IV: MICROORGANISMOS Y MINERALES

INTRODUCCI�N

RETOMANDO el tema visto a principios del cap�tulo precedente, veamos por qu� el subsuelo de la ciudad de M�xico posee una serie de propiedades que lo distinguen y destacan entre la mayor�a de los suelos conocidos. Sus or�genes lacustre y volc�nico causan en parte su complejidad, adem�s influyen su edad y las condiciones geol�gicas en que se form�. Para entender y, a�n m�s, para explicar sus propiedades y comportamiento, no basta con se�alar estos importantes factores: es necesario adem�s estudiar los materiales que surgen de tales condiciones y comprender con creciente detalle las interacciones de sus componentes.

Por su composici�n variada, este tipo de materiales se conoce como materiales multicomponentes, y para ellos existen m�todos especiales de estudio, como la micromec�nica. Adentr�monos en este cap�tulo, primero, en la descripci�n de sus componentes, para despu�s hablar de sus interacciones y sobre todo, de las caracter�sticas microestructurales que provocan un comportamiento tan especial. M�s tarde podremos ahondar m�s a�n en los intrincados aspectos del comportamiento y propiedades de este suelo, cuando lo equiparemos a las investigaciones de materiales espaciales y sus equipos.

MINERALOG�A DEL SUBSUELO

La complicada naturaleza de la composici�n del subsuelo de la ciudad de M�xico 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 oscurec�a 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 proyecci�n de su obra. Sin embargo, algunos investigadores que realizaron estudios posteriores, antes de clarificar y ampliar la abundante informaci�n 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 encontr�, se inici� en 1980 una nueva investigaci�n, todav�a en proceso, que pretende seleccionar los hechos comprobados, a�adir los nuevos resultados que hace posible el avance de la t�cnica de instrumentaci�n y las teor�as micromec�nica y coloidal, as� como abrir el camino para explorar conceptos poco estudiados, que pudieran ayudar a resolver algunas de las todav�a m�ltiples y desafiantes inc�gnitas.

Entre las t�cnicas utilizadas para conocer la naturaleza de los materiales del subsuelo destaca el an�lisis a trav�s de los patrones de rayos X, que se registran despu�s de irradiar las arcillas. Los rayos X nos permiten ver , mucho m�s all� de lo que ven los ojos, algunas propiedades fundamentales de la materia. Se dice que los rayos X se difractan, o sea cambian su direcci�n de propagaci�n, cuando son afectados de una manera muy particular por cada material. El fen�meno de la difracci�n "desenmascara" la estructura geom�trica de los materiales (v�ase en la bibliograf�a, E. Braun), por lo que nos permite conocer la distancia que hay entre los �tomos de las redes cristalinas o los arreglos de �tomos de un material y, de ah�, identificar los compuestos que forman parte de la estructura. Para inferir qu� compuestos est�n presentes, se compara el patr�n de rayos X de cada muestra con unos patrones almacenados en un archivo, y con ello es posible concluir de qu� materiales se trata (v�ase la figura 12). Pero todo no pod�a ser tan f�cil: los minerales arcillosos del subsuelo, objeto de estudio de esta investigaci�n, no son muy cristalinos, es decir, sus �tomos no est�n tan ordenados como los cristales de la sal, por ejemplo. Entonces, s�lo una parte de los componentes del subsuelo citadino se pueden identificar con este m�todo, por lo que el estudioso se ve obligado a hacer uso de t�cnicas complementarias para clarificar su naturaleza compleja. No obstante, el an�lisis 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 composici�n de las arcillas de acuerdo con la profundidad a la que se hallaron. As�, se encontr� que las muestras contienen mezclas de minerales como ilitas, plagioclasas, montmorilonitas y otros m�s; todos producto de las erupciones de volcanes que rodean el valle y del proceso de cambio natural (intemperizaci�n) que estos materiales sufren con el tiempo. Pero ya que cada volc�n arroja materiales diferentes, adem�s de que pueden llegar por otras v�as, no necesariamente la a�rea (como por el arrastre pluvial), los dep�sitos son de muy diversa naturaleza, lo que dificulta una identificaci�n r�pida o f�cil.

Figura 12 Diafractogramas de rayos X que muestran la variabilidad de componentes y grados de cristalizaci�n de las arcillas que forman parte del subsuelo.

Del an�lisis de las muestras del subsuelo del Valle de M�xico, provenientes de varios sondeos realizados en la zona del lago, bas�ndonos principalmente en un sondeo efectuado muy cerca del centro de la ciudad, se puede deducir lo siguiente:

Primero, la mineralog�a cambia con la profundidad, como resultado de condiciones volc�nicas y clim�ticas variables durante los procesos de sedimentaci�n.

