ¹⁸O también indica los niveles de humedad en la cueva al momento de la formación de espeleotemas.

Otro isotopo importante para el estudio de climas pasados  es el ¹³C que provee información acerca del tipo y densidad de vegetación, cantidad de carbono inorgánico presente en el suelo  o roca, producción de CO₂ por fotosíntesis y desgasificación de CO₂ por precipitación del carbonato.

Figura 3. Gráfica demostrativa del numero de vidas medias de
un elemento y su proporción a lo largo del tiempo. Tomada de:
http://www.kgs.ku.edu/Extension/geotopics/earth_age.html

Para identificar la  relación de eventos climáticos en el tiempo geológico  se hace uso de la presencia de elementos radiactivos, cuya desintegración en periodos de tiempo definidos provee información de  la edad de un espeleotema (o cualquier formación mineral-rocosa). El principal elemento usado en la datación absoluta de espeleotemas es el uranio, presente en los estratos donde se forma la cueva y que se disuelve para luego formar parte del carbonato precipitado. El ²³⁴U con una vida media de 247.000 años, pasa a una forma más estable,  ²³⁰Th. Esto significa que en un lapso de 247.000 años la mitad del uranio se ha convertido en torio. Así, se mide la proporción de uranio y torio en el espeleotema para designarle una edad aproximada.

Referencias

Chang, R. (2010). Química. McGraw Hill: Mexico D.F.

Österlin, C. (2010). Stable carbon isotopes in speleothems from temperate areas. Institutionen för naturgeografi och kvartägeologi: Estocolmo

http://autocww.colorado.edu/~flc/E64ContentFiles/EarthSciences/paleoclimatology.htm

http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Paleoclimatology_Speleothems/

http://php.scripts.psu.edu/dept/liberalarts/sites/kennett/index.php?id=spwork

¿Qué es un mineral?¿Por qué decimos que la calcita es un mineral?

Figura 1. Algunos ejemplos de minerales y mineraloides.
 Tomada de: http://www.pac.com.ve/index.php?option=com_content&view=
article&id=10759:itipos-de-minerales-en-venezuela&catid=64:industria&Itemid=87

Durante este tiempo hemos estado hablando de rocas carbonatadas constituidas (en su mayoría) por el mineral calcita pero no nos hemos detenido a mirar qué es un mineral ni cuales son las propiedades de la calcita. Resulta que las rocas son agregados de minerales y/o mineraloides de diferentes especies (por ejemplo cuarzo, olivino, ortoclasa...) donde cada componente conserva su identidad pero actúa en conjunto como una unidad.

Para decir que una sustancia es un mineral debemos verificar que cumpla con las siguientes características:

*Debe ocurrir de forma natural es decir, en su formación no interviene el ser humano.

*Presentarse en estado solido.

*Ser inorgánica 

*Poseer una composición química definida, de manera que puedan identificarse a partir de su formula molecular. Este hecho también implica que sus propiedades físicas y químicas sean mas o menos fijas. A partir de la composición podemos clasificar los minerales como silicatos, carbonatos, óxidos, hidróxidos, haluros, entre otros.

*Poseer un ordenamiento espacial atómico, es decir, una estructura cristalina. Los mineraloides no tienen una estructura atómica organizada por lo que se presentan como sustancias amorfas.

Figura 2. Redes de Bravais. Tomada de:
http://users.aber.ac.uk/ruw/teach/334/bravais.php

El factor mas determinante de un mineral es su estructura atómica, determinada por las propiedades de los elementos que la conforman y el tipo de enlace que formen.  Podemos definir siete sistemas cristalinos que cumplen con constantes cristalográficas de acuerdo a la longitud de sus ejes y la medida de los ángulos que estos forman. Estos son:

• Cúbico
• Tetragonal
• Trigonal
• Hexagonal 
• Ortorrómbico
• Monoclínico 
• Triclínico

A partir de los sistemas cristalinos se definen 14 ordenaciones posibles o celdas, conocidas como Redes de Bravais. Así determinamos estructuras con partículas centradas en el cuerpo, cara o base. Si no están presentes hablamos de una celda primitiva.

Cabe anotar que todo mineral es una sustancia cristalina, mas no todos las sustancias cristalinas son minerales, por ejemplo el azúcar, que a pesar de presentar una estructura cristalina en estado solido, es orgánica y no se considera un mineral.  Ademas no siempre va a ocurrir que todos los elementos hagan parte de la estructura sino solo los que formen los principales enlaces.

Figura 3. Organizacion atomica interna de la calcita. Tomada
de:http://www.metafysica.nl/turing/preparation_3dim_4.html

Hemos hablado de que la calcita es un mineral, para identificarla como tal suponemos que debe cumplir con los cinco criterios de clasificación mineral. En primer lugar sabemos que ocurre de manera natural, generalmente por precipitación. Es una sustancia inorgánica pues, a pesar de provenir (en su mayoría) de seres vivos y contener carbono no posee los enlaces C-H característicos de compuestos orgánicos. Tiene una composición química definida representada en la formula CaCO3. Por ultimo, y no menos importante, sabemos que en estado solido posee una organización atómica que pertenece al sistema hexagonal rombohedrico (Ver figura 3)

Referencias
Tarbuck, E., Lutgens, F. (2010). Ciencias de la Tierra. Pearson Educacion: Madrid

http://igs.indiana.edu/ReferenceDocs/Calcite_card.pdf

http://www.geosci.ipfw.edu/PhysSys/Unit_3/minerals.html

http://www.materials.ac.uk/elearning/matter/crystallography/3dcrystallography/bravais.html

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