Jair Ramírez Cadena1
Bernard Francou2 Eric Cadier2 Édson Ramírez3 Álvaro Soruco4 Jesús Gómez5 Bolívar Cáceres6 Luis Maisincho6
Luis Fernando Guarnizo7
Carlos Alberto Vargas8
José Luis Naranjo9
In memoriam Jean Philippe Eissen, qepd. Geólogo del IRD, Francia
Resumen
A causa de su compleja formación geológica, la cordillera de los Andes pre- senta, desde su parte más septentrional hasta el sur, regiones nevadas que debido a su ubicación en algunos casos sobre estructuras volcánicas activas, terminan siendo una amenaza potencial para las comunidades que viven en sus alrededores. Por otra parte, no debemos olvidar que los glaciares son los mejores testigos de la evolución del clima desde miles de años atrás y fuente hídrica para millones de personas que viven en sus alrededores.
1 Instituto Colombiano de Geología y Minería (INGEOMINAS). [email protected]. 2 Institut de Recherche pour le Développement (IRD). Francia.
3 Instituto de Hidráulica e Hidrología, Universidad Mayor de San Andrés (IHH-UMSA). La Paz, Bolivia. [email protected].
5 Instituto Nacional de Recursos Naturales (Inrena). [email protected]. 6 Inamhi, Quito, Ecuador. [email protected].
En este artículo se habla de la utilización de un radar a penetración o GPR (Ground-Penetrating Radar) para la definición del sustrato rocoso en montañas y volcanes nevados localizados en la cordillera de los Andes. Estos estudios tie- nen dos objetivos fundamentales: cuantificar las existencias del recurso hídrico presente en estas montañas nevadas para fines de consumo humano y conocer su peligrosidad como agentes potenciales en caso de una erupción volcánica, como la ocurrida en Colombia con la erupción del volcán Nevado del Ruiz en noviembre de 1985 o con avalanchas generadas ya sea por actividad sísmica (Lugo, 1985) o por fenómenos asociados al cambio climático (Guarnizo et ál., 1995).
Introducción
El GPR o radar de subsuelo es un método de prospección basado en la emi- sión y propagación de ondas electromagnéticas en un medio, con posterior recepción de las reflexiones que se producen en sus discontinuidades.
Para las mediciones de espesor se utilizó un equipo portátil, que consiste en un sistema de radar de impulso, el cual consta de un emisor y un receptor. El emisor está constituido por un generador de impulso electromagnético (EM), con un rango de frecuencia de repetición que puede escogerse entre 0,1 y 3 kHz. El receptor se basa en un osciloscopio digital que capta la señal y la transmite a un computador portátil, donde se analiza. Como parte integral del equipo se usan dos antenas: una para el emisor y otra para el receptor.
Se describen medidas llevadas a cabo en los últimos cinco años en los volcanes nevados del Ruiz, Santa Isabel y Tolima, ubicados sobre la cordillera central de Colombia; en el Antisana y volcán Cotopaxi, en la cordillera Orien- tal del Ecuador, y más al sur en la cordillera Real de Bolivia, en los glaciares Charquini y Zongo (figura 1).
Antecedentes
Los radares de impulso se introdujeron a la glaciología a mediados de los años setenta y son los instrumentos más adecuados para medir los espesores de hielo en los glaciares, aunque existen otros métodos, tales como la gravime- tría, la sísmica refracción o la prospección eléctrica (Narod & Clarke, 1994). Si se quiere medir el espesor de un glaciar temperado por medio de un sis- tema de radar, es conveniente trabajar con una frecuencia de emisión inferior
a 10 MHz. Con esta baja frecuencia, las ondas penetran más fácil y profunda- mente y son menos sensibles a la presencia de agua líquida. Por encima de esta frecuencia, por ejemplo en las frecuencia medias, tipo 50 MHz, la absorción de las ondas electromagnéticas (EM) por las inclusiones de agua, que caracterizan el hielo templado, son más importantes y pueden volverse indispensables para detectar el lecho rocoso con precisión (Francou et ál., 2004).