Segundo, las muestras analizadas fueron divididas con base en el tama�o de las part�culas encontradas, que van desde d�cimas hasta decenas de micras. Entre la fracci�n m�s gruesa encontramos un predominio de feldespatos, que son los �xidos de silicio o silicatos m�s 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 t�pico de erupciones, acompa�ados de considerables cantidades de carbonato de calcio, en su variedad de calcita; cabe resaltar que �ste 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 t�cnica, la microscop�a electr�nica, se confirm� que la mayor�a de los cristales de calcita encontrados provienen de la concha de crust�ceos microsc�picos, identificados como ostr�codos, y tambi�n de la capa dura que m�s adelante describimos. Tambi�n, en la fracci�n gruesa, se encontraron minerales no arcillosos, como la dolomita, especie identificada por primera vez en estratos del subsuelo de la ciudad, o los �xidos 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 fracci�n menor a 2 micras, donde se incluyen los minerales arcillosos, se identific� la montmorilonita, el mineral m�s abundante en muchos estratos. En forma de agregados que superan las 2 micras, se hall� tambi�n 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 var�a ampliamente en su grado de cristalizaci�n (ya con elevada, ya con pobre cristalizaci�n). Si bien estos minerales no son del conocimiento del p�blico en general, tampoco son raros ni extraordinarios, por lo que su aparente car�cter m�stico 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 constituci�n microsc�pica del subsuelo, m�s dudas habr�an de surgir con el estudio sistem�tico de cada estrato encontrado en los primeros treinta o cuarenta metros de profundidad. Estos primeros dep�sitos son importantes para la ingenier�a, 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) dep�sito, que evidencia quiz� la m�s importante secuencia de las erupciones volc�nicas de los �ltimos 60 000 a�os. El nombre de capa dura refleja el hecho de que �ste es uno de los estratos m�s resistentes de los primeros 80 m del subsuelo (sobre esta capa descansan la gran mayor�a de los pilotes de punta de las edificaciones m�s pesadas). Esta capa dura se encuentra a su m�xima 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 microsc�pica, hecho que explica su notable p�rdida 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 identificaci�n, al punto de que a veces s�lo se pueden clasificar como materiales amorfos, t�cnicamente llamados al�fanos.

Tercero, la baja cristalizaci�n de las arcillas que encontramos en los primeros 30 m de profundidad, se debe principalmente a su origen volc�nico y corta edad (menor a 30 000 a�os). Las arcillas de alta cristalinidad pertenecen generalmente a dep�sitos m�s antiguos.

Cuarto, como los factores clim�ticos afectaban la profundidad de las aguas del antiguo lago, en las �pocas en las que �sta era muy baja, dichos factores induc�an una alta concentraci�n de sales, dando origen a horizontes abundantes en crust�ceos, 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 singularizaci�n de la mineralog�a del subsuelo con nombres gen�ricos, como al�fanas o montmorilonitas o ilitas, por ejemplo, y se describen con m�s precisi�n como mezclas de minerales varios, en su estructura y grado de cristalizaci�n.

Sexto, los f�siles microsc�picos intercalados entre la arcilla afectan algunas de las propiedades mec�nicas macrosc�picas, como las de fragilidad, rigidez, plasticidad y resistencia.

S�ptimo, el alto contenido de agua se puede explicar no s�lo 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, est�n altamente energizadas debido a los defectos cristalinos cercanos a la superficie, que por esta virtud forman m�ltiples capas de agua absorbida, es decir de agua que se estructura alrededor de los minerales, sobre todo en los poco cristalinos), sino tambi�n por la gran capacidad de los f�siles para retener agua en su estructura porosa. Por �ltimo, la variabilidad encontrada en la resistencia mec�nica de los diferentes estratos se debe principalmente, entre otros factores, a la diversidad de microestructura de estos suelos, que incluyen adem�s variaciones en la proporci�n del contenido de f�siles de los estratos.

Como cualquier otra investigaci�n, el trabajo realizado para clarificar los aspectos relacionados con la composici�n fisicoqu�mica de los materiales que forman el subsuelo de la ciudad de M�xico, no est� concluido totalmente, pues si bien en los �ltimos ocho a�os se ha podido aumentar y precisar la informaci�n que se ten�a previamente, tambi�n es cierto que la nueva investigaci�n ha abierto nuevas interrogantes. Entre �stas podemos citar las siguientes: es necesario determinar los mecanismos de falla microestructural para los materiales m�s comunes del subsuelo, considerando sus diferentes propiedades mec�nicas en funci�n de la profundidad. Es conveniente, tambi�n, ahondar en la explicaci�n de las causas de la gran capacidad de estos materiales para retener agua en su estructura. Por �ltimo, se estima conveniente continuar obteniendo informaci�n de utilidad para la ingenier�a, a trav�s de los datos que nos proporcionan los f�siles interestratificados, profundizando en particular en la manera en que �stos participan como elementos de la microestructura en las deformaciones causadas por los sismos y por las construcciones de la ciudad en continuo asentamiento.

MICROORGANISMOS DEL SUBSUELO

Los materiales que conforman el subsuelo de la ciudad de M�xico son, como dec�amos, principalmente minerales arcillosos de composici�n qu�mica muy variable, con una proporci�n elevada de agua y sales en soluci�n, como suele suceder en los suelos de origen lacustre, es decir, aquellos que se forman por la sedimentaci�n en lagos. El tama�o de sus componentes, como las part�culas de arcillas, son sumamente finos, va de 0.1 a 4 micras (peque��simas, si pensamos en que un cabello humano, tiene de 50 a 150 micras de di�metro) o de 2 a 400 micras si hablamos del componente de limos y arenas. Adem�s de los minerales, dichos suelos de sedimentaci�n lacustre contienen una gran variedad de f�siles microsc�picos, principalmente restos de algas de hermoso y variado aspecto (v�ase, por ejemplo, la microfotograf�a de la figura 13), que se sit�an a diferentes profundidades y que miden de 1 a 200 micras. Hay tambi�n ostr�codos, unos crust�ceos entre dos conchas, parecidas a las de la almeja, pero de unas 50 a 500 micras (medio mil�metro) solamente. En algunos de los estratos los f�siles son tan abundantes que, al tacto del experto en mec�nica de suelos, se pueden tomar por arenas limosas y, por su tama�o mucho mayor en relaci�n con las arcillas, a�aden a tales estratos propiedades de comportamiento mec�nico muy peculiares.

