IV: MICROORGANISMOS Y MINERALES
RETOMANDO el tema visto a principios del capítulo precedente, veamos por qué el subsuelo de la ciudad de México posee una serie de propiedades que lo distinguen y destacan entre la mayoría de los suelos conocidos. Sus orígenes lacustre y volcánico causan en parte su complejidad, además influyen su edad y las condiciones geológicas en que se formó. Para entender y, aún más, para explicar sus propiedades y comportamiento, no basta con señalar estos importantes factores: es necesario además estudiar los materiales que surgen de tales condiciones y comprender con creciente detalle las interacciones de sus componentes.
Por su composición variada, este tipo de materiales se conoce como materiales multicomponentes, y para ellos existen métodos especiales de estudio, como la micromecánica. Adentrémonos en este capítulo, primero, en la descripción de sus componentes, para después hablar de sus interacciones y sobre todo, de las características microestructurales que provocan un comportamiento tan especial. Más tarde podremos ahondar más aún en los intrincados aspectos del comportamiento y propiedades de este suelo, cuando lo equiparemos a las investigaciones de materiales espaciales y sus equipos.
La complicada naturaleza de la composición del subsuelo de la ciudad de México ha sido causa de opiniones encontradas y de no pocas confusiones o ignorancia, al grado de que durante un tiempo los conocimientos fueron sustituidos por inexactitudes o hasta por mitos, que formaron un aura de misterio que oscurecía su verdadera naturaleza. A resolver el enigma se han dedicado grandes esfuerzos y talentos, entre los que destaca el cabal estudio de los investigadores universitarios Marsal y Mazan, importante tanto por el detalle como por el alcance y proyección de su obra. Sin embargo, algunos investigadores que realizaron estudios posteriores, antes de clarificar y ampliar la abundante información publicada, sucumbieron ante sus prejuicios predilectos y volvieron a poner en duda una serie de hechos ya establecidos con cierto rigor. Tratando de avanzar en el conocimiento sobre lo que el principal estudio del subsuelo encontró, se inició en 1980 una nueva investigación, todavía en proceso, que pretende seleccionar los hechos comprobados, añadir los nuevos resultados que hace posible el avance de la técnica de instrumentación y las teorías micromecánica y coloidal, así como abrir el camino para explorar conceptos poco estudiados, que pudieran ayudar a resolver algunas de las todavía múltiples y desafiantes incógnitas.
Entre las técnicas utilizadas para conocer la naturaleza de los materiales del subsuelo destaca el análisis a través de los patrones de rayos X, que se registran después de irradiar las arcillas. Los rayos X nos permiten ver , mucho más allá de lo que ven los ojos, algunas propiedades fundamentales de la materia. Se dice que los rayos X se difractan, o sea cambian su dirección de propagación, cuando son afectados de una manera muy particular por cada material. El fenómeno de la difracción "desenmascara" la estructura geométrica de los materiales (véase en la bibliografía, E. Braun), por lo que nos permite conocer la distancia que hay entre los átomos de las redes cristalinas o los arreglos de átomos de un material y, de ahí, identificar los compuestos que forman parte de la estructura. Para inferir qué compuestos están presentes, se compara el patrón de rayos X de cada muestra con unos patrones almacenados en un archivo, y con ello es posible concluir de qué materiales se trata (véase la figura 12). Pero todo no podía ser tan fácil: los minerales arcillosos del subsuelo, objeto de estudio de esta investigación, no son muy cristalinos, es decir, sus átomos no están tan ordenados como los cristales de la sal, por ejemplo. Entonces, sólo una parte de los componentes del subsuelo citadino se pueden identificar con este método, por lo que el estudioso se ve obligado a hacer uso de técnicas complementarias para clarificar su naturaleza compleja. No obstante, el análisis por rayos X de gran cantidad de muestras de diversas profundidades (se prepararon hasta 550 muestras de 163 estratos), nos ha posibilitado encontrar algunas interesantes variaciones de la composición de las arcillas de acuerdo con la profundidad a la que se hallaron. Así, se encontró que las muestras contienen mezclas de minerales como ilitas, plagioclasas, montmorilonitas y otros más; todos producto de las erupciones de volcanes que rodean el valle y del proceso de cambio natural (intemperización) que estos materiales sufren con el tiempo. Pero ya que cada volcán arroja materiales diferentes, además de que pueden llegar por otras vías, no necesariamente la aérea (como por el arrastre pluvial), los depósitos son de muy diversa naturaleza, lo que dificulta una identificación rápida o fácil.
Figura 12 Diafractogramas de rayos X que muestran la variabilidad de componentes
y grados de cristalización de las arcillas que forman parte del subsuelo.
Del análisis de las muestras del subsuelo del Valle de México, provenientes de varios sondeos realizados en la zona del lago, basándonos principalmente en un sondeo efectuado muy cerca del centro de la ciudad, se puede deducir lo siguiente:
Primero, la mineralogía cambia con la profundidad, como resultado de condiciones volcánicas y climáticas variables durante los procesos de sedimentación.
