Análisis de la relación entre la dinámica químico-litogenética y la circulación térmica del aire y su aplicación para el estudio de la geomorfología de las cuevas.Ministerio de Cultur

Montoriol Pous, Joaquín

Repositorio Institucional de la Universidad de Oviedo

Relaciones entre la Quimiolitogénesis y la Termocirculación POR JOAQUIN MONTORIOL POUS El mecanismo quimio~itogénico que tiene lugar en las forma- ciones hipogeas, queda esquematizado en una serie de ecua- ciones químicas reversibles, que son la expresión de los equili- brios entre el ácido carbónico y sus productos de  disociación, el carbonato cálcico y sus productos de disociación, y el agua y sus productos de disociación : 3) COsH- 2 C 0 8 -  + H+ 4) C03Ca CO,- + Ca+ + 5 )  H 2 0  OH- + H+ * Como es bien sabido, esta serie de equilibrios acostumbran a resumirse según la ecuación reversible, COsCa + COZ + H20 LL (C03H)&a Cuando ésta se desplaza de derecha a izquierda tiene lugar la quimiolitogénesis. Salvo rarísimas excepciones, y prescindien- do de las formas excéntricas sobre las que tanto se ha divagado, hubo durante largos años un completo divorcio entre los fisi- 34 REVISTA DE LA co-químicos y los geomorfólogos que se ocuparon de tal proble- ma. Es por ello que, en colaboración con Thomas Casajuana, llevamos a cabo, durante los años 1952-53, una serie de investi- gaciones a fin de poner de manifiesto los mecanismos responsa- bles de los diferentes tipos morfológicos que ofrecen las forma- ciones quimiolitogénicas.. A fin de simplificar, agrupamos la's diferentes variables en dos grupos: 1) Causas de caudal; 2) Causas climáticas. Combinando sus diferentks intensidades (k), logramos explicar la génesis de seis tipos fundamentales de for- mas quimiolitogénicas simples. De los diferentes factores englobados en las causas climáticas, el más importante, y casi el único digno de tenerse en consi- deración, es la presión parcial del anhídrido carbónico en la at- mosfera de la cavidad. Como es natural, tal factor viene pro- fundamente afectado por la aerocirculación de la misma. La barocirculación y la termocirculación en saco de aire resultan practicamente despreciables: la primera por funcionar esporá- dicamente, la segunda por alcanzar raramente las partes profun- das del sistema hipogeo. Asi pues, la termocirculación en tubo de viento es el mecanismo de aerocirculación más importante por lo que se refiere a nuestro problema. Si suponemos un sistema hipogeo comunicando con el ex- terior a través de dos bocas de cotas C, y C, respectivamente, o sea con una diferencia altimétrica h=C, - C,, y considera- mos una temperatura del aire exterior igual a tb y una tempe- ratura del aire interior igual a t, y asimismo, para simplifi- car, admitimos que el paso de un litro de aire (P, ) a O."C es el que corresponde a C1'C2t tendremos que la diferencia de pre- 2 sión (en gramos por centímetro cuadrado), entre C, y C,, en el interior de la cavidad, vendrá dado por, ' h 273 P,, A P'' = - 10 273 -+ t ,  mientras que en el exterior, A p', valdrá, UNIVERSIDAD DE OVIEDO 35 La presión' motriz detemiinante de la termocirculación sera igual a A P' - A P", y de signo + o -, según los valores de t b  y t,, o sea que vendrá dada por, De la observación de estas relaciones cuantitativas vemos, pues, que en verano (tb > t, ) el tubo de viento funcionará según C, -+ C2, y en invierno ( t b  < t g  ) según C2 4 C1. E n  las estacio- nes de transición se producirá una inversión de corrientes se- gún las horas del día. La temperatura del aire (entrante o sa- liente), y sea cual fuere la estación del año, cumplirá que tC:, < tC1; de ahí Los conceptos de boca fría y boca caliente. Hasta ahora sólo habíamos analizado el problema directo, que es deducir los resultados morfológicos producto de la variabili- dad de los factores. Sin embargo, resulta evidente que para el morfólogo es mucho más interesante el problema inverso, o sea basándose en las formaciones quimiolitogénicas, deducir datos respecto a la evolución espeleometeorológica y en consecuencia, espeleomorfológica de la cavidad. Vamos a intentar resolver esta posibilidad, que ya apuntamos en nuestro citado trabajo sobre las