Espeleología: Régimen De Disolución Súper Rápida
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Régimen de disolución súper rápida. Marius van Heiningen e-mail: [email protected]
INTRODUCCIÓN. En los artículos anteriores hemos hablado varias veces de una velocidad de disolución de caliza rápida y de una velocidad de disolución lenta, lo que hemos llamado régimen de disolución rápida y régimen de disolución lenta. Resulta que hay un tercer régimen, el de la disolución súper rápida. El agua de lluvia que cae sobre la roca desnuda de caliza, no contiene caliza disuelta, es decir su saturación es 0. Esta agua es al principio muy agresivo y es capaz de disolver la caliza muy rápido, hasta que se agota el sobrante de protones (H+). A partir de este momento entramos en el régimen de disolución rápida. El cambio del régimen súper rápida hasta el régimen rápida, ocurre cuando el porcentaje de concentración esta entre el 30 y el 36 por ciento.
REGÍMENES DE DISOLUCIÓN RÁPIDA Y LENTA. En los artículos de la “Espeleogénesis de las fisuras 1 y 2” se hace referencia a un régimen de disolución rápida y un régimen de disolución lenta. La disolución es rápida cuando el porcentaje de saturación está por debajo del 90 por ciento. Por encima de esta concentración hay inhibición de disolución, principalmente causado por impurezas de la roca, y la velocidad de disolución es controlado por reacciones lentas. En realidad este
La figura 1 muestra los regímenes de disolución rápida y lenta. La velocidad de disolución de caliza está indicada en una escala logarítmica.
cambio no ocurre exactamente cuando la saturación llega a un 90 por ciento. Debido a la variedad de la naturaleza de la roca natural, esta inhibición de disolución se puede empezar a notar a partir de una saturación de 70 por ciento, sin embargo, es a partir de alrededor del 90 por ciento cuando su efecto es significante. Si miramos la figura 1 que muestra la velocidad de disolución de Ca2+ respecto al porcentaje de saturación, presentada en los 2 artículos mencionados, vemos que la velocidad de disolución está indicada en una escala logarítmica. La razón ha sido demostrar la rápida disminución de la velocidad de disolución a partir del 90 por ciento de saturación. Ahora se presenta la misma figura, pero con una escala linear. La figura 2 muestra que el régimen de disolución rápida disminuye según una función linear.
La figura 1 muestra los regímenes de disolución rápida y lenta. La velocidad de disolución de caliza está indicada en una escala linear.
RÉGIMEN DE DISOLUCIÓN SÚPER RÁPIDA. Los estudios acerca de la velocidad de disolución de caliza, han demostrado que la disolución es todavía mucha más rápida cuando la saturación está por debajo del 30 por ciento. Este régimen lo llamamos régimen de disolución súper rápida y también disminuye según una función linear (figura 3). DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE DISOLUCIÓN. Cuando el agua de la lluvia (que está en equilibrio con la concentración del CO2 atmosférica) cae sobre la caliza, la disolución inicial es muy grande, pero disminuye rápidamente. Este es el régimen de disolución súper rápida. Cuando la solución llega a saturarse por un 30 por ciento, la disminución en velocidad de disolución empieza a ser más moderada, aunque la disolución sigue siendo rápida. Este es el régimen de disolución rápida. Cuando la solución llega a saturarse por un 90 por ciento, la velocidad de disolución se hace muy lenta. Este es el régimen de disolución lenta.
La figura 3 muestra el alcance de los tres regímenes de disolución. El intervalo de 30 a 36 por ciento muestra el cambio progresivo entre la disolución súper rápida y la disolución rápida. LAS FUNCIONES. Los regímenes súper rápida y rápida se rigen ambos según una función linear, las cuales se han podido determinar. La función del régimen de disolución súper rápida: F = α1(0,3 ceq – c)
0 < c < 0,3 ceq
F es la función, α1 = 5.10-4 cms-1, ceq es la concentración de equilibrio y c es la concentración de la solución. La función del régimen de disolución rápida: F = α2(ceq – c)
0,36 ceq < c < 0,9 ceq
F es la función, α2 = 3.10-5 cms-1, ceq es la concentración de equilibrio y c es la concentración de la solución. La zona donde la concentración (c) está entre el 0,3 ceq y el 0,36 ceq es la zona de transición, no vale ninguna de las dos funciones. Los valores de α1 y α2 son válidos, cuando la película de agua que cubre la roca tiene un espesor de entre 0,1 mm y 0,4 mm.
