CENTRO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y DE EDUCACIÓN SUPERIOR DE ENSENADA
PROGRAMA DE POSGRADO EN CIENCIAS EN ECOLOGÍA MARINA
Reconstrucción de las lluvias de verano en la región del Monzón Mexicano: registros de los últimos 6000 años
Tesis
que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtener el grado de Maestro en Ciencias
Presenta
Cinthya Esther Nava Fernández
Resumen de la tesis de Cinthya Esther Nava Fernández, presentada como requisito parcial para la obtención del grado de Maestro en Ciencias en Ecología Marina Ensenada, Baja California. Agosto 2012.
Reconstrucción de las lluvias de verano en el Golfo de California en la región del Monzón Mexicano: registros de los últimos 6000 años
Resumen aprobado por:
________________________________ Dr. Juan Carlos Herguera García
Director de Tesis En esta tesis presentamos nuevos resultados de una reconstrucción de la precipitación de verano en la región NW de México a partir de un índice que liga la precipitación convectiva de verano sobre Sierra Madre Occidental, que incluye el monzón mexicano y las tormentas tropicales, con el depósito de los sedimentos terrígenos transportados por procesos de escorrentía superficial hasta el talud oriental del bajo Golfo de California. Se utilizaron las concentraciones relativas de Si y Al en los sedimentos laminados en el talud oriental de Cuenca Pescadero en el bajo Golfo de California, como índices semicuantitativos del contenido en terrígenos en estos sedimentos laminados extraordinariamente preservados. Esta reconstrucción se realizó a partir de dos núcleos de caja y uno de kasten con el que establecimos un núcleo compuesto de 2.26 m de longitud mediante correlaciones estratigráficas basadas en la escala de grises derivada de radiografías, el contenido relativo de Si y Al de los núcleos obtenidos por la metodología de Fluorescencia de Rayos X (FRX) de alta resolución y cronoestratigráficas a partir de dataciones radiocronométricas obtenidas por AMS14
C. Basándonos en estos registros interpretamos la tendencia a disminuir de los sedimentos de origen continental desde el Holoceno medio (5.5 Ka AP) hasta el presente como un debilitamiento de la precipitación de verano a lo largo del Holoceno. Sobre esta tendencia se observa a escalas milenarias otra disminución escalonada en la precipitación con eventos abruptos de debilitamiento hace 4.5, 3.7, 2.6, 1.5 y 0.7 Ka AP. También se encontraron periodicidades fundamentales en escalas multicentenarias de 900, 500 y 400 años, que explican el 55% de la variación total de la precipitación de verano.
Hemos correlacionado nuestros resultados con otros registros paleoclimáticos del Hemisferio Norte que abarcan desde zonas subtropicales hasta las altas latitudes en distintas escalas de tiempo, desde multidecadales hasta centenarias. El debilitamiento de la precipitación de verano durante los últimos 6000 años parece responder a la atenuación de la insolación sobre el hemisferio Norte durante el verano debido a la precesión de los equinoccios; la variabilidad solar parece tener un papel importante como control de las periodicidades significativas observadas, junto con otros forzamientos internos del clima como pueden ser las teleconexiones entre Atlántico Norte y el Pacífico Ecuatorial.
Abstract of the thesis presented by Cinthya Esther Nava Fernández as a partial requirement to obtain the Master of Science degree in MARINE ECOLOGY Ensenada, Baja California, México August 2012.
Reconstruction of the summer rainfalls in the region of Mexican Monsoon:
records over the last 6000 years.
Here we present new results based on a reconstruction of the summer precipitation in the NW region of Mexico, that includes the Mexican Monsoon and tropical storms. This reconstruction links a time series of relative abundaces of Si and Al in sediments of the Pescadero Basin with convective summer precipitation in the Sierra Madre Occidental through surface runoff between the western reaches of Sierra Madre Occidental and the slope of the Pescadero Basin in the lower Gulf of California. Relative concentrations of Si and Al in sediments accumulating on the slope of the the Pescadero basin were used as semi-quantitative indexes of terrigenous content in these extraordinarily preserved laminated sediments. We used two box-cores and one kasten core to reconstruct a 2.26 m long composite record through stratigraphic correlations based on the gray scale series derived from x-rays, the relative content of Si and Al obtained from high resolution X-ray Fluorescence (FRX) method and chronostratigraphic correlations from radiochronometric dating using AMS14
C. We observe a decreasing trend towards the present in the relative content of Si and Al which we interpret as a weakening of the summer precipitation between the mid-Holocene to the present. On top of this trend, we further observe a stepped decrease in precipitation on millenial timescales with abrupt events of weakness or megadroughts at 4.5, 3.7, 2.6, 1.5 and 0.7 ky BP. We also found some significant periodicities at multi-centennial scales of 900, 500 and 400 years, and that account for 55% of the total variation in our reconstructed record of summer precipitation.
Cross-correlation analysis shows some similarities with other paleoclimatic records from the northern hemisphere, with spatial scales ranging from the subtropics to high latitudes, and for different time scales ranging from multi-decadal to centennial. The weakening of summer precipitation over the past 6000 years seems to be a consequence of the decrease of insolation over the northern hemisphere during the summer, due to the precession of the equinoxes. Solar variability seems to have an important role in controlling the significant centennial periodicities observed, along with other internal climate forcings such as teleconnections between the North Atlantic and the Equatorial Pacific.
Este trabajo esta dedicado a:
Mis padres Eloisa y Tirso
Hermano Toño
Tio Pepe
Paco
El universo y todos los seres que en el habitan…
Agradecimientos
Al Doctor Juan Carlos Herguera García por brindarme esta gran oportunidad de aprender, por el apoyo recibido en todo momento, por compartir sus conocimientos, entusiasmo y experiencia acerca del fascinante funcionamiento del clima, además de la paciencia, la guía y sobre todo el ejemplo.
A la Dra. Tereza Cavazos al M. en C. Vicente Ferreira y al Dr. Arturo Martín por aceptar formar parte de mi comité de tesis, su disposición, sus valiosos comentarios y aportaciones a este trabajo.
Al CICESE y el Posgrado en Ecología Marina por la oportunidad, el apoyo y la formación recibida durante este tiempo.
A CONACYT por la beca con registro 237087 otorgada durante la realización de esta maestría y al proyecto con clave CONACYT: CB- 2009-01-130095 por el apoyo económico brindado.
A Laboratorio Paleo3 e Isótopos Estables, del cual alegre y orgullosamente forme parte y sus integrantes Bertha Acosta, Axel Rosas, Daniela Rabiela, Natali Cordero y Jose Abella, Gracias por ser excelentes compañeros de trabajo y Amigos.
Al Doctor Modesto Ortiz por el tiempo, ayuda y paciencia en la realización de los análisis numéricos, también a mis compañeros y colegas de Oceanografía Física Chava Torres y Abraham Torres, gracias por la disposición de siempre y sus valiosas aportaciones a este trabajo.
A Abigail Domínguez Rivera por todo su apoyo, motivación, inspiración y sobre todo por compartir esta gran experiencia.
A Omar Tzili por ofrecerme siempre su amistad sincera e incondicional y hacerme sentir en familia.
A Omar Belmonte por brindarme su amistad, cariño, y ser mi familia en Ensenada.
