La existencia de temperaturas altas en el interior de la Tierra ha sido supuesta desde tiempos antiguos con base en observaciones en la superficie. Los volcanes, manantiales termales y otras manifestaciones superficiales del calor encerrado dentro de la Tierra han sido las evidencias de que la temperatura en su interior debe ser mucho más alta que la que se tiene en la superficie. Por otra parte, desde antes que se contara con la tecnología de perforación de pozos, ya el hombre se había dado cuenta que al internarse en grutas o minas que descendían a profundidades considerables, la temperatura aumentaba. En este siglo se comenzaron a hacer mediciones en pozos de la variación de la temperatura con la profundidad y se observó que en zonas "normales", o sea donde no existen manifestaciones termales superficiales, la temperatura en la corteza de la Tierra aumenta a una razón de 30°C por kilómetro. Esto nos indica que en alguna parte en el interior de la Tierra existe una fuente de calor que lo irradia hacia la superficie. Ahora nos queda otra interrogante: ¿de dónde viene este calor? Y esta pregunta nos lleva a los tiempos de la formación de la Tierra.

Una de las hipótesis más aceptada (ya que difícilmente puede ser comprobada) acerca de la formación del sistema solar, es la que afirma que éste evolucionó a partir de una acumulación de polvo cósmico (nebulosa), que al compactarse en presencia del campo gravitacional del Sol formó los diferentes cuerpos que componen el sistema solar. Según esta hipótesis, las características de los planetas quedaron determinadas por su masa inicial y su distancia al Sol. Al irse compactando, la masa de estos "protoplanetas" aumentaba cuando otras partículas chocaban contra ellos y se les anexaban, lo cual hacía que aumentara también su temperatura. Ésta fue una de las fuentes iniciales del calor de la Tierra, pero al ir evolucionando ésta, otras fuentes hicieron su aparición. Una vez que el planeta como tal estuvo formado, esto es, cuando atrapó las partículas que se encontraban en la misma órbita, sucedió un cataclismo conocido como diferenciación gravitacional y que fue simplemente el hundimiento de los elementos más pesados y el transporte a la superficie de los más ligeros, ya que al formarse el planeta todos los elementos se hallaban distribuidos al azar, en la forma en que se fueron agregando. Esta redistribución de los elementos se llevó a cabo con una gran liberación de energía por fricción, lo que provocó un aumento en la temperatura y la fusión de la mayor parte del material que formaba la Tierra. A partir de este proceso, la estructura de la Tierra sufrió una estratificación, formando una serie de capas concéntricas (Figura 1), las cuales han sido determinadas por medio de datos sismológicos que también han sido útiles para determinar sus características fisicoquímicas.

Figura 1. Estructura interna de la Tierra con las capas determinadas por medio de datos sismológicos.

Las principales capas que conforman la Tierra son tres: corteza, manto y núcleo, sus espesores son variables pero en promedio tienen valores de 30, 2 900 y 3 500 kilómetros respectivamente. A su vez, las dos últimas se subdividen en: manto superior e inferior y núcleo externo e interno. Debido al mecanismo por el cual se formaron, las capas externas son más ricas en minerales compuestos por sílice y aluminio, y a medida que aumenta la profundidad aumenta también el contenido de fierro y magnesio, que son elementos más pesados, hasta llegar al núcleo que se supone está formado principalmente por fierro y níquel. Como ejemplo de rocas formadas por minerales con alto contenido de sílice y aluminio tenemos las arcillas y el granito, siendo este último el tipo de roca predominante en la corteza de tipo continental. Entre las rocas formadas en proporciones significativas por minerales ferromagnesianos tenemos el basalto, la olivina y la peridotita; el basalto es la roca que forma la corteza de tipo oceánico y tanto a la olivina como a la peridotita se les encuentra formando la base de la corteza y el manto superior. Poco a poco la corteza terrestre se fue enfriando hasta solidificarse; sin embargo las capas interiores no se enfriaron tan rápidamente, en gran parte debido a que la corteza es muy mala conductora del calor y actúa como un aislante para las capas interiores, que de esta forma pueden mantener temperaturas altas. Además de evitar que el calor del interior de la Tierra escape, la corteza es en parte generadora de calor adicional debido a la presencia de una gran cantidad de elementos radiactivos en ella. Podría parecer paradójico que los elementos radiactivos hayan permanecido en las capas más superficiales de la Tierra a pesar de ser elementos pesados, sin embargo es posible encontrar una explicación a esto al observar que los elementos radiactivos generalmente se combinan con otros elementos para formar compuestos ligeros, siendo ésta la forma como fueron transportados a las capas superiores. En la actualidad se les encuentra principalmente en la corteza terrestre y en menor concentración en el manto superior.