Segundo, las muestras analizadas fueron divididas con base en el tamaño de las partículas encontradas, que van desde décimas hasta decenas de micras. Entre la fracción más gruesa encontramos un predominio de feldespatos, que son los óxidos de silicio o silicatos más abundantes en la corteza terrestre (llegan a constituir el 50% del peso de la corteza), que se presentan probablemente como plagioclasas, que son minerales producto típico de erupciones, acompañados de considerables cantidades de carbonato de calcio, en su variedad de calcita; cabe resaltar que éste no se debe a la presencia de evaporitas de calcio, el llamado caliche (producto del afloramiento de minerales de calcio cuando un lago llega a secarse totalmente). Por medio de otra técnica, la microscopía electrónica, se confirmó que la mayoría de los cristales de calcita encontrados provienen de la concha de crustáceos microscópicos, identificados como ostrácodos, y también de la capa dura que más adelante describimos. También, en la fracción gruesa, se encontraron minerales no arcillosos, como la dolomita, especie identificada por primera vez en estratos del subsuelo de la ciudad, o los óxidos de silicio (cuarzo-a y cristobalita, en su forma de baja temperatura). Asimismo, se identificaron anfibolas, en su forma de hornblenda.
En cuanto a la fracción menor a 2 micras, donde se incluyen los minerales arcillosos, se identificó la montmorilonita, el mineral más abundante en muchos estratos. En forma de agregados que superan las 2 micras, se halló también ilita, caolinita, y mica, lo cual significa que la mayor parte de los minerales arcillosos del subsuelo se concentran en estos agregados. La montmorilonita encontrada varía ampliamente en su grado de cristalización (ya con elevada, ya con pobre cristalización). Si bien estos minerales no son del conocimiento del público en general, tampoco son raros ni extraordinarios, por lo que su aparente carácter místico no tiene bases, fuera de la ignorancia.
Si con la lectura de los resultados de investigaciones previas no se puede llegar a entender la compleja constitución microscópica del subsuelo, más dudas habrían de surgir con el estudio sistemático de cada estrato encontrado en los primeros treinta o cuarenta metros de profundidad. Estos primeros depósitos son importantes para la ingeniería, ya que sustentan las cimentaciones de todas las construcciones del centro de la ciudad. A profundidades de 30 a 40 in se encuentra la mencionada "primera capa dura" que es un potente (grueso) depósito, que evidencia quizá la más importante secuencia de las erupciones volcánicas de los últimos 60 000 años. El nombre de capa dura refleja el hecho de que éste es uno de los estratos más resistentes de los primeros 80 m del subsuelo (sobre esta capa descansan la gran mayoría de los pilotes de punta de las edificaciones más pesadas). Esta capa dura se encuentra a su máxima profundidad en la zona central de la ciudad y va siendo menos profunda a medida que se acerca a las orillas de lo que fue el antiguo lago.
Es interesante notar que la montmorilonita se caracteriza, en particular la poco cristalizada, por su alta capacidad de integrar y retener (absorber) el agua en su estructura microscópica, hecho que explica su notable pérdida de volumen cuando se seca al aire. Cuando los minerales arcillosos presentan una cristalinidad muy baja, es decir, cuando carecen de periodicidad en su estructura, difractan los rayos X desordenadamente, hecho que imposibilita su identificación, al punto de que a veces sólo se pueden clasificar como materiales amorfos, técnicamente llamados alófanos.
Tercero, la baja cristalización de las arcillas que encontramos en los primeros 30 m de profundidad, se debe principalmente a su origen volcánico y corta edad (menor a 30 000 años). Las arcillas de alta cristalinidad pertenecen generalmente a depósitos más antiguos.
Cuarto, como los factores climáticos afectaban la profundidad de las aguas del antiguo lago, en las épocas en las que ésta era muy baja, dichos factores inducían una alta concentración de sales, dando origen a horizontes abundantes en crustáceos, que son los que otros autores han confundido con el caliche: polvo blanquecino que aflora en suelos predominantemente de origen marino.
Quinto, se ha descartado la singularización de la mineralogía del subsuelo con nombres genéricos, como alófanas o montmorilonitas o ilitas, por ejemplo, y se describen con más precisión como mezclas de minerales varios, en su estructura y grado de cristalización.
Sexto, los fósiles microscópicos intercalados entre la arcilla afectan algunas de las propiedades mecánicas macroscópicas, como las de fragilidad, rigidez, plasticidad y resistencia.
Séptimo, el alto contenido de agua se puede explicar no sólo por la baja cristalinidad de los minerales arcillosos (cuyas grandes superficies, por un lado, llegan a tener hasta 800 metros cuadrados por cada gramo de material y, por otro lado, están altamente energizadas debido a los defectos cristalinos cercanos a la superficie, que por esta virtud forman múltiples capas de agua absorbida, es decir de agua que se estructura alrededor de los minerales, sobre todo en los poco cristalinos), sino también por la gran capacidad de los fósiles para retener agua en su estructura porosa. Por último, la variabilidad encontrada en la resistencia mecánica de los diferentes estratos se debe principalmente, entre otros factores, a la diversidad de microestructura de estos suelos, que incluyen además variaciones en la proporción del contenido de fósiles de los estratos.
Como cualquier otra investigación, el trabajo realizado para clarificar los aspectos relacionados con la composición fisicoquímica de los materiales que forman el subsuelo de la ciudad de México, no está concluido totalmente, pues si bien en los últimos ocho años se ha podido aumentar y precisar la información que se tenía previamente, también es cierto que la nueva investigación ha abierto nuevas interrogantes. Entre éstas podemos citar las siguientes: es necesario determinar los mecanismos de falla microestructural para los materiales más comunes del subsuelo, considerando sus diferentes propiedades mecánicas en función de la profundidad. Es conveniente, también, ahondar en la explicación de las causas de la gran capacidad de estos materiales para retener agua en su estructura. Por último, se estima conveniente continuar obteniendo información de utilidad para la ingeniería, a través de los datos que nos proporcionan los fósiles interestratificados, profundizando en particular en la manera en que éstos participan como elementos de la microestructura en las deformaciones causadas por los sismos y por las construcciones de la ciudad en continuo asentamiento.
