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Corriente de turbidez

Las turbiditas se depositan en las fosas oceánicas profundas situadas bajo la plataforma continental, o en estructuras similares en lagos profundos, por corrientes de turbidez q...

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Las turbiditas se depositan en las fosas oceánicas profundas situadas bajo la plataforma continental, o en estructuras similares en lagos profundos, por corrientes de turbidez que se deslizan por las laderas.
Sección longitudinal a través de una corriente de turbidez submarina.

Una corriente de turbidez es típicamente una corriente submarina de agua cargada de sedimentos, generalmente de rápido movimiento, que desciende por una pendiente; aunque investigaciones recientes (2018) indican que los sedimentos saturados de agua podrían ser el factor principal en el proceso. [ 1 ] Las corrientes de turbidez también pueden ocurrir en otros fluidos además del agua.

Investigadores del Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey descubrieron que una capa de sedimento saturado de agua se desplazaba rápidamente sobre el lecho marino, movilizando los primeros metros del lecho marino preexistente. Se observaron columnas de agua cargadas de sedimento durante los episodios de corrientes de turbidez, pero los investigadores creen que estas fueron secundarias al movimiento pulsante del sedimento del lecho marino durante dichos episodios. La hipótesis de los investigadores es que el flujo de agua es la fase final del proceso que comienza en el lecho marino. [ 1 ]

En el caso más típico de corrientes de turbidez oceánicas, las aguas cargadas de sedimentos situadas sobre terrenos inclinados fluyen cuesta abajo debido a su mayor densidad en comparación con las aguas adyacentes. La fuerza impulsora de una corriente de turbidez es la gravedad que actúa sobre la alta densidad de los sedimentos temporalmente suspendidos en un fluido. Estos sólidos semisuspendidos hacen que la densidad promedio del agua con sedimentos sea mayor que la del agua circundante no perturbada.

Al fluir, estas corrientes suelen tener un efecto de "bola de nieve", ya que remueven el suelo por el que discurren y acumulan aún más partículas sedimentarias. Su paso deja el terreno erosionado y desgastado. Una vez que una corriente de turbidez oceánica alcanza las aguas más tranquilas de la zona más plana de la llanura abisal (el fondo oceánico principal), las partículas que transporta se depositan fuera de la columna de agua. El depósito sedimentario de una corriente de turbidez se denomina turbidita .

Las corrientes de turbidez del fondo marino suelen ser consecuencia de los desembocaduras de los ríos cargados de sedimentos y, en ocasiones, pueden originarse por terremotos , deslizamientos de tierra y otras alteraciones del suelo. Se caracterizan por un frente de avance bien definido, también conocido como la cabeza de la corriente, seguido por el cuerpo principal de la misma. En comparación con el fenómeno más frecuente y conocido en la superficie, se asemejan en cierto modo a las crecidas repentinas.

Las corrientes de turbidez a veces son consecuencia de la inestabilidad sísmica submarina , común en pendientes pronunciadas, especialmente en las fosas submarinas de márgenes de placas convergentes, taludes continentales y cañones submarinos de márgenes pasivos. A medida que aumenta la pendiente de la plataforma continental, la velocidad de la corriente se incrementa, lo que aumenta la turbulencia y, por consiguiente, la corriente arrastra más sedimentos. Este aumento de sedimentos también incrementa la densidad de la corriente, aumentando aún más su velocidad.