A todos mis compañeros del Posgrado en Ecología Marina, Ciencias de la Tierra y Oceanografía Física por alegrar mi estancia en CICESE y Ensenada
Contenido
Resumen español………...……...……..…... 2
Resumen ingles………....……….. 3
Dedicatoria……….………..…………... 4
Agradecimientos………..………... 5
Lista de Figuras……….…...…………. 8
Lista de Tablas……….………... 12
1. Introducción……… 13
1.1 Antecedentes……… 15
1.1.1 Origen de las lluvias de verano: el monzón y los huracanes…….. 15
1.1.2 Las tormentas tropicales……….………. 15
1.1.3 El Monzón……….……….………... 17
1.1.4 El Monzón Mexicano……….……….…………... 18
1.1.5 Factores que controlan la variabilidad de las lluvias en la zona del monzón………….……… 20
1.1.5.1 Escalas de tiempo de centenas a miles de años………... 23
1.1.5.2 Escalas de tiempo menores a mil años……… 23
1.1.5.3 Escalas de tiempo decadales a interdecadales………. 23
1.1.5.4 Eventos esporádicos ………. 24
1.1.6 Sedimentos laminados de Cuenca Pescadero y su relación con las lluvias de verano y el monzón mexicano………….…….. 24
1.2 Objetivos……….………... 27
1.2.1 Objetivo general………... 27
1.2.2 Objetivos específicos……….. 27
1.2.3 Hipótesis……… 27
2. Materiales y Métodos ……….. 28
2.1 Área de estudio ……….. 28
2.2 Obtención de núcleos de sedimento ……… 31
2.3 Tratamiento de los núcleos ……… 32
2.4 Imágenes de rayos X………..……… 32
2.5 Análisis de escala de grises………..……….. 33
2.6 Fluorescencia de rayos X………..……….. 33
2.7 Procedimiento para formar un núcleo compuesto……..……… 35
2.8 Datación de los núcleos……..………..……..……… 36
2.9 Análisis de datos……..………..……..………..……….. 36
2.9.1 Análisis Singular Espectral……..……….. 36
2.9.2 Análisis Espectral MTM……..………..……..……… 37
Contenido
3. Resultados…...……..……….. 38
3.1 Construcción de un compuesto de los núcleos de caja……..……….. 38
3.2 Estandarización de los datos……..……… 43
3.3 Resultados del análisis FRX……..………....……..………. 45
3.4 Cronoestratigrafía del núcleo.…..……..………..……..……… 47
3.5 Análisis singular espectral……..………..……..……….. 50
3.6 Análisis espectral MTM……..………..……..………. 53
3.7 Comparación de la variabilidad secular del registro completo con el último siglo……..………..……..………. 57
4. Discusión……..………..……..……… 58
4.1 Validación del porcentaje de Si como índice fiel de la precipitación de verano………... 58
4.2 La tendencia de largo período –Holoceno ……..………..……. 61
4.3 Variabilidad milenaria: disminución escalonada………. 64
4.4 Los periodos fundamentales de la serie de tiempo de Si………. 68
4.5 Comparación de la variabilidad secular del registro completo con el último siglo……..………..……..……….. 77
5. Conclusiones ……..………..……..……….………. 79
Lista de Figuras
Figura Pagina
1 El mecanismo del monzón de verano (izquierda) y de invierno (derecha) Ruddiman 2008 (Pág.138).
17
2 Mapa de la dirección de los vientos sobre el Golfo de California para las estaciones: a) invierno, b) verano. La ubicación de la Sierra Madre Occidental representado con triángulos naranjas. Las letras A y B representan las condiciones de presión atmosférica Alta o Baja dependiendo de cada estación.
19
3 Mapa del porcentaje de precipitación anual aportada durante el verano (Jun-Oct) Arriaga y Cavazos 2010 (Pág. 4).
20
4 Los movimientos de la tierra y sus periodicidades correspondientes a) la excentricidad de la orbita, la oblicuidad del eje terrestre y c) la presesión de los equinoccios, que conforman los ciclos de Milankovitch.
22
5 Fotografía del sedimento donde se aprecia la alternancia en las laminaciones claras que se depositan en invierno y las oscuras durante el verano.
25
6 Mapa de ubicación de la Cuenca Pescadero en el Golfo de California donde se observa su forma y la batimetría del fondo (Google earth).
28
7 Mapa de la ubicación geográfica de los ríos cercanos a Cuenca Pescadero.
29
8 Fotografías de las losas cortadas de los núcleos PAX59K-I y PAX59C-5. La escala vertical es en milímetros.
32
9 Fotografías de las radiografías de los núcleos de sedimento con sus escalas de grises. La curva representa el valor de los píxeles en la escala de grises. Laminaciones oscuras tienen valores de gris bajos y representan laminas de sedimentos con mayor densidad (e.g. terrígenos).
38
10 a) Principales componentes (PC1) de las escalas de grises de los núcleos de caja, y b) en fase cuando tenemos en cuenta que el núcleo de caja PAX59C-5 perdió ˜40 mm de la interfase agua sedimento.
Lista de Figuras
Figura Página
11 a) Segundo ajuste del PC1 PAX59C-5 y b) Núcleo de caja compuesto NCco.
40
12 a) Los modos fundamentales PC1 del porcentaje de Ca en NCco y PAX59KI, b) Ajuste de 65 mm en la profundidad de PAX59KI.
41
13 Esquema de la construcción del núcleo compuesto final, a partir de los dos núcleos de caja PAX59C-5 y el PCM0061C-3 y las 5 losas del núcleo de kasten PAX59KI, PAX59KII, PAX59KIII, PAX59KIV, PAX59KV.
42
14 Los datos del porcentaje de Ca, indicando a que losa pertenecen. 43
15 Grafica de concentración relativa (normalizada) de elementos obtenida mediante FRX en el núcleo compuesto.
45
16 Porcentajes de algunos de los elementos del compuesto final en profundidad.
45
17 Porcentaje de Al (arriba) y Si (abajo) en la profundidad del núcleo. Las marcas en triángulos negros son las profundidades de muestreo para la datación por 14C.
46
18 Modelo de edad del núcleo basado en las edades determinadas por AMS14C en concentrados de foraminíferos bentónicos separados en
muestras de núcleo (ver tabla 2).
48
19 Serie de tiempo del porcentaje de Si (arriba) mostrando la tendencia de la serie y serie de tiempo del porcentaje de Al (abajo).
49
20 En la parte superior la serie de tiempo de Si sin tendencia y posteriormente de arriba hacia abajo los principales modos de variación 1, 2 ,4, 8, 10 resultados del análisis singular espectral.
51
21 En la parte superior la serie de tiempo de Al sin tendencia y posteriormente de arriba hacia abajo, los principales modos de variación 1, 2 ,4, 8, 10 resultados del análisis singular espectral.
52
22 Porcentaje de varianza que explica cada uno de los 10 principales modos de variación de la serie de tiempo de a) Si y b) Al
Lista de Figuras
Figura Página
23 Espectros de frecuencia MTM de los modos fundamentales identificados de la serie de tiempo del Si PC1, PC2, PC4, PC8, PC10, eje de las ordenadas de la derecha el poder para cada uno de los modos, el de la izquierda la significancia, el eje de abscisas muestra las frecuencias. Los números en los picos de los espectros indican el periodo de tiempo (en años) al que corresponden las frecuencias determinadas.
54
24 Espectros de frecuencia MTM de los modos fundamentales identificados de la serie de tiempo del Al PC1, PC2, PC4, PC8, PC10, eje de las ordenadas de la derecha el poder para cada uno de los modos, el de la izquierda la significancia, el eje de abscisas muestra las frecuencias. Los números en los picos de los espectros indican el periodo de tiempo (en años) al que corresponden las frecuencias determinadas.
55
25 Histograma de frecuencia de los promedios seculares de contenido de Silicio en el registro completo de los sedimentos de la Cuenca Pescadero.
57
26 Correlación entre el PC1 del porcentaje de Si de cuenca Pescadero y el PC1 de la precipitación registrada en anillos de árboles en Sierra Madre Occidental en el estado de Sinaloa, producto del análisis singular espectral, de un periodo que comprende de 1400 a 2002 años calendario.