Los principales elementos productores de energía por decaimiento radioactivo son el uranio, el tono y el potasio. A estos elementos se les encuentra en concentraciones significativas en rocas graníticas, las cuales forman la parte superior de la corteza continental que en algunos lugares montañosos llega a tener más de 50 kilómetros de espesor y puede llegar a producir casi 10 microcal/g/año (una caloría es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperaura de un gramo de agua de 14.5 a l5.5°C). Por su parte, la corteza oceánica y la parte inferior de la corteza continental, que son de tipo basáltico, generan solamente cerca de 1 microcal/g/año, la décima parte de lo que produce el granito. El manto superior, formado en su mayor parte por peridotita, también va a producir una pequeña cantidad de calor de aproximadamente 0.01 microcal/g/año. De acuerdo con estas cifras la producción de calor de la corteza y el manto sería de un poco más de 1.5 x 10 13 cal/seg, lo que hace un total de 4.7 x 10 20 cal/año. Para tener una idea de lo que esto significa, es necesario hacer una equivalencia: 4.7 x 1020 calorías es el equivalente a la energía liberada por la explosión de casi medio millón de bombas nucleares de 1 megatón (la bomba atómica que destruyó Hiroshima fue de 20 kilotones). Las fuentes que generan el calor proveniente del interior son las que hemos mencionado. Sin embargo existen otras, como las mareas terrestres, el choque de meteoritos y la atracción gravitacional del Sol y la Luna generan el 10% del total del calor de la Tierra. Además de causar las mareas oceánicas, los esfuerzos generados por la atracción gravitacional deforman la parte sólida de la Tierra y aunque estas deformaciones son del orden de una parte en un millón, ocasionan un desplazamiento de cerca de 30 cm en la superficie terrestre. Por otra parte, la energía solar que recibe la Tierra es de casi 10 24 cal/año.

MECANISMOS DE TRANSPORTE DE CALOR

El transporte de calor en el interior de la Tierra se lleva a cabo por medio de tres mecanismos: conducción, convección y radiación; sin embargo, los tres tienen diferente grado de importancia en las diferentes capas: en la corteza el principal medio de transporte de calor es la conducción mientras que en el manto lo es la convección y radiación. Pero antes de describir lo que sucede en la Tierra es necesario explicar cómo funciona cada uno de ese tipo de mecanismos, para después establecer cómo es que influyen en la disipación de la energía contenida en el interior de la Tierra y por lo tanto determinar su contribución al enfriamiento de ésta. La conducción es la forma como se transporta el calor de un cuerpo más caliente a uno más frío con el cual se encuentra en contacto. La eficiencia de ésta depende de una propiedad de los materiales que se llama conductividad térmica y que nos dice cuál será la diferencia de temperatura provocada por un flujo de calor: a mayor conductividad menor será la diferencia de temperatura a través del material. Un ejemplo de buen conductor lo es una barra de metal, la cual al ser calentada en uno de sus extremos inmediatamente conducirá el calor hasta el otro extremo. Por otro lado, un ejemplo de mal conductor lo sería la madera, la cerámica y el aire. La convección es un proceso un poco más complejo que se da solamente en fluidos (líquidos y gases). Al ser calentada la parte inferior de un fluido, ésta se expanderá y se volverá menos densa que la parte superior más fría, por lo cual tenderá a subir, con lo que la parte fría quedará ahora en contacto con la fuente de calor repitiéndose de esta forma el proceso y dando origen a lo que se llama celdas de convección, en las cuales existen corrientes ascendentes y descendentes. Este mecanismo se va a generar a partir de un cierto valor de la diferencia de temperatura y depende de la viscosidad y densidad del fluido.

La radiación es una forma de transporte de calor que es importante a temperaturas altas; en realidad todos los cuerpos que tienen temperatura por arriba del cero absoluto (cero grados Kelvin o — 273.15°C) emiten radiación, pero la frecuencia de la radiación emitida es proporcional a la temperatura del material: los seres humanos emitimos radiación en el infrarrojo y un trozo de hierro calentado a temperaturas muy altas empezará a emitir en el espectro visible. De esta forma observamos que el transporte de calor en el interior de la Tierra va a depender de la temperatura y de las características del material. La corteza se comporta como un sólido y tiene temperaturas relativamente bajas. El manto se comporta como un fluido y como la convección es mucho más eficiente en este caso, ése es el principal medio de transporte, aun cuando las temperaturas relativamente altas hacen posible que la energía también se transporte por medio de la radiación. Sin embargo, el transporte de calor desde el interior hacia la superficie no es el único mecanismo de disipación de energía. La continua creación y destrucción de montañas consume 2.4 x 10 16 cal/año, los sismos liberan 2.4 x 1018 cal/año (26 x 10 10 kilowatts-hora/año), los 800 volcanes activos que existen en la Tierra producen cerca de 1 km3 de lava por año, o sea 1.2 x 10 16 cal/año y para efectos de comparación con los mecanismos de disipación de calor, diremos que cada año la Tierra pierde 2 x 10 20 cal por conducción a través de su superficie.

