James U.L.BALDINI1,
james.baldini@ucd.ie; LISA M. BALDINI1,
lisabaldini@ucd.ie; FRANK McDERMOTT1,
Frank.mcdermott@ucd.ie; NICHOLAS CLIPSON2,
nicholas.clipson@ucd.ie
1UCD School of Geological
Sciences, University College Dublin, Belfield, D4, IRELAND
Las
concentraciones de dióxido de carbono en la cueva Ballynamintra, sur de
Irlanda, generalmente aumentan con la distancia a la entrada, pero esta tendencia no es lineal ya que los
pasos estrechos y cambios de pendiente compartimentan la cueva en zonas con
distintas Pco2. En esta cueva, el CO2 procede del suelo y
aparece en la cueva por desgasificación del agua de goteo y por infiltración a
través de fracturas, para luego ser transportado a través de la cueva por
advección. La elevada concentración en grietas del techo, diaclasas, y zonas
adyacentes a las paredes sugieren que estas zonas son refugios de CO2
frente a la advección y permiten su acumulación local. Se detectó
enriquecimiento de CO2 sobre una acumulación de sedimentos lo que
sugiere una oxidación microbiana de los componentes orgánicos de dichos
sedimentos que supone una fuente adicional de CO2 distinta del suelo
que hay encima de la cavidad. La advección inducida por las variaciones de
presión barométrica en el exterior produjeron ventilación, la cual constituye
la principal pérdida de CO2. Los datos presentados aquí ponen de
manifiesto la necesidad de disponer de una alta precisión en las medidas para
determinar adecuadamente las variaciones en la Pco 2, del
aire de la cavidad.
INTRODUCCIÓN
La presión parcial del dióxido de carbono (Pco2) en la zona no saturada tiene importancia como factor determinante dentro de una variedad de procesos que tienen lugar bajo tierra. La disolución del CO2 atmosférico y de la tierra vegetal dentro del agua de filtración forma ácido carbónico (H2CO3) que es el principal agente responsable de la disolución de las calizas en el desarrollo de las cuevas. Por lo general
Mientras que la desgasificación del CO2 puede causar la precipitación de la calcita, el agua de condensación debida a la alta humedad de la cavidad puede absorber CO2 del aire, produciendo ácido carbónico y consecuentemente disolución de calcita. Este fenómeno es denominado corrosión por condensación y sus valores dependen de
Muchos estudios han tomado datos de
Los datos Pco2 presentados aquí han sido utilizados para desarrollar un estudio de la concentración de CO2 con alta resolución espacial en la cueva Ballynamintra, Irlanda. Mientras que estudios previos realizados sobre la variación espacial del CO2 en el aire atmosférico [e.g., (Ek and Gewelt, 1985; Gewelt and Ek, 1983)] fueron realizados usando detectores con bombas químicas que eran relativamente imprecisos y engorrosos, la presente investigación fue realizada usando detectores de CO2 por infrarrojos aumentando de una forma importante la precisión y disminuyendo el tiempo necesario para las mediciones. Por ello la cavidad al completo fue investigada con una resolución espacial mayor de un punto cada 5 metros en, tanto en horizontal como verticalmente. Esta alta resolución también facilitó el desarrollo de un modelo de circulación del aire para identificar las fuentes y sumideros. Que sepamos, este es la primera investigación de Pco2 en la cual se han usado parejas de detectores de CO2 de alta precisión junto con aparatos autónomos de respiración para minimizar los efectos de la respiración del operador.
DESCRIPCIÓN DEL LUGAR
La cueva se desarrolla en el lateral
de un escarpe de un bosque de robles y hayas con bastante maleza; los pastos
rodean el escarpe en todas las direcciones. La suelo está muy desarrollada con
diferentes horizontes tipo O y A. La zona epikárstica se alcanza inmediatamente
en los primeros 50
centímetros , pero su profundidad varía según las
diferentes ubicaciones dentro del escarpe.
La temperatura media en la superficie
en el aeropuerto de Cork Airport (50
km al suroeste) es 10´1º C y la media anual de lluvias
es de 1.191`7 mm.
Figura 1. Mapa y localización de la cueva Ballynamintra, condado de Waterford, Irlanda. Los círculos concéntricos indican los puntos de toma de datos nocturnos. Adaptado del estudio original de L. Blanks, J. Dowds y P. Ryder (Ryder, 1989).