Los materiales que conforman el subsuelo de la ciudad de México son, como decíamos, principalmente minerales arcillosos de composición química muy variable, con una proporción elevada de agua y sales en solución, como suele suceder en los suelos de origen lacustre, es decir, aquellos que se forman por la sedimentación en lagos. El tamaño de sus componentes, como las partículas de arcillas, son sumamente finos, va de 0.1 a 4 micras (pequeñísimas, si pensamos en que un cabello humano, tiene de 50 a 150 micras de diámetro) o de 2 a 400 micras si hablamos del componente de limos y arenas. Además de los minerales, dichos suelos de sedimentación lacustre contienen una gran variedad de fósiles microscópicos, principalmente restos de algas de hermoso y variado aspecto (véase, por ejemplo, la microfotografía de la figura 13), que se sitúan a diferentes profundidades y que miden de 1 a 200 micras. Hay también ostrácodos, unos crustáceos entre dos conchas, parecidas a las de la almeja, pero de unas 50 a 500 micras (medio milímetro) solamente. En algunos de los estratos los fósiles son tan abundantes que, al tacto del experto en mecánica de suelos, se pueden tomar por arenas limosas y, por su tamaño mucho mayor en relación con las arcillas, añaden a tales estratos propiedades de comportamiento mecánico muy peculiares.
Figura 13. Micrografía de una diatomea. (Cyclotella s.p.) presente
entre las arcillas del subsuelo de la ciudad de México. Véase la contratapa
debajo de la valva. Diámetro aproximado, 9 micras.
Estudiando el material en su estado natural, en las llamadas muestras inalteradas, mediante un microscopio electrónico, se pudo constatar que los fósiles forman parte importante de la microestructura; por lo anterior, si se quiere entender cómo se comporta el suelo en el nivel microscópico, al ser sometido a esfuerzos similares a los de los sismos y otras solicitaciones mecánicas, es necesario tomar en cuenta los componentes fósiles que integran el suelo (véase, por ejemplo, la figura 14). Si pensamos en analogía con los metales y otros materiales compuestos, donde la densidad de microgrietas, es decir, el número de grietas dentro de un volumen dado, determina la resistencia máxima, los suelos son materiales que, dentro de un estrato en particular, presentan una considerable homogeneidad, pero ésta es interrumpida por innumerables fósiles, que en su mayoría no se adhieren a los minerales. Por lo tanto son nícrogrietas donde se interrumpe la continuidad formando planos de debilidad en donde la resistencia de las arcillas es menor, en proporción a la cantidad de fósiles. Como esta proporción varia de un estrato a otro de una manera notable, estratos de la misma mineralogía y proporción de agua pueden variar ampliamente en su resistencia y rigidez. La proporción depende del ambiente biológico que existió durante el proceso de sedimentación de cada estrato.
Figura 14. Micrografía del suelo arcilloso de la ciudad de Mexico. En ocasiones
los fósiles alineados crean grietas, o discontinuidades en la arcilla, causando
debilidades locales y fragilidad en las muestras.
En nuestro equipo de trabajo fue tal la impresión ante el hallazgo de la proporción y diversidad de fósiles en los diferentes estratos arcillosos, que la pregunta "¿que nos puede decir la presencia de cada especie fósil?" comenzó a ser cada vez más natural. No obstante, las primeras respuestas resultaban bastante dudosas o cuando menos excesivamente vagas. Aprovechando que trabaja una gran variedad de especialistas en los institutos de investigación de la Universidad Nacional, pronto nos acercamos a biólogos, paleontólogos y geólogos, para buscar ayuda en la comprensión de nuestro hallazgo. No tardamos mucho tiempo en decidir que para dar una respuesta apropiada a lo que resultaba ser una pregunta compleja, sería necesaria la integración de alguien que, con herramientas biológicas, buscara respuestas más firmes e informativas. Así, se incluyó al primer profesionista ajeno a la ingeniería en el Grupo de Micromecánica donde trabajo.
Las diatomeas presentes en el subsuelo de la ciudad de México presentan una variedad indiscutible. Con el desarrollo de la investigación sistemática, pudimos encontrar nueva información para completar el complicado cuadro que muestra el subsuelo de esta ciudad y causa algunas de sus propiedades micromecánicas. El estudio se inició con la observación de las muestras extraídas del subsuelo por medio del sondeo inalterado. Se obtiene una columna de unos 13 centímetros de diámetro y 35 a 40 metros de longitud, extraída por medio de tubos metálicos en sectores de un metro cada uno. A continuación, los cilindros de suelo descubiertos fueron cortados longitudinalmente para exponer los horizontes sedimentados durante un periodo de miles de años. Ahora creemos que estos primeros 30 metros tienen una edad de 30 000 años aproximadamente. Esta estimación se debe al hallazgo de un tronco, localizado a 28 metros de profundidad, por uno de los ingenieros que estudiaba la zona de paso de uno de los túneles del drenaje profundo, que se ha venido construyendo durante la última década en la ciudad. Este tronco fue fechado con la técnica de carbono 14 y la edad encontrada, según recuerdo, sorprendió a todos aquellos que dedicaron o dedican tiempo a entender los diversos parámetros del subsuelo. Estudios anteriores (como el de Marsal y Mazari, o el de D. Reséndiz) inferían, comparando diversos depósitos geológicos, edades mucho mayores.