Sistema
El sistema de radar consta de un emisor y un receptor. El emisor está cons- tituido por un generador de impulso electromagnético (EM) con un rango de frecuencia de repetición que puede oscilar entre 0,1 y 3 kHz. Para emitir y captar las señales, el sistema lo hace mediante dos pares de antenas: un par para el emisor y otro par para el receptor. Ambas antenas son dipolos cargados resistidamente, los cuales se ponen a intervalos de un metro. Las dos antenas son idénticas y simétricas alrededor de un punto libre, y su longitud está relacionada con el espesor que se quiere evaluar; esto significa que a mayor Figura 1. Localización medidas de radar cordillera de los Andes.
espesor, mayor debe ser la longitud de las antenas que hay que emplear (Funk et ál., 1993). Comúnmente se utilizan antenas de diez metros para espesores de hasta 200 metros y de 20 metros para espesores superiores.
El receptor se basa en un osciloscopio digital que capta la señal y la trans- mite a un computador portátil, donde se analiza. En el receptor, las antenas se conectan a un osciloscopio de captura digital. Los datos se envían a un disco duro de un computador portátil mediante una conexión vía puerto serial (RS232) y con la ayuda de un software diseñado especialmente para el procesamiento posterior de cada señal.
La medición del espesor de hielo se realiza siguiendo este esquema (figura 2).
Figura 2. Ilustración del trabajo de campo con el sistema de radar de impulso.
La diferencia de tiempo entre el arribo de la onda en el aire (onda directa) y su respectivo arribo de la reflexión en el medio glaciar es el valor que se utiliza para el cálculo del espesor de hielo en el sitio de generación de la onda. Ambos arribos tienen tres lóbulos (figura 3).
1 2
A I R W A V E
E C H O
T A m p lit u d
De acuerdo con Icefield Instruments Inc. (1997) y teniendo una longitud entre las antenas “d”, el espesor del glaciar “D” puede hallarse a partir de la siguiente expresión:
D= 1/2 {168² (t + d/300 )² - d²}½ Donde:
D = profundidad del hielo en metros. d = separación de las antenas en metros. 168 m /µs velocidad de la onda en el hielo. 300 m /µs velocidad de la onda en el aire. t = tiempo de viaje entre la onda de aire y el eco.
Uso del GPR en Colombia
Las medidas con el GPR en Colombia se han llevado a cabo en la zona del Parque Nacional Natural Los Nevados, sobre las estructuras volcánicas del Ruiz, Santa Isabel y Tolima. En los tres casos se ha buscado, esencialmente, encontrar los espesores de hielo para utilizar esta información en la elabora- ción de los mapas de amenaza volcánica.
Medida de espesores de hielo en el volcán Nevado del Ruiz
El volcán Nevado del Ruiz está localizado a 4° 54’ de latitud norte y 75° 19’ de longitud oeste, sobre el eje de la cordillera Central de Colombia, a una altura máxima de 5320 msnm, y se erige sobre un cono formado por inter- calaciones de depósitos piroclásticos y coladas de lava dacíticas producidas por el mismo volcán.
El trabajo de campo sobre este volcán se llevó a cabo sobre ocho ejes con distintas longitudes, que al final suman en su totalidad 6450 metros (J. Ra- mírez, 2006 & C. A. Vargas, 2002).
Las líneas medidas son:
Línea glaciar Nereidas-cráter Arenas
El punto de inicio de esta línea se encuentra localizado sobre una meseta cercana al límite inferior de la masa glaciar, con coordenadas geográficas
4° 53’ 29” de latitud norte y 75°20’ 23” de longitud oeste, y una altitud de 5031,7 msnm. El azimut de la línea es de 80 grados, con una longitud total de 1270 metros.
El perfil resultante de esta línea permite identificar el sustrato rocoso a una profundidad de 160 metros. En este perfil se puede apreciar el aumento del espesor de hielo hacia el cráter Arenas, al igual que la forma del estrato rocoso. Al parecer, existe una gran depresión antes del cráter Arenas, de aproximadamente 700 metros de longitud, que podría indicar la existencia de un antiguo cráter.