METODOLOGÍA
Las temperaturas y concentraciones de
CO2 fueron determinadas usando un medidor tipo Vaisala GM70 CO2
el cual calcula la Pco 2 por la absorción del infrarrojo de las
moléculas del CO2. La precisión en las medidas de Pco2 son del orden de ±30 ppm (2σ) y la precisión
en las medidas de temperatura es de ±0`02 ºC (2σ). Todos los datos de Pco2
se presentan en ppm (volumen) y
fueron corregidos para la presión barométrica. Las medidas de esta
investigación fueron realizadas el 9 de septiembre de 2005.
Figura 2. Tabla de datos de Pco2 y temperaturas obtenidas después de usar los aparatos de respiración autónomos. La línea continua representa la temperatura y la línea de sombras representa las medidas de Pco2.
El error debido a la contribución del
CO2 de la respiración fue minimizado con el uso de aparatos de
respiración autónomo que permiten una respiración normal pero expelen el aire
respirado a través de un tubo flexible y dentro de zonas previamente estudiadas
de la cueva. Debido a la rapidez de las mediciones (menos de 2 minutos en la
mayoría de los casos) el aire respirado no tiene suficiente tiempo para
difundirse en los diferentes sectores de la cueva donde las medidas se estaban
tomando activamente. Solamente se empleó iluminación eléctrica.
Las medidas de las Pco2 y temperaturas (n = 137) fueron tomadas a lo largo de cortas secciones de la cavidad y la ubicación de cada punto de medida se realizó con brújula, clinómetro y cinta métrica calibradas. A menudo se realizaron medidas de Pco2 en perfiles verticales; la medida de los valores fue usada para definir un único valor en una malla x-y. Estos valores fueron usados para crear unos mapas bidimensionales horizontales de isovalores. Todos los mapas de curvas de isovalores fueron creados usando Surffer 8. Los datos también fueron tomados durante la noche y a intervalos de 15 minutos desde el tubo de sección freática cercano a la entrada hacia la zona con ventilación más pobre de la cueva (ver fig. 1 para su localización) para observar si se daba algún cambio de dirección asociado a las bajas temperaturas que tienen lugar durante la noche.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
IMPACTO DE LA RESPIRACIÓN
La retirada de los aparatos de respiración cerca del punto más lejano de la entrada de la cueva después de completar la investigación (en un pequeño túnel de
Figura 3. Mapa de curvas de nivel de las concentraciones de CO2 em la cueva Ballynamintra. Los intervalos entre curvas es de 50 ppm. Los puntos usados para construir el mapa se muestran con círculos negros.
Las medidas de temperatura tomadas simultáneamente a las de Pco2 sugieren que la presencia de dos personas en una pequeña sala sube la temperatura al menos 0’3ºC en dos minutos, pero debido a que el operador se encontraba en la sala antes de empezar la medición, el efecto producido excede esta estimación. Debido a este potencial error, las medidas de temperatura no son lo suficientemente precisas para crear un mapa de detalle con las temperaturas; sin embargo, la tendencia general de la temperatura es evidente y serán discutidas a continuación.
DISTRIBUCIÓN DEL CO2 EN EL AIRE DE LA CAVIDAD
La ventilación causada por la existencia de una gran entrada y otra pequeña en el techo techo da como resultado una Pco2 más baja en el tubo de sección freática de la entrada que en otras secciones (Fig. 3). Los valores de
Figura 4. Concentraciones de CO2 frente a la distancia a la entrada a la cueva de Ballynamintra. Los triángulos no rellenos representan el juego de datos obtenidos en los puntos más bajos de la cueva que no fueron incluidos en la investigación mostrada en la figura 3. Las regresiónes lineales presentan los datos del presente estudio y los de un estudio previo (Ek and Gewelt, 1.985) en la cueva de Ste.-Anne cave, Bélgica. La pendiente para la recta de regresión que describe los datos obtenidos en el actual estudio (m = 34’29) es más alta que la del otro estudio anterior (m = 5’3) debido a que los pequeños pasos y estrecheces que se presentan en la cueva Ballynamintra inhiben la circulación efectiva de aire mucho más que en las grandes galerías de la cueva de St-Anne Cave.
