IX. METODOLOGÍA Y EQUIPO PARA EL ESTUDIO DE LA OCEANOGRAFÍA GEOLÓGICA
LA OCEANOGRAFÍA GEOLÓGICA o geología marina se encarga de estudiar la naturaleza y desarrollo de las cuencas oceánicas y los cambios que han sufrido desde que se formó nuestro planeta. Para realizar este estudio es necesario conocer la parte sólida de la superficie terrestre cubierta por el agua del mar, para lo cual se han diseñado equipo y metodologías que nos permiten obtener muestras de esta corteza.
Se puede considerar que las primeras muestras del fondo marino fueron recolectadas por los primitivos navegantes. Por lo menos, se sabe que los bateleros o remeros egipcios del delta del Nilo, reconocían la proximidad de la costa sondeando con largas varas, que recogían fango en su punta como primeras muestras de los sedimentos del mar.
Al iniciarse la investigación oceánica, se utilizaron las sondas de mano, tradicional instrumento de medición de todos los marinos, compuesta de una larga cuerda de cáñamo y un peso, útil para obtener los datos de profundidad.
Posteriormente se diseñó un sistema de muestreo en base a un tipo de sonda llamada escandallo, abriéndole en su extremo inferior, una cavidad a la que se le untaba sebo para que se adhiriera el fango del fondo. Este método fue utilizado en el transcurso de los siglos y permitió reconocer los fondos marinos, pudiendo elaborarse, más tarde, las primeras cartas marinas en donde se señalaron los diversos materiales que formaban los fondos: arena fina, conchuela, limo, cascajo, etcétera.
En esta época, el conocimiento sobre el fondo marino quedaba limitado al estudio de las costas y de áreas de poca profundidad, pero poco a poco surgió la inquietud por conocer zonas más profundas del océano.
Entonces el geólogo marino se encontró con el problema de que para obtener esta información tenía que utilizar métodos indirectos, ya que su presencia física a grandes profundidades quedaba limitada debido a las elevadas presiones que allí se manifiestan. A 5 000 metros de profundidad existe una presión de 500 kilogramos por centímetro cuadrado; presión prohibitiva, que sólo algunos batiscafos especiales pueden soportar. En consecuencia, la mayoría de los estudios se realizan, en la actualidad, desde barcos oceanográficos con características especiales para situarse en alta mar, con errores no superiores a unas cuantas docenas de metros; una muestra geológica de la que no se sepa exactamente donde se tomó no sirve.
La tecnología propició el diseño de aparatos que permitieran estudios más completos, debido a que las simples descripciones con las que se contaba no eran suficientes para el avance del conocimiento de los fondos marinos, sobre todo de las profundidades oceánicas. Así, se inicia la construcción de aparatos llamados sondas o nucleadores, con los que se intensifican estos estudios. Se reporta que la primera sonda fue diseñada y construida por Brooke, oceanógrafo de los Estados Unidos, para la famosa expedición del barco Porcupine en 1870.
Posteriormente, en la expedición del Challenger (1872-1873) se empleó un tubo-botella que era una especie de sacabocados, el cual recogía, además de la muestra del fondo, la del agua que lo recubría; cuando el fondo estaba compuesto de fango el resultado era satisfactorio, pero cuando contenía arena, se salía por falta de la cohesión necesaria, por lo que tuvo que diseñarse un mecanismo de cierre.
A mediados del siglo pasado, cuando los países lograban mayor comunicación entre sí por el desarrollo del intercambio comercial y por la aparición de la telegrafía, se iniciaron los estudios y trabajos para el tendido de los cables submarinos a través del fondo oceánico.
Un esfuerzo importante que se llevó a cabo en esta época para conocer el fondo marino fue el de Cyrus Field, técnico estadounidense, cuando instaló un cable telegráfico a través del Atlántico.
Al tener la necesidad de conocer, aunque fuese de manera aproximada, la configuración del fondo del mar, solicitó la asesoría del teniente de navío Matthew Fontaine Maury, considerado como el padre de la oceanografía moderna, quien había propuesto realizar el estudio sistemático de los océanos.
En base al proyecto de Maury, la armada de los Estados Unidos decidió equipar algunos de sus barcos para la Investigación oceanográfica. Se emplearon una serie de aparatos entre los que se encontraba la sonda de mano, con la que se empezó a medir las profundidades, que eran prácticamente desconocidas.
Con los datos que se obtuvieron, se trazaron cartas de navegación más completas señalando las diferentes profundidades, así como el lugar donde se encontraban. Todo esto se tradujo en la comprobación de que el fondo oceánico contenía planicies, enormes salientes y profundas depresiones, presentando una imagen tan variada como la que se observa en los continentes.
