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/