Figura 13. Micrograf�a de una diatomea. (Cyclotella s.p.) presente entre las arcillas del subsuelo de la ciudad de M�xico. V�ase la contratapa debajo de la valva. Di�metro aproximado, 9 micras.

Estudiando el material en su estado natural, en las llamadas muestras inalteradas, mediante un microscopio electr�nico, se pudo constatar que los f�siles forman parte importante de la microestructura; por lo anterior, si se quiere entender c�mo se comporta el suelo en el nivel microsc�pico, al ser sometido a esfuerzos similares a los de los sismos y otras solicitaciones mec�nicas, es necesario tomar en cuenta los componentes f�siles que integran el suelo (v�ase, por ejemplo, la figura 14). Si pensamos en analog�a con los metales y otros materiales compuestos, donde la densidad de microgrietas, es decir, el n�mero de grietas dentro de un volumen dado, determina la resistencia m�xima, los suelos son materiales que, dentro de un estrato en particular, presentan una considerable homogeneidad, pero �sta es interrumpida por innumerables f�siles, que en su mayor�a no se adhieren a los minerales. Por lo tanto son n�crogrietas donde se interrumpe la continuidad formando planos de debilidad en donde la resistencia de las arcillas es menor, en proporci�n a la cantidad de f�siles. Como esta proporci�n varia de un estrato a otro de una manera notable, estratos de la misma mineralog�a y proporci�n de agua pueden variar ampliamente en su resistencia y rigidez. La proporci�n depende del ambiente biol�gico que existi� durante el proceso de sedimentaci�n de cada estrato.

Figura 14. Micrograf�a del suelo arcilloso de la ciudad de Mexico. En ocasiones los f�siles alineados crean grietas, o discontinuidades en la arcilla, causando debilidades locales y fragilidad en las muestras.

En nuestro equipo de trabajo fue tal la impresi�n ante el hallazgo de la proporci�n y diversidad de f�siles en los diferentes estratos arcillosos, que la pregunta "�que nos puede decir la presencia de cada especie f�sil?" comenz� a ser cada vez m�s 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 investigaci�n de la Universidad Nacional, pronto nos acercamos a bi�logos, paleont�logos y ge�logos, para buscar ayuda en la comprensi�n de nuestro hallazgo. No tardamos mucho tiempo en decidir que para dar una respuesta apropiada a lo que resultaba ser una pregunta compleja, ser�a necesaria la integraci�n de alguien que, con herramientas biol�gicas, buscara respuestas m�s firmes e informativas. As�, se incluy� al primer profesionista ajeno a la ingenier�a en el Grupo de Micromec�nica donde trabajo.

Las diatomeas presentes en el subsuelo de la ciudad de M�xico presentan una variedad indiscutible. Con el desarrollo de la investigaci�n sistem�tica, pudimos encontrar nueva informaci�n para completar el complicado cuadro que muestra el subsuelo de esta ciudad y causa algunas de sus propiedades micromec�nicas. El estudio se inici� con la observaci�n de las muestras extra�das del subsuelo por medio del sondeo inalterado. Se obtiene una columna de unos 13 cent�metros de di�metro y 35 a 40 metros de longitud, extra�da por medio de tubos met�licos en sectores de un metro cada uno. A continuaci�n, los cilindros de suelo descubiertos fueron cortados longitudinalmente para exponer los horizontes sedimentados durante un periodo de miles de a�os. Ahora creemos que estos primeros 30 metros tienen una edad de 30 000 a�os aproximadamente. Esta estimaci�n 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 t�neles del drenaje profundo, que se ha venido construyendo durante la �ltima d�cada en la ciudad. Este tronco fue fechado con la t�cnica de carbono 14 y la edad encontrada, seg�n recuerdo, sorprendi� a todos aquellos que dedicaron o dedican tiempo a entender los diversos par�metros del subsuelo. Estudios anteriores (como el de Marsal y Mazari, o el de D. Res�ndiz) infer�an, comparando diversos dep�sitos geol�gicos, edades mucho mayores.

Treinta mil a�os no es nada, cuando menos para los ge�logos, que generalmente empiezan a interesarse en dep�sitos cuando �stos superan los 100 000 a�os de edad. Tampoco los paleont�logos encontraban mucho qu� hacer, ya que los f�siles que ellos estudian llegan a tener, no miles, sino millones de a�os, por lo que los f�siles encontrados pod�an clasificarse, valga la expresi�n, como f�siles vivos; es decir, son restos de organismos de especies que a�n existen.