Para entender mejor el significado de las funciones, vamos a calcular la velocidad de disolución por cada función hacia la mitad de su alcance. Por la función de disolución súper rápida: c = 0,15 ceq y α1 = 5.10-4 cms-1. Si se rellena estos valores en la función: F =5.10-4 (0,3 ceq – 0,15 ceq ) = 7,5. 10-5 ceq Por la función de disolución rápida: c = 0,54 ceq y α2 = 3.10-5 cms-1. Si se rellena estos valores en la función: F =3.10-5 (ceq – 0,54 ceq ) = 1,38. 10-5 ceq Se puede observar que en este ejemplo la disolución súper rápida es 4 veces mayor que la disolución rápida. LAS REACCIONES QUÍMICAS La explicación de la existencia de una disolución rápida y una disolución súper rápida se puede encontrar en las reacciones químicas. Cuando el agua cae sobre la roca su contenido en CO2 está en equilibrio con la atmósfera. Una parte de este CO2 está disuelto en el agua, pero la otra parte se ha convertido en H2CO3 (ácido carbónico) lo que da acidez al agua (pH = 5.7). En una solución ácida (pH por debajo de 7) sobran los protones (H+) y por eso manda la reacción 1. Esta reacción es muy rápida lo que resulta en una muy rápida disolución de caliza (régimen de disolución súper rápida). Como resultado también la cantidad de H+ disminuye rápidamente y la pH sube. La única forma de mantener una concentración de H+ es la conversión del CO2 (disuelto en la solución) en H2CO3 (reacciones 2a y 2b). La reacción 2 es más lenta y por tanto también la velocidad de disolución (régimen de disolución rápida). H+
+ CaCO3
H2O +
CO2
H2CO3 H+
+
HCO3- +
↔
Ca2+ + HCO3-
(1)
↔
H2CO3
(2a)
↔
H+
CaCO3
+ HCO3↔ Ca2+ +
(2b) 2HCO3-
(3)
La reacción 3 está puesta porque es la clásica reacción de disolución de caliza, ya descrita en “Espeleogénesis de las fisuras 1”. Sin embargo, si la quitamos un HCO3- de cada lado nos damos cuenta que es la misma que la reacción 1. En realidad el proceso es un poco más complicado, el interesado puede encontrar más información en el artículo “Physics and chemistry of dissolution on subaerialy exposed soluble rocks by flowing water films” (ACTA CARSOLOGICA 36/3, 357-367, POSTOJNA 2007), por Wolfgang Dreybrodt y Georg Kaufmann.
RESUMEN. Aparte de los regímenes de disolución lenta y rápida, también hay un régimen de disolución súper rápida. La disolución súper rápida es causado por los H+ (protones) ya presentes en el agua de la lluvia, cuando este cae sobre la roca caliza desnuda. Al principio no se puede hablar de una reacción de equilibrio, la solución simplemente usa casi todos los H+ para disolver la caliza. Esta reacción es muy rápida y bajo situaciones naturales, los H+ llegan a escasear después de unos 10 segundos. En la mayoría de los casos el desplazamiento del agua no ha llegado a los 30 cm. Para que la solución sigue siendo capaz de disolver la caliza hace falta más H+, los cuales son liberados por la conversión de CO2 en H2CO3. Esta conversión si es una reacción de equilibrio, lo que quiere decir que solo una parte del CO2 disuelto en el agua se puede convertir. La rapidez de esta reacción determina la cantidad de H+ disponible y por tanto determina también la velocidad de disolución, una velocidad todavía bastante rápida. Mientras más CO2 se convierte, menos queda en la solución disuelto, con el lógico resultado que cada vez se puede convertir menos CO2, lo que explica la progresiva disminución de la capacidad de disolución (figura 3). El cambio del régimen de disolución súper rápida hasta un régimen de disolución rápida suele ocurrir cuando el porcentaje de concentración está entre el 30 y 36 por ciento.
LAS CONSECUENCIAS. Una consecuencia es que el agua que penetra en las fisuras por debajo del epikarst, en la mayoría de los casos tendrá una concentración de saturación por encima del 50 por ciento. Sabiéndolo, ayuda para calcular con mayor exactitud el momento del evento de ruptura de las fisuras del sistema hidrológico que se encuentra por debajo del epikarst. Otra cosa es el impacto que puede tener en la génesis de formas superficiales de disolución, como por ejemplo los rillenkarren (una clase de lapiaz). En este caso la disolución súper rápida es probablemente el factor más importante. La denudación kárstica es definido como degradación de la superficie del karst causado por procesos de disolución de la roca. Resulta que gran parte de la capacidad de disolución de la precipitación es usado para disolver la roca presente en la zona del epikarst y especialmente en el primer medio metro y esto favorece la denudación a corto plazo.