Treinta mil años no es nada, cuando menos para los geólogos, que generalmente empiezan a interesarse en depósitos cuando éstos superan los 100 000 años de edad. Tampoco los paleontólogos encontraban mucho qué hacer, ya que los fósiles que ellos estudian llegan a tener, no miles, sino millones de años, por lo que los fósiles encontrados podían clasificarse, valga la expresión, como fósiles vivos; es decir, son restos de organismos de especies que aún existen.
Una de las formas de comprender la diversidad de estratos encontrados en el subsuelo es tener una noción de cómo se formaron. Con un esquema de los materiales originalmente sedimentados en el fondo del lago en cada época, es más fácil conocer los procesos de intemperización que dieron lugar a las arcillas tal y como las observamos hoy. Los principales factores que determinan qué materiales se sedimentan en un lago en cada época son diversos; hemos mencionado ya el origen volcánico de algunos de ellos, sin embargo, hay que considerar que el viento puede acarrear materiales a grandes distancias y, también, que la actividad de los organismos que habitaban el lago aportó una cantidad notable de materiales de origen orgánico al fondo. El estudio de los fósiles microscópicos, que en nuestro caso son las conchas de los ostrácodos y las valvas (esqueletos) de las diatomeas, hace posible que se identifiquen por medio de claves. Como este tipo de organismos aún habitan muchos lagos y presas mexicanos, es posible saber bajo qué condiciones se desarrollan mejor. Gracias a estos datos, de la evaluación de la cantidad y diversidad de fósiles, se pueden inferir las condiciones climáticas y químicas del lago en diferentes épocas. Para ello nos hemos valido de algunas herramientas de la ecología, que, justamente, estudia las relaciones entre las poblaciones y su ambiente. Con esto se ha podido reconstruir cuál fue, por ejemplo, la profundidad, temperatura, turbidez, actividad biológica y salinidad del lago, factores que ceden información no sólo de utilidad biológica, sino de otra índole, como la velocidad de sedimentación, la historia del peso soportado por estos sedimentos, su evolución, y también algunas estimaciones sobre su proceso de formación, que interesan a la geología o a la ingeniería (la salinidad y la acidez, por ejemplo, influyen notablemente sobre la resistencia del suelo, por lo que es muy importante saber cómo han cambiado éstas, y cuáles fueron sus valores aproximados en cada uno de los estratos).
Las diatomeas son algas unicelulares cubiertas por unas estructuras llamadas valvas, que embonan entre sí como una caja de Petri (de las que se usan en cultivos de microorganismos). Su forma puede ser circular, triangular, alargada como huso, o casi cualquier otra; estas valvas son las que permanecen como fósiles. Existen grandes depósitos (diatomitas) de estas valvas, que por cierto tienen muchas aplicaciones industriales y domésticas: se emplean por ejemplo, en la fabricación de dinamita, en ladrillos refractarios o en los filtros de agua, pues con una trama fina de diatomeas se pueden detener las partículas contaminantes (véase la figura 15).
Figura 15. Micrografía doble de superficie de un ostrácodo. A la izquierda
tomada con unos 1 000 aumentos y a la derecha 5 500x. Estas superficies retienen
mucho agua en sus numerosos poros. Se componen de carbonato de calcio, cuyos
cristales se puedan apreciar en la de mayor aumento.
Las diatomeas son vegetales fotosintéticos, es decir, obtienen su energía principalmente de la luz solar, igual que las plantas. Sin embargo, en ausencia de luz, algunas de ellas son capaces de alimentarse temporalmente de materia orgánica, por lo que cuando hallamos una gran cantidad de éstas, podemos suponer con toda confianza que el lago era un lago eutrófico, con gran cantidad de sales y materia orgánica disueltas y en el fondo. El método de análisis que utilizamos consiste básicamente en identificar las diatomeas presentes, contar la abundancia relativa de cada especie, y con criterios semicuantitativos y comparativos, hacer inferencias sobre la combinación de factores ambientales que favorecían la proporción de unas y otras. Esta metodología se emplea por lo común para establecer la calidad del agua en ríos y embalses. Por ejemplo, si encontramos una alta proporción de diatomeas planctónicas (que viven en la superficie o en suspensión) frente a las del fondo (bentónicas), podemos pensar que el agua era suficientemente clara o el lago poco profundo, y que permitía la entrada de luz y la actividad fotosintética. Si por el contrario hallamos una gran proporción de diatomeas que pudieran usar fuentes alternativas de energía, el dato nos llevaría a concluir que el agua tendría abundantes nutrientes, que sería turbia y con menos facilidad para la actividad fotosintética.
Esto parece fácil de llevar a cabo, pero hay múltiples problemas que enfrentar; por ejemplo, la alteración de las valvas con el tiempo: cuando el ambiente químico del fondo les es muy agresivo (corrosivo), se hace difícil o imposible identificarlas. Aunque también esto puede ser aprovechado para obtener resultados, como el de definir el ambiente químico y los iones presentes en los estratos, por ejemplo. Otro problema es que estamos reconstruyendo el panorama de diferentes épocas analizando sólo algunos de los muchos organismos que existieron en esos ecosistemas; los peces, las plantas acuáticas y otras algas, bacterias y protozoarios, por ejemplo, no dejan rastros tan evidentes y duraderos.