La sonda de Brooke fue sustituida por la sonda mecánica, que tenía un cable de acero enrollado en una especie de grúa o cabrestante movido por un motor de vapor; este cable llevaba en el extremo un peso, el cual al tocar el fondo se soltaba disminuyendo la tensión del cable, lo que hacía que el cabrestante dejara de accionar y la cantidad de cable desenrollado indicaba la profundidad que tenía la zona. La incorporación del motor facilitó la maniobra para lanzar cables de mayor dimensión y llegar a zonas más profundas, aumentando el número de mediciones en menor tiempo.
Con los datos que se obtuvieron con este tipo de muestreo se pudieron hacer cartas más exactas y el Instituto de Oceanografía de Berlín publicó, en 1912, el primer mapa alemán sobre profundidades, el que se basaba en 6 mil mediciones, que para esa época eran muchas, pero para nuestros días resultan escasas, debido a que los cartógrafos necesitan, de 1 500 a 2 000 sondeos para levantar el perfil del fondo oceánico de un área comprendida entre un grado de latitud.
Estos sondeos se efectuaron en vísperas de la guerra de 1914-1918. Fue entonces
cuando apareció un nuevo método de sondeo —la primera ecosonda práctica—
creada por el físico alemán Alexander Behm, en 1919. Todos los barcos equipados
con este instrumento podían y pueden medir continuamente el fondo con ondas
sonoras que se envían hacia el fondo del mar, donde son reflejados y registrados
en dicho instrumento; el tiempo que tarda la señal en regresar al barco multiplicado
por la velocidad de propagación del sonido, dividido entre 2, es la distancia
que hay del barco al fondo del océano; asimismo, es posible registrar su perfil
en un ecógrafo, aparato que reproduce las líneas del fondo sobre un papel
formando una gráfica o ecograma, mientras el barco está navegando, pudiendo
saber en cualquier momento la profundidad, el tipo y las características del
fondo marino.
La tecnología para diseñar ecosondas se ha desarrollado mucho, llegando a utilizar las ondas ultrasónicas en las ecosondas de precisión, con las que pueden estudiarse las máximas profundidades del mar.
Durante los últimos años, se han introducido múltiples perfeccionamientos a los aparatos de sondeo ultrasónico. Gracias a ellos, actualmente es posible determinar la profundidad con la máxima precisión.
Asimismo, las sondas o nucleadores se fueron perfeccionando, pudiéndose obtener muestras a mayor profundidad y de mayor longitud. En la expedición holandesa del barco Willebrod Snellius que se realizó en los años de 1929-1930, se colectaron muestras de dos metros de longitud, facilitándose el estudio de la estratificación de los sedimentos. Esta estratificación consiste en que los diferentes componentes del fondo oceánico —barro de globigerinas, arcilla roja, cienos azules—, se colocan en capas alternadas.
Estos instrumentos consisten en un tubo largo, cuyo extremo inferior tiene un diafragma que permite el paso de la muestra, pero no su salida. En la parte superior posee un agujero para la salida del agua desplazada por la muestra del fondo, pero se cierra mediante un mecanismo cuando el nucleador es izado al barco, impidiendo la entrada de agua al tubo donde está la muestra.
En 1935, el científico Piggot, en los Estados Unidos, construyó una sonda que hace las veces de cañón: lanza un tubo proyectil que cuando llega y toca el fondo se dispara, permitiendo recoger sedimento a mayor profundidad, e incluso, en rocas de estructura medianamente dura. Los investigadores franceses han perfeccionado el aparato adaptándole un disparador eléctrico.
En el viaje de estudios que realizó Piggot en el Atlántico, desde Halifax, Canadá hasta Cabo Land's End, Inglaterra, muestreó fondos que se encontraban a más de 4 000 metros de profundidad y cada núcleo muestreado con una longitud de 3 metros. Con sus estudios, se pudo comprobar que la sucesión de sedimentos es distinta a uno y otro lado de la cresta dorsal Centroatlántica. Esta observación, unida a otras, como el estudio de la distribución de las conchas de foraminíferos, permitió suponer que esta cordillera meridiana emergió durante la era Cuaternaria, ya que estos organismos son indicadores de las condiciones ecológicas que existieron en esas épocas.
Un enorme adelanto en el diseño de estas sondas se presenta cuando el oceanógrafo Kullenberg emplea, en 1947, la presión hidrostática del agua del mar para producir un vacío parcial en el tubo muestreador y obtener muestras de gran longitud. Este vacío hace que la muestra no presente resistencia, permitiendo al tubo hundirse más en el piso del océano.
