DBX7 Hidroesta

Parra et al.

HIDROESTRATIGRAFÍA DE LOS SEDIMENTOS DE LA TURBERA LLANO GRANDE, PÁRAMO DE FRONTINO L. Norberto Parra, J. Orlando Rangel-Ch. & Thomas Van der Hammen

RESUMEN Para los sedimentos paramunos de depósitos pantanosos del páramo de Frontino al natural, la cantidad de agua es la fase dominante con una media del 87% por peso, seguida por la fase orgánica con un 7% y el resto corresponde a la materia inorgánica. Esta gran reserva de agua fosilizada es de gran importancia en los ambientes lacustres y en general en los ecosistemas del páramo y también permite establecer divisiones estratigráficas de los núcleos. Desde el Tardiglacial hasta los 9300 años C14 BP., los sedimentos tienen las menores cantidades de agua fósil, mientras que los del resto del Holoceno son hidratados hasta superabsorbentes.

ABSTRACT Water is the dominant phase in natural sediments from Llano Grande cores accounting for 87% of its dry weight. Organic matter accounts only for 7%; remaining phase correspond to mineral matter. This large reserve of fossil water is a ecologically important for lacustrine environments and páramos ecosystems in general, allowing us to establish a hydrostratigraphy inside the sediment cores. From the Tardiglacial to the lower Holocene (9300 14C years BP) the sediments contain low amounts of fossil water whereas during the remaining of the Holocene they are hydrated to super absorbents.

INTRODUCCIÓN La aplicación de calor a un volumen o peso fijo de sedimento es una de las técnicas

analíticas más antiguas y ha evolucionado desde las muy sencillas de secado al aire o en una estufa, pasando por la calcinación en una mufla hasta aquellas que emplean el calentamiento diferencial con el tiempo en hornos con controles computarizados.

En todos los casos, se utiliza la medición de cambios que se presentan en el material durante la aplicación del calor, bien sean pérdidas de masa o de sustancias y fenómenos exotérmicos o endotérmicos.

Los sedimentos de cualquier clase siempre son una mezcla íntima de una fase orgánica, una fluida y otra inorgánica en diversas proporciones. La fase orgánica consta de restos de organismos acompañados de cantidades variables de diversas sustancias orgánicas, mientras la fase inorgánica abarca a los diversos cationes no volátiles, los minerales, mineraloides y otras sustancias inorgánicas. Por último, en la fase fluida se incluyen principalmente los líquidos dominados por el agua con una gran cantidad de otras sustancias disueltas y de gases como el metano y el CO2.

Determinar la fase fluida es sencillo y consiste en tomar una porción de sedimento húmedo y determinar la pérdida de peso bajo secado a 105°C durante 24 horas o alternativamente por licuefacción directa del agua desde el estado de congelación; de hecho se asume que esto equivale a determinar la cantidad de agua del sedimento, ya que los gases y otros elementos o compuestos que también son susceptibles a la volatilización bajo estas condiciones, constituyen partes minoritarias por volumen y se suelen considerar despreciables.

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Hidroestratigrafía de los sedimentos de la turbera Llano Grande

La calcinación de una masa conocida de sedimento seco es el método más sencillo, barato y de fácil acceso para determinar las fases orgánicas e inorgánicas: la temperatura de quemado se ajusta de tal manera que la fase orgánica sea transformada totalmente en dióxido de Carbono y agua. Diversos experimentos han permitido demostrar que aplicar 550oC durante al menos dos horas son suficientes para calcinar la materia orgánica sin alterar sensiblemente la parte mineral (Dean, 1974). En este método la pérdida de peso del sólido se asimila a la cantidad de materia orgánica y el peso de la ceniza remanente se asume como fase inorgánica.

A la temperatura de calcinación empleada, también se volatilizan algunos materiales como nitritos, fosfatos y sulfuros, que al no ser cuantificados se consideran dentro del error experimental del método.

LA NATURALEZA DE LOS DATOS La determinación de las fases se hace a partir de una masa a humedad natural y consta de dos pasos consecutivos (Figura 36), en cada uno de los cuales se obtienen sólo dos variables complementarias; en el primero se logra obtener los sólidos secos (Ws) y la cantidad de agua (Wa) y en el segundo proceso los sólidos secos son separados en una fase volátil (Wo) y una ceniza residual (Wc).