La especie de diatomea más notable por su gran tamaño es la llamada Campilodiscus clypeus (véase la figura 16). Es ésta la especie que cuando se combina con material muy fino se percibe al mero tacto, como los ostrácodos, y hace pensar en la presencia de limos y arenas finas entre las arcillas (cuando los suelos son de color oscuro, estas diatomeas resaltan como puntos blancos). La Campilodiscus se desarrolla bien en condiciones de abundante materia orgánica y en un ambiente azufroso, como el que probablemente dominó el lago durante algunos de los periodos de actividad volcánica. Esta especie es la dominante antes de la erupción, pero desaparece prácticamente después de ésta. Lo que observamos en los estratos subsecuentes es un aumento en las diatomeas planctónicas, que con el tiempo van cediendo su lugar poco a poco a diatomeas del fondo, con lo que se restablece una situación similar a la de antes de la erupción. Esto obliga a concluir que las emisiones de arena basáltica y posteriormente pumítica durante las explosiones volcánicas eliminaban gran parte de la actividad biológica en el lago, por un cambio drástico en acidez, temperatura, partículas en suspensión y en proceso de sedimentación, y que probablemente permanecían sólo algunas sales disueltas. El lago, de agua relativamente clara, impulsó el desarrollo de organismos planctónicos, lo que dio pie a una secuencia que condujo a un sistema cada vez más complejo de organismos, que se refleja en el aumento de nutrientes, materia orgánica y en el tipo de fósiles encontrados.
Figura 16. Diatomea Campilodiscus Clypeus, muy abundante en el subsuelo.
Su tamaño alcanza 50 micras.
Además de la proporción de diatomeas planctónicas frente a las bentónicas, el tipo de ostrácodos presentes depende de las condiciones de profundidad, salinidad, y energía de movimiento del agua. Los ostrácodos producen un par de conchas que los protegen; es posible verlos agrupados y nadando rápidamente de la superficie al fondo en algunos charcos y lagunas poco profundas. Ya que los ostrácodos que hemos encontrado del género Cypris parecen haber habitado en un ambiente de alta salinidad, es de esperarse que los estratos donde abundan correspondan a épocas de bajo nivel del lago, en las que aumentó la concentración de las sales disueltas. Éste parece haber sido un proceso en aumento continuo en las épocas finales del lago, como producto de la reducción en su tamaño por la evaporación y por el efecto de los primeros asentamientos humanos. En estudios anteriores sobre la mineralogía del subsuelo, se encontró calcita en abundancia en múltiples estratos, lo que, como decíamos, otros autores han interpretado como periodos de sequía, en los cuales afloró a la superficie seca el carbonato de calcio. Durante esta investigación se ha encontrado que, en la mayoría de los casos, esta calcita pertenece a las conchas de los ostrácodos, lo que indica que no había sequías, pues si había ostrácodos, había agua, aunque fuera poca. En cambio, hemos encontrado verdaderos cristales de carbonato de calcio que sí pueden indicar sequías breves, pero en estratos donde antes no se había demostrado tal efecto, como por ejemplo, en la capa dura (véase la figura 17).
Figura 17. Micrografía de material que compone capa dura, donde se asientan
muchos de los pilotes de las edificaciones de la ciudad de México. Nótese los
cristales de carbonato de calcio.
La idea que tenemos hoy del lago de la cuenca del Valle de México durante los últimos 30 000 años, es la de un lago relativamente poco profundo (probablemente tendría alrededor de 2 a 4 m en la zona más profunda), con gran cantidad de materiales disueltos, provenientes tanto de la actividad biológica como del arrastre pluvial y eólico de las laderas circundantes, de aguas turbias, y con una tendencia a secarse en algunas épocas (distantes unas de otras miles de años), y que culminó en su desaparición debido a factores principalmente humanos en los siglos XVI y XVII; sin embargo los actuales lagos de Texcoco, Xochimilco y Chalco, que continúan reduciéndose, son restos de aquel extenso lago. Las erupciones volcánicas fueron relativamente frecuentes y dominaron el paisaje en varios períodos. La vida en el Valle de México nunca ha sido tranquila y, a juzgar por la actual actividad humana, probablemente nunca lo será.