60
27 Grafica de la insolación a 20˚ N para los últimos 25 ka (Hyubers et al., 2006) y una ampliación de los últimos 6 mil años AP en diferentes
proxies ordenados latitudinalmente que muestran la tendencia hacia condiciones mas secas y/o frías hacia el presente. De norte a sur se incluyen: la temperatura del Atlántico Norte (Grootes et al., 1994); precipitación en el suroeste de México (Bernal et al., 2010); precipitación asociada al monzón de Asia (Wang et al., 2005); precipitación verano en cuenca Pescadero (este trabajo); precipitación en Cariaco Venezuela (Haug et al., 2001); temperatura superficial del mar en la alberca de agua cálida en Indonesia (Linsley et al., 2010).
Lista de Figuras
Figura Página
28 El contenido de Si en los sedimentos de cuenca Pescadero a) en los últimos 5600 años resaltando los eventos de disminuciones abruptas en la precipitación (barras turquesa) b) Los eventos conocidos como El Periodo Calido Medieval PCM y la Pequeña Edad del Hielo PEH ocurridos en los últimos 1500 años.
66
29 El periodo de 900 años obtenido aplicando el ASE a las series de tiempo de: a) el paleoregistro de las temperaturas del hielo en Groenlandia derivadas del δ18O de núcleos de hielo (Grootes et al.,
1994); b) la temperatura continental de Norte América basada en registros de polen fósil (Viau et al., 2006); c) la precipitación en la región del monzón Mexicano basada en el porcentaje de Si en Cuenca Pescadero (este trabajo); d) la precipitación en cuenca Cariaco reflejada en el porcentaje de Ti (Haug et al, 2001); e) la actividad solar reconstruida a partir de 14C residual y 10 Be en anillos de árboles y
núcleos de hielo (Solanki et al., 2004).
70
30 El periodo de 500 años obtenido aplicando el ASE a las series de tiempo de: a) la precipitación en la región del monzón Mexicano basada en el porcentaje de Si en Cuenca Pescadero; b) la precipitación en el estado de Guerrero basada en el δ18O de una estalagmita en la cueva
del Diablo (Bernal et al., 2010); c) la precipitación en cuenca Cariaco reflejada en el porcentaje de Ti (Haug et al., 2001); d) la temperatura superficial del mar en el estrecho de Makassar en Indonesia a partir del
δ18O de foraminíferos pláncticos (Linsley et al., 2010); e) la actividad
solar reconstruida a partir de 14C residual y 10 Be en anillos de árboles y
núcleos de hielo (Solanki et al., 2004).
71
31 Gráficos de la coherencia para los periodos de 900 años (gráficos de la izquierda) y 500 años (gráficos de la derecha) mostrando ejemplos de valores significativos (gráficos superiores) y no significativos (gráficos inferiores) de espectro cruzado de cuenca Pescadero con los registros de: a) precipitación en la cueva de Dongee en China (Wang et al., 2005); b) la variabilidad solar (Solanki et al., 2004); c) temperatura de Norte América (Viau et al., 2006); d) precipitación de la Cuenca de Cariaco Venezuela (Haug et al., 2001). La línea vertical roja marca el pico de frecuencia correspondiente al periodo mencionado y la línea punteada es el valor de la coherencia del espectro cruzado de B-Tukey.
correspondiente al periodo mencionado y la línea punteada es el valor de la coherencia del espectro cruzado de B-Tukey.
Lista de Tablas
Tabla Página
1 Ubicación de los núcleos de sedimento estudiados en el flanco sureste de la cuenca Pescadero en el sur del Golfo de California.
31
2 Muestras datadas en los núcleos, edades radiocarbono y la conversión en años antes del presente.
47
3 Tabla de frecuencias y períodos significativos de los registros de Si y Al en el núcleo compuesto de Pescadero.
56
4 Períodos fundamentales compartidos entre los sedimentos de la Cuenca Pescadero y otros estudios de registros
paleoclimáticos del hemisferio norte.
68
5 Los valores de coherencia del espectro cruzado de los otros registros con Pescadero.
73
6 Intervalo de tiempo, resolución y método de datación de los diferentes registros.
74
1. Introducción
En el noroeste de México la temporada de lluvias aporta alrededor de 750 mm de precipitación durante el verano, lo que representa más del 60% de la precipitación anual para esta región semiárida. Durante la época cálida, en los meses de junio, julio y agosto, se produce una fuerte interacción entre el océano, atmósfera y la topografía que da lugar a la precipitación convectiva (Gochis et al., 2006). Las lluvias de verano asociadas al monzón y a los ciclones tropicales son muy importantes para los ecosistemas naturales, la recarga de acuíferos, la agricultura de temporal, las actividades pecuarias, el manejo de recursos naturales y para el asentamiento de poblaciones humanas su comportamiento y desarrollo social (Corte-Real et al 1998., Englehart y Douglas 2000). La importancia de la precipitación de verano por sus amplias implicaciones para el desarrollo y bienestar social fundamentan la necesidad de comprender el comportamiento y los controles de su recurrencia e intensidad, para poder pronosticar cómo se comportará en un futuro y adoptar las medidas de adaptación y mitigación necesarias para paliar los posibles impactos del cambio climático. Para entender el presente y tener una idea acerca del futuro cercano es necesario conocer e interpretar archivos que registren el paso de las lluvias de verano en el pasado. En esta tesis se considera el archivo geológico más cercano que es el Holoceno, para observar la importancia de períodos de larga duración, como son los multidecadales a centenarios, y los posibles forzamientos de retroalimentación que puedan tener con otros componentes del clima.
El Servicio Meteorológico Nacional de México SMN inició en el año 1947 el programa de vigilancia climática, pero fue hasta 1980 cuando la red de estaciones meteorológicas alcanzó el número 3000 en el territorio nacional, adquiriendo una cobertura espacial adecuada para su monitoreo. Por esto el registro instrumental o histórico de las variables climáticas como las temperaturas superficiales y la precipitación es relativamente corto, entre 36 a 60 años como máximo.
En la búsqueda de registros climáticos mas largos se ha recurrido a los llamados “archivos naturales” en los que el clima ha dejado su huella, por ejemplo en los anillos de árboles, estalagmitas, núcleos de hielo, corales, sedimentos lacustres y marinos. Todos estos registros son la principal herramienta para el estudio de la paleoclimatología. Los anillos de árboles han sido ampliamente usados para reconstruir la temporada de lluvias y sequías en el norte de México y suroeste de Estados Unidos. Estos registros utilizan la longitud del ancho de la madera tardía que se forma en verano en contraste con el ancho de la madera temprana que se forma en primavera; con esto se ha podido reconstruir la variabilidad interanual de la humedad en una estación específica. De forma que los inviernos húmedos (secos) producen un anillo crecimiento de madera temprana ancho (estrecho), mientras que los veranos húmedos (secos) producen un anillo de crecimiento de madera tardía ancho (estrecho) (Griffin et al., 2010, Leavitt et al., 2011). La información del registro de anillos de arboles es muy valiosa; sin embargo solamente abarca los últimos 700 años y resulta muy útil para reconstruir la variabilidad climática en escalas de tiempo interanuales, decadales y multidecadales, pero es de poco valor para las reconstrucciones centenarias a milenarias.
1.1 Antecedentes
1.1.1 Origen de las lluvias de verano: el monzón y los huracanes
La precipitación convectiva en la región del Pacifico del noroeste de México tiene su origen en varios fenómenos climáticos que concurren durante la temporada más cálida del año, cuando se producen los mayores contrastes de la temperatura superficial entre el continente y el océano. Este proceso controla parcialmente la diferencia de la presión atmosférica entre el océano y el continente y modula el patrón de vientos dominante entre el Pacífico tropical y la orografía del NO de México, generando así las lluvias monzónicas de la región. Este fenómeno es el responsable del 60 al 70% de la precipitación de verano en el NO de México (Figura 3), (Douglas et al., 1992; Higgins et al., 1997; Arriaga-Ramírez y Cavazos 2010). Las lluvias de las tormentas tropicales aportan el resto de la precipitación de verano (Englehart y Douglas, 2000).