Definición

Las corrientes de turbidez se definen tradicionalmente como flujos de gravedad de sedimentos en los que el sedimento se encuentra suspendido por la turbulencia del fluido. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Sin embargo, el término "corriente de turbidez" se adoptó para describir un fenómeno natural cuya naturaleza exacta a menudo no está clara. La turbulencia dentro de una corriente de turbidez no siempre es el mecanismo de soporte que mantiene el sedimento en suspensión; sin embargo, es probable que la turbulencia sea el mecanismo de soporte de grano primario o único en corrientes diluidas (<3%). [ 5 ] Las definiciones se complican aún más por una comprensión incompleta de la estructura de la turbulencia dentro de las corrientes de turbidez y la confusión entre los términos turbulento (es decir, perturbado por remolinos) y turbio (es decir, opaco con sedimento). [ 6 ] Kneller y Buckee, 2000 definen una corriente de suspensión como "flujo inducido por la acción de la gravedad sobre una mezcla turbia de fluido y sedimento (suspendido), en virtud de la diferencia de densidad entre la mezcla y el fluido circundante". Una corriente de turbidez es una corriente de suspensión en la que el fluido intersticial es líquido (generalmente agua); una corriente piroclástica es aquella en la que el fluido intersticial es gas. [ 5 ]

Desencadenantes

Pluma hiperpicnal

Cuando la concentración de sedimentos en suspensión en la desembocadura de un río es tan grande que la densidad del agua del río es mayor que la densidad del agua de mar, se puede formar un tipo particular de corriente de turbidez donde el agua dulce cargada de sedimentos del río continúa como una corriente submarina a través del fondo de un lago o mar. Esto se llama pluma hiperpicnal. [ 7 ] La concentración promedio de sedimentos en suspensión para la mayoría del agua de río que ingresa al océano es mucho menor que la concentración de sedimentos necesaria para formar una pluma hiperpicnal. Aunque algunos ríos pueden tener una carga de sedimentos continuamente alta que puede crear una pluma hiperpicnal continua, como el río Haile (China), que tiene una concentración promedio de sedimentos en suspensión de 40,5  kg/m 3 . [ 7 ] La concentración de sedimentos necesaria para producir una pluma hiperpicnal en agua marina  es de 35 a 45 kg/m 3 , dependiendo de las propiedades del agua dentro de la zona costera . [ 7 ] La mayoría de los ríos producen flujos hiperpicnales solo durante eventos excepcionales, como tormentas , inundaciones , deshielos glaciares , roturas de presas y flujos de lahares . En ambientes de agua dulce, como los lagos , la concentración de sedimentos en suspensión necesaria para producir una pluma hiperpicnal es bastante baja (1  kg/m³ ) . [ 7 ]

Sedimentación en embalses

El transporte y la deposición de sedimentos en embalses alpinos estrechos suelen ser causados ​​por corrientes de turbidez. Estas siguen el cauce principal del lago hasta la zona más profunda cerca de la presa , donde los sedimentos pueden afectar el funcionamiento de la salida de fondo y las estructuras de entrada. [ 8 ] El control de esta sedimentación dentro del embalse se puede lograr mediante el uso de obstáculos sólidos y permeables con el diseño adecuado. [ 8 ]

Desencadenamiento de terremotos

Las corrientes de turbidez suelen desencadenarse por perturbaciones tectónicas del fondo marino. El desplazamiento de la corteza continental en forma de fluidización y la vibración física contribuyen a su formación. Los terremotos se han relacionado con la deposición de corrientes de turbidez en muchos entornos, particularmente donde la fisiografía favorece la preservación de los depósitos y limita otras fuentes de deposición de corrientes de turbidez. [ 9 ] [ 10 ] Desde el famoso caso de rotura de cables submarinos por una corriente de turbidez tras el terremoto de Grand Banks de 1929 , [ 11 ] se han investigado y verificado turbiditas desencadenadas por terremotos a lo largo de la Zona de Subducción de Cascadia, [ 12 ] la Falla de San Andrés del Norte, [ 13 ] varios lagos europeos, chilenos y norteamericanos, [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] regiones lacustres y marinas japonesas [ 17 ] [ 18 ] y una variedad de otros entornos. [ 19 ] [ 20 ]

El lavado del cañón

Cuando grandes corrientes de turbidez fluyen hacia los cañones, pueden volverse autosostenibles [ 21 ] y arrastrar sedimentos que previamente se introdujeron en el cañón por la deriva litoral , tormentas o corrientes de turbidez más pequeñas. El lavado de cañones asociado con corrientes de tipo oleada iniciadas por fallas de taludes puede producir corrientes cuyo volumen final puede ser varias veces mayor que el de la porción del talud que se ha derrumbado (por ejemplo, Grand Banks) [ 22 ] .

