El agua en las profundidades de la Tierra

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Cristal azul de Ringwoodita ~150 micrómetros de ancho. Microfotografía tomada en la Universidad de Hawaii de un ejemplar crecido en Bayreuth, Germany. Autor: Joseph Smyth. Imagen encabezado: El material azul ringwoodita. Steve Jacobsen, 2014.

La ringwoodita es la fase mineral más común en la zona de transición inferior del manto terrestre, a profundidades de 520 a 660 km. Este cristal de ringwoodita contiene cerca de 1% de agua. Si toda la ringwoodita del manto contiene esta cantidad de agua, se estima que en el manto hay casi tres veces la cantidad de agua que en todos los océanos juntos.

Corte transversal del planeta Tierra (Perason et al, 2014)
Corte transversal del planeta Tierra (Pearson et al, 2014). Crédito imagen: Kathy Mather.

En la sección transversal del planeta Tierra, podemos identificar la zona de transición que separa el manto superior del inferior. Ahí mismo se forman los diamantes y junto con la ringwoodita —que atrapa a las moléculas de agua—, ambos minerales continúan su viaje hasta la superficie.

El primer descubrimiento en la Tierra de ringwoodita fue realizado por un equipo internacional encabezado por la Universidad de Alberta y podría indicar la presencia de grandes cantidades de agua entre 520 y 660 km de profundidad bajo la superficie terrestre.

Crédito: Universidad de Alberta. Fuente : phys.org.

El diamante encontrado  se originó a aproximadamente 520 km bajo la superficie terrestre, donde grandes masas de agua pueden acumularse por subducción de placas océanicas, con el avance y reciclamiento del suelo oceánico hacia la zona de transición del manto. Los resultados de estas investigaciones fueron publicados en 2014 por Pearson et al. (2014) en la revista Nature.


Química líquida: El agua en el planeta Tierra


Lecturas recomendadas

Earth Section

Schematic cross section of the Earth’s interior. The study by Steve Jacobsen and Brandon Schmandt used seismic waves to find magma generated at the base of the transition zone, around 600 km deep. Dehydration melting at those conditions, also observed in the study’s high-pressure experiments, suggests the transition zone may contain oceans worth of H2O dissolved in high-pressure rock. The findings alter previous assumptions about the Earth’s composition.


Química líquida: El agua en el planeta Tierra

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La hidrología estudia las propiedades físicas, químicas y mecánicas del agua en el océano y otros cuerpos de agua continentales, su distribución y circulación en la superficie del planeta, en el suelo y en la atmósfera. Se encuentra estrechamente relacionada con al menos cuatro áreas básicas: física, química, biología y geología, además de limnología, meteorología y glaciología, lo que le confiere un sabor multidisciplinario único.

Esferas

Modificado de: Brian J. Skinner and Barbara W. Murck, 2011. The Blue Planet: An Introduction to Earth System Science. 3a Edición. John Wiley & Sons.

Sin embargo, en nuestro planeta el océano y los sistemas acuáticos están integrados en uno solo, lo que cambia es la forma de estudiarlo y el tipo de procesos que deseamos comprender, así que este término no parece ser el más correcto. Si bien el enfoque analítico, de separar las partes de la realidad para estudiarla es muy útil, para la comprensión profunda de ésta es necesaria la síntesis, es decir, la reintegración de la información.

En contraste, el término “biogeoquímica acuática” hace referencia constante a los aspectos físicos, biológicos y geológicos que están inevitablemente asociados a los procesos químicos en los cuerpos de agua de la Tierra. Hace énfasis en los ciclos biogeoquímicos de los elementos. Además, engloba a todos los tipos de sistemas acuáticos distintos al océano que existen en nuestro planeta como ríos, lagos, embalses, cenotes, charcas, estuarios, fiordos, lagunas costeras, ríos subterráneos y humedales.