1.1.2 Las tormentas tropicales
convección, perturba las variables dinámicas sobre un área relativamente grande por en cima de sus valores climatológicos (Frank, 1988).
La evolución de un ciclón tropical puede desarrollarse en cuatro etapas: perturbación tropical, depresión tropical, tormenta tropical y huracán; dependiendo de la velocidad de los vientos puede alcanzar cuatro categorías (CNA 2012)
1.1.3 El Monzón
El monzón es un fenómeno climático causado en parte por la diferencia de las temperaturas superficiales y presiones atmosféricas entre continentes y océanos a escalas estacionales. Durante el verano la intensa radiación solar causa un calentamiento más rápido sobre los continentes que sobre el océano, debido a las diferentes capacidades caloríficas de ambos, fenómeno que causa que el aire sobre el continente se caliente, se eleve y se expanda formando nubes convectivas, especialmente sobre las laderas de la Sierra Madre Occidental. El movimiento ascendente de aire genera un área de baja presión sobre el continente en contraste con el aire sobre el océano relativamente menos frío y denso lo que genera una alta presión atmosférica. Esta situación propicia una celda de circulación atmosférica que va de las áreas de alta a baja presión, es decir del océano al continente, acarreando aire húmedo del océano que al llegar a continente se calienta y asciende rápidamente hacia las capas altas de la atmósfera, llevando consigo el vapor de agua hasta alcanzar la altura y la temperatura que favorece su condensación y precipitación (Figura 1). La orografía de la región del monzón es muy importante ya que condiciona que el flujo de aire con humedad proveniente del océano, al chocar con una cordillera montañosa, adquiera velocidad y dirección en la vertical y no se disperse o debilite tierra dentro. Durante el invierno cuando la radiación solar es más débil, el aire sobre la tierra se enfría rápidamente llegando a ser más denso que el aire sobre el océano todavía caliente formándose una región de alta presión sobre la tierra y otra de baja presión sobre el océano, el flujo de aire se invierte de continente al océano y este flujo de aire es seco. (Ruddiman, 2008)
Los monzones más intensos de verano ocurren en el hemisferio norte donde se encuentran las regiones continentales más extensas, como Asia y norte de África que se caracterizan también por grandes elevaciones (especialmente la región de los Himalayas-Tibet en el sureste de Asia). Los monzones son más débiles en el Hemisferio Sur, esto posiblemente debido a la menor extensión de los continentes en latitudes tropicales y subtropicales además la topografía elevada es menos extensa (Ruddiman, 2008).
1.1.4 El Monzón Mexicano
Aunque menos impresionante que su hermano asiático, el monzón mexicano en el noroeste de América presenta una circulación de vientos superficiales reversible estacionalmente entre el océano y el continente, es decir una circulación monzónica que afecta notablemente al continente adyacente al Golfo de California. Esta inversión en el patrón de los vientos es similar, pero en una escala menor que el monzón asiático (Krishnamurti 1971). Badan-Dagon et al (1991) describieron que el clima sobre el Golfo de California esta típicamente dividido en dos estaciones: el invierno de latitudes medias, donde los vientos superficiales prevalecientes soplan desde el noroeste con dirección sureste, y el verano donde el gradiente de presión superficial invierte la dirección de los vientos que soplan desde el Sureste hacia el Noroeste. Esto fue confirmado años mas tarde por trabajos como los de Holton (2004) y Bordóni et al. (2004). La inversión estacional de los vientos, junto con el calentamiento del océano durante la estación de verano y la orografía de la Sierra Madre Occidental con elevaciones mayores de 1500 msnm paralelas a la costa del Golfo de California son los principales controles en el desarrollo y evolución del monzón mexicano (Taing y Reiter 1984).
El área de influencia del monzón es el NO de México y abarca los estados de Nayarit, Sinaloa, Sonora y parte de Chihuahua, así como una parte del suroeste de Estados Unidos incluyendo los estados de Arizona, Nuevo México y parte de Texas (Figura 2. Douglas et al., 1993, Higgins et al., 1999). Debido a su gran influencia en los dos países, y al número de científicos que investigan el comportamiento del monzón (Higgins et al., 2002, Gochis
et al., 2006, Jonson et al., 2006, Steven et al., 2011), han surgido varios nombres para este fenómeno climático (Douglas et al., 1993) Monzón del Suroeste de Norte América, Monzón de Arizona, y más recientemente, Sistema del Monzón de Norte América (SMNA). En este trabajo el nombre está definido por el área sobre la que ejerce su mayor influencia la costa del Pacifico Mexicano a la latitud de los estados de Nayarit y Sinaloa por lo que utilizamos el nombre de Monzón Mexicano.
Figura 3. Mapa del porcentaje de precipitación anual aportada durante el verano (Jun-Oct) Arriaga y Cavazos 2010.
1.1.5 Factores que controlan la variabilidad de las lluvias en la zona del monzón 1.1.5.1 Escalas de tiempo de centenas a decenas de miles de años
Podemos clasificar los factores que modulan la periodicidad e intensidad del monzón como externos e internos; esta clasificación está en función de las características del origen de los forzamientos que disparan el proceso. Los factores externos son forzamientos externos al clima de la Tierra y los forzamientos internos son los controlados por el propio sistema climático de la Tierra.
del océano y por lo tanto mayor precipitación. Por el contrario niveles más bajos de radiación que los actuales debieron de haber propiciado monzones de verano más débiles en el pasado. La hipótesis orbital del monzón tiene su fundamento en la Teoría de Milankovitch que explica la variabilidad climática observada a escalas de tiempo Glacial/Interglacial como procesos relacionados con los movimientos propios de la Tierra en su órbita alrededor del sol que modifican la cantidad de energía solar que recibe la Tierra en escalas de miles de años.
Uno de los parámetros que modula la cantidad de radiación solar que llega a la Tierra es la excentricidad de la órbita terrestre y se refiere a que la órbita de la Tierra no es un círculo perfecto si no que tiene una forma elíptica que resulta de la fuerza gravitacional que ejercen los otros planetas sobre la Tierra en su movimiento a través del espacio. Esta órbita elíptica a alrededor del sol ha variado en el pasado, llegando a ser en veces más circular y en otras veces más achatada de lo que es ahora; la excentricidad muestra variaciones en intervalos de aproximadamente 100,000 años (Figura 4a). Lo importante de este movimiento es que cuando la órbita es más circular la Tierra recibe igual cantidad de insolación a lo largo del año mientras que cuanto más elíptica sea recibirá menor insolación cuanto más alejada se encuentre del sol.
El segundo parámetro orbital es el cambio en la oblicuidad y se refiere al cambio en la inclinación del eje de rotación de la Tierra con el tiempo; actualmente el ángulo es de 23.5° (sin embargo la amplitud del movimiento es de 2.4°) con respecto al plano de la eclíptica que varía cada 40,000 años, provocando mayor o menor incidencia de la radiación solar en la Tierra (Figura 4b).
Figura 4. Los movimientos de la tierra y sus periodicidades correspondientes a) la excentricidad de la orbita, la oblicuidad del eje terrestre y c) la presesión de los equinoccios, que conforman los ciclos de Milankovitch.
Edad (Ka)
Edad (Ka)
a) Excentricidad de la órbita
b) Oblicuidad del eje terrestre
c) Movimiento de precesión
Ciclos de Milankovitch
Edad (Ka) Edad (Ka)
d) Compuesto de las tres señales
1.1.5.2 Escalas de tiempo menores a mil años
La actividad de la superficie solar, a través de las manchas solares, también repercute en la radiación recibida por la Tierra. Las manchas solares son disturbios en el campo magnético del sol y se asocian a una mayor luminosidad. Estas variaciones en la luminosidad se han observado desde 1610 directamente. Para estudiarlos en el pasado se toman como proxy el exceso de radiocarbono 14
C en los anillos de árboles y en las concentraciones de 10 Be en núcleos de hielo, lo que ha permitido reconstruir la actividad solar para el Holoceno, en los últimos 11 000 años, encontrando diferentes periodos de variabilidad además del ya conocido de los 11 años (Solanki et al., 2004).