Una de las formas de comprender la diversidad de estratos encontrados en el subsuelo es tener una noci�n de c�mo se formaron. Con un esquema de los materiales originalmente sedimentados en el fondo del lago en cada �poca, es m�s f�cil conocer los procesos de intemperizaci�n que dieron lugar a las arcillas tal y como las observamos hoy. Los principales factores que determinan qu� materiales se sedimentan en un lago en cada �poca son diversos; hemos mencionado ya el origen volc�nico de algunos de ellos, sin embargo, hay que considerar que el viento puede acarrear materiales a grandes distancias y, tambi�n, que la actividad de los organismos que habitaban el lago aport� una cantidad notable de materiales de origen org�nico al fondo. El estudio de los f�siles microsc�picos, que en nuestro caso son las conchas de los ostr�codos y las valvas (esqueletos) de las diatomeas, hace posible que se identifiquen por medio de claves. Como este tipo de organismos a�n habitan muchos lagos y presas mexicanos, es posible saber bajo qu� condiciones se desarrollan mejor. Gracias a estos datos, de la evaluaci�n de la cantidad y diversidad de f�siles, se pueden inferir las condiciones clim�ticas y qu�micas del lago en diferentes �pocas. Para ello nos hemos valido de algunas herramientas de la ecolog�a, que, justamente, estudia las relaciones entre las poblaciones y su ambiente. Con esto se ha podido reconstruir cu�l fue, por ejemplo, la profundidad, temperatura, turbidez, actividad biol�gica y salinidad del lago, factores que ceden informaci�n no s�lo de utilidad biol�gica, sino de otra �ndole, como la velocidad de sedimentaci�n, la historia del peso soportado por estos sedimentos, su evoluci�n, y tambi�n algunas estimaciones sobre su proceso de formaci�n, que interesan a la geolog�a o a la ingenier�a (la salinidad y la acidez, por ejemplo, influyen notablemente sobre la resistencia del suelo, por lo que es muy importante saber c�mo han cambiado �stas, y cu�les fueron sus valores aproximados en cada uno de los estratos).

Las diatomeas son algas unicelulares cubiertas por unas estructuras llamadas valvas, que embonan entre s� 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 f�siles. Existen grandes dep�sitos (diatomitas) de estas valvas, que por cierto tienen muchas aplicaciones industriales y dom�sticas: se emplean por ejemplo, en la fabricaci�n de dinamita, en ladrillos refractarios o en los filtros de agua, pues con una trama fina de diatomeas se pueden detener las part�culas contaminantes (v�ase la figura 15).

Figura 15. Micrograf�a doble de superficie de un ostr�codo. 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 fotosint�ticos, es decir, obtienen su energ�a 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 org�nica, por lo que cuando hallamos una gran cantidad de �stas, podemos suponer con toda confianza que el lago era un lago eutr�fico, con gran cantidad de sales y materia org�nica disueltas y en el fondo. El m�todo de an�lisis que utilizamos consiste b�sicamente en identificar las diatomeas presentes, contar la abundancia relativa de cada especie, y con criterios semicuantitativos y comparativos, hacer inferencias sobre la combinaci�n de factores ambientales que favorec�an la proporci�n de unas y otras. Esta metodolog�a se emplea por lo com�n para establecer la calidad del agua en r�os y embalses. Por ejemplo, si encontramos una alta proporci�n de diatomeas planct�nicas (que viven en la superficie o en suspensi�n) frente a las del fondo (bent�nicas), podemos pensar que el agua era suficientemente clara o el lago poco profundo, y que permit�a la entrada de luz y la actividad fotosint�tica. Si por el contrario hallamos una gran proporci�n de diatomeas que pudieran usar fuentes alternativas de energ�a, el dato nos llevar�a a concluir que el agua tendr�a abundantes nutrientes, que ser�a turbia y con menos facilidad para la actividad fotosint�tica.

Esto parece f�cil de llevar a cabo, pero hay m�ltiples problemas que enfrentar; por ejemplo, la alteraci�n de las valvas con el tiempo: cuando el ambiente qu�mico del fondo les es muy agresivo (corrosivo), se hace dif�cil o imposible identificarlas. Aunque tambi�n esto puede ser aprovechado para obtener resultados, como el de definir el ambiente qu�mico y los iones presentes en los estratos, por ejemplo. Otro problema es que estamos reconstruyendo el panorama de diferentes �pocas analizando s�lo algunos de los muchos organismos que existieron en esos ecosistemas; los peces, las plantas acu�ticas y otras algas, bacterias y protozoarios, por ejemplo, no dejan rastros tan evidentes y duraderos.

La especie de diatomea m�s notable por su gran tama�o es la llamada Campilodiscus clypeus (v�ase la figura 16). Es �sta la especie que cuando se combina con material muy fino se percibe al mero tacto, como los ostr�codos, 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 org�nica y en un ambiente azufroso, como el que probablemente domin� el lago durante algunos de los periodos de actividad volc�nica. Esta especie es la dominante antes de la erupci�n, pero desaparece pr�cticamente despu�s de �sta. Lo que observamos en los estratos subsecuentes es un aumento en las diatomeas planct�nicas, que con el tiempo van cediendo su lugar poco a poco a diatomeas del fondo, con lo que se restablece una situaci�n similar a la de antes de la erupci�n. Esto obliga a concluir que las emisiones de arena bas�ltica y posteriormente pum�tica durante las explosiones volc�nicas eliminaban gran parte de la actividad biol�gica en el lago, por un cambio dr�stico en acidez, temperatura, part�culas en suspensi�n y en proceso de sedimentaci�n, y que probablemente permanec�an s�lo algunas sales disueltas. El lago, de agua relativamente clara, impuls� el desarrollo de organismos planct�nicos, lo que dio pie a una secuencia que condujo a un sistema cada vez m�s complejo de organismos, que se refleja en el aumento de nutrientes, materia org�nica y en el tipo de f�siles encontrados.