Una molécula de agua en el fondo del lago de Chapala puede eventualmente caer como lluvia en los Tuxtlas de Veracruz. Podría ser acarreada por el Río Papaloapan hasta el Golfo de México, donde posteriormente drenará en el Océano Atlántico y probablemente siga su camino hacia el norte, cerca de Islandia donde, tras evaporarse y precipitar en forma de nieve, se vuelva parte de un glaciar por miles de años. Otras moléculas, son arrastradas a grandes profundidades bajo la corteza terrestre, donde se mezclan con el magma y vuelven a salir en forma de vapor o dentro de inclusiones minerales tras una erupción volcánica. Una de esas moléculas puede ser arrastrada por el viento, para nuevamente precipitar -después de millones de años- en el lago de Chapala (si es que todavía existe, por supuesto, aunque seguramente se habría desplazado unos cuantos kilómetros).

El agua en el planeta Tierra

Una de las preguntas centrales de la hidrología es, ¿cuál es el origen del agua en la Tierra? ¿De dónde salió? Toda el agua actualmente presente sobre la superficie de la Tierra proviene de su interior (aunque hay discusión en esto, ya que se pensaba que provino de los cometas que han chocado con nuestro planeta y una mínima cantidad pudo provenir de esta fuente), la cual ha ido liberando progresivamente, desde su formación hace 4,600 millones de años. Aunque este proceso aún continúa, se calcula que el agua que formó los océanos y atmósfera actuales había salido ya desde hace 2,500 millones de años, y que la tasa de degasificación actual es mucho menor.

La diferencia con otros planetas, en cuanto al contenido de agua, se debería a que éstos no pudieron retenerla sobre su superficie y el agua escapó al espacio. Más recientemente, con el  descubrimiento de un diamante formado a 600 km de profundidad en la zona de transición del manto terrestre, que contiene una inclusión del mineral ringwoodita y varias moléculas de agua (este mineral puede contener entre 1-3% de agua en peso) se fortalece la hipótesis de que el agua de los lagos, ríos y océanos provino del interior. Si toda la ringwoodita del manto contiene esta cantidad de agua, se estima que en el manto hay casi cinco veces la cantidad de agua que en todos los océanos juntos. Esto implica también que el ciclo hidrológico penetra cientos de kilómetros bajo la superficie de la Tierra, con tiempos de residencia en profundidad en escala de millones de años.

El primer descubrimiento en la Tierra de ringwoodita fue realizado por un equipo internacional encabezado por la Universidad de Alberta  y podría indicar la presencia de grandes cantidades de agua entre 400 y 700 km de profundidad bajo la superficie terrestre.  Crédito: Universidad de Alberta. Fuente : phys.org


El agua en las profundidades de la Tierra


¿Cómo se formaron cuevas y cenotes? Espeleogénesis

Fotografía de Jill Heinerth

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Uno de los rasgos distintivos del norte de la Península de Yucatán es su topografía casi plana, sin valles ni montañas y con altitudes que apenas rebasan los 30 metros. El tipo suelo se compone principalmente de roca caliza, o saskab (tierra blanca), la cual contiene carbonatos de calcio y magnesio que son ligeramente solubles en agua.

Hace millones de años la Península era muy diferente a como la conocemos actualmente, desde entonces ha sufrido modificaciones radicales a causa de cambios climáticos en el planeta. Un ejemplo de estos cambios, fue durante el periodo de la última glaciación o Era de Hielo –hace unos 20,000 años– cuando el nivel del mar se encontraba 120 metros por debajo de su nivel actual y muchos de los cenotes en los que hoy podemos bucear, se encontraban secos. Desde entonces, el nivel del mar ha aumentado más o menos gradualmente hasta donde lo conocemos hoy y muchas cuevas fueron inundadas.