Caída

Los sedimentos que se acumulan en la parte superior del talud continental , especialmente en las cabeceras de los cañones submarinos, pueden crear corrientes de turbidez debido a la sobrecarga, lo que provoca deslizamientos y derrumbes.

Sedimentación convectiva bajo las plumas de los ríos

Imágenes de laboratorio que muestran cómo la sedimentación convectiva bajo una superficie flotante cargada de sedimentos puede iniciar una corriente de turbidez secundaria. [ 23 ]

Una pluma fluvial flotante cargada de sedimentos puede inducir una corriente de turbidez secundaria en el fondo oceánico mediante el proceso de sedimentación convectiva. [ 24 ] [ 4 ] El sedimento en el flujo hipopicnal inicialmente flotante se acumula en la base del flujo superficial, [ 25 ] de modo que el límite inferior denso se vuelve inestable. La sedimentación convectiva resultante conduce a una rápida transferencia vertical de material al lecho inclinado del lago o del océano, formando potencialmente una corriente de turbidez secundaria. La velocidad vertical de las plumas convectivas puede ser mucho mayor que la velocidad de sedimentación de Stokes de una partícula individual de sedimento. [ 26 ] La mayoría de los ejemplos de este proceso se han realizado en el laboratorio, [ 24 ] [ 27 ] pero se hizo posible evidencia observacional de una corriente de turbidez secundaria en Howe Sound, Columbia Británica, [ 28 ] donde se observó periódicamente una corriente de turbidez en el delta del río Squamish. Como la gran mayoría de los ríos cargados de sedimentos son menos densos que el océano, [ 7 ] los ríos no pueden formar fácilmente flujos hiperpicnales profundos. Por lo tanto, la sedimentación convectiva es un importante mecanismo de iniciación posible para las corrientes de turbidez. [ 4 ]

Un ejemplo de profundos cañones submarinos excavados por corrientes de turbidez, ubicados a lo largo de la costa central de California.

Efecto en el fondo oceánico

Las corrientes de turbidez, grandes y rápidas, pueden excavar barrancos y quebradas en el lecho marino de los márgenes continentales y dañar estructuras artificiales como los cables de telecomunicaciones . Comprender por dónde fluyen estas corrientes en el fondo marino puede ayudar a reducir los daños a los cables de telecomunicaciones evitando estas zonas o reforzándolos en las áreas vulnerables.

Cuando las corrientes de turbidez interactúan con las corrientes oceánicas regulares, como las corrientes de contorno , pueden cambiar de dirección. Esto, en última instancia, modifica los cañones submarinos y las zonas de sedimentación. Un ejemplo de ello se encuentra en la parte occidental del Golfo de Cádiz , donde la corriente oceánica que sale del Mar Mediterráneo (también conocida como la corriente de salida del Mediterráneo) empuja las corrientes de turbidez hacia el oeste. Esto ha provocado que la forma de los valles y cañones submarinos de la región también se curve en esa dirección. [ 29 ]

Depósitos

Turbiditas intercaladas con arenisca de grano fino de color amarillo oscuro y lutita arcillosa gris que se presentan en capas graduadas, Formación Point Loma , California.

Cuando la energía de una corriente de turbidez disminuye, su capacidad para retener sedimentos en suspensión se reduce, produciéndose así la sedimentación. Al reposar el material, primero se depositan la arena y otros materiales gruesos, seguidos del lodo y, finalmente, de las partículas más finas. Esta secuencia de sedimentación crea las denominadas secuencias de Bouma , que caracterizan los depósitos de turbiditas .