Figura 16. Diatomea Campilodiscus Clypeus, muy abundante en el subsuelo. Su tama�o alcanza 50 micras.

Adem�s de la proporci�n de diatomeas planct�nicas frente a las bent�nicas, el tipo de ostr�codos presentes depende de las condiciones de profundidad, salinidad, y energ�a de movimiento del agua. Los ostr�codos producen un par de conchas que los protegen; es posible verlos agrupados y nadando r�pidamente de la superficie al fondo en algunos charcos y lagunas poco profundas. Ya que los ostr�codos que hemos encontrado del g�nero Cypris parecen haber habitado en un ambiente de alta salinidad, es de esperarse que los estratos donde abundan correspondan a �pocas de bajo nivel del lago, en las que aument� la concentraci�n de las sales disueltas. �ste parece haber sido un proceso en aumento continuo en las �pocas finales del lago, como producto de la reducci�n en su tama�o por la evaporaci�n y por el efecto de los primeros asentamientos humanos. En estudios anteriores sobre la mineralog�a del subsuelo, se encontr� calcita en abundancia en m�ltiples estratos, lo que, como dec�amos, otros autores han interpretado como periodos de sequ�a, en los cuales aflor� a la superficie seca el carbonato de calcio. Durante esta investigaci�n se ha encontrado que, en la mayor�a de los casos, esta calcita pertenece a las conchas de los ostr�codos, lo que indica que no hab�a sequ�as, pues si hab�a ostr�codos, hab�a agua, aunque fuera poca. En cambio, hemos encontrado verdaderos cristales de carbonato de calcio que s� pueden indicar sequ�as breves, pero en estratos donde antes no se hab�a demostrado tal efecto, como por ejemplo, en la capa dura (v�ase la figura 17).

Figura 17. Micrograf�a de material que compone capa dura, donde se asientan muchos de los pilotes de las edificaciones de la ciudad de M�xico. N�tese los cristales de carbonato de calcio.

La idea que tenemos hoy del lago de la cuenca del Valle de M�xico durante los �ltimos 30 000 a�os, es la de un lago relativamente poco profundo (probablemente tendr�a alrededor de 2 a 4 m en la zona m�s profunda), con gran cantidad de materiales disueltos, provenientes tanto de la actividad biol�gica como del arrastre pluvial y e�lico de las laderas circundantes, de aguas turbias, y con una tendencia a secarse en algunas �pocas (distantes unas de otras miles de a�os), y que culmin� en su desaparici�n debido a factores principalmente humanos en los siglos XVI y XVII; sin embargo los actuales lagos de Texcoco, Xochimilco y Chalco, que contin�an reduci�ndose, son restos de aquel extenso lago. Las erupciones volc�nicas fueron relativamente frecuentes y dominaron el paisaje en varios per�odos. La vida en el Valle de M�xico nunca ha sido tranquila y, a juzgar por la actual actividad humana, probablemente nunca lo ser�.

MEDIOS T�CNICOS DE INVESTIGACI�N

Para observar la respuesta de la microestructura de las arcillas del Valle ante cargas externas, se desarroll� un dispositivo electromec�nico que puede comprimir una muestra peque�a (un cubo de 5 mm por lado) dentro de la c�mara de observaci�n del microscopio. As�, es posible observar, y medir, toda una serie de par�metros mec�nicos como los desplazamientos de los microelementos que forman la microestructura (v�ase la figura 18), la propagaci�n de grietas durante el proceso de falla, la influencia de los poros y del fluido interparticular. Por cierto, durante la observaci�n en el microscopio electr�nico de barrido de muestras del subsuelo no puede mantenerse toda el agua original dentro, pues los microscopios electr�nicos funcionan sometiendo las muestras al alto vac�o, y para evitar la evaporaci�n del agua de los poros, �sta se sustituye por un pol�mero, soluble en agua, que tiene una viscosidad equivalente a la del agua. Para asegurarnos de que estos fluidos no cambiar�n las propiedades mec�nicas de manera notable, se realiz� una investigaci�n comparativa con el material natural (incluyendo agua, sales y grasas) y otra del material con un fluido sustituto (v�ase Peralta, Micromec�nica de suelos, 1984). Los resultados obtenidos demostraron que la sustituci�n no caus� cambios, ni en la resistencia, ni en las propiedades de deformaci�n evaluadas contra el tiempo. Ya que esto no constitu�a un problema para la observaci�n al microscopio electr�nico, pudimos continuar, pero antes modificamos el equipo para que fuera capaz de extraer informaci�n cuantitativa mediante un accesorio ideado por nosotros que era capaz de permitir operaciones de resta de im�genes. Este proceso permite registrar y medir el desplazamiento de los componentes de la microestructura mientras la muestra se est� sometiendo a reg�menes de deformaci�n. En su momento, el desarrollo de esta t�cnica de microscop�a result� ser muy novedoso: se anticip� con m�s de cuatro a�os a los modelos comerciales. Nosotros buscamos industriales que, apreciando sus ventajas, invirtieran en el desarrollo de un prototipo industrial, pero los �nicos interesados fueron los fabricantes del microscopio, quienes nos propusieron un arreglo en donde ellos se quedaban con la parte del le�n, cosa que desde luego no aceptamos. Hoy, diversas compa��as 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 d�cima parte del costo total del equipo. Moraleja: se puede, aun en pa�ses en desarrollo, innovar y hasta anticiparse a la gran mayor�a, pero, por otro lado, esas cosas pasan desapercibidas en nuestro medio y ni siquiera son apreciadas en su dimensi�n real. Por lo pronto, nuestro accesorio sigui� su curso, y dio lugar a m�ltiples trabajos �tiles, ya publicados en el pa�s y en el extranjero.