CONTROLES SOBRE
La tendencia en la Pco 2 a
aumentar con la distancia a la entrada de la cueva (Fig. 4) sugiere que la
circulación de aire es el factor más importante de control de la distribución
del CO2 y que las gateras de
la cueva impiden el movimiento del mismo. La difusión del CO2 fuera de las zonas de más alta Pco2 fue calculado usando la ecuación de la primera
ley de Fick:
J = - D *(dC / dx)
Donde:
J =
flujo [(kg m-2 s-1)]
D = coeficiente de difusión del CO2
en el aire (m2 s-1)
dC = Variación de concentración (g m-3
)
dx = distancia (m)
Empleando valores de D = 3’0 x 10-6
(m2 s-1), ΔC = 1.500 (g m-3 ) (cambio de concentración
entre las zonas de alta concentración y el área del tubo freático), y Δx
= 50 m
(la distancia aproximada desde el tubo freático hacia las zona de alta
concentración), el flujo (J) fuera de las zonas de altas Pco2 se
calculó como –1’989 x 10-10 (kg
m-2 s-1). La cantidad de CO2 dentro de las regiones con altas Pco2 de la cueva en la zona posterior de la sala
principal es de 0’11 kg, asumiendo que el volumen de las zonas con altas Pco2
es de 33’3 m3 y la Pco 2 es de 2.000 ppm. Usando un valor de 6 m2 para el área
de una sección transversal de las galerías, la difusión homogeneizará las
concentraciones de CO2 en toda la cavidad en aproximadamente 3 años.
Este periodo de tiempo es largo comparado con el tiempo requerido para ventilar
la cueva por causa de las diferencias de presiones debido a los cambios en la
presión barométrica de la atmosfera en el exterior, y de este modo probablemente
no sea un mecanismo importante de transporte del CO2 en la cueva de Ballynamintra.
El aumento de gradiente en la Pco 2
tiene lugar inmediatamente después de los pasos estrechos que separan
diferentes sectores de Ballynamintra (Fig.4). La recta de regresión entre las Pco2
y la distancia a la entrada de la
cueva tiene una pendiente más suave (m = 34’29) que la recta de regresión
calculada por Ek y Gewelt (1.985) en la cueva Ste-Anne , Bélgica, (m= 5’3) y
probablemente sea debido a las diferentes morfologías de la ambas cavidades. La
cueva Ballynamintra tiene diversos pasos
estrechos mientras que la cueva Ste-Anne
es amplia y con grandes galerías, permitiendo una importante ventilación y un
gran intercambio de aire. Aunque el máximo en la Pco 2 alcanzado en la galería principal es mucho más
grande en la cueva Ste-Anne Cave que el alcanzado en Ballynamintra (3.200 ppm
frente a 1.720 ppm), el valor alcanzado tras 50 m de recorrido (la máxima
distancia desde la entrada en Ballynamintra) es mucho más bajo (800 ppm frente
a 1.720 ppm), la cual corrobora la hipótesis de que las diferencias en las
pendientes de la rectas de regresión se deben a una mayor circulación de aire
en la cueva Ste-Anne. Esta interpretación está también corroborada por la
evidencia en otras cuevas de grandes dimensiones y que tienen muy bajos valores de Pco2 (Ek et al., 1.989).
Figura 5. Mapas de curvas de isovalores de las Pco2 (ppm) para varias secciones de galerías de la cueva Ballynamintra. Todos los valores usan el mismo intervalo (10 ppm). Las flechas indican el flujo de CO2 inferido, desde las altas Pco2 a las bajas Pco2 . La fuerza del gradiente es reflejado por el tamaño de las flechas; flechas grandes indican un gradiente en
El primer mecanismo (desgasificación), es identificable por el gradiente vertical de las concentraciones de Pco2 en galerías sin acumulación de materia orgánica. Las altas concentraciones de Pco2 dependen del goteo medio en la desgasificación del agua. Si el goteo es muy rápido el agua no tiene tiempo para la desgasificación en el techo de la cueva pero si tiene tiempo para desgasificar cerca del suelo creando zonas locales de altas concentraciones cerca de la base de las galerías. Por el contrario, goteos lentos desgasificarán en el techo y darán como resultado altas concentraciones en las zonas altas de las galerías. En ambos casos, la media de desgasificación puede exceder la media de difusión del gas por convección; en caso contrario el CO2 se extenderá uniformemente por toda la sala. El segundo mecanismo (flujo de CO2 desde las fisuras) también dará como resultado elevadas valores de Pco2 cerca del techo, pero hay que distinguir entre el mecanismo de desgasificación por la carencia de goteos activos y la presencia fisuras o grietas verticales. El tercer mecanismo (CO2 producido por actividad microbiana) está generalmente asociado con la presencia de materia orgánica.