formas reconstructivas. OBTURACION DE LOS SISTEMAS DE TERMOCIRCULACION Para su funcionamiento, un mecanismo de termocirculación en tubo de viento exige una comunicación directa entre C ,  y C,. Ahora bien, un sistema de termocirculación hipogea es una cosa sumamente irregular, con zonas de escasa Sección de circula- ción exguestas a una obturación fácil. Esta se puede producir mediante tres procesos diferentes. a) Obturación quimioZitogénica (fig. 1 - 1) , Sabido es que las formas estalactíticas y estalagmiticas evo- lucionan hacia formas columnares y éstas hacia macizos obtu- rantes, siendo muy elevado el número de cavernas en avanzado estado de evolución, cuyo fin penetrable se halla constituído por uno de tales macizos reconstructivos. Téngase en cuenta que la 36 REVISTA DE LA propias causas de interdependencia entre quimiolitogénesis y tennocirculación, hacen que la dinámica reconstructiva se loca- lice preferentemente en aquellas zonas de escasa sección de cir- culación o sea las más facilmente obturables. I b) Obturación por sifón hidráulico (fig. 1 - 111). Se trata de un caso extraordinariamente corriente, particular- mente en la zona de meandros terminales de los grandes sumi- deros actuales de funcionamiento intermitente (o sea en aquella zona en que el desarrollo vertical ha pasado a subhorizontal). El clásico sifón terminal aeosturnbra a marcar asirnisma el fin de nu- merosas cavidades. c) Obturución por 1 sedimentación arcillosa (fig. 1 - 11) Seguramente es el mecanismo de obtura- ción más abundante en las formaciones hipo geas de desarrollo hori- zontal o subhorizontal. Hay que tener presente que en la mayoría de las cavernas el explora- dor avanza literalmente a ras del techo, debido a los depósitos arcillo- sos que colmatan casi totalmente el antiguo perfil de la galería. Bas- .. tará, por lo Fig. l .  -0btaraci6n quimioiitogénica; 11 Obtu- quier irregularidad de la ración par sedimentación arciiiosa; III Obtara- bóveda para que se pro- ción por sifón hidráulico duzcá una obturación. En primera aproximación, la obturación arcillosa es seme- jante a un sifón hidráulico en el que el agua ha sido substituída UNIVERSIDAD DE OVIEDO 37 por las arcillas. Hay, sin embargo, una diferencia fundamental: el sifón hidráulico precisa de una galería con desarrollo langi- tudinal en U (vasos comunicantes) o de una inflexión de la b h e -  da sobre un tramo horizontal ; en cambio la obturación arcillosa puede desarrollarse sobre una galería en pendiente (tal como se observa en la figura). d) Consideración general Podría objetarse que tales procesos obturantes no son capaces de inhibir un mecanismo de tennocirculación en tubo de viento, por cuanto sólo actuarían sobre alguna de las ramas de la red del sistema (galerías y microfisuras). Ello no obstante, por el procedimiento que estudiaremos en el apartado próximo, pueden ponerse de manifiesto casos de inhibición total. Su existencia es posible gracias a que los factores que regulan los procesos ob- turantes, no se hallan localizados en puntos, sino sobre áreas y volúmenes más o menos grandes. En efecto las colmataeiones arcillosas vendrán en función de niveles de base kársticos loca- les que afectarán, en una amplia zona, a todo el conjunto de galerías y microfisuras de un sistema ; por otra parte, la quimi- litogénesis obturante vendrá asimismo favorecida, en extensas zonas, bien sea por un mayor aporte hídricq debido a una mayor fisuración (diaclasas, leptoclasas), bien sea por una disminución de las secciones de circulación, debida a una mayor resistencia de la roca a la erosión y corrosión (ambas causas dependerán de factores litológicos que serán constantes en un amplio volu- men). En lo que se refiere a los sifones hidráulicos, carecen de interés para nuestro estudio, ya que o siempre se hallan cerra-. dos o se abren y cierran con período muy corto (lluvias). En el caso de galerías en conducción forzada, bajo el nivel de base, un descenso del mismo puede abrir un tubo de viento. e) Método de investigación ,Se trata, como es natural, de deducir la evolución espeleome- teorológica, y en consecuencia el desarrollo de un mecanismo de obturación a partir de