Espeleogénesis y Mecanismos de Disolución 2
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INTRODUCCIÓN.
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En el año 1964 el suizo Alfred Bögli publicó su famoso artículo sobre la "corrosión de mezclas" (mixing corrosion). Bögli demostró que la mezcla de dos aguas completamente saturadas, pero con diferentes concentraciones de Ca2+, posee otra vez una cierta capacidad de disolución. Era la explicación perfecta para la milagrosa reaparición de la capacidad de disolución a grandes profundidades. Especialmente en los años setenta casi todos los aspectos de la formación de cuevas se explicaban con este mecanismo.
Primero se describe la curva de saturación completa (curva de Bögli), la zona de saturación incompleta y la determinación de la dirección del trayecto de disolución. Después se trata el mecanismo de la corrosión de mezclas con algunas observaciones y finalmente, se explica un sencillo método de determinar la localización de la mezcla resultante de dos soluciones sobre la línea de conexión.
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LA CURVA DE SATURACIÓN COMPLETA.
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En el artículo de mecanismos de formación de proto conductos hemos visto que la reacción de disolución de caliza por agua con anhídrido carbónico era la siguiente:
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H2O + CO2 + CaCO3 ↔ Ca2+ + 2HCO3¯
(agua) + (anhídrido carbónico) + (carbonato cálcico) ↔ (bicarbonato de calcio)
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Figura 1 muestra la curva de saturación completa (curva de Bögli) y la composición de una solución P.-
Es una reacción de equilibrio, lo que significa que no todo el anhídrido carbónico (CO2) se convierte en bicarbonato de calcio. En una solución completamente saturada tiene que haber una cantidad de CO2 disuelta para evitar la precipitación del bicarbonato de calcio (caliza disuelta). Cuanta más caliza disuelta hay en la solución, más CO2 hace falta para evitar su precipitación. Si juntamos todas las posibles combinaciones de equilibrio obtenemos una curva que representa la saturación completa (figura 1). Hay que mencionar que esta curva depende de la temperatura, un aspecto que se tratará en otro artículo. En el eje horizontal (abscisa) está la cantidad del gas anhídrido carbónico disuelto en la solución en miligramos por litro. En el eje vertical (ordenada) está la cantidad de caliza disuelta en la solución, también en miligramos por litro.
En la figura 1 se ve un punto P sobre la curva de saturación completa. Se puede determinar que para mantener unos 195 miligramos de caliza disuelta por litro, hace falta unos 14 miligramos de CO2 disuelto por litro. Toda la zona que se encuentra por debajo de la curva de saturación completa es la zona de saturación incompleta.
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ZONA DE SATURACIÓN INCOMPLETA.
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¿Que pasa si una solución todavía está disolviendo caliza? Entonces esta solución se encuentra en algún lugar dentro de la zona de saturación incompleta, por ejemplo en P1 (figura 2). Durante el proceso de disolución anhídrido carbónico (CO2) es consumido de la solución y por lo tanto su cantidad por litro (concentración) disminuye y al mismo tiempo la concentración de caliza disuelta (CaCO3) aumenta. Por esta razón, dentro del gráfico, el punto P1 se mueve hacia arriba (aumento de caliza disuelta) y hacia la izquierda (disminución de (CO2) disuelto). La dirección en donde se desplaza el punto P1 lo llamamos la dirección del trayecto de disolución.
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La figura 2 muestra la zona de saturación incompleta, el desplazamiento de punto P1 hacia la curva de Bögli y la determinación de la dirección del trayecto de disolución.-
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DETERMINACIÓN DE LA DIRECCIÓN DEL TRAYECTO DE DISOLUCIÓN DE CALIZA.
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Para poder determinar la dirección del trayecto de disolución, tenemos que averiguar en que cantidades de miligramos reaccionan el CO2 y el CaCO3, porque el problema es que la escala de los ejes de las figuras no está en masa molecular pero en miligramos por litro (mg/l).
La reacción elemental de disolución de caliza muestra que 1 molécula de anhídrido carbónico (CO2) reacciona con 1 molécula de caliza (CaCO3). Ahora , con ayuda de las masas moleculares de Ca, C y O se puede calcular el ratio en mg/l.
Las masas moleculares son las siguientes: Ca = 40, C = 12 y O = 16, entonces fácilmente podemos calcular que la masa molecular de CaCO3 es 100 y la masa molecular de CO2 es 44.
Ya sabemos que el ratio de reacción molecular es: 1 (CO2) : 1 (CaCO3).
Entonces el ratio de reacción en masa es: 44 (CO2) : 100 (CaCO3).
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Esto quiere decir que 44 unidades de masa de CO2 reaccionan con 100 unidades de masa de CaCO3. En la figura 2 se ha dibujado la dirección del trayecto de disolución usando el mismo ratio, en esta caso 22 mg de CO2 y 50 mg de CaCO3.