En la cueva Ballynamintra la mayor parte de las secciones transversales demuestran que las altas concentraciones de CO2 están cerca de las fracturas del techo (Fig. 5), sugiriendo que el mecanismo dominante que implica la desgasificación del CO2 procedente de los goteos de agua o flujos de CO2 de las fisuras. La gran excepción tiene lugar en las secciones transversales en la zona alta de acumulación de sedimentos (Fig.5f). Las concentraciones de dióxido de carbono son más altas cerca de la base de este paso, lo que indica que este máximo localizado de CO2 refleja una actividad microbiana inducida por la putrefacción de sedimentos con materia orgánica. Las zonas más resguardadas tienen elevadas concentraciones de Pco2 (Fig. 5), lo que sugiere la reducción de la dispersión por convección del CO2. Todo esto hace pensar que el movimiento del aire en una cueva es análogo al movimiento del agua en una corriente con una zona central de gran flujo (thalweg en las corrientes de superficie) y las zonas laterales de reducida velocidad debido a la fricción u obstáculos físicos.
La distribución de CO2 en la cueva Ballynamintra y la asociación de elevadas concentraciones en el techo de la cavidad sugieren la posibilidad que el origen del gas sea predominantemente del suelo. Un detector de Pco2 para suelos instalado permanente y directamente encima de la cueva indica que los valores de Pco2 mayores de 5.000 ppm son típicos durante el verano. Este gas del suelo es disuelto en el agua de percolación, transportado hacia el subsuelo y desgasificado en la cueva. Además, el gas del suelo puede también difundirse hacia abajo a través de las fisuras hacia el interior de la cavidad. El descenso del gas desde el suelo es con toda probabilidad el origen dominante del CO2 en la cueva Ballynamintra por la proximidad del suelo y la carencia de grandes descargas por goteo. Los cálculos basados en las Pco2 del agua de la cueva y en la estimación del número de goteos sugieren que si los goteos fuesen el único origen del CO2 dentro de la cueva, se tardaría al menos 50 años en producir la acumulación de CO2 observada en las secciones con altas Pco2 asumiendo la completa ausencia de cualquier sumidero de CO2. Estos cálculos y la asociación de altas Pco2 en áreas con fisuras sugieren que el descenso de gas por difusión, más que la desgasificación por goteo y es la principal fuente de CO2 en Ballynamintra. Sin embargo, debido a que la densidad de fracturación y la apertura en las zonas kársticas desciende con la profundidad (Baker et al., 1.997), el descenso por difusión del CO2 gaseoso es probablemente una fuente más importante en la cueva Ballynamintra que en cuevas más profundas.
Se deduce la existencia de un sumidero de CO2 en la zona denominada “el agujero” debido a las bajas concentraciones presentes en él así como alrededor del citado paso vertical. La presencia de agua en la base del paso sugiere que
DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS
17ºC y solamente hubo un ligero descenso en el
tubo de sección freática con una media de 15’5ºC. Una vez pasada la gatera y
entrando en la sala principal la temperatura detectada bajó a aproximadamente
12’5ºC y permanece estable hasta “el agujero” donde la temperatura desciendió
notablemente hasta los 11’5ºC. Este es el sector más profunda de la cavidad y
probablemente tenga el menor intercambio de aire con la atmósfera del exterior.
La presencia de agua puede haber contribuido también a la bajada de temperatura. Las temperaturas
aumentaron considerablemente en la zona alta de la acumulación de sedimentos
hasta casi 14ºC ,
pero esto puede ser debido en parte a la presencia de dos espeleólogos en un
pequeño espacio durante un largo período de tiempo (como mencionó más arriba).
Sin embargo, esto también puede reflejar el aire templado a 17ºC de la superficie a dos
metros por encima a través de la tierra vegetal. La temperatura en la sala más
profunda fue de aproximadamente 12’5ºC y estable (dentro de ella).
VARIACIÓN TEMPORAL DE CO2
Se realizaron medidas de dióxido de carbono y temperatura cada 15 minutos entre las 8:39 p.m. y las 11:39 a.m. de los día 8 y 9 de septiembre en la parte alta de la rampa que conecta el tubo freático con la sala principal (Fig. 6). Las mediciones varían desde las muy bajas (200 ppm, valor más bajo que el atmosférico posiblemente debido a los efectos de la fotosíntesis del bosque) en el intervalo de muestreo hasta un máximo de 1.339 ppm a las 1:39 a.m; lo cual sugiere que el aire enriquecido por CO2 fue expulsado desde la cavidad durante la noche. La máxima concentración grabada es comparable a las concentraciones características del resto de la cavidad, aunque una reducción de la presión barométrica ocurrida durante la noche puede haber causado que la cueva exhale dando como resultado un alto pico en las Pco2 (Fig.3).
