Revista Ciencias

INTRODUCCION

A unos cuantos kilómetros de Ciudad Guzmán, por la carretera a Manzanillo, se puede observar el volcán mexicano que ha registrado el mayor número de erupciones por siglo: el Colima. El magma arrojado durante las erupciones se ha depositado en capas sucesivas, que en conjunto tienen un espesor de varios kilómetros. El volcán de Colima arroja al medio materiales con un alto contenido de silicio y sustancias volátiles; estas últimas producen las explosiones que alguna vez han observado los habitantes de la zona.   

El magma y las explosiones del volcán de Colima son una parte visible de una actividad geológica que abarca a vastas regiones de nuestro país. En otra región de México —alejada cientos de kilómetros del estado de Colima— se dio otro evento volcánico de gran importancia: el 28 de marzo de 1982 el volcán Chichón inició una violenta erupción, durante la cual se arrojaron al medio alrededor de 300 millones de metros cúbicos de cenizas. Una de las consecuencias de esta erupción fue la formación de nubes de cenizas, que cubrieron durante varios días los pueblos y ciudades aledañas.    

México es un país montañoso, las sierras bordean al país por el oriente y por el occidente e inclusive algunas llegan a cruzarlo. Los volcanes forman parte del paisaje en varias regiones del país. Por ejemplo, en el extremo norte de la península de Baja California se localiza el volcán Cerro Prieto, que ya se ha convertido en el símbolo de la utilización de la energía geotérmica en México. Al sur, pero en la misma península se encuentra el volcán Tres vírgenes, que tiene en su haber varias erupciones.   

En el centro del país encontramos un vasto conglomerado: de aproximadamente tres mil volcanes, que se conoce como eje neovolcánico mexicano y que cruza del oriente al occidente, desde Nayarit hasta el estado de Veracruz. En este conjunto se agrupan entre otros muchos el Ceboruco en Nayarit, el Paricutín en Michoacán, el Xitle en el D. F. y el Nevado de Toluca en el Estado de México.   

En el sureste también hay actividad volcánica, pero la misma está ligada a la que hay en Centroamérica. Justo en la frontera con Guatemala hay un volcán con actividad reciente: el Tacaná. Mención aparte merece el Chichón, cuyo origen todavía no esta bien determinado. Es un volcán aparentemente aislado de las cadenas mexicana y centroamericana desde el punto de vista de su actividad reciente y es posible que sea una especie de eslabón entre ambas.  

En el océano Pacífico abundan los archipiélagos con actividad volcánica, tanto en la parte que corresponde a Asia y Oceanía, como del lado americano. Menciónese a manera de ejemplo las islas Kuriles, las islas Aleutianas, el archipiélago de Tonga en la Polinesia y en mucho menor escala las Islas Revillagigedo pertenecientes a México.

VULCANISMO, ELEMENTOS RADIACTIVOS Y TECTONICA DE PLACAS

Durante los eventos volcánicas se libera tanta energía térmica, como energía mecánica. Cabría preguntarse: ¿de donde proviene esa energía?   

La parte externa de la Tierra conocida usualmente como litosfera no es una estructura monolítica, esta constituida por bloques (o placas) que se desplazan unos con respecto a los demás. Inclusive existe la hipótesis de que en el pasado geológico los continentes americano, europeo y africano estaban unidos. En apoyo a esta hipótesis se argumenta que los contornos de dichos continentes tienen una sorprendente concordancia. La actual separación se debería al movimiento de las placas.     

El movimiento de las placas esta íntimamente relacionado con la existencia de materiales radiactivos en el interior de la Tierra. En adelante veremos por qué. La excavación de pozos y minas ha revelado que la temperatura aumenta con la profundidad, primero a razón media de 20-30 grados por kilómetro y luego más lentamente. Dicho fenómeno se debe a la existencia de elementos radiactivos de larga vida como el uranio y el potasio 40. La Tierra mantiene elementos radioactivos a nivel de trazas, es decir, de cantidades del orden de partes por millón o fracciones de partes por millón. Sin embargo, cuando se considera todo el volumen terrestre la cantidad de material radioactivo es muy importante; su desintegración es lo que ha proporcionado calor al interior del planeta desde sus edades tempranas.      

El calor generado por la desintegración radiactiva no se puede transmitir por difusión, ya que la conductividad térmica del medio es muy baja. A profundidades del orden de 100 kilómetros la temperatura es lo suficientemente alta para producir un cambio en las propiedades mecánicas del material, que entonces se vuelve lo suficientemente dúctil como para comenzar una convección de estado sólido (la convección es el movimiento de masas del interior de la Tierra inducido por la diferencia de densidades). El material no se funde, sin embargo, las fuerzas de flotación generadas por las altas temperaturas son lo suficientemente importantes para que en periodos de tiempo geológico el material pueda fluir.   

