Marius van Heiningen
Los antiguos investigadores de la espeleología solo pudieron explicar la formación de las cuevas a partir de la existencia de unos conductos de reducido diámetro, y con flujos subterráneos relativamente rápidos. La existencia de estos reducidos conductos ya estaba probada, porque los habían observado en las paredes de las galerías, y los llamaron proto-conductos. Sin embargo, su formación era un enigma.
El aspecto de un proto-conducto puede variar desde una fisura ensanchada hasta un tubo redondo, con un diámetro mínimo de entre 0,5 cm y 1 cm. El diámetro máximo es más arbitrario, pero hay que pensar en entre 5 cm y 10 cm.
En el artículo “Mecanismos que influyen en la formación de una estrecha fisura hasta un proto-conducto” se describen los mecanismos que juegan un papel importante en el ensanchamiento de una fisura estrecha. En el presente artículo se describe el proceso de ensanchamiento de una estrecha fisura hasta un proto-conducto como resultado del funcionamiento de estos mecanismos en conjunto.
Nuestro punto de partida es desde el mismo ejemplo que usabamos en el artículo “Mecanismos que influyen en la formación de una estrecha fisura hasta un proto-conducto”.Un arroyo llega a tener contacto con una formación de caliza. Cierta cantidad de agua entra en punto A en la caliza por una estrecha fisura (F) y sale en punto B, a una altura más baja (figura 1). Los elementos principales que determinen la cantidad y velocidad del agua que pasa por esta fisura son: la diferencia en altura entre A y B (∆h), la longitud (L) de la fisura y el diámetro (d) de la fisura. Sabiendo la diferencia en altura y la longitud de la fisura se puede calcular el gradiente hidráulico, que es una medida que determina con que fuerza un flujo es forzado por una fisura. Durante el ensanchamiento de la fisura ∆h y L no cambian, es decir que la “fuerza de empuje” queda constante. Sin embargo, el diámetro de la fractura si aumenta, lo que reduce la resistencia interna del flujo, resultando por tanto, en un aumento de la velocidad del flujo.
DESARROLLO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE “CUELLO DE BOTELLA”.
Como un flujo que entra en una estrecha fisura se satura casi por completo en los primeros metros, el flujo en toda la fractura se encuentra en régimen de disolución lenta (Con un porcentaje de saturación por encima de los 90 por ciento). La figura 2 muestra que en este régimen un aumento en saturación disminuye enormemente la velocidad de disolución de la caliza de las paredes de la fractura. Como el agua que sale en B tiene el porcentaje más alto de saturación, es aquí donde el proceso de ensanchamiento es más lento y por tanto, donde el diámetro de la fractura más estrecho (1).
(1) Hay que darse cuenta que la velocidad de disolución equivale a la distancia que las paredes de la fractura se retroceden por año, lo cual es lo mismo que el ensanchamiento de la fractura el aumento del diámetro.
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 (régimen de disolución rápida). Si la saturación supera el 90 por ciento la velocidad de disolución baja enormemente y se disuelve muy poca caliza (régimen de disolución lenta). Por eso la solución no llega a saturarse por completa pero mantiene una pequeña capacidad de disolución. Un flujo de agua sigue disolviendo (un poco de) caliza aunque se penetrase en una estrecha fisura por kilómetros de distancia. La unidad de velocidad de disolución es mol/cm2s.
Este punto funciona como “cuello de botella” y determina la cantidad de agua por segundo (caudal = Q) que puede salir de la fractura. Como el diámetro en B determina el flujo en toda la fractura, este es el punto más indicado para investigar más en detalle.
Si consideramos un corte de la fractura, vemos que la longitud del corte (b) es muchísima mayor que su diámetro. En este ejemplo suponemos que b es 1metro, lo que significa que b es 5000 veces mayor al diámetro. La figura 3 muestra la localización del corte, justo antes del final de la fractura F. El corte A (en azul) representa el estadio inicial cuando la fractura todavía tiene un diámetro de 0,2 mm, y B (en rojo) representa el mismo corte, pero cuando la fractura se ha doblado en diámetro. La figura 4 compara los 2 cortes y calcula su superficie y su circunferencia, mostrando que la superficie se ha duplicado, pero que la circunferencia solo ha aumentado un 0,02 por ciento. Si suponemos que la velocidad del flujo se ha quedado constante, entonces la cantidad de agua (Q) que pasa por la fractura F también se ha duplicado.