Línea glaciar La Lisa-cráter Arenas
El punto de inicio de esta línea se localiza en el borde NW del cráter Are- nas, con coordenadas geográficas 4°53’ 49” de latitud norte y 75°19’ 37” de longitud oeste, y una altitud de 5325 msnm. El azimut de la línea es de 355 grados en dirección al glaciar de La Lisa, con una longitud de 865 metros.
Línea glaciar Alfombrales sur
El glaciar Alfombrales está localizado en la zona SW-SE del complejo vol- cánico del Ruiz. El área de trabajo corresponde a una zona que limita con el glaciar Nereidas al oeste y con el glaciar Tridente al este.
La línea de trabajo se inició cerca del borde de la lengua glaciar en el punto de coordenadas geográficas 4°51’ 59” de latitud norte y 75°19’ 44” de longitud oeste, y a una altitud de 4787 msnm. El azimut de la línea es de 30 grados en dirección al cráter Arenas, con una longitud de 432 metros.
Línea cima (sector este)-glaciares La Cabaña y La Plazuela
El punto de inicio de este eje corresponde a las coordenadas 4° 53´ de latitud norte y 75° 19´ de longitud oeste, y una altitud de 5216,9 msnm. La línea tiene, en un primer tramo, un azimut de 90 grados hasta una longitud de 640 metros. Posteriormente, y con un azimut de 360 grados, se extiende hasta una longitud de 1137 m sobre la parte alta del glaciar La Plazuela.
Línea punto cima (sector sur)-glaciar Alfombrales
El punto de comienzo de esta línea corresponde al mismo sitio que para la línea anterior. El azimut inicial es de 220 grados en dirección a la cima sur
sobre las cabeceras del glaciar Alfombrales. La longitud de este perfil es de 2090 metros, encontrándose un espesor máximo del glaciar de 165 metros.
Línea punto cima-Cráter Arenas
Este eje se inicia en el punto con coordenadas geográficas 4° 53’12,04” de la-
titud norte y 75° 19’ 23,27” de longitud oeste y una altitud de 5216,95 msnm.
Su longitud total es de 440 metros y un azimut de 360 grados. Este eje termina en el borde de la cara sur del cráter Arenas.
Línea cima (sector norte)-glaciar La Plazuela
Esta línea tiene dos componentes: la primera dirección corresponde a un azimut de 270 grados y una distancia de 640 metros, hasta llegar a una zona de grietas transversales que impidieron la continuación de esta línea; por tal motivo, se decidió tomar un nuevo azimut cuyo valor fue de 360 grados. Esta línea se continuó hasta una distancia de 750 metros, llegando a la zona de rimaya del glaciar Lagunillas.
Línea glaciar Molinos
Esta línea, como su nombre lo indica, se trazó sobre el glaciar de Molinos en su parte superior y en dirección al glaciar de La Lisa. El punto de origen para este eje corresponde a las coordenadas planas 1032662 norte y 861214 este, y a una altitud de 5223,2 msnm. La longitud total de la línea fue de 560 metros y el espesor máximo hallado, de 90 metros. A continuación se puede apreciar la distribución de cada uno de estos ejes (figura 4).
Resultados
Los resultados finales para el casquete glaciar que cubre la cima del volcán Nevado del Ruiz son:
• Altura topográfica máxima = 5320 msnm.
• Área del hielo actual = 11,58 km2 (año 2000).
• Máximo espesor de hielo hallado = 190 m.
• Espesor de hielo promedio = 49 m.
• Volumen del casquete = 0,57 km3 = 570.000.000 m3.
• Densidad promedio del hielo calculado sobre los primeros tres metros de
profundidad = 0,68 g/cm3.
• Peso del casquete = 387.600.000 toneladas
• Volumen de agua equivalente = 376.372.426 m3.