No obstante que la principal forma de transporte de calor en la corteza es la conducción, esto no excluye que existan algunas áreas en las cuales el calor se transmite principalmente por convección, aprovechando zonas de debilidad en la roca sólida que forma la corteza (fallas, fracturas, etc.). A través de esas zonas van a ascender fluidos calientes que provienen de diferentes profundidades y pueden tener características distintas: pueden ser rocas fundidas generadas en la base de la corteza, o bien pueden estar constituidos principalmente por agua originada en la superficie de la Tierra y que ha penetrado hasta profundidades donde se ha calentado por contacto con rocas a alta temperatura, de tal forma que vuelve a ascender a la superficie transportando parte de la energía del interior. Estas formas de transporte de calor en la corteza han sido observadas directamente; en cambio, las formas en que se transporta el calor debajo de la corteza han tenido que ser inferidas a partir de evidencias superficiales. La existencia de la convección en el manto ha sido apoyada en particular por la comprobación de la migración de los continentes. Estos hechos han sido las bases para la elaboración de la teoría de la tectónica de placas, la cual explica la mayor parte de los fenómenos geológicos observados. A pesar de los factores que sirven como comprobación indirecta de la existencia de convección en el manto, aún existen interrogantes respecto a este fenómeno: ¿cuál es su extensión? ¿Alcanza la totalidad del manto o sólo una parte de éste? ¿Es éste un fenómeno continuo o se lleva a cabo sólo durante ciertos periodos de tiempo?, etc. Estas son preguntas que quedan para ser contestadas por las futuras generaciones de científicos dedicados a las ciencias de la Tierra.

LA TEMPERATURA EN EL INTERIOR DE LA TIERRA

Al penetrar en la corteza de la Tierra se observa un cambio en la temperatura, en general ésta aumenta; a esa variación de la temperatura con la profundidad se le llama gradiente geotérmico. El valor del gradiente geotérmico en la corteza terrestre varía mucho de un lugar a otro: se han llegado a medir gradientes de sólo 10°C por kilómetro, mientras que en algunas zonas se han observado variaciones de la temperatura de 200 y hasta 800°C/km. Sin embargo, la mayoría de las zonas del planeta en las que no se tienen anomalías térmicas se agrupan alrededor de un promedio de 25 a 35°C/km, a este valor se le considera el gradiente geotérmico normal. Esto es en cuanto a la corteza, pero para determinar o estimar la variación de la temperatura dentro del manto se requiere de algunas hipótesis. El flujo de calor en la superficie de la Tierra se calcula como el producto del gradiente geotérmico por la conductividad térmica de las rocas (Figura 2), siendo estos dos parámetros determinados directamente. El gradiente geotérmico se determina midiendo la temperatura a lo largo de pozos suficientemente profundos para evitar las perturbaciones en las capas superficiales (hasta 200 m) provocadas por las variaciones diurnas y estacionales de temperatura, así como por el flujo de aguas subterráneas. Estos factores no afectan las mediciones hechas en el océano, ya que la temperatura del fondo marino es prácticamente constante, por lo cual sólo se necesita una sonda de dos a cinco metros de longitud, con sensores de temperatura distribuidos a lo largo de ella, la cual penetra los sedimentos del fondo oceánico (Figura 3). La determinación de la conductividad térmica se lleva a cabo en el laboratorio, en muestras de las rocas en las que se midió el gradiente geotérmico. Estas muestras se someten a un flujo de calor conocido, el cual va a generar una diferencia de temperatura a lo largo de la muestra, de tal forma que entre mayor sea esta diferencia de temperatura, menor será la conductividad térmica de la muestra.
En la figura 2 se ve que si conocemos el flujo de calor en la superficie, basta con restarle el calor producido en la corteza para conocer el flujo de calor que proviene del manto y de esta forma extrapolar el valor de la temperatura en la base de la corteza; sin embargo, a partir de esa profundidad, hay otros mecanismos de transferencia de calor aparte de la conducción y no es posible actualmente cuantificar las contribuciones particulares de cada uno de ellos. Debido a esto, las principales evidencias de la temperatura en el interior de la Tierra provienen de las diferencias en las velocidades de propagación de las ondas sísmicas en las diferentes capas que forman el planeta. Con estos datos se pueden establecer una serie de discontinuidades que determinan la frontera entre las capas y nos pueden ayudar a establecer las temperaturas más probables a esas profundidades:

Figura 2. Flujo de calor debido al transporte por conducción en las capas que forman la corteza y parte del manto superior en una región continental montañosa.

—Hasta una profundidad de 100 km el comportamiento del material se asemeja al de un sólido. Esta capa es denominada litósfera y comprende la corteza y parte del manto superior.

—A partir de 100 km y hasta aproximadamente 300 km, un decremento en las velocidades sísmicas indica la presencia de zonas de fusión parcial, lo cual requiere que las temperaturas sean de 1 000 a 1 200°C.

