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Flujo de detritos

Canal de flujo de detritos con depósitos dejados tras las tormentas de 2010 en Ladakh , al noroeste del Himalaya indio. Grandes diques de cantos rodados forman los laterales del...

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Canal de flujo de detritos con depósitos dejados tras las tormentas de 2010 en Ladakh , al noroeste del Himalaya indio. Grandes diques de cantos rodados forman los laterales del canal. Rocas mal clasificadas yacen en el fondo del canal.
Flujo de detritos en Saint-Julien-Mont-Denis , Francia , julio de 2013
Cicatrices formadas por un flujo de detritos en Ventura, área metropolitana de Los Ángeles, durante el invierno de 1983. La fotografía fue tomada pocos meses después de que ocurrieran los flujos de detritos. [ 1 ]

Los flujos de detritos son fenómenos geológicos en los que masas de suelo y roca fragmentada cargadas de agua fluyen por las laderas de las montañas, se canalizan hacia los cauces de los arroyos , arrastran objetos a su paso y forman depósitos gruesos y fangosos en los fondos de los valles. Generalmente tienen densidades aparentes comparables a las de los deslizamientos de rocas y otros tipos de deslizamientos de tierra (aproximadamente 2000 kilogramos por metro cúbico), pero debido a la licuefacción generalizada de sedimentos causada por las altas presiones del fluido intersticial , pueden fluir casi con la misma fluidez que el agua. [ 2 ] Los flujos de detritos que descienden por cauces empinados suelen alcanzar velocidades superiores a 10  m/s (36  km/h), aunque algunos flujos grandes pueden alcanzar velocidades mucho mayores. Los flujos de detritos con volúmenes de hasta unos 100 000 metros cúbicos ocurren con frecuencia en regiones montañosas de todo el mundo. Los mayores flujos prehistóricos han tenido volúmenes superiores a 10000  millones de metros cúbicos (es decir, 1 kilómetro cúbico). Como resultado de sus altas concentraciones de sedimentos y su movilidad, los flujos de detritos pueden ser muy destructivos.

Entre los desastres más notables provocados por aludes de detritos en el siglo XX, destacan el ocurrido en Armero, Colombia , en 1985, que causó más de 20.000 víctimas mortales, y el del estado Vargas , Venezuela , en 1999, que dejó decenas de miles de fallecidos.

Características y comportamiento

Los flujos de detritos tienen concentraciones volumétricas de sedimentos que superan aproximadamente el 40 al 50%, y el resto del volumen del flujo consiste en agua. Por definición, "detritos" incluye granos de sedimento con diversas formas y tamaños, que comúnmente van desde partículas de arcilla microscópicas hasta grandes rocas . Los informes de los medios a menudo usan el término flujo de lodo para describir los flujos de detritos, pero los verdaderos flujos de lodo están compuestos principalmente de granos más pequeños que la arena . En la superficie terrestre de la Tierra, los flujos de lodo son mucho menos comunes que los flujos de detritos. Sin embargo, los flujos de lodo submarinos son frecuentes en los márgenes continentales submarinos , donde pueden generar corrientes de turbidez . Los flujos de detritos en regiones boscosas pueden contener grandes cantidades de restos leñosos como troncos y tocones de árboles. Las inundaciones de agua ricas en sedimentos con concentraciones sólidas que van desde aproximadamente el 10 al 40% se comportan de manera algo diferente a los flujos de detritos y se conocen como inundaciones hiperconcentradas . [ 3 ] Los flujos de arroyos normales contienen concentraciones de sedimentos aún más bajas.

Los flujos de detritos pueden ser provocados por lluvias intensas o deshielo, por roturas de presas o inundaciones repentinas de glaciares, o por deslizamientos de tierra que pueden o no estar asociados con lluvias intensas o terremotos. En todos los casos, las principales condiciones necesarias para el inicio de un flujo de detritos incluyen la presencia de pendientes más pronunciadas de aproximadamente 25 grados , la disponibilidad de abundante sedimento suelto, suelo o roca erosionada, y suficiente agua para llevar este material suelto a un estado de saturación casi completa (con todo el espacio poroso lleno). Los flujos de detritos pueden ser más frecuentes después de incendios forestales y de matorrales, como lo demuestra la experiencia en el sur de California. Representan un peligro significativo en muchas áreas montañosas empinadas y han recibido especial atención en Japón, China, Taiwán, Estados Unidos, Canadá, Nueva Zelanda, Filipinas, los Alpes europeos, Rusia y Kazajistán. En Japón, un gran flujo de detritos o deslizamiento de tierra se llama yamatsunami (山津波), literalmente tsunami de montaña .