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MECANISMO DE CORROSIÓN DE MEZCLAS.
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En su artículo Bögli da el siguiente ejemplo. Dentro de una cueva había un arroyo con una saturación respecto al Ca2+ de 273 ppm (partes por millón). Aproximadamente la mitad del arroyo entraba en un conducto completamente inundado, donde se queda casi inalterada. La otra mitad entraba en una galería vadosa, donde pierde CO2 y deposita carbonato cálcico (CaCO3) hasta que la concentración de saturación se queda en unos 125 ppm. En este momento ambos arroyos estaban saturadas. Aguas abajo las 2 mitades se reunieron otra vez, y resulta que la mezcla resultante tenía una capacidad de disolver 13,5 ppm. Lo asombroso era que la mezcla de dos flujos saturados resultaba en una solución con capacidad de disolución.
La explicación es la siguiente: S1 y S2 representan dos soluciones saturadas (se encuentran sobre la curva), pero con cantidades de carbonato cálcico disueltas diferentes. La línea S1-S2 representa todas las posibles mezclas entre S1 y S2, según la cantidad relativa de cada una. En este caso la mezcla es M y se ve que se encuentra por debajo de la curva, es decir que la mezcla no está saturada. La mezcla M empieza a disolver caliza y dentro del gráfico se mueve según la dirección del trayecto de disolución hacia la curva de saturación completa. La mezcla se ha saturada cuando llega a la curva en Ms (Mezcla saturada). La cantidad adicional de carbonato cálcico que se ha disuelta equivale a la diferencia entre A y Ms.
A partir de ahora y en honor del descubridor de la corrosión de mezclas, llamamos a la curva de saturación completa: la curva de Bögli.
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ALGUNAS OBSERVACIONES.
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La primera observación es que cuando se mezclan dos soluciones completamente saturadas, siempre hay una capacidad de disolución adicional.
La segunda observación es que esta capacidad de disolución adicional es mayor cuanto mas grande sea la diferencia en concentración de las soluciones.
La tercera observación es que la capacidad de disolución adicional es casi máxima, cuando una de las soluciones tiene una concentración muy pequeña y la otra solución una concentración grande (aunque no hace falta una concentración muy grande). En este caso se aprovecha al máximo la curvatura más grande de la curva de Bögli (la parte por la izquierda).
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La figura 3 muestra la curva de Bögli, la mezcla M de 2 soluciones (S1 y S2) y la solución resultante (Ms) cuando la mezcla se ha saturada. También muestra la dirección del trayecto de disolución de caliza. Por detalles ver el texto.
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DETERMINACIÓN DE LA MEZCLA DE DOS SOLUCIONES.
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La localización de la mezcla de 2 soluciones sobre la línea de conexión depende de las cantidades de ambos flujos. Si los flujos son iguales, entonces la mezcla se encuentra exactamente en el medio de la línea, pero si un flujo es mayor que el otro, entonces la composición de la mezcla esta más cerca al valor del flujo mayor. En el siguiente ejemplo la mezcla contiene 4 volúmenes de agua del flujo mayor y 1 volumen de agua del flujo menor, lo que hace un total de 5 volúmenes. Ahora dividimos la línea de conexión en 5 partes iguales (figura 4) y la localización de la mezcla esta a cuatro partes del flujo menor y a una parte del flujo mayor. Con cifras más complicadas igual. Si el flujo menor tiene 2 volúmenes y el flujo mayor tiene 7 volúmenes, entonces el total son 9 volúmenes y la mezcla se encuentra a 2 partes del flujo mayor y a 7 partes del flujo menor.
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La figura 4 muestra 2 ejemplos de cómo determinar la mezcla resultante de 2 soluciones.
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CONSECUENCIAS.
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Las consecuencias para la localización de la disolución de caliza son múltiples, tanto a escala de fracturas y proto conductos como a escala de galerías inundadas y arroyos vadosos. En cada punto donde se juntan dos o varios soluciones diferentes, los flujos se mezclan y aparecerá algo de capacidad de disolución. En su día fue el mecanismo por excelencia para explicar la iniciación de la formación de cuevas, especialmente a mayor profundidad. Todavía hoy en día es un aspecto importante en la espeleogénesis, aunque la gama de mecanismos se ha ampliado. Por ejemplo , sigue siendo un muy buen mecanismo para explicar la formación de cúpulas de disolución en galerías freáticas.
Otro aspecto es la combinación con los regímenes de disolución lenta y rápida y la curva de saturación de 90 por ciento que separa ambos regímenes. Esta combinación abre una nueva gama de posibles situaciones de disolución subterránea. Estos aspectos serán tratados en uno de los próximos artículos.
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