Figura 18. Micrograf�a de una muestra de arcilla del subsuelo del Valle de M�xico que muestra part�culas arcillosas de baja cristalinidad. Son amorfas y siempre se encuentran en agregados de m�ltiples individuos y sin orientaci�n preferencial. Las part�culas m�s grandes son feldespatos, �stos s�, algo cristalinos.

Aunque el dispositivo de carga y otros equipos complicados como el procesador de im�genes fueron desarrollados espec�ficamente para este estudio, sus funciones son aplicables a una gama de problemas que rebasan la ingenier�a y fisicoqu�mica de suelos, como los de la biolog�a, la investigaci�n m�dica y la metalurgia, entre otros. Como nuestro inter�s es conocer la relaci�n entre el comportamiento de la microestructura de un material y las caracter�sticas que lo hacen �til para la ingenier�a, no basta la mera observaci�n, aun cuando �sta sea muy importante en la gran mayor�a de las veces. Por tanto, nuestro trabajo va encaminado a saber lo que ocurre microsc�picamente en los materiales mientras est�n siendo sometidos a fuerzas externas, y a medir los desplazamientos de las part�culas. Por cierto, este proceso de generaci�n de los medios t�cnicos de investigaci�n cient�fica, resulta ser el origen de buena parte de los descubrimientos m�s notables de la humanidad, y acompa�a siempre al desarrollo del avance cient�fico. En ocasiones, los logros colaterales, muchas veces casuales, son de tal magnitud, que bien pueden justificar solos los gastos de investigaci�n de un pa�s. Cada t�cnica de an�lisis da una informaci�n 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 investigaci�n fue la espectrofotometr�a infrarroja, que utilizamos para el an�lisis de las arcillas. El infrarrojo, dec�amos, es la radiaci�n que sigue m�s all� del rojo en el espectro electromagn�tico y que el ojo humano no ve. Al irradiar una muestra con infrarrojo, �sta absorbe selectivamente m�s o menos radiaci�n, seg�n el compuesto que tenga el material. Si contamos con un dispositivo optoelectr�nico para medir la energ�a emitida o absorbida por la muestra, podemos obtener un espectro del material: es decir, una especie de firma caracter�stica, espec�fica de cada compuesto, que nos permite compararlo y diferenciar materiales que no pueden distinguirse con otras t�cnicas. Con esta t�cnica, hallamos que, entre sus componentes, nuestro subsuelo contiene grasas de origen animal.

La materia org�nica en descomposici�n se asentaba en el lecho del lago que hoy forma nuestro subsuelo y, como buen lago eutr�fico, es decir, con mucha vida (los aztecas basaban buena parte de su alimentaci�n prote�nica en el pescado), estos desechos eran muy abundantes. Las grasas animales tardan muchos miles de a�os en degradarse totalmente, y ya que los suelos del Valle de M�xico 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 informaci�n surgieron preguntas, muchas de las cuales todav�a no tienen repuesta, a saber: �c�mo afecta la presencia de grasas y sales en soluci�n las propiedades mec�nicas del subsuelo?, �cu�nto aumentan estos componentes la cohesi�n entre los elementos de la microestructura?, y tambi�n, �cu�nto y c�mo modifican las fuerzas de adsorci�n de agua, la tensi�n superficial y la viscosidad del l�quido entre part�culas? Las respuestas nos acercar�an a poder explicar el comportamiento de las muestras de laboratorio, y quiz� de todo el subsuelo. Para obtener esas respuestas fue necesario ampliar una vez m�s la investigaci�n, incluyendo el uso de nuevos medios t�cnicos. As� como las �ltimas t�cnicas de que hablamos nos adentraron en el entendimiento de tan complejo material, en su momento tambi�n nos indujeron a averiguar sus propiedades m�s importantes. Por lo tanto, se buscaron y siguen busc�ndose otras t�cnicas instrumentales que abran caminos prometedores, como los nuevos tipos de microscop�a en los que hemos depositado nuestras esperanzas. Adem�s de los microscopios electr�nicos que usamos para esta investigaci�n, el avance de la t�cnica de microscop�a m�s reciente nos presenta un novedoso e impresionante instrumento m�s: los microscopios t�nel de barrido, que, para variar, son resultado de una b�squeda experimental dirigida a otros objetivos. Estos equipos han logrado im�genes de �tomos y mol�culas individuales y de sus vecinos. Con este nuevo microscopio nosotros podr�amos determinar, entre miles de cosas m�s, c�mo es la superficie de las part�culas arcillosas del subsuelo, lo que nos servir�a para entender lo que pasa entre dos part�culas, c�mo y cu�nto se atraen o repelen, la fricci�n que existe entre ellas, y la repercusi�n 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 interacci�n 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 mol�culas ejercen fuerzas de atracci�n que pueden ser enlaces de hidr�geno, uno de los tipos de uni�n m�s comunes entre las mol�culas de agua. Los enlaces de hidr�geno se forman de manera espont�nea, progresiva y a temperatura ambiente, generando un efecto colectivo que hace que los materiales como los minerales arcillosos o las cenizas volc�nicas, se estructuren crecientemente, integrando s�lidos, l�quidos y sales en soluci�n hasta formar un s�lido algo gelatinoso con propiedades macrosc�picas uniformes; o variando de estrato a estrato por efecto a su vez de los cambios en la mineralog�a, el tama�o de los componentes s�lidos, las sales y en la proporci�n de l�quido. Despu�s de saber lo que pasa entre dos part�culas, el conocimiento se puede ampliar utilizando algunos de los conceptos te�ricos de la mec�nica probabil�stica, que dar�an forma a las observaciones realizadas con miles de part�culas, actividad que no se podr�a realizar con medios como los manuales, debido a la gigantesca cantidad de datos en forma de fotograf�as o im�genes; de ah� la importancia te�rico-pr�ctica del microscopio computarizado creado para esta investigaci�n.