Depósito de flujo de detritos antiguos en Resting Springs Pass, California.

Los flujos de detritos son acelerados ladera abajo por la gravedad y tienden a seguir canales de montaña escarpados que desembocan en abanicos aluviales o llanuras de inundación . El frente, o "cabeza", de una oleada de flujo de detritos suele contener abundante material grueso, como rocas y troncos, que generan mucha fricción . Detrás de la cabeza del flujo de alta fricción se encuentra un cuerpo de flujo de menor fricción, mayormente licuado, que contiene un mayor porcentaje de arena , limo y arcilla. Estos sedimentos finos ayudan a retener altas presiones de fluidos intersticiales que mejoran la movilidad del flujo de detritos. En algunos casos, al cuerpo del flujo le sigue una cola más acuosa que se transforma en un flujo de corriente hiperconcentrado. Los flujos de detritos tienden a moverse en una serie de pulsos, o oleadas discretas, donde cada pulso o oleada tiene una cabeza, un cuerpo y una cola distintivos.

Un flujo de detritos en Ladakh, provocado por las tormentas de 2010. Presenta una clasificación deficiente y diques incompletos. Al fondo se aprecia la empinada cuenca de captación.

Los depósitos de flujos de detritos son fácilmente reconocibles en el campo. Constituyen porcentajes significativos de muchos abanicos aluviales y conos de detritos a lo largo de laderas montañosas escarpadas. Los depósitos completamente expuestos suelen tener formas lobuladas con frentes ricos en cantos rodados, y los márgenes laterales de los depósitos y trayectorias de los flujos de detritos suelen estar marcados por la presencia de diques laterales ricos en cantos rodados . Estos diques naturales se forman cuando los detritos relativamente móviles, licuados y de grano fino en el cuerpo del flujo de detritos se desplazan hacia los lados de los detritos gruesos y de alta fricción que se acumulan en las cabezas del flujo de detritos como consecuencia de la segregación del tamaño de grano (un fenómeno conocido en la mecánica granular ). Los diques laterales pueden confinar las trayectorias de los flujos de detritos subsiguientes, y la presencia de diques más antiguos proporciona una idea de la magnitud de los flujos de detritos anteriores en un área determinada. Mediante la datación de árboles que crecen en dichos depósitos, se puede estimar la frecuencia aproximada de los flujos de detritos destructivos. Esta información es importante para el desarrollo urbanístico en zonas donde son frecuentes los flujos de detritos. Los depósitos antiguos de flujos de detritos que solo afloran son más difíciles de identificar, pero suelen caracterizarse por la yuxtaposición de granos de formas y tamaños muy diferentes. Esta escasa clasificación de los granos de sedimento distingue los depósitos de flujos de detritos de la mayoría de los sedimentos depositados por el agua.

Tipos

Otros flujos geológicos que pueden describirse como flujos de detritos suelen recibir nombres más específicos. Estos incluyen:

Lahar

Un lahar es un flujo de detritos relacionado de alguna manera con la actividad volcánica , ya sea directamente como resultado de una erupción o indirectamente por el colapso de material suelto en los flancos de un volcán. Diversos fenómenos pueden desencadenar un lahar, incluyendo el derretimiento del hielo glaciar, el colapso de sectores , lluvias intensas sobre material piroclástico suelto o el desbordamiento de un lago previamente represado por sedimentos piroclásticos o glaciares. La palabra lahar es de origen indonesio, pero actualmente es utilizada habitualmente por geólogos de todo el mundo para describir flujos de detritos volcanogénicos. Casi todos los flujos de detritos más grandes y destructivos de la Tierra son lahares que se originan en volcanes. Un ejemplo es el lahar que inundó la ciudad de Armero , Colombia.