Esta sonda, sonda de pistón o sonda de Kullenberg fue utilizada
en la expedición que realizó el barco oceanográfico Skagerrak por el
Mediterráneo, donde se colectaron muestras de 10 a 13 metros de longitud, a
una profundidad de 3 000 metros. Con el estudio de estas muestras se pudo establecer
una cronología de las erupciones del Vesubio y del Etna, por las cenizas que
se conservan en su seno, mezcladas con otros sedimentos. Se comprobaron, por
ejemplo, las erupciones del Vesubio, que se efectuaron en el año 79 y en 1906.
Uno de los trabajos de mayor alcance en el estudio de los fondos oceánicos, lo realizó la nave oceanográfica Albatross, del Instituto Sueco de Oceanografía, en 1947. Esta nave recorrió colectando muestras del fondo, los océanos Atlántico y Pacífico, siguiendo una marcha paralela al ecuador; se colectaron más de 300 muestras de fondos, a una profundidad de 5 000 metros y con una longitud de l0 a 19 metros. Si se toma en cuenta que en el Océano Atlántico se ha calculado que los sedimentos aumentan 8 milímetros cada mil años, una muestra de 15 metros representará la sedimentación de unos 2 millones de años.
En este estudio se concluyó, por el tipo de flora y fauna fósil que se encontró en los sedimentos, que la era Terciaria tenía un clima cálido; en brusco contraste con el de la era Cuaternaria que le siguió, en la que se formaron los inmensos casquetes polares.
Con esta sonda de pistón se han logrado obtener núcleos del sedimento oceánico hasta de 30 metros. Una sola de estas muestras contiene la huella del pasado geológico y biológico de los océanos, herencia de un millón de años de historia de la Tierra y de la vida.
Las sondas se pueden dejar caer libremente desde el barco o bajarlas lentamente y se disparan antes de llegar al fondo. La extracción de muestras se facilita por la presencia de un tubo de plástico transparente u opaco en el interior de la sonda que protege la muestra para su posterior análisis. Estos tubos que guardan la muestra se pueden cortar fraccionándolos cada 10 o 20 centímetros con una sierra; en estos cortes se puede observar la estratificación y el tipo de sedimento.
Con el fin de lograr mejores resultados, las muestras se cubren con parafina o plástico para que conserven sus características y de esta forma poderlas estudiar posteriormente en los laboratorios en tierra. El análisis de las muestras colectadas por las sondas, es una tarea delicada. Por esta razón generalmente en los barcos oceanográficos va un equipo humano compuesto por químicos, mineralogistas, geólogos, físicos y biólogos.
El número de muestras puede llegar a ser considerable en poco tiempo; si la sonda recoge sedimento sólo en la parte superficial, constituye una sola muestra, pero, cuando ésta tiene 8 metros, representa por sí sola un mínimo de 40 muestras y máximo de 80, según si se cortan cada 10 ó 20 centímetros.
De estas muestras se miden algunos caracteres de los sedimentos como son: el contenido de agua, su rigidez, su permeabilidad y su densidad. Asimismo se hacen cultivos de bacterias que son de gran importancia para el estudio de las modificaciones químicas que provocan en los fondos y, también, para medir grados de contaminación del mar.
Como en muchas ocasiones no se dispone de buques lo suficientemente grandes para comenzar el trabajo de análisis a bordo, las muestras se conservan sin cortar y, llegando a la base, se colocan a una temperatura constante de 5ñ C, no habiendo pasado más de 10 días a la temperatura ambiente. En el laboratorio son seccionadas en fracciones de 1.50 metros, aserradas en sentido longitudinal con su tubo de plástico. La mitad se conserva en la cámara frigorífica, mientras la otra sirve para los análisis.
Cuando las muestras llegan al laboratorio, todo un equipo entra en actividad para proceder a su estudio, que es largo y minucioso. Las determinaciones más comunes para las muestras son: la determinación granulométrica, la dosificación de carbonatos y el estudio de las arcillas con los rayos X.
Entre otros análisis que se realizan destacan el examen en el microscopio para observar restos de microorganismo y de fósiles; el análisis químico para determinar el hierro, níquel, manganeso y otros elementos como los radiactivos, y el análisis mineralógico para conocer los componentes minerales, además de buscar restos de meteoritos o partículas cósmicas.
En los estudios de los núcleos del fondo del mar, también han sido utilizadas las dragas para colectarlas; éstas permiten obtener grandes cantidades de sedimento, con conchas, gravas, y otros fragmentos de fondo duro, así como rocas, que no cabrían en el tubo de las sondas.