1.1.5.3 Escalas de tiempo decadales a interdecadales
Los factores internos al clima que modulan la intensidad y periodicidad de monzón están asociados a fenómenos de escalas de tiempo decadal e interanual como la Oscilación décadal del Pacifico (ODP) y El Niño Oscilación Austral (ENOA), respectivamente. Basado en datos de observaciones a gran escala, los cambios en la temperatura superficial del mar han sido reconocidos como uno de los factores más importantes responsables de la variabilidad del sistema de monzón Mexicano (Turrent y Cavazos 2009). La precipitación del monzón del NO de México muestra una correlación variable en el tiempo con ENOA pues en época de El Niño se producen más lluvias en invierno y cuando es época de La Niña se producen más lluvias durante el verano (Zhu et al., 2007); aunque esta relación es más fuerte después de 1977 cuando ocurrió el cambio de fase de la ODP.
1.1.5.4 Eventos esporádicos
El efecto del velo volcánico es considerado aquí también como un factor externo. Este fenómeno se refiere al velo de cenizas volcánicas que se inyectan hasta las partes más altas de la atmósfera como consecuencia de una gran erupción volcánica, lo que provoca un oscurecimiento parcial de la atmósfera llegando consecuentemente una menor radiación solar a la superficie del planeta. Existen ejemplos entre los que destaca uno de gran impacto, la erupción del Tambora en Indonesia (Larsen et al. 2008). En esta erupción de 1815, la más grande del último milenio, las nubes de ceniza provocaron un oscurecimiento generalizado sobre el planeta por varios días, afectando el clima del mundo. Este tipo de forzamiento no tiene periodicidad definida, por lo que se considera esporádico.
1.1.6 Sedimentos laminados de Cuenca Pescadero y su relación con las lluvias de verano y el monzón Mexicano
Desde hace varias décadas se ha mostrado cómo la información contenida en los sedimentos laminados está relacionada con la variación oceanográfica y climática. La confluencia de altas tasas de sedimentación y la existencia de un mínimo de oxígeno que impide la bioturbación de los sedimentos que se depositan en cuencas costeras como en zonas de talud continental, ofrecen una importante fuente de información para las reconstrucciones paleoclimáticas a diferentes escalas de tiempo (Emery y Hülsemann, 1962; Baumgartner y Christensen, 1978; Haug et al., 2001; Herguera, 2006).
el océano superficial. Por otra parte, las de origen terrestre, principalmente de arcillas y limos, son aportados a la columna de agua por los ríos alimentados por la precipitación durante el verano hasta principios del otoño, asociados a las lluvias monzónicas o por las tormentas asociadas a las colas de ciclones (Figura 5). El grosor de las laminaciones varía dependiendo de la cantidad de sedimento aportado por las diferentes fuentes y de su transferencia por la columna de agua (Calvert, 1966; Baumgartner et al., 1991; Thunell, 1998; Molina-Cruz et al., 2002).
Figura 5. Fotografía del sedimento donde se aprecia la alternancia en las laminaciones claras que se depositan en invierno y las oscuras durante el verano.
Estos sedimentos se preservan generalmente en cuencas asociadas a una topografía que favorezca el depósito de sedimentos en zonas con concentraciones extremadamente bajas de Oxígeno (<0.2 ml/l), que inhiben el establecimiento de organismos bénticos bioturbadores (Peterson et al 1991). Algunas de las cuencas del Golfo de California presentan estas condiciones favorables que permiten la elaboración de numerosos estudios de los sedimentos laminados con diferentes objetivos paleoceanográficos y paleoclimáticos (Barron et al., 2007, Herguera, 2006). Son numerosos los estudios que se han realizado de la variabilidad de otros monzones a lo largo del tiempo, en las zonas de influencia global y regional, haciendo uso de diversos índices paleoclimáticos (Barron et al., 2005; Wang et al., 2005; Ziegler et al., 2010; Sinha et al., 2011; Thabaut et al., 2011).
Lamina clara
Dada la importancia de la precipitación asociada al Monzón y a las tormentas tropicales como un componente dinámico del sistema climático en el Hemisferio Norte en diferentes escalas de tiempo, y la valiosa información que ofrecen los sedimentos laminados, la pregunta científica que se quiere responder en este trabajo es:
¿Cuál es la variabilidad natural de las lluvias de verano en la región del Monzón Mexicano durante los últimos 6000 años?
El modelo conceptual que utilizamos para responder esta pregunta está basado en el papel erosivo y de transporte que la precipitación tiene sobre las montañas de la Sierra Madre Occidental. Las lluvias contribuyen a los procesos de meteorización y erosión de las rocas y suelos y al arrastre de sedimentos hasta los ríos. Estos lo transportan hasta la costa y de ahí dependiendo del flujo hacia la zona de plataforma y el Golfo de California hasta depositarse parcialmente en el talud continental de la Cuenca Pescadero. Debido a la alternancia estacional en la sedimentación, suponemos que las laminaciones claras representan el invierno-primavera y las oscuras el verano, y que las primeras láminas que están en contacto con la interfase agua sedimento son más modernas y conforme avanza la profundidad se van haciendo más antiguas. Para estimar la precipitación en el pasado vamos a utilizar como índice o proxy las concentraciones relativas de silicio (Si) y aluminio (Al) en los sedimentos laminados de la Cuenca Pescadero para los últimos 6000 años, utilizando la metodología de Fluorescencia de Rayos X, una técnica moderna, sencilla y de alta resolución (Tjallingii et al., 2007) que permite conocer el contenido
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo General
El objetivo de esta tesis es estudiar la variabilidad natural de las lluvias de verano en la región del monzón mexicano a partir de una reconstrucción paleoclimática para los últimos 6000 años, basada en el registro sedimentario de alta resolución del talud de la cuenca Pescadero en el bajo Golfo de California, y evaluar su relación con factores climáticos externos e internos como la variabilidad en la radiación solar y otros índices de variabilidad climática.
1.2.2 Objetivos específicos
1. Caracterizar el registro cronoestratigráfico de alta resolución en nucleos de sedimentos laminados.
2. Analizar la variabilidad natural de las lluvias de verano en escalas de tiempo milenaria, centenal y multidecadal.
3. Explorar cuáles son los controles detrás de esta variabilidad natural.
4. Comparar la variabilidad natural de las lluvias de verano con los registros de la variabilidad de la precipitación del último siglo.
1.2.3 Hipótesis
Se espera observar la coherencia entre la variabilidad de las lluvias de verano en la zona del monzón mexicano con otros registros paleoclimáticos del hemisferio Norte del Holoceno.2. Materiales y Métodos
2.1 Área de estudio
La cuenca Pescadero se sitúa en la boca del Golfo de California, 23º 30’ y 25º 00’ latitud Norte y 108º 00’ y 109º 30’ longitud Oeste (Figura 6). La cuenca tiene una profundidad máxima de 3,000 m. Es una cuenca estrecha y alargada (~200 km) en dirección NW, de forma sigmoide, que presenta escarpes controlados por fallas transformes y márgenes mas suaves en sus flancos sureste. Su posición y profundidad permite un libre intercambio de aguas entre el Pacifico y el Golfo de California (Castro et al., 2000).
Figura 6. Mapa de ubicación de la Cuenca Pescadero en el Golfo de California, se aprecia la forma de la cuenca y la batimetría del fondo (Google earth).
Los núcleos se tomaron en el talud de la cuenca presenta una zona (entre las profundidades 400-600 m) donde las concentraciones de oxígeno no rebasan los 0.2 ml/L, lo que inhibe la colonización del macrobentos y la bioturbación de los sedimentos y favorece la preservación de los sedimentos laminados (Herguera, 2006).