Jökulhlaup

Un jökulhlaup es una inundación repentina de origen glaciar. Jökulhlaup es una palabra islandesa, y en Islandia muchas inundaciones repentinas de origen glaciar son provocadas por erupciones volcánicas subglaciales. (Islandia se asienta sobre la Dorsal Mesoatlántica, formada por una cadena de volcanes mayoritariamente submarinos). En otros lugares, una causa más común de jökulhlaups es la ruptura de lagos represados ​​por hielo o morrenas . Estos eventos de ruptura suelen ser causados ​​por el desprendimiento repentino de hielo glaciar en un lago, lo que provoca una ola de desplazamiento que rompe la morrena o la represa de hielo. Aguas abajo del punto de ruptura, un jökulhlaup puede aumentar considerablemente de tamaño debido al arrastre de sedimentos sueltos del valle por el que se desplaza. Un arrastre abundante puede permitir que la inundación se transforme en un flujo de detritos. Las distancias de recorrido pueden superar los 100  km.

Teorías y modelos de flujos de detritos

Se han utilizado numerosos enfoques diferentes para modelar las propiedades, la cinemática y la dinámica de los flujos de detritos . [ 4 ] Algunos se enumeran aquí.

  • Los modelos basados ​​en la reología que se aplican a los flujos de lodo tratan los flujos de detritos como materiales homogéneos de una sola fase (ejemplos incluyen: Bingham , viscoplástico , fluido dilatante tipo Bagnold , tixotrópico , etc.).
  • Ola de rotura de presa, por ejemplo Hunt, [ 5 ] Chanson et al. [ 6 ]
  • Onda de balanceo, por ejemplo, Takahashi, [ 7 ] Davies [ 8 ]
  • Onda progresiva [ 9 ]
  • Un tipo de presa de roca traslacional [ 10 ]

La calibración y validación de modelos tan sofisticados requieren datos bien documentados de estudios de campo o experimentos de laboratorio minuciosos. [ 11 ] [ 12 ]

Dos fases

La teoría de mezclas , propuesta originalmente por Iverson [ 2 ] y posteriormente adoptada y modificada por otros, trata los flujos de detritos como mezclas sólido-fluido de dos fases.

En los flujos de masa bifásicos (de escombros) reales existe un fuerte acoplamiento entre la transferencia de momento del sólido y del fluido , donde la tensión normal del sólido se reduce por la flotabilidad , lo que a su vez disminuye la resistencia por fricción , aumenta el gradiente de presión y reduce el arrastre sobre el componente sólido. La flotabilidad es un aspecto importante del flujo de escombros bifásico, porque aumenta la movilidad del flujo (distancias de viaje más largas) al reducir la resistencia por fricción en la mezcla . La flotabilidad está presente mientras haya fluido en la mezcla. [ 13 ] Reduce la tensión normal del sólido, las tensiones normales laterales del sólido y la tensión cortante basal (por lo tanto, la resistencia por fricción) por un factor (1−γ{\displaystyle 1-\gamma }), dóndeγ{\displaystyle \gamma }es la relación de densidad entre las fases fluida y sólida. El efecto es sustancial cuando la relación de densidad (γ{\displaystyle \gamma }) es grande (por ejemplo, en el flujo de detritos natural).

Si el flujo es de flotabilidad neutra, es decir,γ=1{\displaystyle \gamma =1}(véase, por ejemplo, Bagnold, [ 14 ] 1954) la masa de escombros se fluidiza y recorre distancias más largas. Esto puede ocurrir en flujos de escombros naturales de alta viscosidad . [ 15 ] Para flujos de flotabilidad neutra, la fricción de Coulomb desaparece, el gradiente de presión lateral del sólido se anula, el coeficiente de arrastre es cero y el efecto de la pendiente basal sobre la fase sólida también desaparece. En este caso límite , la única fuerza sólida restante se debe a la gravedad y, por lo tanto, a la fuerza asociada con la flotabilidad. Bajo estas condiciones de soporte hidrodinámico de las partículas por el fluido, la masa de escombros se fluidiza completamente (o se lubrica ) y se mueve de manera muy económica, promoviendo largas distancias de recorrido. En comparación con el flujo de flotabilidad, el flujo de flotabilidad neutra muestra un comportamiento completamente diferente. Para este último caso, las fases sólida y fluida se mueven juntas, la masa de escombros se fluidiza, el frente se mueve sustancialmente más lejos, la cola se queda atrás y la altura total del flujo también se reduce. Cuandoγ=0{\displaystyle \gamma =0}El flujo no experimenta ningún efecto de flotabilidad. Entonces, la tensión de corte por fricción efectiva para la fase sólida es la de un flujo granular puro . En este caso, la fuerza debida al gradiente de presión se altera, la resistencia es alta y el efecto de la masa virtual desaparece en el momento sólido. Todo esto conduce a una desaceleración del movimiento .