La porción que hoy habitamos por encima del nivel del mar de la Península de Yucatán, es solamente una parte de la plataforma de carbonatos que fue creciendo desde el fondo marino – sobre el Bloque de Yucatán por acumulación de millones de esqueletos de diferentes organismos marinos que utilizan el carbonato de calcio para formar sus huesos, conchas, espículas y otras partes del cuerpo. Al morir, se depositaron sobre la superficie del fondo para compactarse y endurecerse junto con arcillas finas al paso de millones de años. Es importante reconocer que el crecimiento de la plataforma se hace a través de la deposición de carbonato biogénico, es decir, proveniente de organismos vivos y que, además, es un proceso que necesariamente sucede debajo del agua, en la porción que se encuentra sumergida.

Peninsula_APSA

Figura 1. La Península de Yucatán es la porción que observamos sobre el nivel del mar de la Plataforma de Yucatán, que tiene una extensión mucho mayor. En la Riviera Maya sobre la costa oriental de Quintana Roo, el cambio de profundidad es muy abrupto comparado con el norte de Yucatán y la Sonda de Campeche hacia el Golfo de México, donde la plataforma se extiende por varios kilómetros. Batimetría, Dirección General de Oceanografía, Secretaría de Marina (YUCATÁN ’85). Modelo SRTM de elevación (NASA, 2000).

El nivel del mar ha cambiado de posición varias veces durante diferentes periodos glaciales, por lo tanto, la Península en crecimiento en realidad no “emergió del mar” sino que ha sido expuesta y sumergida por el océano en varias ocasiones. Sin embargo, se reconoce que cada vez que comienza un ciclo glaciar, la Península efectivamente “emerge“, ya que el agua de los océanos se acumula en forma de hielo en los polos del planeta y el nivel del mar desciende, dejando expuesta una mayor superficie y la línea de costa aumenta.

Cambios en el nivel del mar en los úlitmos 800,00 años. El presente se encuentra a la derecha. LFI (Last Full Interglacial-Último interglaciar); LGM (Last Glacial Maximum-Último Máximo Glaciar).

Figura 2. Cambios en el nivel del mar durante los últimos 800,000 años. El presente se encuentra a la derecha. LFI (Last Full Interglacial-Último interglaciar); LGM (Last Glacial Maximum-Último Máximo Glaciar). Datos de Siddall et al (2003). 

Actualmente, el término cenote se emplea para designar cualquier espacio subterráneo con agua y que contenga una ventana hacia el exterior. El pueblo maya, que no solamente tenía el conocimiento de estas manifestaciones del terreno sino que los empleaba diariamente como fuente de agua y vida, los llamó ts’ono’ot o d’zonot, que significa “depósito de agua”. El abastecimiento de agua en la Península de Yucatán fue y sigue siendo un grave problema para sus pobladores, pues aunque a lo largo de cuatro meses caen lluvias más o menos abundantes, el periodo de sequía suele ser severo y puede prolongarse hasta seis meses en algunos años. Por otra parte, la constitución geológica calcárea causa de que el agua difícilmente se conserve en la superficie. Por esta razón, los cenotes fueron y seguirán siendo fuente primordial de agua y de vida.

Figura 3. Cenote Xtacumbilxunan, en Bolonchén (‘nueve pozos de agua’) Campeche. Este pueblo escapó a la epidemia de cólera de 1833. La única fuente de agua dulce fluye en las profundidades debajo de gruesas capas de roca caliza. Litografía por H Warren. Imagen publicada en “Views of Ancient Monuments in Central America, Chiapas and Yucatan” – Frederick Catherwood (1844).

En el presente, aunque subsisten ciertas prácticas de su antigua veneración, es claro que su significado dista mucho de lo que era para los antiguos mayas. Hoy día, su valor está asociado principalmente al turismo. Es conocido que el estado de Quintana Roo posee varios de los sistemas de cuevas inundadas más grandes del mundo. Exploraciones realizadas por equipos de buzos, han puesto al descubierto cientos de kilómetros de conductos subterráneos (recordemos el reciente anuncio de la conexión entre los sistemas Sac Actun y Dos Ojos, convirtiéndose en la cueva sumergida más larga del mundo con más de 353 km registrados, desplazando a Ox Bel Ha al segundo lugar). Sin embargo, también cuenta con un gran número de cuevas secas de considerable longitud. No podemos ignorar su existencia si deseamos convivir con ellas.