Debido a que las corrientes de turbidez se producen bajo el agua de forma repentina, rara vez se observan en su estado natural; por lo tanto, las turbiditas pueden utilizarse para determinar sus características. Algunos ejemplos: el tamaño de los granos puede indicar la velocidad de la corriente, la litología de los granos y el uso de foraminíferos permiten determinar su origen; la distribución de los granos muestra la dinámica del flujo a lo largo del tiempo; y el espesor del sedimento indica la carga y la longevidad del sedimento.

Las turbiditas se utilizan comúnmente para comprender las corrientes de turbidez del pasado; por ejemplo, la fosa Perú-Chile, frente a la costa centro-sur de Chile (36°S–39°S), contiene numerosas capas de turbiditas que fueron analizadas mediante perforación. [ 30 ] A partir de estas turbiditas, se determinó la historia prevista de las corrientes de turbidez en esta área, lo que permitió una mejor comprensión de dichas corrientes. [ 30 ]

depósitos de antiduna

Algunas de las antidunas más grandes de la Tierra se forman por corrientes de turbidez. Un campo de ondas sedimentarias observado se encuentra en la pendiente continental inferior frente a Guyana , Sudamérica. [ 31 ] Este campo de ondas sedimentarias cubre un área de al menos 29  000  km 2 a una profundidad de agua de 4400–4825  metros. [ 31 ] Estas antidunas tienen longitudes de onda de 110–2600  m y alturas de onda de 1–15  m. [ 31 ] Se interpreta que las corrientes de turbidez responsables de la generación de ondas se originan a partir de fallas de pendiente en los márgenes continentales adyacentes de Venezuela , Guyana y Surinam . [ 31 ] Se ha permitido un modelado numérico simple para determinar las características del flujo de corriente de turbidez a través de las ondas sedimentarias que se deben estimar: número de Froude interno = 0,7–1,1, espesor del flujo = 24–645  m y velocidad del flujo = 31–82  cm·s −1 . [ 31 ] Generalmente, en pendientes más bajas, más allá de cambios menores de pendiente, el espesor del flujo aumenta y la velocidad del flujo disminuye, lo que lleva a un aumento en la longitud de onda y una disminución en la altura. [ 31 ]

Flotabilidad reversible

Se ha investigado el comportamiento de las corrientes de turbidez con fluido flotante (como corrientes con agua intersticial cálida, dulce o salobre que ingresa al mar) para encontrar que la velocidad del frente disminuye más rápidamente que la de las corrientes con la misma densidad que el fluido ambiente. [ 32 ] Estas corrientes de turbidez finalmente se detienen cuando la sedimentación produce una inversión de la flotabilidad, y la corriente se eleva, el punto de elevación permanece constante para un caudal constante. [ 32 ] El fluido elevado transporta sedimento fino consigo, formando una pluma que asciende a un nivel de flotabilidad neutra (si en un ambiente estratificado ) o a la superficie del agua, y se extiende. [ 32 ] El sedimento que cae de la pluma produce un depósito de caída generalizado, denominado hemiturbidita. [ 33 ] Las corrientes de turbidez experimentales [ 34 ] y las observaciones de campo [ 35 ] sugieren que la forma del depósito lobular formado por una pluma de elevación es más estrecha que para una pluma similar que no se eleva.

Predicción

La predicción de la erosión causada por las corrientes de turbidez, así como de la distribución de los depósitos de turbiditas (su extensión, espesor y distribución del tamaño de grano), requiere la comprensión de los mecanismos de transporte y deposición de sedimentos , que a su vez dependen de la dinámica de fluidos de las corrientes.