Prevención de daños

Almaty , Kazajistán, después del catastrófico alud de lodo de 1921. Desde entonces se han construido varias instalaciones, incluida la presa de Medeu , para evitar que flujos de este tipo lleguen a la ciudad. [ 16 ]

Para evitar que los flujos de detritos alcancen propiedades y personas, se puede construir una balsa de retención. Estas balsas están diseñadas para proteger los recursos hídricos y del suelo o para prevenir daños aguas abajo. Dichas construcciones se consideran un último recurso debido a su alto costo y al compromiso que implica su mantenimiento anual. [ 17 ] Además, las balsas de retención solo pueden contener los flujos de detritos de una fracción de los arroyos que drenan terrenos montañosos.

Antes de una tormenta que potencialmente puede generar flujos de detritos, los modelos de pronóstico suelen cuantificar la probabilidad de que ocurra un flujo de detritos en una cuenca; [ 18 ] sin embargo, sigue siendo difícil predecir la cantidad de sedimento movilizado y, por lo tanto, el tamaño total de los flujos de detritos que pueden generarse durante una tormenta determinada, y si las cuencas de detritos tendrán la capacidad de proteger a las comunidades aguas abajo. Estos desafíos hacen que los flujos de detritos sean particularmente peligrosos para las comunidades de las zonas montañosas. [ 19 ]

La cuenca de retención de escombros del proyecto de control de inundaciones del arroyo Kahoma, que protege a la ciudad de Lahaina, Hawái (derecha), de la escorrentía de las montañas (izquierda).

En 1989, como parte de su obra a gran escala David Gordon's United States , y más tarde, en 1999, como parte de Autobiography of a Liar , el coreógrafo David Gordon reunió la música de Harry Partch y las palabras de John McPhee de The Control of Nature , leídas por Norma Fire, en una danza titulada "Debris Flow", una "desoladora narración grabada de la terrible experiencia de una familia en un enorme deslizamiento de lodo en Los Ángeles..." [ 20 ]