la morfología quimolitogénica. A ma- 38 REVISTA DE LA nera de ejemplo, vamos a aplicar el método a la gran caverna menorquina de Na Polida (desarrollada en las calizas jurásicis del cabo Pantinat, península de  albu bufe reta) que, en la actuali- dad, no presenta la menor muestra de termocirculación en tubo de viento. En la fig. 2 se ha esquematizado la disposición de las formas reconstructivas en varios puntos de la caverna. Se encuentran los siguientes tipos de concreciones : a-estalactitas mixtas ; b-estaiactitas de caudal ; c-estalactitas climáticas ; d-excén- tricas, helictitas ; e-estalagmitas mixtas ; f-esta'lagmitas cli- máticas ; g-estalagmitas compuestas (estalagmita mixta+es- talagmita climática) ; h-columnas estalactítico-estalagmiticas. Hay una ausencia total de estalagmitas de cau- dal con o sin desarro- llo en palmera. Cabe observar que las formas . . b son posteriores a las Fig. 2.-Esquema de la disposición de las c, que las a formas quimiolitog6nicas en la Cova de Na Polida (ver explicación en el texto) 'On porteriores a las '7 según indican las rela- ciones de superposición y confirma el distinto grado de de- calcificación. Vemos pues que los distintos tipos de formas exigen las si- guientes oscilaciones (CA=causas de caudal; CL=causas cli- máticas) : 1 - F m s  bóveda 2-Tipo "a" : -CA,-CL 1-Tipo "c" : +CA,-CL 3-Tipo "b" : -CA,+CL 11-Fomnas piso 1-Tipo "e" : + CA,+CL >Tipo "f" : -CA,+CL En lo que hace referencia al piso, y siendo igual +CL, el cambio actuó según +CA -z -CA, según indican las formas g. En lo que se refiere a la bóveda, el paso ocurrió según -CL + +CL, según indican las relaciones morfológicas y con- firma el distinto grado de decalcificación. Las formas b y f son contemporáneas (-CA, + CL). Luego la sucesión total (bóve- da + piso) ha sido: O sea, (+ CA, - CL) - +  (-CA, - CL) -> (+ CA, + CL) +(-CA, + CL) Vemos pues que el ritmo de las infiltraciones ha sufrido dos oscilaciones completas, + C A + - C A + + C A + - C A  .mientras que las causas climáticas han pasado sólo por, De todo ello deducimos, pues, que en un principio la cueva presentaba una termocirculación en tubo de viento, la cual, por obturación del sistema, ha dejado de funcionar en la actualidad. Las investigaciones geomorfológicas pusieron de manifiesto que se trataba de una obturación quimiolitogénica. Es evidente que mientras -CL -. +CL es, teniendo en cuen- ta cuanto llevamos dicho, relativamente fácil, el paso contrario, +CL -& -CL, será sumamente improbable. En efecto, este cam- bio exige una desobturación durante la evolución espeleogé- nica de la cavidad, cosa que según nuestras estadísticas ocurre en un muy reducido número de cavidades, capaz de producir la  do- ble oscilación, -CL -> +CL - +  -CL. Téngase además en cuen- ta que la quimiolitogénesis es índice de la madurez morfológi- ca de una cavidad, no habiéndose desarrollado sino muy poste- riormente a la primera "puesta en marcha" del mecanismo de aerocirculación. # Podemos deducir de todo ello que las cavidades evoluciona- 40 REVISTA DE LA das cm una termocirculación actual, pueden proporcionar una, prueba indirecta sobre la validez del método, ya que no deberán presentar relaciones morfológicas quimiolitogénicas que exijan el paso 4 1 ;  -, +CL. Pues bien, en nuestras investigaciones no hemos hallado nunca la menor excepción a tal principio. DESMANTELAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE TERMOCIRCU~ACION Para que se produzca un mecanismo de terrnocirculación en tubo de viento se precisa una diferencia 'altimétrica h=C1- Ce, entre la boca fría y la boca caliente del sistema hi- pogeo. Ahora bien, el desrhantelamiento debido a la erosión sub- h aérea puede llevar a C, S Cer con lo que h -t O, y como 10 es fac- tor que multiplica a toda la expresión que da A P, el valor de la termocirculación se anulará, con lo que ocurrirá -CL + +CL. Con ello las concreciones sufrirán una evolución morfológica parecida a la de un caso de obturación En la práctica resulta improbable que se anule la temo- ,circulaci6n, pues es difícil que se llegue a C ,  = C,; por ello se producirá, en la mayoría de los casos, sólo una atenuación de la misma, con el