Una de las más utilizadas es la draga tipo Petersen; ésta se sumerge suspendida de un cable de acero hacia el fondo y cuando lo toca se cierra en forma violenta, recolectando una muestra de los sedimentos y, en ocasiones, dependiendo de la constitución del fondo, recoge fragmentos rocosos o coralinos. El cierre de la draga se lleva a cabo tirando el cable al llegar aquella al fondo o con un mecanismo automático que se dispara con un peso o mensajero que se envía desde el barco.
Al compararse de una manera seriada los resultados de los estudios de los fondos oceánicos, se observa que su perfil ha ido cambiando a lo largo de miles de años, porque ha sido posible comprobar que en muchas áreas se han acumulado grandes capas de sedimentos sobre el fondo rocoso.
Cuando el estudio se hace utilizando únicamente la ecosonda, las ondas reflejadas
solo registran la información sobre los sedimentos superficiales y no los datos
de las capas profundas. Por esa razón, el doctor Maurice Ewing, oceanógrafo
estadounidense, desarrolló una técnica combinando la ecosonda con explosiones
sísmicas provocadas, al arrojar al agua desde un buque, cargas de dinamita y
TNT, que explotan a escasa profundidad a intervalos determinados.
Estas explosiones producen ondas sonoras que chocan con la superficie de la capa del sedimento que genera un primer eco y después se transmiten hasta el fondo rocoso golpeando en él y produciendo un segundo eco. Ambos ecos son recogidos por el registrador de la ecosonda produciéndose el ecograma correspondiente. En la actualidad la dinamita ha sido sustituida por aire comprimido y descargas eléctricas.
Los distintos tiempos de recepción de las diferentes ondas reflejadas proporcionan una idea más exacta sobre la disposición y el espesor de la capa de sedimentos, que en el Atlántico alcanza unos 650 metros y cerca de 300 en el Pacífico.
Para apoyar las investigaciones del fondo oceánico utilizando las sondas y las dragas, se emplean métodos relacionados con la prospección geofísica de gran aplicación en oceanografía sobre todo cuando ésta tiene finalidades prácticas. Este tipo de prospección consiste en determinar la naturaleza y la estructura del sustrato, empleando métodos indirectos como los usados en sismología, en gravimetría y en los estudios del magnetismo terrestre.
Para situar las riquezas de los fondos oceánicos también se han diseñado métodos para su localización y explotación. Los técnicos estadounidenses extraen los valiosos nódulos de manganeso con aparatos semejantes a enormes escobas que giran o a gigantescas aspiradoras. La codiciada materia prima es izada hasta los barcos mediante tubos aspiradores y desde allí conducida a tierra para su elaboración, pero hasta la fecha ninguna explotación sistemática se ha podido realizar.
Los geólogos que se ocupan en la búsqueda del petróleo en el fondo del mar tienen que determinar la naturaleza de las capas geológicas existentes bajo la capa sedimentaria reciente. Trabajan en aguas poco profundas, principalmente en la zona costera y en la plataforma continental, buscando en el mar la prolongación de las cuencas reconocidas con éxito y ya explotadas en tierra. Para realizar la exploración del petróleo y posteriormente su aprovechamiento, las plataformas de perforación se elevan sobre la superficie del mar, llegando a perforar hasta 90 metros de profundidad.
Los métodos de perforación son muy variados, siendo los principales: el de percusión, que consiste en el golpeteo del terreno por la sonda que va abriéndose paso arrancando fragmentos y el de rotación, donde la sonda excava el pozo al girar. Las cabezas de las sondas están provistas de barrenas y coronas dentadas de materiales muy duros como aceros especiales, diamantes y otros. En la actualidad se han alcanzado profundidades de perforación de casi 8 000 metros en algunos pozos petrolíferos marinos.
En nuestros días, la exploración petrolera se ha extendido hasta el talud continental y los grandes fondos marinos. En el talud continental del Golfo de México se ha perforado a profundidades de l 500 metros y con el buque perforador Glomar Challenger se ha llegado a profundidades de 6 000 metros en grandes cuencas abisales.
Dentro del programa de investigación de las profundidades oceánicas de los
Estados Unidos se utiliza para perforar un barco singular llamado FLIP
(Floating Instrument Plataform), de 110 metros de eslora que para
realizar estudios en un lugar determinado del océano, se coloca verticalmente,
hundiendo su proa quedando su popa a flote.
Esta posición permite que el FLIP tenga gran estabilídad y pueda permanecer el tiempo necesario en la zona de trabajo. Su construcción permite que en la popa se localicen cuatro pisos de camarotes y laboratorios, en donde el mobiliario y equipo pueden usarse mientras la nave se encuentra en posición vertical.