Véase también

Referencias

Notas

  1. ↑ DM Morton, RM Alvarez y RH Campbell. "Mapas preliminares de susceptibilidad a deslizamientos de suelo, suroeste de California" (Informe de archivo abierto OF 03-17 USGS 2003)
  2. 1 2 "Iverson, RM, 1997, La física de los flujos de detritos, Reviews of Geophysics, 35(3): 245–296" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 3 de junio de 2013. Recuperado el 18 de octubre de 2013 .
  3. ↑ Pierson, Thomas C. Distinción entre flujos de detritos e inundaciones a partir de evidencia de campo en pequeñas cuencas hidrográficas . Departamento del Interior de los Estados Unidos, Servicio Geológico de los Estados Unidos, 2005.
  4. ↑ Trujillo-Vela, Mario Germán; Ramos-Cañón, Alfonso Mariano; Escobar-Vargas, Jorge Alberto; Galindo-Torres, Sergio Andrés (2022). "Una descripción general de la modelización matemática del flujo de escombros" . Reseñas de ciencias de la tierra . 232 104135. Código Bib : 2022ESRv..23204135T . doi : 10.1016/j.earscirev.2022.104135 . S2CID 251268686 . 
  5. ↑ Hunt, B. (1982). "Solución asintótica para problemas de rotura de presas". Jl of Hyd. Div., Proceedings, ASCE, Vol. 108, No. HY1, pp. 115–126.
  6. ↑ Hubert Chanson , Sebastien Jarny y Philippe Coussot (2006). "Onda de rotura de presa de fluido tixotrópico" . Journal of Hydraulic Engineering . 132 (3): 280– 293. doi : 10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:3(280) .
  7. ↑ Takahashi, T. (1981). "Flujo de detritos" . Annual Review of Fluid Mechanics . 13 : 57–77 . Bibcode : 1981AnRFM..13...57T . doi : 10.1146/annurev.fl.13.010181.000421 .
  8. ↑ Davies, TRH (1986). "Grandes flujos de detritos: Un fenómeno macroviscoso" . Acta Mechanica . 63 ( 1–4 ): 161–178 . doi : 10.1007/BF01182546 . S2CID 122217532 . 
  9. ↑ Hungr, O. 2000. Análisis de oleadas de flujos de detritos mediante la teoría del flujo uniformemente progresivo . Earth Surface Processes and Landforms , 25, 483–495
  10. ↑ Coleman, PF, 1993. Una nueva explicación para los fenómenos de oleadas de flujos de detritos (resumen), Eos Trans. AGU, 74(16), Spring Meet. Suppl., 154.
  11. ↑ Baselt, Ivo; Oliveira, Gustavo Q. de; Fischer, Jan-Thomas y Pudasaini, Shiva P. (2021). "Evolución de flujos de detritos pedregosos en experimentos de laboratorio". Geomorphology . 372 107431. Bibcode : 2021Geomo.37207431B . doi : 10.1016/j.geomorph.2020.107431 . S2CID 225111202 . 
  12. ↑ Baselt, Ivo; Oliveira, Gustavo Q. de; Fischer, Jan-Thomas y Pudasaini, Shiva P. (2022). "Morfología de la deposición en flujos de detritos pedregosos de laboratorio a gran escala". Geomorphology . 396 107992. Bibcode : 2022Geomo.39607992B . doi : 10.1016/j.geomorph.2021.107992 . S2CID 239137775 . 
  13. ↑ EB, Pitman; L. Le (2005). "Un modelo de dos fluidos para avalanchas y flujos de detritos". Philosophical Transactions of the Royal Society A . 363 (1832): 1573– 1602. Bibcode : 2005RSPTA.363.1573P . doi : 10.1098/rsta.2005.1596 . PMID 16011934 . S2CID 17779815 .  
  14. ↑ RA Bagnold (1954). "Experimentos sobre la dispersión sin gravedad de grandes esferas sólidas en un fluido newtoniano bajo cizallamiento". Proceedings of the Royal Society A . 225 (1160): 49– 63. Bibcode : 1954RSPSA.225...49B . doi : 10.1098/rspa.1954.0186 . S2CID 98030586 . 
  15. ↑ BW, McArdell y P. Bartelt, J. Kowalski (2007). "Observaciones de campo de las fuerzas basales y la presión de poros del fluido en un flujo de detritos" . Geophys. Res. Lett . 34 (7): L07406. Bibcode : 2007GeoRL..34.7406M . doi : 10.1029/2006GL029183 .
  16. ↑ Jakob, Matthias; Hungr, Oldrich (2005). Peligros de flujos de detritos y fenómenos relacionados . Springer. págs. 38–39 . Bibcode : 2005dfhr.book.....J . ISBN  3-540-20726-0.
  17. ↑ "Cuencas de escombros" . Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU. Archivado del original el 27 de mayo de 2016. Consultado el 30 de enero de 2013 .
  18. ↑ Staley, DM, Negri, JA, Kean, JW, Laber, JL, Tillery, AC y Youberg, AM, 2017. Predicción de umbrales espacialmente explícitos de intensidad y duración de la lluvia para la generación de flujos de detritos posteriores a incendios en el oeste de Estados Unidos. Geomorphology, 278, pp.149-162.
  19. ↑ Kean, JW; Staley, DM; Lancaster, JT; Rengers, FK; Swanson, BJ; Coe, JA; Hernandez, JL; Sigman, AJ; Allstadt, KE ; Lindsay, DN (2019-08-01). "Inundación, dinámica del flujo y daños en el evento de flujo de detritos de Montecito del 9 de enero de 2018, California, EE. UU.: Oportunidades y desafíos para la evaluación de riesgos posterior a incendios forestales" . Geosphere . 15 ( 4): 1140– 1163. Bibcode : 2019Geosp..15.1140K . doi : 10.1130/GES02048.1 . ISSN 1553-040X . S2CID 197584816. USGS 70203874 .   
  20. ↑ Tobias, Tobi. "Dance: Burning the Flag" Nueva York (20 de noviembre de 1989), pág. 116; Jowitt, Deborah. "Rush Forward. Look Back." Archivado el 13 de diciembre de 2014 en Wayback Machine Village Voice (21 de diciembre de 1999)

Lecturas adicionales

  • Estación de Observación e Investigación de Flujos de Detritos de Dongchuan, China
  • Documentación en vídeo de experimentos realizados en el canal de flujo de detritos del USGS, Oregón, EE. UU.
  • Movimientos de masas. Sección de la plataforma informativa "Riesgos naturales en Suiza".
  • Información del estado de Washington sobre flujos de detritos y material relacionado. Archivado el 13 de octubre de 2000 en Wayback Machine.
  • Asociación de Flujos de Detritos