MEDIOS TÉCNICOS DE INVESTIGACIÓN
Para observar la respuesta de la microestructura de las arcillas del Valle ante cargas externas, se desarrolló un dispositivo electromecánico que puede comprimir una muestra pequeña (un cubo de 5 mm por lado) dentro de la cámara de observación del microscopio. Así, es posible observar, y medir, toda una serie de parámetros mecánicos como los desplazamientos de los microelementos que forman la microestructura (véase la figura 18), la propagación de grietas durante el proceso de falla, la influencia de los poros y del fluido interparticular. Por cierto, durante la observación en el microscopio electrónico de barrido de muestras del subsuelo no puede mantenerse toda el agua original dentro, pues los microscopios electrónicos funcionan sometiendo las muestras al alto vacío, y para evitar la evaporación del agua de los poros, ésta se sustituye por un polímero, soluble en agua, que tiene una viscosidad equivalente a la del agua. Para asegurarnos de que estos fluidos no cambiarán las propiedades mecánicas de manera notable, se realizó una investigación comparativa con el material natural (incluyendo agua, sales y grasas) y otra del material con un fluido sustituto (véase Peralta, Micromecánica de suelos, 1984). Los resultados obtenidos demostraron que la sustitución no causó cambios, ni en la resistencia, ni en las propiedades de deformación evaluadas contra el tiempo. Ya que esto no constituía un problema para la observación al microscopio electrónico, pudimos continuar, pero antes modificamos el equipo para que fuera capaz de extraer información cuantitativa mediante un accesorio ideado por nosotros que era capaz de permitir operaciones de resta de imágenes. Este proceso permite registrar y medir el desplazamiento de los componentes de la microestructura mientras la muestra se está sometiendo a regímenes de deformación. En su momento, el desarrollo de esta técnica de microscopía resultó ser muy novedoso: se anticipó con más de cuatro años a los modelos comerciales. Nosotros buscamos industriales que, apreciando sus ventajas, invirtieran en el desarrollo de un prototipo industrial, pero los únicos interesados fueron los fabricantes del microscopio, quienes nos propusieron un arreglo en donde ellos se quedaban con la parte del león, cosa que desde luego no aceptamos. Hoy, diversas compañías venden el accesorio a costos equivalentes al precio de un microscopio nuevo, diciendo que es una parte indispensable de todo equipo avanzado. Nuestros costos para lograr tal avance no llegaron ni a la décima parte del costo total del equipo. Moraleja: se puede, aun en países en desarrollo, innovar y hasta anticiparse a la gran mayoría, pero, por otro lado, esas cosas pasan desapercibidas en nuestro medio y ni siquiera son apreciadas en su dimensión real. Por lo pronto, nuestro accesorio siguió su curso, y dio lugar a múltiples trabajos útiles, ya publicados en el país y en el extranjero.
Figura 18. Micrografía de una muestra de arcilla del subsuelo del Valle
de México que muestra partículas arcillosas de baja cristalinidad. Son amorfas
y siempre se encuentran en agregados de múltiples individuos y sin orientación
preferencial. Las partículas más grandes son feldespatos, éstos sí, algo cristalinos.
Aunque el dispositivo de carga y otros equipos complicados como el procesador de imágenes fueron desarrollados específicamente para este estudio, sus funciones son aplicables a una gama de problemas que rebasan la ingeniería y fisicoquímica de suelos, como los de la biología, la investigación médica y la metalurgia, entre otros. Como nuestro interés es conocer la relación entre el comportamiento de la microestructura de un material y las características que lo hacen útil para la ingeniería, no basta la mera observación, aun cuando ésta sea muy importante en la gran mayoría de las veces. Por tanto, nuestro trabajo va encaminado a saber lo que ocurre microscópicamente en los materiales mientras están siendo sometidos a fuerzas externas, y a medir los desplazamientos de las partículas. Por cierto, este proceso de generación de los medios técnicos de investigación científica, resulta ser el origen de buena parte de los descubrimientos más notables de la humanidad, y acompaña siempre al desarrollo del avance científico. En ocasiones, los logros colaterales, muchas veces casuales, son de tal magnitud, que bien pueden justificar solos los gastos de investigación de un país. Cada técnica de análisis da una información precisa, pero nunca completa; este hecho, lejos de desalentar a un investigador, debe motivarlo a buscar nuevos medios para adentrarse en los enigmas de la naturaleza. Uno de los medios alternos que incluimos en nuestra investigación fue la espectrofotometría infrarroja, que utilizamos para el análisis de las arcillas. El infrarrojo, decíamos, es la radiación que sigue más allá del rojo en el espectro electromagnético y que el ojo humano no ve. Al irradiar una muestra con infrarrojo, ésta absorbe selectivamente más o menos radiación, según el compuesto que tenga el material. Si contamos con un dispositivo optoelectrónico para medir la energía emitida o absorbida por la muestra, podemos obtener un espectro del material: es decir, una especie de firma característica, específica de cada compuesto, que nos permite compararlo y diferenciar materiales que no pueden distinguirse con otras técnicas. Con esta técnica, hallamos que, entre sus componentes, nuestro subsuelo contiene grasas de origen animal.