Figura 4. Entrada de luz. Quintana Roo/ Archivo personal, EMR (2011).

Adentrarse en una cueva es una experiencia inolvidable. Las cuevas nos hablan de geología, bioquímica, paleontología y arqueología. Las cuevas nos enseñan historia, nos motivan a conocerlas y a pensar en su futuro.

¿Cómo se formaron los cenotes?

Espeleogénesis es la palabra que se usa en espeleología y geología para describir el mecanismo de formación de todo tipo de cuevas, cavernas, grutas y cenotes. La hipótesis más aceptada acerca del origen de cuevas y cenotes, propone una secuencia de pasos en un proceso llamado carstificación (o karstificación), que consiste en la combinación de al menos tres mecanismos: disolución, colapso y crecimiento de la roca caliza.

1) En el primer paso la roca se disuelve por medio del agua de lluvia –acidificada tanto por el dióxido de carbono  (CO2) del aire, como por el proveniente de la descomposición de materia orgánica en el suelo de la selva (hojas, ramas, animales muertos, bacterias)– que al mezclarse con agua salada aumenta su poder corrosivo. Donde se juntan las capas profunda salada y superficial de agua dulce es donde mayor disolución se tiene de roca caliza, formando una extensa red de conductos, cuevas y cavernas que se extiende por el subsuelo. A esta interfase de capas dulce y salada le llamamos haloclina. Las personas que buceamos las cuevas podemos fijarnos que justamente sobre la haloclina las cuevas generalmente son más anchas, una señal de que la disolución es mayor en esa zona y de que sigue ocurriendo, es un proceso continuo y en desarrollo.

Leer una descripción más detallada de estas reacciones 

El agua de lluvia acidificada disuelve más fácilmente al carbonato de calcio de la roca caliza y forma bicarbonato de calcio, una especie mucho más soluble. Otro tipo de disolución, pero de origen biológico, es el que se presenta en el interior de algunos cenotes donde algunas bacterias descomponen la materia orgánica produciendo ácido sulfhídrico (H2S), un poderoso corrosivo que, al disolverse y concentrarse sobre la superficie de la haloclina, se observa en forma de “nube” y resulta tóxico para los organismos que respiramos oxígeno. Al entrar en contacto con las capas superficiales, que pueden contener un poco de oxígeno disuelto, el ácido sulfhídrico se transforma en ácido sulfúrico (H2SO4), también un ácido fuerte y potente corrosivo de la roca caliza.

Figura 5. Mecanismos del proceso de carstificación en continente. Fuente: McColl et al (2005). Geological Survey of Canada.

2) En el segundo mecanismo, cuando el nivel del mar ha bajado durante periodos glaciares, desciende también el nivel del acuífero y deja una cueva llena de aire donde, por falta de soporte, colapsan y desploman diferentes secciones del techo, formando una dolina o cenote. Al final del periodo glaciar, se descongelan los polos, aumenta nuevamente el nivel del mar e inunda la cueva.

Figura 6. Cambios en el nivel del mar a finales de la época del Pleistoceno, que empezó hace 2.5 millones de años y con éste, los periodos glaciares modernos. Al cambiar el nivel del mar, también cambia la posición de la haloclina y sobre ella se empiezan a formar y extender los sistemas de cuevas que hoy buceamos. Modificado de González-González et al., (2008) y Blanchon & Shaw (1995).