En otras palabras: la superficie de la roca caliza que está en contacto con en el flujo prácticamente no ha cambiado, mientras que el caudal (Q) se ha duplicado.
La figura 3 muestra la localización del corte A (en azul) y corte B (en rojo), justo antes del final de la fractura (punto B en la figura A), d es el diámetro y b la anchura del plano de la fractura. Q es la cantidad de agua que pasa por la fractura (caudal).
Suponiendo que la velocidad del flujo queda constante, entonces el agua permanece el mismo tiempo dentro de la fractura, y por lo tanto sale con el mismo porcentaje de saturación. Entonces la cantidad total de caliza que se ha disuelto también tiene que ser el doble. Además hemos visto que la superficie de la roca que está en contacto con en el flujo prácticamente no ha cambiado. Esto lleva hasta la conclusión que la velocidad de disolución, y por lo tanto la velocidad con que se aumenta el diámetro de la fractura, tiene que ser el doble.
Sin embargo, la velocidad del flujo no queda constante, porque con el aumento del diámetro de la fractura se disminuye la resistencia interna al flujo (por ejemplo la fricción con las paredes), y por eso la velocidad se aumenta. Esto tiene dos consecuencias. La primera es que la cantidad de agua (Q) que pasa por la fractura es más que el doble, lo que implica un aumento adicional a la velocidad de disolución. Y la segunda es que el agua permanece menos tiempo dentro de la fractura, lo que significa que cuando sale de esta tiene un porcentaje de saturación un poco más bajo.
Sabemos que cuando sale el flujo de la fractura, su porcentaje de saturación respecto a la caliza es de casi un 100 por ciento. La figura 2 muestra que una disminución de solo un 1 por ciento, resulta en un aumenta de la velocidad de disolución de unas 10 veces. Entonces, un pequeño aumento de la velocidad del flujo disminuye un poco el porcentaje de saturación, lo que aumenta mucho la disolución en la última parte de la fractura.
Conclusión: Si el diámetro de la salida de la fractura aumenta, también aumenta Q y disminuye la saturación. Ambos tiene el mismo efecto, resultando en un considerable aumento de la velocidad con que la fractura se ensanche.
La figura 4 muestra dos cortes esquemáticas de la fractura F, con b = longitud del corte y d = diámetro. Las unidades son en milímetros. En A la superficie del corte es 0,2 por 1000 son 200 mm2 y la circunferencia es 2000,4 mm. En B la superficie del corte es 0,4 por 1000 son 400 mm2 y la circunferencia es 2000,8 mm.
Como el ensanchamiento de la fractura es un proceso continuo de aceleración, llega el momento que el porcentaje de saturación del agua que sale de la fractura ha bajado hasta 90. A partir de este momento toda la fractura exhibe un régimen de disolución rápida y este es el momento en que se ha formado el proto conducto . Un proto conducto suele tener un diámetro mínimo de entre 0,5 cm y 1 cm y su ensanchamiento puede llegar a ser hasta 0,1 mm por año, lo cual significa que desde un proto conducto se puede formar una galería con un diámetro de 2 metros en tan solo 10000 años.
DESARROLLO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA PROGRESIÓN DEL FRENTE DE LA ZONA DE DISOLUCIÓN RÁPIDA.
La figura 5A muestra una fractura en algún momento de su desarrollo. El agua que entra tiene una saturación de un 0 por ciento y el agua que sale está a un 99 por ciento. En la parte más cerca de la entrada se ha establecido un régimen de disolución rápida y por eso es la parte más ensanchada. A partir de S hacia la derecha todavía hay un régimen de disolución lenta. La figura 5B muestra la misma fractura en un momento posterior. La salida se ha ensanchado un poco, causando un aumento de la velocidad del flujo y por tanto el porcentaje de saturación ha bajado ligeramente. Sin embargo, el porcentaje de saturación no solo ha bajado en el punto de salida, pero en toda la fractura. La figura 5 muestra 3 ejemplos (líneas rojas): el 98,5 por ciento ha bajado por debajo del 97,5 por ciento, el 98 por ciento ha bajado por debajo del 97 por ciento y el 96 por ciento ha bajado hasta unos 92 por ciento. Otra forma de interpretar esta situación es la siguiente: se puede decir que todos los porcentajes de saturación se han desplazado hacia la salida.