 

Figura 4. Variación de la temperatura en el interior de la Tierra (línea punteada), con base en datos sismológicos y propiedades de minerales a diferentes presiones y temperaturas.

—A los 400 y 700 km de profundidad se observan dos incrementos en las velocidades sísmicas, que de acuerdo con experimentos de laboratorio, corresponden a cambios de fase que tienen lugar a 1.500 y 1.900°C respectivamente.

—A los 2.900 km se ha observado que no se propagan las ondas sísmicas transversales, mismas que no se transmiten en líquidos, de donde se infiere la fusión de lo que se denomina núcleo exterior y la existencia a esta profundidad de temperaturas del orden de 3 700°C. La reaparición de este tipo de ondas a los 5.100 km indican a esa profundidad temperaturas por debajo del punto de fusión (4.300°C) del material que forma el núcleo interior y del cual se supone que está constituido principalmente por fierro.

Aun cuando todavía faltan por esclarecer muchos detalles, con base en esos datos y suponiendo que hay una variación continua de la temperatura con la profundidad, es posible establecer una curva hipotética de la temperaura en el interior de la Tierra, la cual tendría aproximadamente las características de la que se muestra en la figura 4, de donde la temperatura en el núcleo interior de la Tierra sería de alrededor de
4.000°C.

ELEMENTOS BÁSICOS DE TECTÓNICA DE PLACAS

Las características que presenta el transporte de calor en el interior de la Tierra determina los fenómenos geológicos que observamos en la superficie, o por lo menos esa es la hipótesis de la teoría de tectónica de placas. Ésta afirma que el motor generador de todos los acontecimientos geológicos es la convección del material del manto, que se comporta como un fluido de alta viscosidad. Dicha viscosidad se puede definir como la resistencia de un fluido a fluir y su unidad es el poise. En el caso del material del manto, su viscosidad es muy grande (del orden de 10 20 poises; como comparación, la viscosidad del agua es de 0.01 poises y la del mercurio es 0.02 poises), esto hace que para esfuerzos aplicados en tiempos cortos (ondas sísmicas y esfuerzos por la atracción de la Luna) la Tierra se comporte como un sólido elástico; sin embargo, para esfuerzos con periodos de millones de años, como los provocados por la convección en el manto, éste se va a comportar como un fluido. La corteza terrestre y una parte del manto superior componen la "costra" fría, que se forma en la superficie de las corrientes de convección al entrar en contacto con la atmósfera. Esta generalmente se encuentra a un promedio de 0°C (con una variación de aproximadamente 30°C) lo cual implica una diferencia mayor de 600°C con las temperaturas más bajas del manto. Este decremento en la temperatura del material que surge del manto hace que se solidifique en las partes más superficiales y esta solidificación alcanza una profundidad de alrededor de 100 kilómetros. A esta capa con características correspondientes a un sólido se le llama litósfera y se localiza sobre una capa de menor viscosidad que presenta fusión parcial, denominada astenósfera, que se comporta como un fluido viscoso. Debido a la circulación provocada en las celdas de convección, se observa que el material del manto asciende en algunos lugares y se hunde en otros; la extensión de la litósfera entre la parte en que ésta se crea y aquella en que se destruye es denominada placa. Hasta la fecha se ha determinado un conjunto de placas de diferentes tamaños que forman la superficie terrestre (Figura 5).

Figura 5. Distribución en la superficie de la Tierra de las fonteras entre placas: // —centro de creación de nueva litosfera (zona de dispersión); (dibujo)—frontera destructiva entre placas (zona de subducción).

La exigencia teórica de que las placas en la superficie se encuentren viajando constantemente ha sido corroborada experimentalmente. Los desplazamientos de la corteza han sido observados en la superficie después de sismos que ocurren en las fronteras entre placas, en algunos casos estos desplazamientos llegan a alcanzar varios metros de magnitud. Además de esta dramática evidencia, se ha demostrado que existen desplazamientos horizontales en las zonas de dispersión oceánica (Figura 6), donde nueva corteza se está creando al separarse dos placas y las velocidades observadas son de varios centímetros por año. Esto se basa en datos geológicos y geofísicos: las edades medidas en rocas del fondo oceánico indican que las rocas más viejas se encuentran más alejadas del centro de dispersión. También los datos magnéticos apoyan esta teoría, ya que se han localizado 'bandas magnéticas" adyacentes a las zonas de dispersión, que son originadas por las inversiones del campo magnético terrestre (Figura 7).

Figura 6. Esquema que muestra un corte transversal de la Tierra mostrando el movimiento horizontal de las placas y los fenómenos a que este movimiento da lugar, sobre todo en las fronteras entre placas.

Figura 7. Sección transversal de una zona de dispersión, en la cual se muestra el proceso de creación de nueva corteza terrestre a través de la intrusión de diques y la consiguiente formación de las "bandas magnéticas".