En estos estudios sobre los océanos, desde las más antiguas expediciones, existen entre los científicos de todo el mundo, una colaboración que no reconoce fronteras, ni nacionalidades; así, por ejemplo, en la famosa expedición del Challenger aportaron su colaboración, además de los investigadores ingleses, que la organizaron, especialistas alemanes, franceses y españoles.
Desde 1968 se inició un proyecto de perforación para la investigación de los sedimentos y las rocas de las cuencas oceánicas profundas, con el fin de estudiar su edad y la historia de su evolución. En este proyecto intervienen geólogos de la Institución de Scripps de Oceanografía de la Universidad de California —que dirige el proyecto—, el Observatorio Geológico Lamont Doherty de la Universidad de Columbia, la Institución Oceanográfica de Woods Hole, el Instituto de Ciencias Marinas y de la Atmósfera de Miami y la Universidad de Washington, además de geólogos de todo el mundo.
El programa científico de este proyecto, al que se le ha llamado JOIDES —Programa oceanográfico para la extracción de muestras profundas de la Tierra—, se preparó en un panel de discusión, en el que participaron tanto geólogos de los Estados Unidos como del resto del mundo, quienes han contribuido para que este notable esfuerzo científico alcance los resultados que de él se esperan.
La obtención de muestras para el programa JOIDES se realiza desde un buque perforador que fue diseñado especialmente para este trabajo: el Glomar Challenger, con 122 metros de eslora y 10 500 toneladas de desplazamiento. En su estructura tiene incorporada una torre de perforación que se eleva 60 metros sobre la línea de flotación.
Puede operar en aguas muy profundas sin anclas y no moverse encima de un mismo lugar del océano, debido a que tiene un dispositivo acústico que manda señales al fondo del océano y después las recoge con otros aparatos llamados hidrófonos. Éstos están colocados en el casco del buque y los trasmite a una computadora electrónica que se encuentra en el barco, la cual se encarga de calcular la distancia que se ha separado del sitio donde tiene que estar y de enviar instrucciones a las máquinas y a las hélices para que produzcan la potencia necesaria y la embarcación se coloque nuevamente en la posición correcta. Con este mecanismo se puede mantener en ella, a pesar de los vientos y de las corrientes marinas.
Después de un año de perforaciones el Glomar Challenger ha establecido un record que hace honor a la nave histórica, a la que debe su nombre, por haber recolectado casi 5 000 metros longitudinales de muestras del fondo oceánico, a una profundidad de 6 000 metros logrando que el nucleador penetre a 1 000 metros en la corteza terrestre.
La perforación desde el Glomar Challenger se hace con un método similar a la del barrenado —que se utiliza para perforar los pozos petroleros—, y asegura obtener muestras de la totalidad del manto de sedimentos que cubre la mayor parte de las cuencas oceánicas profundas. Estas muestras son cortadas en tramos de 10 a 20 metros e incluidas en plásticos para su posterior estudio.
El programa científico JOIDES tiene como objetivo principal el tratar de conocer la edad de las cuencas oceánicas, su historia y los procesos de formación y de cambio, y para ello ha realizado desde su inicio cientos de cruceros con duración de 2 meses cada uno en todos los mares del mundo.
Se sabe que el planeta es dinámico, continuamente ocurren cambios. Uno de los conceptos más importantes del pensamiento geológico moderno compartido por todos los que estudian la historia de la Tierra, es que el fondo del océano se está expandiendo lentamente y en ocasiones sufre transformaciones por reacomodos o hundimientos de la corteza terrestre.
Parece ser, según los primeros resultados del proyecto de investigación JOIDES, que los continentes a ambos lados del Océano Atlántico se han estado separando lentamente a lo largo del tiempo y un nuevo fondo Oceánico se está formando a lo largo de la gran cadena de montañas en el centro del Océano Atlántico. Basándose en la edad de los sedimentos, es posible medir el ritmo con el que se está separando América del Norte de Europa y América del Sur de África. Este ritmo, de algunos centímetros por año, es un proceso muy veloz en términos geológicos. También es posible calcular, retrocediendo en el tiempo, cuándo se formó el Océano Atlántico si se piensa que el Atlántico Norte inició su formación hace unos 200 millones de años, y el Atlántico Sur unos 150 millones de años.
El campo de estudio de las profundidades oceánicas, a través de la oceanografía
geológica está cambiando constantemente, y ya atesora gran cantidad de conocimientos
acerca de la Tierra. Esta información es importante para la comprensión de la
evolución y formación del planeta, a fin de entender el origen de los océanos,
y pronosticar y evaluar los recursos minerales potenciales de los mares del
mundo.
