El calor de la tierra

Rosa María Prol-Ledesma

• Publisher: Fondo de Cultura Económica
• Year: 2013
• ISBN:
  9786071603791
• Topic: Scienze fisiche
• Subtopic: Geofisica

La doctora Prol se preocupa en especial por subrayar la importancia del estudio de la energía térmica de la Tierra. Así, describe las manifestaciones termales superficiales en general, estableciendo su relación con los procesos internos de nuestro planeta.

II. Las manifestaciones termales
en la superficie de la Tierra

LAS manifestaciones termales superficiales son la prueba visual del calor encerrado en el interior de la Tierra, pero además de esto, la espectacularidad que las caracteriza les añade un valor estético que ha hecho que en muchos países se considere parques nacionales a las zonas que las contienen; uno de los ejemplos más conocidos lo tenemos en Yellowstone (Oregon, EUA), la cual es probablemente una de las zonas geotérmicas más grandes del mundo y en donde se puede encontrar casi todo tipo de manifestaciones termales superficiales: manantiales, géiseres, fumarolas, pozas de lodo, terrazas de sílice, pozas calientes, suelos vaporizantes, etcétera.

Además de estas manifestaciones, a las que se les denomina hidrotermales, puesto que implican la descarga de agua o vapor,[*] se tienen los volcanes, los cuales en lugar de agua arrojan lava, que es una mezcla de roca fundida, gases y vapor a temperaturas generalmente mayores de 600°C (cuando la lava se encuentra aún en el interior de la Tierra se le llama magma).

La distribución de manifestaciones termales en la superficie de la Tierra no es uniforme y obviamente está relacionada con zonas de actividad tectonovolcánica reciente en términos geológicos, lo cual quiere decir que esta actividad ha tenido lugar en los últimos cientos de miles de años. Esta actividad proveerá de la fuente de calor indispensable para que se tengan manifestaciones termales. En la actualidad, las principales zonas donde el calor del interior se manifiesta en la superficie están circunscritas a las fronteras entre placas que pueden ser constructivas o destructivas (figura 8). Estas fronteras se caracterizan por contener áreas en las que el material del manto se desplaza hacia la superficie y como se encuentra a mayores temperaturas que la de la corteza, da origen a zonas anómalas y por lo tanto a manifestaciones superficiales.

En este capítulo se describirán cada una de las manifestaciones ya mencionadas y se verá su importancia en cuanto a descarga de energía se refiere. Puesto que éstas se encuentran relacionadas con sistemas geotérmicos a profundidad, también se tratarán éstos al final del capítulo.

MANANTIALES TERMALES

Éste es un término que aparentemente no necesita una definición especial, ya que en nuestro país la mayoría de la gente ha estado alguna vez en contacto con manantiales termales en balnearios o bien ha tomado aguas minerales que provienen de éstos. Sin embargo, este término ha tenido que ser definido en forma un poco más precisa, ya que lo que en nuestro país sería un manantial frío (a unos 20°C) en Siberia podría ser un manantial termal. Finalmente se ha llegado a una definición más general: manantial termal es aquel que descarga agua a una temperatura por lo menos 5°C más alta que la temperatura media anual del lugar.

Los manantiales termales son las manifestaciones superficiales más difundidas en todo el mundo (figura 9), presentan también una gran variedad tanto en temperatura como en composición química y de acuerdo con estas características se les clasifica como sigue: pueden ser de alta o baja temperatura (si ésta es mayor o menor de 50°C) y dependiendo del tipo de agua que descargan se les denomina como ácidos (figura 10), alcalinos o neutrales si su pH es menor, mayor o igual a 7 respectivamente (por ejemplo, el pH del vinagre es 4.6, el del limón es 3.1, una solución de amoniaco tiene un pH alcalino de 9 y una de sosa cáustica de 14).

Figura 9. Manantiales hidrotermales ácidos en la orilla del lago Rotokawa, Nueva Zelanda.

Figura 10. Manifestaciones termales de tipo ácido en el campo geotérmico de Los Azufres, Michoacán, México.

A los manantiales termales también se les denomina como bicarbonatados, sulfatados o clorurados si en la composición del agua predominan los bicarbonatos, los sulfatos o los cloruros. Muchas de las aguas minerales que se utilizan para consumo humano son de tipo sódico o cálcico-carbonatado ya que el compuesto que predomina es el bicarbonato de sodio o de calcio.

Los análisis químicos de las aguas de manantiales termales revelan que éstas poseen una gran cantidad de compuestos (figura 11), los cuales van siendo disueltos por el agua en su paso por las capas de rocas. Al pasar por rocas que se encuentran a temperaturas elevadas, las aguas subterráneas se van a calentar, sirviendo de esta forma como un medio para el transporte del calor de profundidades someras a la superficie. Al aumentar su temperatura, el agua aumenta su capacidad de disolver algunos minerales como el cuarzo (SiO₂), al mismo tiempo que disuelve menos algunos minerales como la calcita (CaCO₃). Así es posible inferir la temperatura del agua a profundidad simplemente sabiendo la concentración de diferentes compuestos. Si el sílice es abundante, entonces la temperatura a la que estuvieron en contacto las rocas y el agua debió haber sido alta; en cambio si los carbonatos tienen concentraciones altas, la temperatura necesariamente habrá sido baja.

La forma como alcanzan las aguas termales la superficie también es un factor importante que influye en su composición. Cuando el agua tiene temperaturas elevadas a profundidad, algunas veces alcanza el punto de ebullición antes de llegar a la superficie, entonces el que asciende es solamente el vapor que se desprende y que es muy rico en gases como bióxido de carbono y ácido sulfhídrico. Estos gases se oxidan al mezclarse con aguas subterráneas frías dando origen a manantiales ácidos. Las aguas ácidas tienen un gran poder corrosivo y van disolviendo la roca circundante, por lo que los manantiales ácidos en general presentan un aspecto lodoso, mientras que los manantiales neutros o alcalinos son caracterizados por la descarga de aguas relativamente claras.