resultado de ser menos evidentes los cambios morfológicoe en los procesos reconstructivos. Un caso muy demostrativo, estudiado por nosotros, con cese total del mecanismo de aerocirculación y las consiguientes con- sceucncias en cuanto a los cambios en la quimiolitogénesis, lo constituye la Cova del Parrillo - Serra (desarrollada en el ma- cizo kárstico que se extiende entre El Perelló (Tarragona) y el mar Mediterráneo. El estudio geomorfológico de la citada ca- vidad pÚso de manifiesto que se trataba de una oquedad resi- dual, que en una primera fase de su espeleogénesis no era más que la zona de meandros terminales de un sumidero, lo cual exi- ge el desmantelamiento de las capas suprayacentes, y el cese UNIVERSIDAD DE OVIEDO de la termocirculación que presentaba el antiguo sumidero (-CL - +CL). Así pues, las conclusiones sacadas del estudio morfológico general de la cavidad, concuerdan con las deduc- ciones llevadas a cabo a partir de la evolución de las formas reconstructivas de la misma. CONSIDERACIONES FINALES De todo cuanto acabamos de exponer en los apartados ante- riores, vemos que el estudio de las relaciones entre la quimio- litogénesis y la termocirculación, puede llevar a la resolución de numerosos problemas concernientes a la evolución morfoló- gica de las cavidades subterráneas. Cuando iniciamos tales es- tudios, nuestra única ambición era poder explicar la génesis de los tipos fundamentales de formas litogénicas, pero al apli- car sistemáticamente el método a un elevado número de cavi- dades, hemos podido comprobar que las deducciones te6ricas sobre los sistemas cuadraban siempre con los resultados obteni- dos a partir del estudio geológico general de las mismas. A nuestra manera de ver, cuando se pueda disponer de un gran número de observaciones en tal sentido, que den una mayor va- lidez estadística a la exactitud del método, ésta podrá emplearse no solamente para comparar sus resultados con los obtenidos mediante otros métodos morfológicos, sino para deducir directa- mente consecuencias en cuanto a la evolución espeleogénica de las cavidades estudiadas (evolución de los sistemas, relaciones con la erosión subaérea, fases de sedimentación arcillosa, fases litogénicas, cambios del nivel de base kárstico, etc.). REVISTA ;E LA On analyse d'abord les rapports qui existent entre la dyna- mique chimico-lithogénique et la circulation thermique de l'air dans un "tube de vent". On étudie ensuite les mécanismes susceptibles de provoquer l'arret du fonctionnement d'un "tube de vent": 1-Obstruction (a-obstruction chimico-lithogénique ; b-obs- truction par siphon hydraulique ; c-obstruction par sédimenta- tion argilense); 11-Démantellement dfi A l'erosion sous-aé- rienne. Utilisant alors les conclusions obtenues A partir des analyses antérieures, on cherche les rapports entre la morphologie litho- génique et l'évolution générale spéléogénique des cavités afin d'obtenir une nouvelle arme de travail a utiliser dans les recher- ches sur la géomorphologie hypogée. S U M M A R Y  Firstly studies the actual relations between the chemolitho- genic dynamics and the thermal aerocirculation in wind tube; and then the mechanisms able to cause a stop in the normal functioning of a wind tube: 1-Stoppage ; a-Chemolithogenic stoppage ; b-by hydraulic siphon; c-by clay sedimentation. 11-Dismantling due to su- baerial erosion.-It tries to find out (making use of the conclu- sions from the above studies) the relations between lithogenic morphology and speleogenic general evolution of the cavities, so as to obtain a new working-tool with which to carry out re- searches into hypogeal geomorphology. UNIVERSIDAD DE OVIEDO BIBLIOGRAFIA CRESTANI, C. e ANELLI, F. Ricerche di meteorologia hipogea nelle Grotta di Postumia. Publ. 143 dell'Uf. Idr. Magistrato alle acque di Venezia, Mem. 111, 1st. Ital. Speleol. ser. Geo1.-Geof., mem. 3, 162 pp., 10 tab. Venezia 1939. MONTORIOL POUS, J. Meteorologia hipógea. Urania, Bol. de  la Soc. Astr. de España y América y de  la U. 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Relaciones entre la Quimiolitogénesis y la Termocirculación

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