Los movimientos de convección en el interior de la Tierra son los que producen el crecimiento, el desplazamiento y la subducción de las placas de la corteza terrestre. Ya se ha dicho que la actividad volcánica y los procesos tectónicos toman su energía del calor desprendido por la desintegración de ice: materiales radiogénicos, fundamentalmente el torio, el uranio y el potasio. La vida media de dichos elementos es del orden de la edad de la Tierra, a saber: para el Uranio-238 se estima una vida media de 4000 millones de años, mientras que para el torio se calcula una vida media de 14000 millones de años. Cuando se formo la Tierra, hace unos 5000 millones de años, la actividad radiogénica era aproximadamente dos veces más intensa que en la actualidad. Sería de esperarse que la mayor parte de los procesos convectivos fueran el doble de intensos, así como sus manifestaciones externas: la velocidad de desplazamiento de las placas y la actividad volcánica. Con el paso del tiempo la actividad geológica disminuye de una manera lenta, pero continua, a consecuencia del decaimiento de los elementos radiactivos.

El territorio nacional esta asentado sobre las placas norteamericana y del Pacífico. En la zona de contacto entre ambas placas hay una divergencia horizontal de una con respecto a la otra, lo que origina el vulcanismo y la sismicidad en Baja California y también en la Alta California (recuérdese el reciente sismo del 17 de octubre de 1989 en San Francisco, California). La zona de contacto no es perfectamente lineal sino que esta escalonada. Las partes que corresponden a los escalones se denominan zonas de rift y en ellas hay una gran tensión, que se libera parcialmente con las emanaciones geotérmicas y volcánicas. Usualmente el manto terrestre se encuentra en estado sólido. Cuando hay un movimiento de separación de placas en la superficie, los materiales que se encuentran por abajo tienden a subir, disminuyendo considerablemente su presión pero casi sin cambiar su temperatura. El material del manto terrestre asciende hasta prácticamente llegar a la superficie del planeta. En ese momento sufre cambios químicos menores y aflora como lava; muy similar a la lava basáltica del Pedregal de San Ángel, pero de mayor densidad, más rica en materiales ferromagnéticos y con un menor contenido relativo de silicatos.   

La placa norteamericana limita frente a las costas de México y Centroamérica con la placa de Cocos. La interacción entre ellas es diferente: una placa se sumerge debajo de la otra (fenómeno que se conoce como subducción). Los esfuerzos asociados a la subducción son capaces de fundir los materiales que se localizan en la superficie de contacto de las placas o incluso, a mayor profundidad entre la placa que subduce y el manto circundante.      

El magma del vulcanismo de subducción tiene probablemente un origen más profundo que el magma del vulcanismo tipo rift, ya que la disipación de calor por viscosidad puede producir la fusión de los materiales sólo a profundidades superiores a los 100 kms. Tanto la temperatura como la presión crecen con el incremento de la profundidad, de manera que entre los 150 y los 200 kilómetros los materiales se encuentran bastante cerca del punto de fusión, aunque usualmente no pasan al estado líquido. La fricción que se produce durante la subducción genera cantidades adicionales de calor y la elevación de la temperatura por encima del punto de fusión. Se forma entonces el material magmático, mismo que tiende a subir ya que su densidad es menor a la de las rocas circundantes. Este fenómeno es la base del vulcanismo de las regiones centrales de México. En comparación con la actividad volcánica en Baja California, el magma de los volcanes del centro de México tiene un origen más profundo. Luego, como la composición química del interior de la Tierra varía con la profundidad, geoquímicamente el magma es distinto para cada uno de los dos casos.

TIPOS DE ERUPCIONES

El volcán Stromboli con su actividad persistente desde la época de Homero, así como la actividad de otros volcanes como Vulcano, Vesubio, Mauna Loa, etc., han servido para hacer una clasificación de las erupciones de otros volcanes en base a las semejanzas; sin embargo, esta clasificación tiene la desventaja de ser meramente descriptiva. Una mejor manera de clasificar a dichos fenómenos es por la cantidad y las características del material arrojado. En líneas generales, la clasificación se puede hacer en base a dos parámetros: la energía térmica y la energía cinética liberadas durante la erupción. Por ejemplo, durante una erupción con gran cantidad de magma y sólo una pequeña porción de volátiles, se liberara mucha energía térmica y muy poca energía cinética. Recíprocamente, una erupción muy explosiva, en la que arroja material rico en volátiles, puede tener una componente más grande de energía cinética.       