INTRODUCCIÓN. En los artículos anteriores hemos hablado varias veces de una velocidad de disolución de caliza rápida y de una velocidad de disolución lenta, lo que hemos llamado régimen de disolución rápida y régimen de disolución lenta. Resulta que hay un tercer régimen, el de la disolución súper rápida. El agua de lluvia que cae sobre la roca desnuda de caliza, no contiene caliza disuelta, es decir su saturación es 0. Esta agua es al principio muy agresivo y es capaz de disolver la caliza muy rápido, hasta que se agota el sobrante de protones (H+). A partir de este momento entramos en el régimen de disolución rápida. El cambio del régimen súper rápida hasta el régimen rápida, ocurre cuando el porcentaje de concentración esta entre el 30 y el 36 por ciento.
REGÍMENES DE DISOLUCIÓN RÁPIDA Y LENTA. En los artículos de la “Espeleogénesis de las fisuras 1 y 2” se hace referencia a un régimen de disolución rápida y un régimen de disolución lenta. La disolución es rápida cuando el porcentaje de saturación está por debajo del 90 por ciento. Por encima de esta concentración hay inhibición de disolución, principalmente causado por impurezas de la roca, y la velocidad de disolución es controlado por reacciones lentas. En realidad este
La figura 1 muestra los regímenes de disolución rápida y lenta. La velocidad de disolución de caliza está indicada en una escala logarítmica.
cambio no ocurre exactamente cuando la saturación llega a un 90 por ciento. Debido a la variedad de la naturaleza de la roca natural, esta inhibición de disolución se puede empezar a notar a partir de una saturación de 70 por ciento, sin embargo, es a partir de alrededor del 90 por ciento cuando su efecto es significante. Si miramos la figura 1 que muestra la velocidad de disolución de Ca2+ respecto al porcentaje de saturación, presentada en los 2 artículos mencionados, vemos que la velocidad de disolución está indicada en una escala logarítmica. La razón ha sido demostrar la rápida disminución de la velocidad de disolución a partir del 90 por ciento de saturación. Ahora se presenta la misma figura, pero con una escala linear. La figura 2 muestra que el régimen de disolución rápida disminuye según una función linear.
La figura 1 muestra los regímenes de disolución rápida y lenta. La velocidad de disolución de caliza está indicada en una escala linear.
RÉGIMEN DE DISOLUCIÓN SÚPER RÁPIDA. Los estudios acerca de la velocidad de disolución de caliza, han demostrado que la disolución es todavía mucha más rápida cuando la saturación está por debajo del 30 por ciento. Este régimen lo llamamos régimen de disolución súper rápida y también disminuye según una función linear (figura 3). DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE DISOLUCIÓN. Cuando el agua de la lluvia (que está en equilibrio con la concentración del CO2 atmosférica) cae sobre la caliza, la disolución inicial es muy grande, pero disminuye rápidamente. Este es el régimen de disolución súper rápida. Cuando la solución llega a saturarse por un 30 por ciento, la disminución en velocidad de disolución empieza a ser más moderada, aunque la disolución sigue siendo rápida. Este es el régimen de disolución rápida. Cuando la solución llega a saturarse por un 90 por ciento, la velocidad de disolución se hace muy lenta. Este es el régimen de disolución lenta.
La figura 3 muestra el alcance de los tres regímenes de disolución. El intervalo de 30 a 36 por ciento muestra el cambio progresivo entre la disolución súper rápida y la disolución rápida. LAS FUNCIONES. Los regímenes súper rápida y rápida se rigen ambos según una función linear, las cuales se han podido determinar. La función del régimen de disolución súper rápida: F = α1(0,3 ceq – c)
0 < c < 0,3 ceq
F es la función, α1 = 5.10-4 cms-1, ceq es la concentración de equilibrio y c es la concentración de la solución. La función del régimen de disolución rápida: F = α2(ceq – c)
0,36 ceq < c < 0,9 ceq
F es la función, α2 = 3.10-5 cms-1, ceq es la concentración de equilibrio y c es la concentración de la solución. La zona donde la concentración (c) está entre el 0,3 ceq y el 0,36 ceq es la zona de transición, no vale ninguna de las dos funciones. Los valores de α1 y α2 son válidos, cuando la película de agua que cubre la roca tiene un espesor de entre 0,1 mm y 0,4 mm.