Tradicionalmente la masa original de partida (Wh) es un terrón de tamaño arbitrario que preserva la textura y humedad natural, pero en el presente trabajo se ha introducido una variante, ya que la masa de sedimento objeto de las determinaciones, fue empacada manualmente en una jeringa hasta completar un centímetro cúbico con la consiguiente pérdida de la textura original y obteniendo una nueva variable denominada peso empacado (We).

Figura 36. Determinación gravimétrica de las fases.

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Los datos de este capítulo se refieren esencialmente a las determinaciones de las masas de cada fase y en ningún caso se ha cuantificado el volumen o el espacio poroso original de la muestra debido a que durante el procedimiento de secado, se produce una alteración de la textura original y consecuentemente es imposible referir las masas obtenidas al volumen verdadero en su estado natural o de realizar los cálculos o correcciones adecuadas. Aún si se toma un terrón sin distorsionar de los sedimentos organogénicos del núcleo Llano Grande 2, es imposible determinar el volumen original por los métodos clásicos (terrón parafinado, etc.) que involucran calor para el secado de la muestra (mufla, temperatura ambiente e incluso en balanza termogravimétrica), debido a que la estructura de la muestra sufre un colapso hasta un volumen muy reducido, quizás hasta una tercera parte del original.

Otras alternativas de secado, como la técnica de extracción del agua por sublimación al vacío quizás sea capaz de preservar el volumen original de estos sedimentos, pero además de ser un proceso lento y costoso, no es posible cuantificar en forma simultánea el agua extraída. En síntesis, no existe un procedimiento sencillo que permita determinar al mismo tiempo las tres fases de un sedimento orgánico y su volumen al natural.

Durante el procesamiento de los datos básicos de las fases lo normal ha sido emplear como referente de los cálculos el peso seco (Ws) y con el cual se han calculado algunos índices bien tradicionales como la humedad gravimétrica o sea el contenido en peso de agua por unidad de peso seco (Wa/Ws) y la fracción de un sedimento seco que es volatilizada a 550°C (Wo/Ws) o pérdidas por ignición.

En esta investigación la variante de empaquetamiento introducida al método se ha hecho con el fin de emplear como

referente de los cálculos al peso empacado (We). El hecho de conservar el mismo procedimiento de empaquetado a lo largo de todo el núcleo le confiere a esta variante otros usos y potencialidades que se derivan de mantener el volumen fijo y de la homogeneización del material; mantener un volumen estándar (el volumen de empacado hasta un centímetro cúbico) es un requisito esencial cuando se desea comparar entre si un conjunto de muestras, especialmente si en ellas se van a contar los silicofósiles o los minerales a partir del residuo sólido posterior a la calcinación.

En sedimentos organogénicos la homogeneización introducida por el empacado afecta intensamente los espacios porosos, la estabilidad estructural de las fibras y la distribución del agua en la muestra; los macro y micro poros son reducidos en densidad y tamaño, pierden su forma e incluso muchos son eliminados, sus fibras y grumos son aplastadas y reorganizadas y el agua es redistribuida en la muestra e incluso algo de ella se evapora durante el proceso. Esta homogenización conlleva a una reducción de la variabilidad de la textura original entre los distintos tipos de materiales.

Con el fin de comprobar que tan disímiles son las fases cuando se calculan con respecto a los dos referentes (peso seco y peso empacado), se ha tomado como ejemplo los cocientes de la fase acuosa (Figura 37), donde se destaca la gran similitud entre las dos curvas a pesar de que las magnitudes de los cocientes son ampliamente distintos; esta cuasi-identidad indica que los dos referentes (We y Wh) se pueden emplear indistintamente para sacar conclusiones cualitativas y detectar los cambios importantes. Otro detalle interesante es que el empaquetado amplifica los detalles finos de los lodos orgánicos de la base de la perforación y suaviza los contrastes fuertes entre los materiales más fibrosos de la parte superior.

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Figura 37. Comparación de la fase acuosa respecto a tres referentes.