Medida de espesores de hielo en el volcán Nevado de Santa Isabel
El volcán Nevado de Santa Isabel se encuentra localizado en los límites de los departamentos de Risaralda, Caldas y Tolima, en las coordenadas geográficas 4° 47’ N y 75° 24’ O, a una distancia de 140 km al noreste de Bogotá y a 33 km al sureste de Manizales. Para el cálculo de los espesores de hielo se trazaron dos perfiles: un perfil en sentido W-E, con una longitud de aproximadamente 810 metros, y un perfil corto de 420 metros, que empieza en el collado central y con una dirección norte (Ramírez, 2006).
Perfil 1
Este perfil se inicia en el borde oeste del glaciar Central sobre la cota 4698,7 msnm, y en una localización de 4° 48’ 37,96” de latitud norte y 75° 22’ 47,4’’ de
longitud oeste. A partir de este punto se tomó un azimut de 128 grados en dirección al collado centro.
La longitud total de esta línea es de 810 metros y finaliza en el punto con coordenadas 4° 48’ 24’’ de latitud Norte y 75° 22’ 27’’ de longitud oeste, y a una
altitud de 4839,82 msnm. Este perfil se inicia en una zona con una pendien- te fuerte, del orden del 52%, lo que dificultó un poco el trabajo de campo; posteriormente se llega al collado central y comienza un descenso sobre una topografía ondulada hasta llegar a una zona de caída vertical de la lengua glaciar, lo que impidió continuar con la línea hasta la laguna de Mozul.
Se emplearon antenas de diez metros, que ofrecieron una buena reflexión en las señales emitidas. El espesor máximo encontrado en esta línea fue de 103 metros.
Seguidamente aparecen los espesores máximos correspondientes a cada una de las estaciones medidas (tabla 1).
Tabla 1. Espesores Perfil 1 línea azimut 128 grados.
Estación Espesor en metros
E1G1 23 E2G1 48 E2G2 39 E3G2 48 E3G3 44 E4G3 48 E4G4 48 E5G4 78 E5G5 70 E6G5 95 E6G6 75 E7G6 77 E7G7 68 E8G7 103 E8G8 86 E9G8 77 E9G9 86 E10G9 86 E10G10 73 E11G10 73 Perfil 2
Esta línea se inicia en el collado central, en un punto ubicado a más o me- nos 400 metros del principio del perfil anterior, sobre la cota 4881 msnm. A partir de este punto se trazó un azimut de 30 grados en dirección a la cima centro; luego, en la abscisa Ko + 130 metros, se cambia la dirección del eje por un azimut de 77° 23”, hasta llegar a la cima centro, donde el abscisado final alcanzó el valor de 420 metros. La distribución de las antenas se hizo en dirección normal a la línea de máxima pendiente y las distancias empleadas
fueron de 30 y 50 metros en su gran mayoría. Como en el perfil anterior, se utilizaron antenas de diez metros, como es costumbre cuando los espesores no sobrepasan los 200 metros de hielo.
Para cada una de las estaciones ocupadas se presentaron diferentes señales de reflexión, lo que indica una continua variación del sustrato rocoso presente. En esta línea el espesor máximo hallado fue de 94 metros. A continuación aparecen los espesores máximos encontrados en cada una de las estaciones de campo (tabla 2).
Tabla 2. Espesores perfil 2, línea azimut 77° 23”.
Estación Espesor en metros
E1G1 23 E2G1 48 E2G2 39 E3G2 48 E3G3 44 E4G3 48 E4G4 48 E5G4 78 E5G5 70 E6G5 95 E6G6 75 E7G6 77 E7G7 68 E8G7 103 E8G8 86 E9G8 77 E9G9 86 E10G9 86 E10G10 73 E11G10 73
En las figuras 5 y 6 se pueden apreciar la localización de los perfiles y el trazado de las líneas de hielo y roca para el perfil 1, respectivamente.
El espesor máximo encontrado fue de 103 metros, que corresponde al sector del collado central en la línea del perfil 1.
4650 4700 4750 4800 4850 4900 4950 5000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 A lti tu d m sn m Distancias
CALCULO DE ESPESORES DE HIELO