Las condiciones climáticas en la región sur del Golfo de California presentan una marcada estacionalidad con vientos intensos (8-12 m/s) del norte durante el invierno y moderados (2-5 m/s) provenientes del sureste en el verano (Badan-Dangon et al., 1991). La temperatura superficial del mar presenta un promedio de 21ºC en invierno, 24° C en primavera, 31º C en verano y 27º C en otoño (Soto-Mardones et al., 1999). La precipitación de verano representa el 70% de la precipitación anual (Douglas et al., 1993).
Existen varios ríos que desembocan sobre la plataforma continental adyacente a la cuenca Pescadero. En general estos ríos son muy caudalosos durante el verano y acarrean altas concentraciones de sedimentos. Estos son de norte a sur: el Río Mayo, Río Fuerte, Río Sinaloa, Río Culiacán, Río San Lorenzo, Río Piaxtla, Río Presidio y Río Baluarte (ver Figura 7)
Un estudio de la mineralogía de arcillas y limos en el Golfo de California (Baba et al., 1991) reporta que las altas relaciones de cuarzo/feldespato se encuentran en regiones cercanas a las desembocaduras de los ríos que drenan los materiales de origen volcánico-plutónico, metamórfico y sedimentario desde la Sierra Madre Occidental, asociados a los ríos Fuerte, Sinaloa, Piaxtla y San Lorenzo (Figura 7). Estos ríos son los principales contribuyentes de sedimentos terrígenos hacia la plataforma continental. Un análisis de difracción de rayos X en núcleos de sedimento de la Cuenca Pescadero realizado por González-Yajimovich (2005) confirmó que los sedimentos de esta región están compuestos casi en su totalidad de cuarzo, y en menores concentraciones por feldespatos y rastros de piroxeno y yeso, lo que sugiere una fuente común de origen fluvial para estos sedimentos.
2.2 Obtención de núcleos de sedimento
Los núcleos fueron colectados durante dos campañas a bordo del buque oceanográfico El Puma. La primera en 2001 en donde se obtuvieron el núcleo de caja PAX59C-5 de 45 cm de longitud y el núcleo de kasten PAX59K de 2440 cm. Otro núcleo de caja estudiado en esta tesis es el PCM061-C3 que se obtuvo en el 2000 (Tabla 1). Los núcleos de caja se obtuvieron con un nucleador tipo Soutar; la ventaja de este nucleador es que permite recuperar intactos los primeros centímetros de la interfase agua-sedimento aunque su profundidad de penetración sea mas corta; mientras que el nucleador Kasten, con un mayor peso y una penetración de hasta 3 m en el sedimento, logra registros de mayor duración temporal perturbando los primeros centímetros del sedimento.
Tabla 1. Ubicación de los núcleos de sedimento estudiados en el flanco sureste de la cuenca Pescadero en el sur del Golfo de California.
Núcleos Nucleador Long. cm
Latitud Longitud Prof.
m
Año
2.3 Tratamiento de los núcleos
Con el objetivo de obtener las radiografías para los análisis geoquímicos en muestras discretas o continuas como la fluorescencia por rayos X (FRX, o XRF en inglés), se cortaron los núcleos de sedimento en losas de aproximadamente 1.5 cm de grosor y de 35 a 45 cm de longitud a lo largo del eje de la profundidad (Figura 8).
PAX59K-I
PAX59C-5
Figura 8. Fotografías de las losas cortadas de los núcleos PAX59K-I y PAX59C-5. La escala vertical es en milímetros.
2.4 Imágenes de rayos X
2.5 Análisis de escala de grises
Las fotografías se digitalizaron y utilizamos el programa analizador de imágenes ImageJ 1.43u para determinar la escala de grises a partir de los positivos de las radiografías. Esta escala se obtiene a partir del área trazada sobre el eje vertical del núcleo de aproximadamente 1 mm de espesor y de la longitud de la losa, obteniendo una serie de datos en pixeles que luego convertimos a profundidad. Los valores de pixeles que se aproximan más al cero son las tonalidades de gris cercanas al negro debido a una menor penetración de los rayos X. Esta laminas oscuras representan sedimentos de mayor densidad que relacionamos con las arcillas de origen litogénico; en contraste, los valores de pixeles cercanos al 200 tienden al blanco y representan mayor penetración de los rayos X, que corresponden a una densidad menor que asociamos a partículas porosas de mayor tamaño de origen biogénico.
2.6 Fluorescencia de Rayos X
El análisis de los núcleos de sedimento se realizó en Geological Collections and XRF Laboratory de Scripps Institution of Oceanography (SIO) y las determinaciones elementales las realizó Alex Hangsterfer, responsable de ese laboratorio.
Debido a que cada elemento tiene diferentes potenciales de ionización (número atómico) fue necesario realizar varios escaneos de diferentes intensidades (10, 30 y 50 Kv) para caracterizar las abundancias de los diferentes elementos. Cabe aclarar que no se determinaron todos los elementos posibles debido a la limitación en tres niveles intensidades del FRX. Otro aspecto importante es que las abundancias obtenidas por el FRX no son absolutas, sino relativas al sensor con el que se realizan estas determinaciones, por lo que para conocer sus abundancias ya sea absolutas o relativas reales tendríamos que calibrarlos con análisis geoquímicos elementales por otras técnicas analíticas como el ICP-MS, análisis elemental de C y N, culometría para los carbonatos, entre otras. En cualquier caso, sus abundancias relativas calculadas están linealmente relacionadas con su concentración elemental en estos núcleos, como lo podemos comprobar para el calcio (Ca) y como está reportado en la literatura para otros núcleos (González-Yajimovich et al.,
2005).
2.7 Procedimiento para formar un núcleo compuesto
A partir de los dos núcleos de caja: PAX50C5 y PCM0061, y las cinco losas del nucleador kasten PAX59KI, PAX59KII, PAX59KIII, PAX59KIV, PAX59KV, se llevaron a cabo los siguientes pasos:
Correlación visual de las escalas de grises de los dos núcleos de caja
Correlación de los modos principales de variación de las escalas de grises y de
las determinaciones FRX de los dos núcleos de caja
Reconocimiento de una profundidad coherente en el empalme de los modos principales de FRX entre el Nco y la primera
losa del kasten
Obtención de un núcleo compuesto final
Obtención de un compuesto de los 2núcleos de caja NCco
Correlación de los modos principales de variación de las determinaciones FRX del
NCco con la primera losa del kasten
2.8 Datación de los núcleos
La cronoestratigrafía de los núcleos se obtuvo por medio de 14
C en muestras de foraminíferos planctónicos. Se colectaron foraminíferos pláncticos a las profundidades de 196 y 294 mm del núcleo PCM0061C-3 y 550, 945.5, 1497, 1860, 2136 2310.5 mm del núcleo PAX59K y fueron enviadas al laboratorio de Leibniz de la Universidad de Kiel, Alemania, adscrito a la Universidad Christian Albrechts para hacer determinaciones radioisotópicas de 14
C por medio de la técnica de espectrometría de masas por electrotándem en un acelerador de partículas AMS. Con las determinaciones de radiocarbono 14 se calcularon las edades de cada muestra utilizando el programa Calib Rev 6.1.0, asumiendo una edad de reservorio de 450 años y un ∆R de 350 ± 50. Las edades de las muestras de núcleo las reportamos en años antes del presente AP, donde el presente es 1950 (Goodfriend y Flessa 1998; Ingram y Southon 1996).
2.9 Análisis de datos
2.9.1 Análisis Singular Espectral
2.9.2 Análisis Espectral MTM
Los cálculos de la densidad espectral y sus espectros fueron realizados utilizando el método
Multi Taper (MTM) dentro del software Analyseries 2.0 (Mai, 2005; Paillard et al., 1996). El MTM es una técnica univariada de análisis espectral que permite separar los modos de variabilidad significativos de la variabilidad residual o ruido. Utiliza un conjunto de ventanas (o tapers) que minimizan la filtración o la fuga de energía hacia frecuencias cercanas debido a las características propias del espectro (Andrés, 2009).