El campo magnético de la Tierra se invierte con una periodicidad promedio de 500 000 años (aunque la variación en los periodos de inversión es bastante grande). La última inversión fue hace aproximadamente 700 000 años, cuando lo que ahora conocemos como polo norte magnético era el polo sur y viceversa. La causa de este fenómeno aún no ha sido explicada completamente, pero se le ha relacionado con algún efecto de corrientes de convección en el núcleo líquido de la Tierra. El hecho es que estas inversiones han sido grabadas por las rocas, que al solidificarse adquieren la dirección del campo magnético terrestre en ese momento. De esta forma, sobre la zona de dispersión se van a encontrar las rocas que se han solidificado más recientemente y presentan un magnetismo concordante con el campo magnético en ese momento. Al ser separadas por una nueva intrusión de material magmático, si el campo magnético se ha invertido para ese momento, las nuevas rocas adquirirán un magnetismo contrario a las anteriormente solidificadas. De esta forma se van a formar bandas simétricas a ambos lados del eje de dispersión marcando los cambios en la polaridad del campo magnético. Entre las zonas de dispersión mejor estudiadas se encuentra la Cordillera Oceánica del Atlántico, la cual lo recorre de Norte a Sur por su parte central y la de la parte este del Océano Pacífico, especialmente en la zona ecuatorial, que incluye las islas Galápagos. (Figura 5).

Si la corteza que se crea en las zonas de dispersión no se destruyera en algún lugar, esto significaría que la Tierra aumentaría de tamaño en la misma proporción en la que la corteza se está creando (varios centímetros por año). Esto no se observa, pero lo que sí se ha determinado es que hay lugares donde las placas chocan (zonas de subducción) y una de ellas se hunde en el manto, donde se calienta y se funde para completar el ciclo de las celdas de convección (Figura 6). Estas zonas se caracterizan por una alta sismicidad y porque los focos de los sismos se encuentran alineados en un plano que corresponde a la placa fría que se hunde en el manto. El desplazamiento de la placa subducente, además de provocar sismos, genera un movimiento dentro del manto que resulta en ascenso del material de éste. Al encontrarse a una menor profundidad, la presión es menor y la temperatura del material que ascendió sobrepasará el punto de fusión de ese material, disminuyendo su densidad en relación con las rocas circundantes y provocando un aumento en su flotación. El resultado de este proceso es la ascensión de una intrusión magmática que podrá generar actividad volcánica en la superficie. La correlación de los diversos procesos mencionados provoca que las zonas de subducción presenten fajas sísmicas y volcánicas bien definidas, como las que se observan en la costa del Pacífico en Centroamérica y una parte del Suroeste de México.

Podría pensarse que las fronteras entre placas se reducen a las que implican creación o destrucción de litósfera. Sin embargo, existe un tipo más de frontera en el cual ni se crea ni se destruye litósfera, sino que dos placas o trozos de una misma placa "resbalan" horizontalmente entre sí y esto es lo que se llama una falla transformada (Figura 6). Uno de los ejemplos más conocidos es el de la Falla de San Andrés que ha provocado impresionantes desplazamientos horizontales en California y uno de los sismos generados por el movimiento de las placas a lo largo de esta falla causó en 1906 la destrucción de la ciudad de San Francisco, EUA. Existen además algunas áreas restringidas que presentan un adelgazamiento de la corteza por el ascenso de material del manto, que sin embargo no llega a constituir una celda de convección. A estas áreas se les denomina "puntos calientes" (hot spots) y el ejemplo más conocido es el de las islas Hawaii. Al irse desplazando la litósfera por encima de un punto caliente, éste va dejando su huella en forma de una cadena montañosa compuesta por volcanes extintos (Figura 6). De los tres tipos de frontera entre placas, son las zonas de dispersión y subducción las que más importancia tienen en el transporte de calor del interior a la superficie de la Tierra. Es en estas zonas, además de los puntos calientes, en donde se van a localizar la mayoría de las manifestaciones superficiales del calor interno de la Tierra, a las cuales dedicaremos el siguiente capítulo.

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). 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.

Figura 8. Localización de los principales sistemas geotérmicos: 1. Meager Mt.; 2. Los Geysers; 3. Yellowstone; 4. Salton Sea; 5. Cerro Prieto; 6. Los Humeros; 7. La Primavera; 8. Los Azufres; 9. Ahuachapan; 10. Momotombo; 11. Bouillante; 12. El Tatío; 13. Krafla; 14: Namafjal; 15. Svartsengi; 16. Larderello; 17. Makhashcala; 18. Kizildere; 19. Puga; 20. Aluto; 21. Langano; 22. Olkaria; 23. Pauzhetskiy; 24. Matzukawa; 25. Otake; 26. Tatun; 27. Makban; 28. Tiwi/Bacman; 29. Tongonan/Palinpinon; 30. Dieng; 31. Kawah Kamodjang; 32. Broadlands; 33. Wairakei.