Los materiales volátiles son fundamentalmente el bióxido de carbono y el vapor de agua. Cuando el magma llega cerca de la superficie estas sustancias se vaporizan muy rápidamente y forman burbujas, que crecen de tamaño y explotan, esto contribuye mucho a la energía cinética.

Algunas erupciones arrojan cantidades considerables de magma caliente, pero casi no hay explosiones. Éste es el caso típico de las Islas Hawai. En el otro extremo están las erupciones con un contenido relativamente menor de energía térmica y mayor de energía cinética. Como ejemplo se mencionan al Chichón, cuya erupción de 1982 fue muy explosiva. Cabe señalar que una erupción hawaiana puede producir más magma que el volumen de las cenizas arrojados por el Chichón; más de 1000 millones de metros cúbicos. Sin embargo, en este último caso la lava fluye formando ríos y sin explosividad.             

El Paricutín hizo erupción durante 9 años consecutivos y luego se extinguió. Una evolución similar tuve el Xitle al sur de la Ciudad de México hace unos 2500 años. Este volcán lanzo una cantidad de lava que cubrió la región que hoy se conoce como el Pedregal y luego se extinguió. Existen otros volcanes con las características del Xitle o el Paricutín y se pueden contabilizar por miles en el territorio nacional. Reciben el nombre de monogenéticos. Un volcán de este tipo nace, hace una erupción que puede durar un tiempo considerable, luego se apaga y ya no vuelve a activarse más. Ocurre frecuentemente que en la misma región nace otro volcán y es ese el que arroja nuevos materiales magmáticos.

Los volcanes que hacen erupción repetidamente se denominan poligenéticos. Los volcanes poligenéticos tienen una estructura de capas que se va formando con cada erupción. Dichos volcanes crecen hasta tener alturas muy grandes, como por ejemplo el Popocatépetl o el de Colima. En la península de Baja California y a unos cuantos kilómetros de Santa Rosalía se localiza el volcán Tres vírgenes que también forma parte de este grupo. También cabe mencionar al San Martín Tuxtla, que tuvo una erupción importante a fines del siglo XVIII; al Chichón con la erupción de 1982, entre otros.

VULCANISMO Y MEDIO AMBIENTE

El vulcanismo ha jugado un papel importante en la evolución de la Tierra. En épocas tempranas la atmosfera de nuestro planeta era diferente a la actual.

Las moléculas de los gases se movían a gran velocidad como consecuencia de la alta temperatura que reinaba (del orden de los 1000 grados centígrados) y esto permitía que escaparan fácilmente al espacio exterior.

La atmosfera primitiva se perdió definitivamente, pero la acción conjunta del vulcanismo y la disminución de la temperatura dieron origen a una nueva envoltura gaseosa de la Tierra. Las emanaciones volcánicas lanzaron una gran cantidad de vapor de agua y compuestos de carbón y oxígeno, a partir de los cuales se crearon los océanos y la atmosfera actual. Los gases que salieron a la superficie del planeta fueron principalmente bióxido de carbono y bióxido de azufre, siendo el primero un compuesto que propició el desarrollo de organismos vegetales. Eventualmente la interacción de los vegetales con el CO₂ enriqueció lentamente a la atmosfera con moléculas de O₂ hasta llegar al porcentaje actual.        

Aún en la actualidad el vulcanismo tiene efectos sobre la superficie de la Tierra y sobre la atmosfera. Por ejemplo, durante una erupción de baja explosividad, la lava fluye y se deposita sobre el área circundante. La región que es alcanzada por la lava queda inservible para ciertos fines, entre otros la agricultura; posiblemente todo lo que es el Pedregal fue un campo de cultivo hasta antes de la erupción del Xitle. Lo mismo se puede decir del área agrícola cubierta por la lava del Paricutín en Michoacán.

En las erupciones explosivas la lava se pulveriza antes de salir a la superficie y se emite como ceniza. La ceniza puede tener un alcance considerable y provocar cambios importantes en el ambiente, los que no siempre son negativos. Después de cierto tiempo las cenizas que flotan en el ambiente se depositan en el suelo, enriqueciéndolo con minerales y aumentando la producción agrícola.

Los cambios atmosféricos producidos por una erupción llegan a ser notables. Póngase como referencia al Chichón que durante la erupción de 1982 emitió una gran cantidad de bióxido de azufre y actualmente arroja ácido sulfhídrico a razón de varias toneladas por día. Lo último contribuye a la acidificación de la lluvia en la región.