Las principales frecuencias significativas obtenidas fueron convertidas a periodos por medio de la relación: p=1/f
Donde p = periodo de tiempo f = frecuencia
2.9.3 Otros registros paleoclimáticos
3. Resultados
3.1 Construcción de un compuesto de los núcleos de caja
A partir de los registros de la escala de grises de los 2 núcleos de caja de Cuenca Pescadero (PAX59C-5 y PCM0061C-3) se procedió a construir una serie de tiempo compuesta, con la meta de tener un registro lo mas completo posible de los primeros 300 mm de profundidad por debajo de la interfase agua sedimento. De la comparación entre ambos núcleos (Figura 9) observamos que a uno de los núcleos de caja el PAX59C-5 le faltan los primeros cm por debajo de la interfase agua sedimento, posiblemente debido a su perturbación durante la operación de extracción del sedimento con el núcleo de caja.
Para formar el compuesto de estos dos núcleos definimos una profundidad en donde se observó la misma secuencia de laminaciones en ambos núcleos. Con esta meta se procedió a identificar, primero visualmente y luego apoyados por las series de sus escalas de grises, las similitudes en los patrones de la distribución de paquetes de laminaciones.
Los resultados de la correlación visual mostraron que había más de una solución a la correlación entre los paquetes de laminaciones por lo que se procedió a la correlación con la escala de grises. Cuando se realizó esta correlación con la serie completa (ver Figura 9), la serie resultó muy ruidosa por contener información en múltiples escalas espaciales, razón por la que procedimos a obtener los modos principales de su variabilidad mediante la técnica del análisis espectral singular (AES). Al comparar el primer componente del ASE (PC1) del núcleo PAX59C-5 con el primer componente del núcleo PCM0061-C3 (Figura 10a), se puede observar que los modos fundamentales PC1s de las escalas de grises de ambos son similares pero se encuentran desfasados, por lo que se realizó un primer ajuste recorriendo 40 mm en profundidad el núcleo PAX59KC-5 con respecto del PCM0061-C3 (Figura 10b).
Figura 10. a) Principales componentes (PC1) de las escalas de grises de los núcleos de caja, y b) en fase cuando tenemos en cuenta que el núcleo de caja PAX59C-5 perdió 40 mm de la interfase agua sedimento.
Este ajuste logra hacer coincidir las primeras cuatro ondas de las escalas de grises de ambos núcleos; sin embargo, aún había que hacer coincidir el cuarto y quinto picos por lo que procedimos a ajustar la serie de escala de grises en profundidades intermedias (Figura 11a).
Figura 11. a) Segundo ajuste del PC1 PAX59C-5 y b) Núcleo de caja compuesto NCco
Una vez que las escalas de grises de los dos núcleos de caja estaban correlacionadas se delimitó un nuevo núcleo compuesto que llamamos Núcleo de Caja compuesto (NCco, tomando los primeros 120 milímetros del PAX0061C-3, y del milímetro 120.2 hacia abajo del PAX59C-5 (Figura 11b).
Los resultados del análisis FRX se utilizaron para confirmar con otra información independiente la construcción de este registro compuesto (NCco). Procedimos a construir el NCco a partir de los datos elementales de Si siguiendo el mismo procedimiento que con las escalas de grises. A estos compuestos se les realizó también un análisis singular espectral identificando los modos de variabilidad fundamentales, y se correlacionaron con los datos de la primera losa del kasten PAX59K-I para encontrar a qué profundidad mostraban la máxima similitud entre los componentes principales de ambos núcleos.
Utilizando el Ca encontramos que para correlacionar el NCco y el kasten necesitaban de un ajuste en profundidad de 65 mm para el PAX59K-I (Figura 12a) debido a que los primeros centímetros por debajo de la interfase agua sedimento de este núcleo se habían perdido durante el proceso de su extracción.
Figura 12. a) Los modos fundamentales PC1 del porcentaje de Ca en NCco y PAX59KI, b) Ajuste de 65 mm en la profundidad de PAX59KI
Con base en este tipo de correlaciones se determinó también que la profundidad más adecuada para unir los núcleos NCco y PAX59KI es 250 mm pues, unos milímetros antes y unos después las concentraciones de Ca, Si y en menor medida el Ti, varían de manera similar con la profundidad (Figura 12b). Lo que siguió fue unir las siguientes losas del kasten para tener el núcleo completo. Esto fue mas sencillo pues se eliminó el efecto de borde del análisis FRX descartando los datos del ruido generado debido al efecto del escáner en el techo y la base de cada una de las losas PAX59KI, PAX59KII, PAX59KIII, PAX59KIV, y PAX59KV (Figura 13). En la figura 14 se muestra gráficamente la correlación y ensamblaje de los datos de las losas a las que pertenece el porcentaje de Ca.
Figura 13. Esquema de la construcción del núcleo compuesto final, a partir de los dos núcleos de caja PAX59C-5 y el PCM0061C-3 y las 5 losas del núcleo de kasten PAX59KI, PAX59KII, PAX59KIII, PAX59KIV, PAX59KV.
PCM61C-3
PAX59C-5
CBco
PAX59KI
PAX59KII
PAX59KIII
PAX59KIV
Figura 14. Los datos del porcentaje de Ca en la profundidad, indicando a qué losa pertenecen
3.2 Estandarización de los datos
Los resultados obtenidos tras aplicar esta corrección no consiguieron corregir estos saltos. Sin embargo, el contenido de agua si puede explicar los bajos valores de Al y en menor proporción para el Si debido a que la concentración de estos elementos se atenúa por el contenido de agua en la muestra, aunque no modifica su variabilidad relativa.
3.3 Resultados del análisis FRX
Los elementos identificados y cuantificados en el análisis FRX se muestran en la figura 13.
Figura 15. Grafica de concentración relativa (normalizada) de elementos obtenida mediante FRX en el núcleo compuesto.
A partir del compuesto final se representó el comportamiento de los porcentajes de los elementos en el núcleo llamado compuesto final respecto a la profundidad (Figura 16).
Los elementos que se eligieron en este trabajo como índices de la precipitación asociada al monzón son el Si y Al que se encuentran representados respecto a la profundidad del núcleo de sedimento (Figura 17). En principio Fe y Ti serían los elementos candidatos como índices del aporte de terrígenos al sedimento (Haug et al., 2001; Barron et al., 2002 Metcalfe et al., 2010). Sin embargo, debido a sus propiedades y comportamiento en sedimentos subóxicos es posible que Fe sea más representativo de procesos redox que de la abundancia de terrígenos.
3.4 Cronoestratigrafía del núcleo
El siguiente paso fue convertir los datos de la profundidad (mm) al dominio del tiempo (años) para tener finalmente una serie de tiempo. Las profundidades del núcleo donde se tomaron las muestras datadas con radiocarbono 14
C por medio de la técnica de espectrometría de masas (AMS) se muestran en la figura 18.
Tabla 2. Muestras datadas en los núcleos, edades radiocarbono y la conversión en años antes del presente
Núcleo Profundidad mm Edad RCBP Edad años AP
PCM0061C-3 196 820 1834.5
PCM0061C-3 294 1035 1599.5
PAX59K-II 550 2375 365
PAX59K-III 945.5 3190 611.5
PAX59K-III 1497 4155 1798.5
PAX59K-IV 1860 4860 2729.5
PAX59K-V 2136 5240 3238.5
PAX59K-VI 2310.5 5700 3779
A partir de estos resultados y con base en una regresión lineal de una R2
En la Figura 18 están representadas las profundidades de las muestras a las que se les determino 14
C, en relación a su edad en años antes del presente (donde el presente es el año 1950). Y de donde se obtiene el modelo de edad para la reconstrucción de la serie de tiempo.