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

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 (Si02), 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.

Figura 11. Composición típica de algunos manantiales termales (las concentraciones están dadas en mg/l).

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 si lo está). Debido al aumento de la temperatura hacia el interior de la Tierra, a una profundidad de 3 km se encontrarán emperaturas 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). 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. Ese 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 solfataras 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 de tiempo, no dando oportunidad en la mayoría de los casos de salvar a la población. Desde la prehistoria el hombre ha sido víctima de las erupcione 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 x 10 24 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 esenciales comunes a todos ellos. En general se puede definir a los volcanes como la salida a la superficie del magma, o sea de la mezcla de roca fundida, vapor de agua y gases. Se podría pensar que un volcán es una montaña que arroja lava, pero éste no es más que un tipo particular de volcán, el más conocido; sin embargo, hay volcanes que no son más que una grieta o bien, una depresión en la superficie de la Tierra. La forma de un volcán va a depender del tipo de erupciones; por lo tanto una forma de clasificar a los volcanes es de acuerdo a éstas, pero como a su vez el tipo de erupción depende de las características químicas del magma, otra clasificación se puede hacer con respecto al tipo de material que arrojan. En este aspecto, se puede encontrar un paralelismo entre un volcán y un manantial termal, ambos arrojan fluidos calientes a la superficie (magma y agua respectivamente) y se pueden clasificar de acuerdo a su composición química.

Figura 13. Principales características de los tres tipos de rocas volcánicas más frecuentes. Los valores dados son aproximados y pueden variar de acuerdo con la composición particular de cada muestra de roca.

Una forma simplificada de clasificar las lavas es de acuerdo a su contenido de sílice (Si02) y de minerales compuestos por fierro y magnesio. Los tres principales tipos de lavas son: riolitas, con un alto contenido de sílice (más de 60%) y un bajo contenido de minerales ferromagnesianos; andesita, con un contenido intermedio de sílice (aproximadamente 60%) y de ferromagnesianos; y basaltos, con un bajo contenido de sílice (menor de 50%) y un alto contenido de ferromagnesianos, Debido a que los minerales ferromagnesianos son generalmente de color oscuro, las rocas más claras serán las de composición riolítica y las más oscuras, las basálticas. Además de esta clasificación general existen algunas otras, más detalladas, en las cuales se toma en cuenta el contenido relativo de otros elementos como el calcio y el potasio y el grado de cristalización de la roca. Un resumen de las principales características de los tres tipos de rocas está dado en la figura 13. De acuerdo a su forma, los volcanes se pueden dividir en dos tipos: los centrales y los de fisura. Los centrales son los más conocidos, en ellos el magma alcanza la superficie a través de un canal vertical o cráter, al salir éste se va apilando y forma lo que se llama un edificio volcánico, el cual según las circunstancias de su formación va a tener forma cónica o alguna otra forma parecida de acuerdo a su historia eruptiva (Figura 14). Volcanes de este tipo son el Fujiyama, el Vesubio, el Popocatépetl, etc., y se les puede localizar en cualquier lugar del mundo independientemente de su entorno geológico. Además de la variedad en su distribución, las características químicas de este tipo de volcanes tienen un rango muy amplio en su variación, siendo posible encontrar entre sus productos desde rocas riolíticas hasta basálticas. Por otra parte, los volcanes de fisura están relacionados con zonas de tensión en la corteza que van a provocar fracturas verticales por las que el magma va a ascender formando diques, consiguiendo en algunos casos llegar hasta la superficie y formar así los volcanes de fisura (Figura 15). Este tipo de volcanes va a estar restringido a áreas en las que los esfuerzos tensionales predominen, por ejemplo las cordilleras oceánicas. Las lavas que producen los volcanes de fisura son de tipo basáltico.

OTRAS MANIFESTACIONES

En las secciones anteriores se han descrito las manifestaciones superficiales más conocidas. Es importante hacer notar que éstas se han observado también en el fondo oceánico a varios miles de metros de profundidad, dando origen a un entorno ecológico peculiar (Figura 16). En las zonas de dispersión de la corteza oceánica (por ejemplo en el Golfo de California), se ha observado actividad magmática en forma de extrusiones e intrusiones de material ígneo que calientan el fondo marino. Una vez calentada y mezclada con vapores magmáticos, el agua asciende a través de los sedimentos poco consolidados del fondo y es arrojada en forma de manantiales termales que llegan a alcanzar temperaturas de más de 300°C. Por supuesto que al entrar en contacto con el agua fría del fondo a aproximadamente 0°C, el agua termal se va a enfriar depositando las sales minerales que lleva en solución y formando así las chimeneas que se observan en la figura 16. Además, esta agua caliente va a formar un halo de temperaturas más favorables para los seres vivos del fondo, lo que va a ocasionar que alrededor de las chimeneas se agrupen peces y moluscos, que debido a las condiciones más benignas para su crecimiento, en algunos casos presentan un mayor desarrollo en comparación con los de aguas más frías. También se han descubierto formas de vida características de estas áreas, como los gusanos-tubo y un tipo de bacterias que metabolizan hidrocarburos; ¿y por qué hidrocarburos?, pues la respuesta es sencilla, al atravesar los sedimentos, el agua caliente los "cocina" transformando algunos compuestos de éstos en hidrocarburos. En estudios hechos en la depresión oceánica localizada frente a Guaymas (Sonora, México), se han identificado más de una decena de diferentes hidrocarburos. Además de ser zonas favorables para el crecimiento de seres vivos, las áreas de actividad hidrotermal submarina tienen una gran importancia en la explotación de recursos minerales como los nódulos polimetálicos, pero este aspecto se verá con más detalle en el siguiente capítulo. Por ahora nos referiremos a algunas otras manifestaciones superficiales importantes: las pozas de lodo, las pozas calientes, y los suelos vaporizantes.