Los equipos que nos dan acceso a los detalles m�s rec�nditos de la naturaleza forman una estirpe fascinante. En cierta medida son extensiones de nuestros sentidos, y ampliaciones de la capacidad de c�lculo y de representaci�n. Los ojos, verdadera maravilla de la evoluci�n natural, se agudizan hoy d�a aceleradamente por medio de los diversos tipos de microscopios, en especial los electr�nicos. El alcance de las c�maras de fotograf�a y de sensores basados en las c�maras de televisi�n de nuevas tecnolog�as 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 astronom�a con sus telescopios acoplados a sensores electr�pticos que hacen posible que el hombre aprecie objetos tan lejanos, que primero ser�a necesario acostumbrarse a esas enormes distancias, para que siquiera nos signifiquen algo.

Actualmente, el hombre puede apreciar, con la ayuda de dispositivos �pticos especiales, regiones del espectro antes invisibles a sus ojos: los rayos X en un fluoroscopio m�dico o, con un telescopio equipado con detectores optoelectr�nicos especiales, podr�a "ver" el ultravioleta, como veremos m�s adelante. Tambi�n, el ojo puede hoy tener una visi�n nocturna-t�rmica (v�ase la figura 19) con los equipos de visi�n infrarroja, que pueden detectar peque�as variaciones de temperatura en circuitos electr�nicos, cojinetes, maquinaria y transformadores, anticipando as� fallas futuras y haciendo posible un mantenimiento preventivo. M�s a�n, la visi�n infrarroja, sobre la cual podr�a escribirse todo un volumen, se utiliza en el diagn�stico de tumores y problemas de circulaci�n, pues detecta las diferencias leves de la temperatura de la piel asociadas con estas alteraciones. Adem�s, los dispositivos infrarrojos se utilizan para visi�n nocturna por su capacidad para captar im�genes en completa oscuridad; como podemos imaginar f�cilmente, estos sistemas surgieron para uso militar.

Figura 19. Termogramas diversos. Los tonos grises y sus diferencias muestran la distribuci�n de temperaturas en, por ejemplo, una casa, el cuerpo humano, un circuito electr�nico y una aeronave.

Y hablando del desarrollo tecnol�gico de instrumentos no podemos dejar de referirnos al dispositivo MEPSICRON, realizado por investigadores del Instituto de Astronom�a de la UNAM, que es un aparato que sirve para visualizar im�genes en diversas bandas del espectro, que incluyen aparte del visible, el ultravioleta y los rayos X. Este dispositivo es uno de los avances tecnol�gicos recientes m�s notables en el pa�s. A pesar de que fue hecho para realizar observaciones astron�micas, sus campos de aplicaci�n rebasan con mucho el inter�s original y ponen a la investigaci�n cient�fica mexicana en un alto puesto en un campo donde no es f�cil figurar.

El MEPSICRON es un dispositivo para detectar radiaci�n en cantidades muy reducidas, por ejemplo, puede detectar la llegada de hasta un solo fot�n. Para el lector no familiarizado con la importancia de esta cifra, basta pensar que cuando nos encontramos en una habitaci�n con una l�mpara prendida, llegan a nuestro ojo 10²³ (�un uno seguido de 23 ceros!) fotones por segundo (v�ase A. M. Cetto, La luz). En otras palabras, este aparato es capaz de detectar peque��simas cantidades de radiaci�n electromagn�tica, o sea que se puede utilizar para formar im�genes de objetos que se encuentran a las mayores distancias conocidas, en lo que hoy se describe como el l�mite del Universo.