La materia orgánica en descomposición se asentaba en el lecho del lago que hoy forma nuestro subsuelo y, como buen lago eutrófico, es decir, con mucha vida (los aztecas basaban buena parte de su alimentación proteínica en el pescado), estos desechos eran muy abundantes. Las grasas animales tardan muchos miles de años en degradarse totalmente, y ya que los suelos del Valle de México son de origen muy reciente, la presencia de las grasas y de ciertas sales da algunos estratos adicionales. Popularmente se da a una de esas propiedades el nombre de "jaboncillo", ya que, al tacto, algunos estratos se perciben como resbalosos. De esta nueva información surgieron preguntas, muchas de las cuales todavía no tienen repuesta, a saber: ¿cómo afecta la presencia de grasas y sales en solución las propiedades mecánicas del subsuelo?, ¿cuánto aumentan estos componentes la cohesión entre los elementos de la microestructura?, y también, ¿cuánto y cómo modifican las fuerzas de adsorción de agua, la tensión superficial y la viscosidad del líquido entre partículas? Las respuestas nos acercarían a poder explicar el comportamiento de las muestras de laboratorio, y quizá de todo el subsuelo. Para obtener esas respuestas fue necesario ampliar una vez más la investigación, incluyendo el uso de nuevos medios técnicos. Así como las últimas técnicas de que hablamos nos adentraron en el entendimiento de tan complejo material, en su momento también nos indujeron a averiguar sus propiedades más importantes. Por lo tanto, se buscaron y siguen buscándose otras técnicas instrumentales que abran caminos prometedores, como los nuevos tipos de microscopía en los que hemos depositado nuestras esperanzas. Además de los microscopios electrónicos que usamos para esta investigación, el avance de la técnica de microscopía más reciente nos presenta un novedoso e impresionante instrumento más: los microscopios túnel de barrido, que, para variar, son resultado de una búsqueda experimental dirigida a otros objetivos. Estos equipos han logrado imágenes de átomos y moléculas individuales y de sus vecinos. Con este nuevo microscopio nosotros podríamos determinar, entre miles de cosas más, cómo es la superficie de las partículas arcillosas del subsuelo, lo que nos serviría para entender lo que pasa entre dos partículas, cómo y cuánto se atraen o repelen, la fricción que existe entre ellas, y la repercusión de la presencia de la parte fluida: componente de la mayor importancia en nuestro subsuelo, tanto por su cantidad como por las sustancias que tiene disueltas
La interacción entre los minerales y el agua que contienen es un tema de gran importancia. El agua se adhiere a la superficie mineral y se estructura o acomoda hasta formar capas monomoleculares. Las moléculas ejercen fuerzas de atracción que pueden ser enlaces de hidrógeno, uno de los tipos de unión más comunes entre las moléculas de agua. Los enlaces de hidrógeno se forman de manera espontánea, progresiva y a temperatura ambiente, generando un efecto colectivo que hace que los materiales como los minerales arcillosos o las cenizas volcánicas, se estructuren crecientemente, integrando sólidos, líquidos y sales en solución hasta formar un sólido algo gelatinoso con propiedades macroscópicas uniformes; o variando de estrato a estrato por efecto a su vez de los cambios en la mineralogía, el tamaño de los componentes sólidos, las sales y en la proporción de líquido. Después de saber lo que pasa entre dos partículas, el conocimiento se puede ampliar utilizando algunos de los conceptos teóricos de la mecánica probabilística, que darían forma a las observaciones realizadas con miles de partículas, actividad que no se podría realizar con medios como los manuales, debido a la gigantesca cantidad de datos en forma de fotografías o imágenes; de ahí la importancia teórico-práctica del microscopio computarizado creado para esta investigación.
Los equipos que nos dan acceso a los detalles más recónditos de la naturaleza forman una estirpe fascinante. En cierta medida son extensiones de nuestros sentidos, y ampliaciones de la capacidad de cálculo y de representación. Los ojos, verdadera maravilla de la evolución natural, se agudizan hoy día aceleradamente por medio de los diversos tipos de microscopios, en especial los electrónicos. El alcance de las cámaras de fotografía y de sensores basados en las cámaras de televisión de nuevas tecnologías de semiconductores han aumentado la capacidad del ojo humano muchos cientos de veces. Respecto a la capacidad para distinguir objetos lejanos, tenemos el ejemplo de la astronomía con sus telescopios acoplados a sensores electrópticos que hacen posible que el hombre aprecie objetos tan lejanos, que primero sería necesario acostumbrarse a esas enormes distancias, para que siquiera nos signifiquen algo.
Actualmente, el hombre puede apreciar, con la ayuda de dispositivos ópticos especiales, regiones del espectro antes invisibles a sus ojos: los rayos X en un fluoroscopio médico o, con un telescopio equipado con detectores optoelectrónicos especiales, podría "ver" el ultravioleta, como veremos más adelante. También, el ojo puede hoy tener una visión nocturna-térmica (véase la figura 19) con los equipos de visión infrarroja, que pueden detectar pequeñas variaciones de temperatura en circuitos electrónicos, cojinetes, maquinaria y transformadores, anticipando así fallas futuras y haciendo posible un mantenimiento preventivo. Más aún, la visión infrarroja, sobre la cual podría escribirse todo un volumen, se utiliza en el diagnóstico de tumores y problemas de circulación, pues detecta las diferencias leves de la temperatura de la piel asociadas con estas alteraciones. Además, los dispositivos infrarrojos se utilizan para visión nocturna por su capacidad para captar imágenes en completa oscuridad; como podemos imaginar fácilmente, estos sistemas surgieron para uso militar.
Figura 19. Termogramas diversos. Los tonos grises y sus diferencias muestran
la distribución de temperaturas en, por ejemplo, una casa, el cuerpo humano,
un circuito electrónico y una aeronave.
Y hablando del desarrollo tecnológico de instrumentos no podemos dejar de referirnos al dispositivo MEPSICRON, realizado por investigadores del Instituto de Astronomía de la UNAM, que es un aparato que sirve para visualizar imágenes en diversas bandas del espectro, que incluyen aparte del visible, el ultravioleta y los rayos X. Este dispositivo es uno de los avances tecnológicos recientes más notables en el país. A pesar de que fue hecho para realizar observaciones astronómicas, sus campos de aplicación rebasan con mucho el interés original y ponen a la investigación científica mexicana en un alto puesto en un campo donde no es fácil figurar.
El MEPSICRON es un dispositivo para detectar radiación en cantidades
muy reducidas, por ejemplo, puede detectar la llegada de hasta un solo fotón.
Para el lector no familiarizado con la importancia de esta cifra, basta pensar
que cuando nos encontramos en una habitación con una lámpara prendida, llegan
a nuestro ojo 1023 (¡un uno seguido de 23 ceros!) fotones por segundo
(véase A. M. Cetto, La luz). En otras palabras, este aparato es capaz
de detectar pequeñísimas cantidades de radiación electromagnética, o sea que
se puede utilizar para formar imágenes de objetos que se encuentran a las mayores
distancias conocidas, en lo que hoy se describe como el límite del Universo.