Las pozas de lodo son básicamente manantiales termales pero con muy poca agua. En general se forman por descargas de vapor de agua caliente que se encuentra a profundidad. Este vapor es rico en ácido sulfhídrico, que va a disolver las rocas circundantes transformándolas principalmente en arcillas, ópalo y cuarzo. Estos materiales y el agua del vapor que se condensa forman el lodo, cuya viscosidad dependerá de la cantidad de agua disponible y frecuentemente se puede observar una variación estacional. El color del lodo también es variable y puede ser gris, negro, blanco y en algunos casos rojo o rosado debido a la presencia de óxidos de fierro. La coloración del lodo depende principalmente de la cantidad de azufre, ya que si éste se encuentra en grandes cantidades, va a transformar los óxidos de fierro en pirita, que es un mineral de color gris. Cuando el lodo es muy viscoso, el material que es arrojado hacia arriba se puede ir apilando hasta formar un volcán de lodo (Figura 17). Las pozas de lodo tienen generalmente temperaturas menores al punto de ebullición del agua y el burbujeo que se observa en algunos de ellos (Figura 18) se debe sobre todo al desprendimiento de gases, principalmente bióxido de carbono.

Figura 16. Zona de actividad hidrotermal en el fondo del mar, a 1 997 m de profundidad en la cuenca de Guaymas, Sonora, México. La foto muestra algunos ejemplos de la fauna dominante en esos entornos ecológicos.

Las pozas calientes se forman por la acumulación del agua que arrojan uno o varios manantiales termales y se necesita que las condiciones topográficas del terreno sean favorables, esto es, que exista una depresión en el lugar de los manantiales donde el agua de éstos sea contenida como en una alberca. En algunos lugares es frecuente encontrar este tipo de depresiones relacionadas con manantiales, ya que suelen formarse como resultado de explosiones de origen hidrotermal en los canales que los alimentan. El mecanismo de estas explosiones es el mismo que ya se mencionó para explicar las erupciones de los géiseres: una inestabilidad provocada por el sobrecalentamiento del líquido, que transforma una parte de éste en vapor con la consiguiente liberación de una gran cantidad de energía. Las características químicas de las pozas calientes serán las mismas que las de los manantiales que las alimenten, por lo que se pueden tener pozas ácidas, alcalinas o neutras y el rango de temperaturas que presentan es igualmente amplio. Los suelos vaporizantes se forman por la acción del vapor que se desprende de un yacimiento en el que los fluidos alcanzan el punto de ebullición a profundidad. Las características químicas del vapor hacen que los fluidos que saturan el suelo sean más bien ácidos y por lo tanto tienden a alterar sus componentes a arcillas, que son minerales de grano muy fino y con muy poca resistencia; debido a esto y a las temperaturas que se alcanzan por estar saturados por vapor, al caminar sobre este tipo de manifestaciones se debe ser muy cuidadoso, ya que el peso de una persona fácilmente puede provocar hundimientos del suelo y a unos cuantos centímetros de la superficie se pueden alcanzar temperaturas cercanas al punto de ebullición. Los suelos vaporizantes son una de las manifestaciones superficiales más peligrosas, ya que por su aspecto es difícil alcanzar a comprender el daño que pueden causar. Por esta razón es recomendable no recorrer zonas geotérmicas sin contar con un guía que conozca la distribución de las manifestaciones termales y su peligrosidad.

Figura 18. Poza de lodo en la cual se observa el desprendimiento de gases (Waiotapu, Nueva Zelanda).