Figura 18. Modelo de edad del núcleo basado en las edades determinadas por AMS14C en
concentrados de foraminíferos bentónicos separados en muestras de núcleo (ver tabla 2).
3.5 Análisis Singular Espectral
Figura 22. Porcentaje de varianza que explica cada uno de los 10 principales modos de variación de la serie de tiempo de a) Si y b) Al
3.6 Análisis espectral MTM
A partir de cada uno de los modos fundamentales del ASE, se realizó el análisis espectral MTM y los resultados de este último se encuentran representados en las Figuras 23 y 24 para el Si y Al respectivamente. En estos gráficos se muestran los periodos de tiempo (en años) calculados a partir de las frecuencias con mayor energía y con una significancia mayor a 0.6 de cada uno de los espectros.
En la Tabla 3 se muestra en resumen los periodos de tiempo asociados a las frecuencias significativas obtenidas de los modos fundamentales de variación de la serie de tiempo de Si y Al. Se observa que el PC1 y PC2 de ambos elementos contienen las periodicidades de escala milenaria y centenaria, y que a partir del PC3 en adelante las periodicidades son de escala multidecadal.
Figura 23. Espectros de frecuencia MTM de los modos fundamentales identificados de la serie de tiempo del Si PC1, PC2, PC4, PC8, PC10, eje de las ordenadas de la derecha el poder para
Figura 24. Espectros de frecuencia MTM de los modos fundamentales identificados de la serie de tiempo del Al PC1, PC2, PC4, PC8, PC10, eje de las ordenadas de la derecha el poder
Tabla 3. Tabla de frecuencias y períodos significativos de los registros de Si y Al en el núcleo compuesto de Pescadero.
ASE Frecuencia Si Periodos
PC 1 0.00111
0.00174 900 520 PC 2 0.00243 0.00364 0.00620 400 270 160 PC 4 0.01128 0.01436 0.02040 87 60 50
PC 8 0.03389
0.03848
29 26
PC 10 0.06751 15
ASE Frecuencia Al Periodos
PC 1 0.00091 0.00118 0.00193 1150 870 520 PC 2 0.00244 0.00364 0.00613 400 270 160
PC 4 0.01124
0.01601
85 60
PC 8 0.03383
0.03921
30 27
3.7 Comparación de la variabilidad secular del registro completo con el último siglo
El contenido promedio de silicio en los últimos cien años es significativamente diferente, al 95% de confianza, a todos los promedios seculares consecutivos y sin traslape, de contenido de Silicio para los últimos 5.6 Ka. El intervalo de confianza se calculó bajo la hipótesis de que las medias seculares (xi) se distribuyen normalmente alrededor de la media poblacional (µ), una vez eliminada la tendencia lineal. La normalidad de las medias
seculares se aprecia en la Figura 25, en donde se ilustra el histograma de frecuencia de las medias seculares o las medias de las muestras de cada cien años. En este caso particular, en términos porcentuales, la media poblacional de Si es µ = 16.2; el error estándar o
desviación estándar de las medias seculares es ε = 0.16 = σ/√ de N = 1.22/ √56; el intervalo de confianza = 1.96 ε = ± 0.32. En otras palabras, en el 95 % de los casos, las medias seculares xi estarán dentro del intervalo 16.21 ± 0.32, por lo que el promedio de
silicio en los últimos cien años (11.2) esta 4.7 puntos porcentuales por debajo del intervalo de confianza de la media poblacional, por lo que es significativamente diferente al resto de las medias seculares del registro de al menos los últimos 5,600 años.
Figura 25. Histograma de frecuencia de los promedios seculares de contenido de Silicio en el registro completo de los sedimentos de la Cuenca Pescadero
4. Discusión
4.1 Validación del porcentaje de Si como índice fiel de la precipitación de verano
El silicio y el aluminio son los elementos más abundantes en los aluminosilicatos, compuestos fundamentalmente de Al2O3 y SiO2. Estos elementos son el principal compuesto de los minerales de las arcillas, que son principalmente producto de la meteorización de las rocas expuestas subaéreamente y uno de los componentes principales de los vertisoles, que son los suelos típicos del estado de Sinaloa (INEGI, 2011). Las arcillas son transportadas en suspensión por los ríos hasta la plataforma continental de Sinaloa y parte de éste sedimento de grano muy fino, terminan por sedimentarse sobre el talud de la cuenca de Pescadero, especialmente durante las grandes avenidas, de forma que el contenido relativo de este componente en los sedimentos del talud está ligado a la cantidad de precipitación sobre Sierra Madre Occidental y al transporte por los ríos hacia el litoral.
Por mencionar un ejemplo de lo anterior, Metcalfe y colaboradores (2010) demostraron una correlación positiva de la concentración de Ti en sedimentos lacustres en Juanacatlán, Sinaloa, con reconstrucciones de precipitación a partir del crecimiento de anillos de árboles en El Salto, Durango, y ponen en evidencia algunos eventos de sequía en los últimos 1000 años.
Figura 26. Correlación entre el PC1 del porcentaje de Si de cuenca Pescadero y el PC1 de la precipitación registrada en anillos de árboles en Sierra Madre Occidental en el estado de Sinaloa,
producto del análisis singular espectral, de un periodo que comprende de 1400 a 2002 años calendario.
4.2 La tendencia de largo período –Holoceno.
El rasgo mas evidente en el comportamiento de la variabilidad de las concentraciones de Si y Al durante los últimos 5600 años en la cuenca de Pescadero (Figura 19), es la tendencia a disminuir hacia el presente. Esta disminución es de alrededor del 6% en el %Si y del 0.5% en el %Al, respecto a sus valores iniciales en el registro. Esto lo podemos interpretar como una tendencia general hacia condiciones más secas desde el Holoceno medio -5.5 ka AP- hasta el presente Holoceno tardío. Esta tendencia de largo período se encuentra ampliamente representada en diferentes registros climáticos cercanos a cuenca Pescadero (Figura 27), como es el registro de la concentración del porcentaje del Al, Ti y Fe en sedimentos marinos en la cuenca Guaymas como indicador de precipitación (Barron et al.,
2004) y el registro δ18O de una estalagmita en la Cueva del Diablo en Guerrero (Bernal et al., 2006). Esta tendencia también se ha reportado en otros registros climáticos alrededor del mundo que hemos ordenado latitudinalmente. Se graficó el registro del δ18
La similitud en los diferentes registros a escala global está reflejada en la tendencia general hacia condiciones mas frías y/o secas entre el Holoceno medio y el Holoceno tardío en el Hemisferio Norte (HN). Esto nos hace pensar que existe un forzamiento de gran escala que se encuentra modulando esta tendencia; la clave se encuentra en la cantidad de insolación que recibe la tierra y que podría estar relacionada con la precesión de los equinoccios, uno de los componentes orbitales del forzamiento de Milankovitch que tiene una periodicidad de ~ 23,000 años (Kutzbach, 1981). Para mostrar lo anterior en la figura 27 representamos algunos de los proxis (indicadores paleoclimáticos) previamente mencionados junto con el registro de la insolación a 20˚ N para los últimos 25 ka (Huybers et al., 2006). En esa figura se aprecia claramente como los registros climáticos, para al menos los últimos 6 ka, siguen la tendencia de la precesión expresado en la insolación de verano en 20˚ N.
4.3 Variabilidad milenaria: disminución escalonada
Figura 28. El contenido de Si en los sedimentos de cuenca Pescadero a) en los últimos 5600 años resaltando los eventos de disminuciones abruptas en la precipitación (barras turquesa) b) Los eventos conocidos como El Periodo Calido Medieval PCM y la Pequeña Edad del Hielo PEH ocurridos en los últimos 1500 años.