3) Finalmente, el tercer paso asociado al proceso de carstificación es el responsable de la formación de estalactitas, estalagmitas, columnas y otros espeleotemas, por acumulación del material disuelto en el primer paso. En la formación de espeleotemas también está  involucrada la degasificación, es decir, la expulsión del CO2 del agua al entrar ésta en un ambiente de cueva diferente al del exterior desde el cual se filtró a través de la roca, lo que provoca la precipitación de carbonato de calcio (ver ecuaciones químicas). En el caso de las cuevas inundadas este proceso ya no sucede más. El grado de carstificación depende de factores que operan con diferente escala espacial y temporal, lo que permite una gran variedad de formas y decoraciones en el sistema de cuevas y cavernas.

Figura 7. Gota de agua con carbonato de calcio disuelto, suspendida del canal central de una estalactita. QRoo / Archivo personal. EMR (2015).

Teniendo en mente estos mecanismos, podemos decir que la formación de algunos cenotes se genera a través de una secuencia de eventos: una cueva inundada puede formar un cenote tipo bóveda por hundimiento parcial del techo. Este proceso avanza desde arriba, por infiltración de la lluvia y desde abajo, por circulación subterránea. A continuación, la totalidad del techo se derrumba formando un cenote cilíndrico; si se interrumpe el flujo se forma por azolve y hundimiento de la zona adyacente un cenote de agua estancada, es decir, una aguada. Cabe mencionar que las observaciones morfológicas anteriores no constituyen una “clasificación” rigurosa de cenotes, se considera más correcto clasificarlos de acuerdo a sus mecanismos de formación (espeleogénesis) porque formas similares pueden ser obtenidas por diferentes procesos. Así que esta clasificación constituye una manera práctica de reconocer las diferentes morfologías (formas), aunque no es posible deducir su antigüedad basados en ella porque no todas las expresiones cársticas siguen el mismo proceso.

La haloclina estratifica el cenote: funciona como una barrera física que aísla las capas de agua salada y  de agua dulce. En los cenotes costeros, la capa marina profunda no siempre se encuentra realmente estancada, sino que puede circular impulsada por las mareas y tormentas a través de túneles conectados con el mar. Un caso muy claro es Tankah y la descarga del cenote Manatí en la orilla del mar; también observamos ojos de agua que descargan agua dulce e intercambian agua salada con el mar en la laguna arrecifal de Puerto Morelos y en las playas al sur de Tulum.

Figura 8. Diagrama de la Península de Yucatán, donde el agua subterránea está separada en dos capas de diferente salinidad y densidad: el lente de agua dulce y la intrusión salina -agua de mar- que se filtra a través de la roca. La zona de mezcla entre las dos capas se llama haloclina. La descarga de agua subterránea crea “ojos de agua” en la zona costera de la Península. EMR (2015).

La disolución mayor ocurre en la zona de contacto y mezcla entre el agua dulce y salada, la zona de transición abrupta conocida como haloclina, la cual sube o baja dependiendo del nivel del mar, y por esta razón existen cuevas horizontales más profundas que otras (por ejemplo, en el sistema Dos Pisos). Al cambiar el nivel del mar, la haloclina se desplaza y empieza a disolver la roca a diferente profundidad, empezando así otro “nivel” de cuevas.

Los cenotes son complejos sistemas acuáticos generados mediante la disolución de los carbonatos y otros minerales del suelo, por lo que en geología se llaman lagos de disolución, aunque en realidad algunos cenotes son más similares a ríos que a lagos, ya que cuentan con conexiones a corrientes subterráneas que favorecen la circulación de agua. A este tipo de sistemas acuáticos, en donde coexiste agua dulce y salada, se les denomina anquihalinos.

Los colapsos intermitentes a lo largo de los diferentes sistemas de cuevas de la Península van abriendo ventanas hacia la superficie, por donde podemos entrar a los conductos y pasajes. Generalmente los cenotes en la parte oriental de Quintana Roo, se forman por el colapso de cuevas formadas durante periodos muy largos de tiempo, cuando la profundidad de la haloclina -formadora de cuevas- permanece por mucho tiempo más o menos en la misma posición, ensanchando galerías y pasajes.