SISTEMAS GEOTÉRMICOS

En su sentido más amplio, el término describe un sistema de transporte de calor desde una fuente a profundidad hasta una zona de descarga que generalmente es la superficie de la Tierra. Este transporte de calor usualmente se efectúa a través de un fluido geotérmico que puede ser magma, en el caso de sistemas volcánicos, o bien agua caliente o salmuera (agua con alta concentración de sales), vapor y gases en un sistema geotérmico en el sentido estricto del término. En su camino desde la fuente hacia la zona de descarga, el fluido geotérmico puede ser almacenado temporalmente en un yacimiento, que en el caso de un sistema volcánico forma la cámara magmática. Aquí al hablar de sistemas geotérmicos excluiremos a los sistemas volcánicos y nos referiremos exclusivamente a los sistemas hidrotermales, donde el agua es el fluido que efectúa el transporte de calor. Estas descargas concentradas de calor que son los sistemas geotérmicos no se encuentran distribuidos uniformente en la superficie de la Tierra, sino que están localizados preferentemente en franjas caracterizadas por ser fronteras activas entre placas, en las cuales éstas se crean o se destruyen (Figura 6). Esta actividad provoca que el material del manto tenga movimientos verticales, o sea que rocas a alta temperatura se desplacen hacia la superficie dando origen a anomalías térmicas. Como ejemplo de áreas que presentan una intensa actividad geotérmica tenemos el llamdo Cinturón de Fuego de la región circumpacífica (Figura 8), al cual pertenece la costa suroeste de México, en la que la frontera entre placas es de tipo destructivo. Un ejemplo de otro tipo de frontera (constructivo) donde se está creando corteza terrestre de tipo oceánico la tenemos en el Golfo de California, en donde se encuentra el campo geotérmico de Cerro Prieto, que tiene una de las producciones de energía eléctrica más altas en el mundo. También se tienen sistemas geotérmicos importantes en algunos lugares alejados de las fronteras entre placas, en zonas donde existen descargas concentradas de calor (puntos calientes) como en algunas islas volcánicas activas, un ejemplo muy conocido son las islas Hawaii y algunas otras del Pacífico Sur.

Los sistemas geotérmicos que se han mencionado son los más potentes en términos de descarga de energía; sin embargo, también se encuentran sistemas geotérmicos con temperaturas menores en muchos lugares donde el flujo de calor tiene un valor promedio y las aguas son calentadas al circular a profundidades de más de 2 kilómetros en la corteza terrestre. Como ya se vio en el capítulo I, un gradiente normal de temperatura implica un aumento de temperatura con la profundidad de aproximadamente 30°/km; así, cuando la permeabilidad de las rocas permite que el agua circule a 3 kilómetros de profundidad, ésta alcanzará temperaturas cercanas al punto de ebullición y puede entonces ser utilizada para usos industriales y también para calefacción. Ejemplos de este tipo de sistemas se tienen en China, Austria y Francia. Un aspecto muy importante en el estudio de los sistemas geotérmicos es su clasificación. Las características que se toman en cuenta para este fin son:

—la naturaleza del fluido dominante en la parte principal del yacimiento, por ejemplo: agua caliente, vapor, salmuera, etcétera.

—la concentración de componentes químicos en el fluido dominante; por ejemplo, el fluido dominante en el yacimiento puede ser agua de mar diluida, con lo que la concentración de compuestos químicos en solución será muy alta.

—la descarga superficial de calor; esto es, cuánto calor es transportado a la superficie por medio de las manifestaciones hidrotermales y por conducción.

—la entalpia o contenido energético (calorías por gramo) del fluido descargado por el sistema.

De esta forma, se puede denominar a un sistema geotérmico como de alta o baja entalpia si ésta es mayor o menor de 250 calorías/gr. La concentración de componentes químicos puede variar de menos de 0.1%, a 1% y alcanzar valores de más de 1% de sólidos totales disueltos, catalogándose como de concentración baja, intermedia o alta, respectivamente (el agua potable tiene un promedio de 0.20% de sólidos totales disueltos). Por último, la descarga superficial de energía puede ir de 500 a más de 500 000 kilowatts. Esta descarga superficial de calor está determinada por la magnitud de las manifestaciones superficiales que tiene el sistema; y al planear su explotación éste es el valor mínimo de energía que se puede obtener del sistema sin alterarlo significativamente ya que esa es su descarga natural. Las manifestaciones superficiales (y por lo tanto la descarga) del sistema van a ser afectadas fuertemente por las condiciones hidrológicas y topográficas de la zona, las cuales van a definir la recarga del sistema y la permeabilidad de las capas que forman el yacimiento. Para ejemplificar cómo influyen estos factores, en las figuras 19 (a) y (b) se muestran las secciones transversales simplificadas de dos sistemas geotérmicos: uno en terreno plano y otro en terreno montañoso. De ahí se ve claramente que aunque a profundidad ambos sistemas son equivalente, en la superficie se obtiene una diferente distribución y diferentes tipos de manifestaciones, lo cual es muy importante tomar en cuenta al estar efectuando la exploración superficial de un sistema geotérmico, como se vera en el capítulo IV.

Figura 19. Esquemas de cortes transversales de sistemas geotérmicos: (a) en terreno plano y (b) en terreno montañoso.

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