A diferencia de otras manifestaciones, los manantiales termales no necesariamente se encuentran relacionados con zonas de vulcanismo reciente (aunque la mayoría de los manantiales de alta temperatura sí lo está). Debido al aumento de la temperatura hacia el interior de la Tierra, a una profundidad de 3 km se encontrarán temperaturas de más de 100°C y por lo tanto el agua que circule a grandes profundidades sufrirá un aumento en su temperatura, de tal forma que al alcanzar la superficie lo hará en forma de un manantial termal. En muchos lugares como Hungría, Francia y China existen manantiales relacionados con circulación profunda de aguas subterráneas.

GÉISERES Y FUMAROLAS

Los géiseres son de las manifestaciones superficiales más espectaculares, pero desafortunadamente no son muy numerosas: existen sólo cerca de 400 géiseres en todo el mundo. Esto se explica porque para que existan se deben conjuntar diversos factores. Esencialmente, un géiser es un manantial termal que periódicamente se vuelve inestable hidrodinámica y termodinámicamente.

A diferencia de los manantiales termales, para los que sólo se necesita una fuente de calor, agua y un canal permeable que la lleve a la superficie después de ser calentada, un géiser requiere además de los siguientes factores: un lugar donde el agua se caliente mientras alcanza la temperatura necesaria para provocar la inestabilidad; una abertura del tamaño óptimo, a través de la cual se lance el agua, y canales subterráneos para traer agua de recarga después de cada erupción. Como se puede ver, tener esta combinación no es fácil. Un géiser hará erupción cuando una parte del agua que tiene almacenada sea sobrecalentada y ocurra una generación de vapor relativamente cerca de la abertura superficial. Es importante hacer notar que la transformación de un gramo de agua a vapor puede liberar tanta energía como la detonación de un gramo de explosivos, ya que el volumen del agua en la forma de vapor ocupa 1 500 veces el volumen de su fase líquida, la cual es la misma relación que guardan los explosivos sólidos con los gases que generan (figura 12).

Figura 12. Erupción del Gran Geyser (Islandia).

Como ya se mencionó, los géiseres son más bien fenómenos poco frecuentes y se les encuentra en número considerable sólo en unos cuantos países, como son: Estados Unidos, Islandia, Nueva Zelanda, la Unión Soviética y Japón. Pero también existen algunos géiseres aislados en: Chile, México, África, las islas Azores, Indonesia y la República Popular China. Desafortunadamente, el delicado equilibrio de factores que da origen a un géiser se puede ver alterado por la acción de los seres humanos sobre el medio ambiente; por ejemplo, la sobreexplotación de acuíferos para la extracción de agua puede originar un descenso en los niveles del agua subterránea, lo cual puede hacer que disminuya la recarga hacia el géiser. Ése ha sido el caso en muchos países, entre ellos México. Tres ejemplos trágicos se tienen en Nueva Zelanda, donde la explotación de aguas termales para la producción de energía eléctrica y para calefacción ha provocado la extinción de géiseres en Wairakei y en Rotorua; por otra parte, en la zona geotérmica de Orakei-Korako, la construcción de una presa para una planta hidroeléctrica provocó la desaparición de un gran número de géiseres al inundar la zona geotérmica en que se encontraban. También en Estados Unidos la perforación de pozos para el uso de la energía geotérmica afectó la zona de géiseres en Beowawe, Nevada.

Aunque parezca sorprendente, también se tiene el caso contrario, en Japón se han creado muchos géiseres artificiales a través de la perforación de pozos en zonas geotérmicas, por ejemplo en Onikobe.

Cuando la descarga de agua, vapor y gases es constante y no intermitente, lo que se tiene es una fumarola. Algunas veces estas fumarolas presentan alrededor depósitos importantes de azufre y en este caso su nombre cambia a sulfataras y cuando la fumarola es más bien rica en ácido bórico, se le llama sofioni.

VOLCANES

Los volcanes son las manifestaciones termales que además de ser espectaculares encierran un gran peligro para la humanidad en forma de erupciones violentas que tienen la capacidad de destruir ciudades enteras en periodos cortos, no dando oportunidad en la mayoría de los casos de salvar a la población. Desde la prehistoria el hombre ha sido víctima de las erupciones de los volcanes y ha pasado, en su actitud hacia ellos, del asombro, el miedo y la deificación, a la observación científica, encontrando explicaciones para su actividad y teniendo como meta final la prevención de los periodos de actividad y el aprovechamiento de la enorme energía liberada por los volcanes, que han inspirado leyendas, religiones y artículos científicos. En este caso nos limitaremos a tratarlos como una de las manifestaciones superficiales del calor terrestre.

Los volcanes han sido la causa de muchas de las más grandes catástrofes en la historia de la humanidad. La energía que liberan en cada erupción es inmensa, por ejemplo: la erupción del Kilauea en 1952 disipó una energía calorífica equivalente a 1.8 × 10²⁴ ergs, ésta es equivalente a dos quintas partes de los requerimientos de energía en Estados Unidos por un periodo igual al de la erupción. Es por esa razón que algunos científicos consideran a los volcanes como una posible fuente de energía para el futuro, cuando se tenga la tecnología que haga posible su aprovechamiento.

Antes de comenzar a describir los volcanes es necesario definir qué es un volcán. Esto no es fácil de hacer, ya que existen muchos tipos de volcanes y para definirlos en general se tienen que determinar los rasgos esencia...