Figura 6. La temperatura (línea continua) y las variaciones de Pco2 (puntos rellenos) medidos cada 15 minutos entre las 8:39 p.m. y las 11:39 a.m. los días 8-9 de septiembre en la parte alta del paso estrecho que conecta el tubo de sección freática con la sala principal. Los valores máximos de Pco2 fueron grabados a las
La interpretación está respaldada por los datos de temperatura, los cuales alcanzan sus valores más bajos (12’8ºC) coincidiendo con los valores más altos de las Pco2. La similitud entre este valor de temperatura y la temperatura típica en la cueva (12’5ºC) sugiere que tanto la alta presión Pco2 como las bajas temperaturas reflejan la advección del aire desde la zona más profunda de la cueva. El periodo más largo de registro de las concentraciones de CO2 en la sala principal de Ballynamintra demuestra la presencia de cuasi-periódicas puntas en las Pco2 alcanzando valores máximos de unos 3.000 ppm. Estos puede corresponder a periodos de decrecimiento de la presión barométrica en la superficie, lo que provoca la extracción del aire rico en CO2 de las fisuras (Baldini et al., in prep). Por el contrario, una alta presión barométrica externa empuja el aire reduciendo
CONSECUENCIAS
La distribución del CO2 en la cueva Ballynamintra implica que las elevados valores de
Dado que la investigación presentada aquí indica que las concentraciones de CO2 no son homogéneas a través de las cuevas, también pueden existir heterogeneidades en los promedios de los procesos espeleogenéticos que son afectados por
CONCLUSIONES
La distribución de CO2 en la cueva
Ballynamintra demuestra un aumento general de las concentraciones de CO2
con la distancia a la entrada de
la cueva, pero las surgencias y sumideros van al contrario de esta tendencia.
Las estrecheces de la cueva compartimentan zonas con distintas Pco2 .En esta cavidad la mayor del CO2 aparentemente entra en la cueva a través del
techo; bien disuelto en los goteos de agua bien por filtración en la fase
gaseosa desde el suelo vegetal a través de las fracturas, siendo notable una
combinación de ambas mecanismos. El transporte a través de la cueva tiene lugar
por advección inducida por las diferencias de presiones barométricas entre
exterior y cueva. Las concentraciones en diaclasas, fracturas y junto a las
paredes son más elevadas que las del centro de las galerías, lo que sugiere que
estas ubicaciones son un refugio de CO2 frente a la advección. La Pco 2 del aire de la cavidad puede también
incrementarse localmente debido a la actividad microbiana produciendo CO2 originado en la acumulación de suelo cerca del
final de la cavidad. Un sumidero localizado en el punto más bajo de la cueva
puede actuar como un sumidero de CO2
Estos datos indican que una medida de Pco2
no caracterizará la Pco 2 de la cueva. Debido de la importancia del CO2
en la deposición de calcita,
corrosión por condensación, procesos espeleogenéticos y la preservación de los
dibujos de las cavernas, la distribución de CO2 en las cuevas debe ser más investigado. La
simple y eficiente tecnología involucrada permite la realización de estudios de
alta resolución de cuevas mayores, verificando si las relaciones observada en
Ballynamintra son extrapolables a escalas mayores. Futuro estudios en cuevas
más profundas, cavidades que contengan grandes ríos, y cuevas turísticas complementarán
de forma interesante los resultados publicados aquí. Adicionalmente, futuras
investigaciones deberían utilizar trazadores naturales o artificiales para una
mejor identificación de las fuentes y sumideros de CO2. Los estudios
isotópicos ayudarán a identificar potenciales fuentes de CO2 y podrán también valorar la respuesta de los ratios
de los isótopos de carbonato cálcico de las estalagmitas frente a las
variaciones de la Pco 2
ACKNOWLEDGMENTS
We thank Dr. David Drew and Professor Christoph Spötlfor helpful reviews that improved the manuscript. ProfessorCamille Ek is thanked for providing relevant reprints. We alsothank the landowners for permitting access to the site. Thisresearch was supported byEnterprise Ireland Basic ResearchGrant 3750/92201/R8965.
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