La extrema complejidad de la mayoría de los sistemas y lechos de turbiditas ha promovido el desarrollo de modelos cuantitativos del comportamiento de las corrientes de turbidez inferidos únicamente a partir de sus depósitos. Por lo tanto, los experimentos de laboratorio a pequeña escala ofrecen uno de los mejores medios para estudiar su dinámica. Los modelos matemáticos también pueden proporcionar información significativa sobre la dinámica de las corrientes. A largo plazo, las técnicas numéricas son probablemente la mejor esperanza para comprender y predecir los procesos y depósitos de corrientes de turbidez tridimensionales. En la mayoría de los casos, hay más variables que ecuaciones gobernantes , y los modelos se basan en supuestos simplificadores para lograr un resultado. [ 5 ] La precisión de los modelos individuales depende, por lo tanto, de la validez y la elección de los supuestos hechos. Los resultados experimentales proporcionan un medio para restringir algunas de estas variables, así como para proporcionar una prueba para dichos modelos. [ 5 ] Todavía se requieren datos físicos de observaciones de campo, o más prácticos de experimentos, para probar los supuestos simplificadores necesarios en los modelos matemáticos . La mayor parte de lo que se sabe sobre las grandes corrientes de turbidez naturales (es decir, aquellas significativas en términos de transferencia de sedimentos a las profundidades marinas) se infiere de fuentes indirectas, como roturas de cables submarinos y alturas de depósitos sobre los fondos de los valles submarinos. Si bien durante el terremoto de Tokachi-oki de 2003 se observó una gran corriente de turbidez mediante el observatorio cableado, que proporcionó observaciones directas, algo que rara vez se logra. [ 36 ]

Exploración petrolera

Las compañías petroleras y gasíferas también están interesadas en las corrientes de turbidez porque estas depositan materia orgánica que, con el tiempo geológico, se entierra, se comprime y se transforma en hidrocarburos . El uso de modelos numéricos y canales de flujo se utiliza comúnmente para comprender estas cuestiones. [ 37 ] Gran parte de la modelización se utiliza para reproducir los procesos físicos que rigen el comportamiento y los depósitos de las corrientes de turbidez. [ 37 ]

Enfoques de modelado

Modelos de aguas poco profundas

Los denominados modelos de profundidad promedio o de aguas poco profundas se introdujeron inicialmente para corrientes de gravedad composicionales [ 38 ] y posteriormente se extendieron a corrientes de turbidez. [ 39 ] [ 40 ] Las suposiciones típicas utilizadas junto con los modelos de aguas poco profundas son: campo de presión hidrostática, el fluido claro no se arrastra (ni se desarraiga) y la concentración de partículas no depende de la ubicación vertical. Considerando la facilidad de implementación, estos modelos pueden predecir características del flujo, como la ubicación o la velocidad del frente, en geometrías simplificadas, por ejemplo, canales rectangulares, con bastante precisión.

Modelos con resolución de profundidad

Con el aumento de la capacidad computacional, los modelos con resolución de profundidad se han convertido en una herramienta poderosa para estudiar las corrientes de gravedad y turbidez. Estos modelos, en general, se centran principalmente en la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes para la fase fluida. Con una suspensión diluida de partículas, un enfoque euleriano ha demostrado ser preciso para describir la evolución de las partículas en términos de un conjunto de campos de concentración de partículas continuos, cada uno de los cuales representa un tipo único de densidad y/o diámetro de partícula. Bajo estos modelos, no se necesitan suposiciones como en los modelos de aguas poco profundas y, por lo tanto, se realizan cálculos y mediciones precisas para estudiar estas corrientes. Mediciones como el campo de presión, los balances de energía, la concentración vertical de partículas y las alturas de depósito precisas son algunas de las que cabe mencionar. Tanto la simulación numérica directa (DNS) [ 41 ] como el modelado de turbulencia [ 42 ] se utilizan para modelar estas corrientes.