Lo realmente importante es que esto significa que la zona de solución rápida, la cual es la parte que exhibe un ensanchamiento apreciable, se mueve lentamente hacia la salida.
Para hacer una comparación con la vida cotidiana, se puede decir que S es la punta de una broca de 10 mm que se está abriendo hueco en un agujero de 5 mm.
La figura 5A muestra esquemáticamente la distribución del porcentaje de saturación en un momento dado. La figura 5B muestra la distribución de saturación en la misma fractura en un tiempo posterior. El punto S indica el cambio del régimen de disolución rápida hacia el régimen de disolución lenta. El porcentaje del cambio es el 90 por ciento. Las flechas negras indican la dirección y velocidad del flujo. Las líneas rojas indican puntos correspondientes. La fractura no está dibujada a escala y los porcentajes de saturación solo son orientativos.
La figura 5C muestra la situación cuando el frente de la zona de disolución rápida está a punto de llegar a la salida. Como la disolución es rápida, también las paredes se retroceden relativamente rápido (indicado por las flechas moradas). En la figura 5D el frente ha llegada a la salida (evento de ruptura) y la velocidad de disolución es igual y máxima en toda la fractura. Este es el momento en que se ha formado el proto conducto.
La formación del proto conducto coincide con un aumento enorme de Q y, finalmente dará como resultado el hundimiento del gradiente hidráulico. Después de este hundimiento el caudal se quedará constante y es exactamente la magnitud final de este caudal que determina si un proto conducto puede crecer hasta convertirse en cueva o si se estanca en el proceso, pero esta es otra historia.
La figura 5C muestra la fractura cuando el frente de la zona de disolución rápida casi esta llegando a la salida. Las flechas moradas muestran un ensanchamiento rápido de la fractura y las flechas negras un ensanchamiento lento.
La figura 5D muestra la fractura cuando el frente de la zona de disolución rápida ya ha llegado a la salida. Toda la fractura se está ensanchando con la máxima velocidad posible. Cuando la zona de disolución rápida llega a la salida se produce el llamado evento de ruptura. La fractura no está dibujada a escala y los porcentajes de saturación solo son orientativos.
RESUMEN.
El punto de vista de “cuello de botella”, trata al ensanchamiento de la fisura estudiando el desarrollo de la parte final de la fisura. En esta parte la saturación es máxima y por tanto la velocidad de ensanchamiento es mínimo, determinando el proceso de disolución en toda la fisura. Sin embargo, también al final de la fisura la saturación del flujo va bajando poco a poco (causado por un lento aumento en caudal y velocidad del flujo) hasta que llega a los 90 por ciento. En este momento hay un evento de ruptura y toda la fisura se ensancha con una velocidad máxima.
El punto de vista de la progresión del frente de la zona de disolución rápida, trata al ensanchamiento de la fisura estudiando la distribución de saturación por toda la fisura. En cada punto de la fisura la saturación disminuye con el tiempo, resultando en un desplazamiento continuo de todos los porcentajes de saturación hacia la salida. El porcentaje de 90 por ciento es la separación entre el régimen de disolución lenta y el régimen de disolución rápida, y por eso representa el frente de la zona de disolución rápida. Cuando este frente llega al final de la fisura hay disolución rápida en toda la fisura. En este momento hay un evento de ruptura y toda la fisura se ensancha con una velocidad máxima.
NOTA FINAL.
De todos modos, este artículo es una enorme simplificación del estado del conocimiento espeleogenético actual, omitiendo muchos asuntos importantes que no son directamente necesarios para poder formarse una idea básica del proceso descrito.