La capacidad del MEPSICRON para visualizar imágenes desde el espectro visible hasta los rayos X se debe a que puede detectar fotones de diferentes longitudes de onda. Los fotones, cosa nada fácil de describir con lenguaje común y corriente, son, digamos, los portadores de la radiación electromagnética, en su expresión más común, a la cual conocemos como luz. Cuando colocamos este dispositivo en el plano focal de un telescopio, plano donde las imágenes están afocadas, los fotones que reflejan los espejos del telescopio se dirigen a la superficie del MEPSICRON; al llegar ahí, se convierten en electrones después de atravesar una delgada película conocida como fotocátodo. A partir de ahí, los ahora electrones son multiplicados aprovechando un efecto físico conocido como "cascada", con el que cada electrón genera a su vez otros 100 millones de electrones, los cuales son acumulados por un colector de carga eléctrica en donde, además, se registra la posición en la que impactó el fotón original la superficie del detector. De esta manera, análoga a como lo hacen el ojo humano o las cámaras fotográficas, se forma una imagen, resultado de la colecta de los fotones provenientes del objeto que se observa.
Quizá los detalles técnicos, que a muchos nos fascinan, no sean lo más interesante de este asunto, sino el hecho de que precisamente en nuestro país sea posible desarrollar un dispositivo con características que ya hubieran deseado investigadores de todos los países avanzados. Este es el tipo de circunstancia que alienta a los investigadores mexicanos a continuar sus búsquedas, a pesar de que muy poca gente en nuestro medio aprecia, valora, fomenta o da crédito al avance de la investigación en nuestro país, y particularmente en casos como éste en el que los resultados, en un principio, "solamente" repercuten en el avance de la tecnología instrumental para investigar.
Además del ojo, el oído es otro de los detectores naturales sobre los que el desarrollo tecnológico ha incidido para aumentar notablemente su alcance y capacidad de discriminacíon. No sólo nos referimos a la posibilidad de fabricar micrófonos transmisores minúsculos que permiten a algunos escuchar, sin invitación, lo que ocurre en reuniones dentro de habitaciones a kilómetros de distancia; o los pequeños colectores parabólicos, del tamaño de un plato sopero, que apuntando a un lugar específico, permiten escuchar una conversación que ocurre a cientos de metros. Sin embargo, esto no es nada: la versión optoelectrónica de los aparatos de escucha puede aumentar la capacidad del oído hasta situaciones que de nuevo hacen sospechar la influencia de la ciencia ficción (que, por cierto, ha sido precursora de casi todos los inventos técnicos más importantes).
Con equipos basados en láseres, es posible, por ejemplo, lanzar a grandes distancias rayos invisibles, en la banda infrarroja, que al apuntar hacia una ventana, a kilómetros de distancia, nos sirven para escuchar conversaciones; esta técnica utiliza la flexibilidad del vidrio de una ventana para que, actuando como membrana, haga el papel de un gran micrófono, y el láser es capaz de detectar las ínfimas vibraciones que provoca cualquier conversación sobre los cristales de la habitación.
En el caso del olfato, podemos citar los diversos dispositivos capaces de percibir minúsculas cantidades de material tóxico en el aire o en un líquido. Con la serie de aparatos conocidos como espectrofotómetros, se pueden desarrollar sistemas de alarma que oportunamente avisen a los tripulantes de una nave espacial, por ejemplo, que los niveles de oxígeno se alejan de los requerimientos vitales. Esto se puede aplicar en muchas situaciones más, como en la detección de fugas de gas o petróleo en tuberías subterráneas ¡aun desde helicópteros! Sin embargo, en el caso del olfato, el desarrollo de la técnica no ha sobrepasado a la naturaleza, ya que las cantidades detectables por un buen sabueso siguen estando fuera del alcance de los más modernos instrumentos. Pero lo que sí no sabemos es cuánto va a durar esta ventaja.
El tacto también ha alcanzado con el desarrollo tecnológico una sensibilidad extraordinaria, que hoy día se utiliza en la robótica. También son diversos los aparatos que sirven para determinar la textura, dureza, temperatura o grado de humedad de las cosas. Sólo unas líneas antes mencionábamos la capacidad de un láser para detectar cosas en movimiento, ya sea el vidrio de una ventana, la deformación del aspa de una turbina rotando a alta velocidad, y cientos de otros ejemplos, en que la vibración significa el reflejo de algún fenómeno mecánico cercano; movimientos y vibraciones que no se pueden detectar con el tacto o con la vista. Con un dispositivo llamado perfilómetro se puede evaluar la textura de una superficie con millones de veces más sensibilidad que con el tacto humano. Este aparato barre la superficie midiendo corrientes minúsculas que se establecen entre el perfilómetro y la superficie bajo estudio, y produce unas gráficas que nos muestran en forma amplificada las rugosidades de una superficie. Fue precisamente del perfilómetro de donde surgió la idea y la técnica básica para la invención del microscopio túnel de barrido, que, como decíamos, es capaz de representar en imágenes amplificadas la disposición de átomos adheridos o, como se dice en fisicoquímica, adsorbidos a un material. El tacto ha sido también mejorado con mucho por los equipos de termovisión, que detectan diferencias de temperatura un millón de veces menores que las que capta el tacto humano más experimentado.