La capacidad del MEPSICRON para visualizar im�genes desde el espectro visible hasta los rayos X se debe a que puede detectar fotones de diferentes longitudes de onda. Los fotones, cosa nada f�cil de describir con lenguaje com�n y corriente, son, digamos, los portadores de la radiaci�n electromagn�tica, en su expresi�n m�s com�n, a la cual conocemos como luz. Cuando colocamos este dispositivo en el plano focal de un telescopio, plano donde las im�genes est�n afocadas, los fotones que reflejan los espejos del telescopio se dirigen a la superficie del MEPSICRON; al llegar ah�, se convierten en electrones despu�s de atravesar una delgada pel�cula conocida como fotoc�todo. A partir de ah�, los ahora electrones son multiplicados aprovechando un efecto f�sico conocido como "cascada", con el que cada electr�n genera a su vez otros 100 millones de electrones, los cuales son acumulados por un colector de carga el�ctrica en donde, adem�s, se registra la posici�n en la que impact� el fot�n original la superficie del detector. De esta manera, an�loga a como lo hacen el ojo humano o las c�maras fotogr�ficas, se forma una imagen, resultado de la colecta de los fotones provenientes del objeto que se observa.

Quiz� los detalles t�cnicos, que a muchos nos fascinan, no sean lo m�s interesante de este asunto, sino el hecho de que precisamente en nuestro pa�s sea posible desarrollar un dispositivo con caracter�sticas que ya hubieran deseado investigadores de todos los pa�ses avanzados. Este es el tipo de circunstancia que alienta a los investigadores mexicanos a continuar sus b�squedas, a pesar de que muy poca gente en nuestro medio aprecia, valora, fomenta o da cr�dito al avance de la investigaci�n en nuestro pa�s, y particularmente en casos como �ste en el que los resultados, en un principio, "solamente" repercuten en el avance de la tecnolog�a instrumental para investigar.

Adem�s del ojo, el o�do es otro de los detectores naturales sobre los que el desarrollo tecnol�gico ha incidido para aumentar notablemente su alcance y capacidad de discriminac�on. No s�lo nos referimos a la posibilidad de fabricar micr�fonos transmisores min�sculos que permiten a algunos escuchar, sin invitaci�n, lo que ocurre en reuniones dentro de habitaciones a kil�metros de distancia; o los peque�os colectores parab�licos, del tama�o de un plato sopero, que apuntando a un lugar espec�fico, permiten escuchar una conversaci�n que ocurre a cientos de metros. Sin embargo, esto no es nada: la versi�n optoelectr�nica de los aparatos de escucha puede aumentar la capacidad del o�do hasta situaciones que de nuevo hacen sospechar la influencia de la ciencia ficci�n (que, por cierto, ha sido precursora de casi todos los inventos t�cnicos m�s importantes).

Con equipos basados en l�seres, es posible, por ejemplo, lanzar a grandes distancias rayos invisibles, en la banda infrarroja, que al apuntar hacia una ventana, a kil�metros de distancia, nos sirven para escuchar conversaciones; esta t�cnica utiliza la flexibilidad del vidrio de una ventana para que, actuando como membrana, haga el papel de un gran micr�fono, y el l�ser es capaz de detectar las �nfimas vibraciones que provoca cualquier conversaci�n sobre los cristales de la habitaci�n.

En el caso del olfato, podemos citar los diversos dispositivos capaces de percibir min�sculas cantidades de material t�xico en el aire o en un l�quido. Con la serie de aparatos conocidos como espectrofot�metros, se pueden desarrollar sistemas de alarma que oportunamente avisen a los tripulantes de una nave espacial, por ejemplo, que los niveles de ox�geno se alejan de los requerimientos vitales. Esto se puede aplicar en muchas situaciones m�s, como en la detecci�n de fugas de gas o petr�leo en tuber�as subterr�neas �aun desde helic�pteros! Sin embargo, en el caso del olfato, el desarrollo de la t�cnica no ha sobrepasado a la naturaleza, ya que las cantidades detectables por un buen sabueso siguen estando fuera del alcance de los m�s modernos instrumentos. Pero lo que s� no sabemos es cu�nto va a durar esta ventaja.

El tacto tambi�n ha alcanzado con el desarrollo tecnol�gico una sensibilidad extraordinaria, que hoy d�a se utiliza en la rob�tica. Tambi�n son diversos los aparatos que sirven para determinar la textura, dureza, temperatura o grado de humedad de las cosas. S�lo unas l�neas antes mencion�bamos la capacidad de un l�ser para detectar cosas en movimiento, ya sea el vidrio de una ventana, la deformaci�n del aspa de una turbina rotando a alta velocidad, y cientos de otros ejemplos, en que la vibraci�n significa el reflejo de alg�n fen�meno mec�nico cercano; movimientos y vibraciones que no se pueden detectar con el tacto o con la vista. Con un dispositivo llamado perfil�metro se puede evaluar la textura de una superficie con millones de veces m�s sensibilidad que con el tacto humano. Este aparato barre la superficie midiendo corrientes min�sculas que se establecen entre el perfil�metro y la superficie bajo estudio, y produce unas gr�ficas que nos muestran en forma amplificada las rugosidades de una superficie. Fue precisamente del perfil�metro de donde surgi� la idea y la t�cnica b�sica para la invenci�n del microscopio t�nel de barrido, que, como dec�amos, es capaz de representar en im�genes amplificadas la disposici�n de �tomos adheridos o, como se dice en fisicoqu�mica, adsorbidos a un material. El tacto ha sido tambi�n mejorado con mucho por los equipos de termovisi�n, que detectan diferencias de temperatura un mill�n de veces menores que las que capta el tacto humano m�s experimentado.