OTRAS MANIFESTACIONES DEL VULCANISMO

Usualmente cuando se habla de actividad volcánica se piensa en las emanaciones de lava y cenizas. Sin embargo, existe una gama de otras manifestaciones volcánicas colaterales, como las agua termales y los geiseres —que por otra parte, no son del todo desconocidos.

A varios kilómetros de Ixmiquilpan, en el estado de Hidalgo, se encuentre enclavado en la sierra, el pueblo de Tolantongo en cuya jurisdicción hay un cerro, del cual surge a la superficie una corriente de agua caliente. Después de descender por las laderas escarpadas el agua forma un arroyo que corre hacia el este y despide a su paso vapor de agua, con lo que el ambiente se torna cálido. Es más quien pasa la noche a orillas del arroyo no necesita protegerse del frío.       

Ixtlán de los Hervores, en Michoacán, es otro sitio con características semejantes. Quien ha viajado de día de Zamora a Guadalajara ha podido observar en el trayecto un potente chorro de agua y vapor, que alcanza una altura de decenas de metros, pero ahí no termina todo: todas las fuentes de la zona son de agua a alta temperatura y los habitantes del área ¡deben enfriar el agua que consumen!

Los geiseres y los manantiales de aguas termales son manifestaciones volcánicas secundarias. El magma caliente que permanece en el interior de la Tierra transmite calor a sus alrededores, donde puede haber mantos acuíferos. Cuando esto sucede, el agua se calienta y eventualmente puede pasar de estado líquido a vapor. La formación de vapor está acompañada por un aumento considerable en la presión donde se encuentra el acuífero y cuando hay algún orificio hacia la superficie el vapor escapa dando lugar a las manifestaciones antes citadas.

INVESTIGACIONES SOBRE LA ACTIVIDAD VOLCANICA

La predicción de erupciones y en general el estudio del vulcanismo se realizan con muy diversos métodos. Uno de ellos es la gravimetría, una técnica geofísica que permite determinar la distribución de densidades en el subsuelo y que es muy utilizada en la prospección de materiales. Los materiales volcánicos tienen contrastes de densidad en relación a las rocas circundantes; cuando hay una intrusión de magma en el interior de un volcán se produce una ligera variación en el valor de la fuerza de gravedad, misma que se puede detectar si se hace una medida gravimétrica con suficiente precisión.

Los aparatos que miden cambios pequeños en el valor de la gravedad se conocen como gravímetros. Para dar una idea de su sensibilidad considérese que al alejarnos de la superficie terrestre disminuye el valor de la gravedad. Si nos alejamos de la superficie del planeta, también nos alejamos del centro de la Tierra. Entonces, por la ley del inverso cuadrado, la fuerza de gravedad disminuye con el aumento de la distancia. Pues bien, los gravímetros comerciales de la actualidad pueden detectar variaciones de la gravedad equivalentes a las que se producen cuando nos alejamos de la superficie terrestre 3 cm.

La investigación del vulcanismo también incluye el estudio de las emanaciones de sustancias radiactivas de corta vida, en particular el torón y el radón. Ambos son gases nobles y radiactivos, producto de la desintegración del uranio. Por ser nobles no interaccionan químicamente; luego, su movilidad en la corteza no depende de las características químicas de las rocas, sino sólo de sus propiedades físicas. Por lo tanto, las emanaciones de radón y torón permiten conocer las condiciones físicas en el interior de los volcanes, sin tomar en cuenta las características químicas. Por ejemplo, durante la erupción del Chichón se detectó un pico en la concentración del radón en el subsuelo a distancias hasta de 20 km del volcán. Además, la concentración de radón tuvo un lento decaimiento con el tiempo.    

Este fenómeno podría explicarse en parte por una característica del radón: su alta solubilidad en agua supercrítica. Pero ¿qué es el agua supercrítica? Nosotros conocemos al agua en sus tres fases: como hielo, como líquido y como vapor. Sin embargo a temperatura de varios cientos de grados las diferencias entre el estado líquido y el gaseoso desaparecen, de manera que ambas fases son indistinguibles. Cuando esto sucede decimos que el agua se encuentra en estado supercrítico. La abundancia del radón podría explicarse por la existencia de un volumen considerable de agua supercrítica en la cámara magmática.

La investigación del vulcanismo tiene una amplia gama de aplicaciones, entre las que destacan su aprovechamiento como fuente de energía (en el volcán Cerro Prieto, Baja California está instalada una planta generadora de electricidad) y la predicción de erupciones. Aplicaciones por demás interesantes y de una utilidad evidente.

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