Ejemplos notables de corrientes de turbidez

  • Minutos después del terremoto de Grand Banks de 1929 frente a la costa de Terranova , los cables telefónicos transatlánticos comenzaron a romperse secuencialmente, cada vez más lejos ladera abajo, lejos del epicentro . Doce cables se rompieron en un total de 28 lugares. Se registraron las horas y ubicaciones exactas de cada rotura. Los investigadores sugirieron que un deslizamiento  submarino o corriente de turbidez de sedimentos saturados de agua, estimado en 60 millas por hora (100 km/h), barrió 400 millas (600 km) ladera abajo del talud continental desde el epicentro del terremoto, rompiendo los cables a su paso. [ 43 ] Investigaciones posteriores de este evento han demostrado que las fallas de sedimentos del talud continental ocurrieron principalmente por debajo de los 650 metros de profundidad del agua. [ 44 ] El deslizamiento que ocurrió en aguas poco profundas (5–25 metros) pasó ladera abajo en corrientes de turbidez que evolucionaron ignífugamente. [ 44 ] Las corrientes de turbidez mantuvieron un flujo sostenido durante muchas horas debido a la falla regresiva tardía y la transformación de flujos de detritos en corrientes de turbidez a través de saltos hidráulicos. [ 44 ] 
  • La zona de subducción de Cascadia , frente a la costa noroccidental de Norteamérica, tiene un registro de turbiditas desencadenadas por terremotos [ 9 ] [ 12 ] [ 45 ] que se correlaciona bien con otras evidencias de terremotos registrados en bahías y lagos costeros durante el Holoceno. [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] Se han correlacionado cuarenta y una corrientes de turbidez del Holoceno a lo largo de la totalidad o parte del  límite de placas de aproximadamente 1000 km de longitud que se extiende desde el norte de California hasta el centro de la isla de Vancouver. Las correlaciones se basan en edades de radiocarbono y métodos estratigráficos del subsuelo. El intervalo de recurrencia inferido de los grandes terremotos de Cascadia es de aproximadamente 500 años a lo largo del margen norte y de aproximadamente 240 años a lo largo del margen sur. [ 45 ]
  • Taiwán es un punto crítico para las corrientes de turbidez submarinas debido a la gran cantidad de sedimentos suspendidos en los ríos y a su actividad sísmica, lo que conlleva una gran acumulación de sedimentos en el fondo marino y la activación de terremotos. [ 51 ] Durante el terremoto de Pingtung de 2006 frente a la costa suroeste de Taiwán, once cables submarinos que atravesaban el cañón de Kaoping y la fosa de Manila se rompieron secuencialmente a  profundidades de entre 1500 y 4000 m, como consecuencia de las corrientes de turbidez asociadas. [ 51 ] A partir del momento de la rotura de cada cable, se determinó que la velocidad de la corriente tenía una relación positiva con la pendiente batimétrica . Las velocidades de la corriente fueron de 20 m/s (45 mph) en las pendientes más pronunciadas y de 3,7 m/s (8,3 mph) en las pendientes menos pronunciadas. [ 51 ]    
  • Una de las primeras observaciones de corrientes de turbidez fue realizada por François-Alphonse Forel . A finales del siglo XIX, realizó observaciones detalladas de la caída del río Ródano en el lago Lemán [ 52 ] en Port Valais. Estos trabajos fueron posiblemente la primera identificación de una corriente de turbidez [ 53 ] y analizó cómo se formó el canal submarino a partir del delta. En este lago de agua dulce, es principalmente el agua fría la que provoca la caída del flujo de entrada. La carga de sedimentos por sí sola generalmente no es lo suficientemente alta como para superar la estratificación térmica estival en el lago Lemán .
  • La corriente de turbidez más larga jamás registrada ocurrió en enero de 2020 y fluyó a lo largo de 1100 kilómetros (680 millas) a través del cañón del Congo durante dos días, dañando dos cables de comunicaciones submarinos. La corriente fue resultado de los sedimentos depositados por las inundaciones del río Congo de 2019-2020 . [ 54 ] 

Véase también

Referencias

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