Para entender mejor el significado de las funciones, vamos a calcular la velocidad de disolución por cada función hacia la mitad de su alcance. Por la función de disolución súper rápida: c = 0,15 ceq y α1 = 5.10-4 cms-1. Si se rellena estos valores en la función: F =5.10-4 (0,3 ceq – 0,15 ceq ) = 7,5. 10-5 ceq Por la función de disolución rápida: c = 0,54 ceq y α2 = 3.10-5 cms-1. Si se rellena estos valores en la función: F =3.10-5 (ceq – 0,54 ceq ) = 1,38. 10-5 ceq Se puede observar que en este ejemplo la disolución súper rápida es 4 veces mayor que la disolución rápida. LAS REACCIONES QUÍMICAS La explicación de la existencia de una disolución rápida y una disolución súper rápida se puede encontrar en las reacciones químicas. Cuando el agua cae sobre la roca su contenido en CO2 está en equilibrio con la atmósfera. Una parte de este CO2 está disuelto en el agua, pero la otra parte se ha convertido en H2CO3 (ácido carbónico) lo que da acidez al agua (pH = 5.7). En una solución ácida (pH por debajo de 7) sobran los protones (H+) y por eso manda la reacción 1. Esta reacción es muy rápida lo que resulta en una muy rápida disolución de caliza (régimen de disolución súper rápida). Como resultado también la cantidad de H+ disminuye rápidamente y la pH sube. La única forma de mantener una concentración de H+ es la conversión del CO2 (disuelto en la solución) en H2CO3 (reacciones 2a y 2b). La reacción 2 es más lenta y por tanto también la velocidad de disolución (régimen de disolución rápida). H+
+ CaCO3
H2O +
CO2
H2CO3 H+
+
HCO3- +
↔
Ca2+ + HCO3-
(1)
↔
H2CO3
(2a)
↔
H+
CaCO3
+ HCO3↔ Ca2+ +
(2b) 2HCO3-
(3)
La reacción 3 está puesta porque es la clásica reacción de disolución de caliza, ya descrita en “Espeleogénesis de las fisuras 1”. Sin embargo, si la quitamos un HCO3- de cada lado nos damos cuenta que es la misma que la reacción 1. En realidad el proceso es un poco más complicado, el interesado puede encontrar más información en el artículo “Physics and chemistry of dissolution on subaerialy exposed soluble rocks by flowing water films” (ACTA CARSOLOGICA 36/3, 357-367, POSTOJNA 2007), por Wolfgang Dreybrodt y Georg Kaufmann.
RESUMEN. Aparte de los regímenes de disolución lenta y rápida, también hay un régimen de disolución súper rápida. La disolución súper rápida es causado por los H+ (protones) ya presentes en el agua de la lluvia, cuando este cae sobre la roca caliza desnuda. Al principio no se puede hablar de una reacción de equilibrio, la solución simplemente usa casi todos los H+ para disolver la caliza. Esta reacción es muy rápida y bajo situaciones naturales, los H+ llegan a escasear después de unos 10 segundos. En la mayoría de los casos el desplazamiento del agua no ha llegado a los 30 cm. Para que la solución sigue siendo capaz de disolver la caliza hace falta más H+, los cuales son liberados por la conversión de CO2 en H2CO3. Esta conversión si es una reacción de equilibrio, lo que quiere decir que solo una parte del CO2 disuelto en el agua se puede convertir. La rapidez de esta reacción determina la cantidad de H+ disponible y por tanto determina también la velocidad de disolución, una velocidad todavía bastante rápida. Mientras más CO2 se convierte, menos queda en la solución disuelto, con el lógico resultado que cada vez se puede convertir menos CO2, lo que explica la progresiva disminución de la capacidad de disolución (figura 3). El cambio del régimen de disolución súper rápida hasta un régimen de disolución rápida suele ocurrir cuando el porcentaje de concentración está entre el 30 y 36 por ciento.
LAS CONSECUENCIAS. Una consecuencia es que el agua que penetra en las fisuras por debajo del epikarst, en la mayoría de los casos tendrá una concentración de saturación por encima del 50 por ciento. Sabiéndolo, ayuda para calcular con mayor exactitud el momento del evento de ruptura de las fisuras del sistema hidrológico que se encuentra por debajo del epikarst. Otra cosa es el impacto que puede tener en la génesis de formas superficiales de disolución, como por ejemplo los rillenkarren (una clase de lapiaz). En este caso la disolución súper rápida es probablemente el factor más importante. La denudación kárstica es definido como degradación de la superficie del karst causado por procesos de disolución de la roca. Resulta que gran parte de la capacidad de disolución de la precipitación es usado para disolver la roca presente en la zona del epikarst y especialmente en el primer medio metro y esto favorece la denudación a corto plazo.