Cenotes_AGU_a

Figura 9. Comparación de distintos tipos cenotes con diferente mecanismo de formación. A la izquierda, pit-cenotes que predominan en el centro de la Península y sobre el Anillo de cenotes. En ellos, seguramente intervienen flujos de agua desde profundidades mayores, favoreciendo la disolución de la roca desde abajo hacia arriba. Del lado derecho, morfología de los cenotes más comunes en la costa oriental de Quintana Roo, sobre la “Riviera Maya”. Estos cenotes son la entrada a sistemas de cuevas menos profundos y con galerías anchas y ramificadas. EMR (2015).

Otro tipo de cenotes, más comunes en el centro de la Península, son los llamados pit-cenotes (aunque existen algunos en Quintana Roo, por ejemplo, el Blue Abyss o El Pit, que sobrepasan los 120 metros de profundidad) en donde su formación seguramente incluye flujos de agua provenientes de regiones más profundas de la roca, donde la cavidad va creciendo desde abajo hacia arriba, en un proceso llamado hipogénico (“desde abajo”). Muchos de los cenotes que conforman el Anillo de cenotes en la parte noroeste de Yucatán, pertenecen a esta categoría.

Datos: NASA/INEGI/SEDUMA

Figura 10. Algunos de los cenotes del “Anillo de cenotes” en la parte noroeste de la Península de Yucatán. Chicxulub muestra el lugar aproximado del centro del cráter creado por el impacto del meteorito hace 66 millones de años. EMR (2018).

Para lograr un aprovechamiento sostenible de estos sistemas, es necesario un entendimiento integral de los cenotes, las cuevas, el movimiento del agua subterránea y su interacción con las rocas que forman el acuífero, la influencia del océano y sus mareas (es decir, el estudio del sistema hidrogeológico completo de la Península); también es necesario evaluar el impacto de las zonas urbanas y las posibles causas de contaminación de la única fuente de agua con la que contamos, que es precisamente el agua subterránea. Esta búsqueda debe darse por convergencia entre las ciencias ambientales, ciencias del agua, ciencias de la tierra, ciencias biológicas, el estudio y conservación de la red subterránea de conductos, trabajo con las comunidades, explotación eficiente de recursos y, por supuesto, la exploración y aprovechamiento sostenible mediante buceo de cuevas.

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Manera sugerida de citar este artículo:

Monroy-Ríos E (2016) ¿Cómo se formaron cuevas y cenotes? Espeleogénesis. Environmental Biogeochemistry – Blog personal. Publicado el 20 de mayo, 2016. Fecha de consulta: [dd/mm/aa].
https://sites.northwestern.edu/monroyrios/2016/05/20/espeleogenesis/


Referencias

Blanchon P & J Shaw (1995) Reef Drowning during the Last Deglaciation: Evidence for Catastrophic Sea-Level Rise and Ice-Sheet Collapse. Geology 23: 4-8.

González-González AH, C Rojas-Sandoval, A Terrazas, M Benavente, W Stinnesbeck, J Aviles, M de los Ríos & E Acevez (2008) The Arrival of Humans on the Yucatan Peninsula: Evidence from Submerged Caves in the State of Quintana Roo, Mexico. Current Research in the Pleistocene. Special Report. 25: 1-24.

NASA (2000) Shuttle Radar Topography Mission. Colored elevation SRTM model of the Yucatan Peninsula.

QRSS (2016) Quintana Roo Speleological Survey. Actualizada el 19 Abril, 2016. Consultada el 15 mayo 2016.

Siddall M, J Chappell & EK Potter (2007) 7. Eustatic sea level during past interglacials. Developments in Quaternary Sciences 7: 75-92.


El Anillo de Cenotes

Sistema Sac Actun

El sistema cárstico-antropogénico de la Península de Yucatán