Para tratar de cuantificar qué tan idénticas son este par de curvas se calcularon el coeficiente de correlación lineal entre estos dos cocientes con un resultado del 93% y la prueba de Spearman/Kendall (no paramétrica), que da una correlación igual a uno. Este último resultado indica que es posible obtener una ecuación no estadística, que aunque compleja, permite transformar exactamente los datos de un cociente en el otro, consecuentemente, aun los resultados cuantitativos son idénticos para ambos referentes.

El diagrama de dispersión de la Figura 38, permite apreciar en la gráfica que todos los valores se acomodan a lo largo de una curva suave en conformidad con los resultados de la prueba de Spearman. Más interesante aún es que los distintos tipos de sedimentos se concentran preferentemente en sectores particulares de tal diagrama, por ejemplo, las tefras ocupan los puntos más bajos y los materiales fibrosos se disponen en la parte terminal.

Se puede afirmar que para el tipo de materiales orgánicos del núcleo Llano 118

Grande 2, el proceso de empaquetamiento empleado no es neutral y equivale a llevar los distintos sedimentos hasta un estado de alta homogenización textural donde el nuevo referente (We), permite obtener las mismas conclusiones principales que el referente del peso seco (Wh) de uso más extendido.

PROCESAMIENTO BÁSICO RESPECTO AL PESO EMPACADO El peso al natural de cada centímetro cúbico de sedimento densamente empacado, incluyendo su contenido de agua fósil, se le ha llamado peso empacado y es una variable que en el núcleo de Llano Grande 2, se distribuye normalmente con una media de 1.14 g, desviación estándar de 0.07 y valores extremos de 0.9365 y 1.5534 como se observa en la parte izquierda de la Figura 39. Los valores extremos superiores se corresponden con las capas de cenizas volcánicas. De hecho el sedimento empacado está más cercano a las condiciones naturales del material (a pesar de la destrucción de la textura) que el material seco y por lo tanto, en este apartado se han calculado algunos parámetros respecto a este referente

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Figura 38. Diagrama de dispersión.

Este peso empacado se puede interpretar como la cantidad máxima de sedimento hidratado que es posible empaquetar en un centímetro cúbico destruyendo su textura original; bajo estas circunstancias tan particulares sólo es posible tener hasta 1.5 g de estos materiales en un centímetro cúbico.

Una simple inspección a los datos gravimétricos, se puede realizar observando la Tabla 7, de estadísticos básicos y la Figura 40, donde se graficó en la abscisa la profundidad en centímetros, mientras las

ordenadas se refieren al peso de cada fase en gramos. Los estadísticos se refieren a las mediciones del contenido en peso de agua, materia orgánica y materiales no incinerables partiendo de un centímetro cúbico de masa empacada.

Si se observa la distribución de los pesos medios entre las tres fases, la cantidad de agua, en gramos, constituye la parte ampliamente dominante del sedimento con valores mayores de 0.8 g, seguida por la fase orgánica y los pesos menores corresponden

Figura 39. Distribución del agua fósil con la profundidad en el Núcleo de Llano Grande 2.

Izquierda: valores crudos del peso empacado, derecha: masa de agua por unidad de peso seco.

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a la materia inorgánica; este resultado es un tanto contradictorio ya que estos sedimentos paramunos se han catalogado como orgánicos, lo cual sólo es cierto si se desprecia el agua o se los clasifica únicamente considerando sus sólidos; en su integridad estos materiales es mejor considerarlos como un hidrocoloide orgánico. La distribución de los valores crudos contra la profundidad (Figura 40), permite realizar comparaciones entre las Tabla 7. Estadísticos básicos de las tres fases.

Media S.E.M. Desviación estándar Varianza Coeficiente Variación Mínimo Máximo

Fase Acuosa (g)

Fase Orgánica (g)

fase Inorgánica (g)

0.9914 0.0019

0.0853 0.0004

0.0638 0.0017

0.0695

0.0143

0.0606

0.0048

0.0002

0.0036

0.0701

0.1683

0.9496

0.798 1.2723

0.0481 0.1457

0.002 0.6841

muestras de una misma fase y se destacan entre otras características: 1. Las variaciones de peso entre muestras vecinas para la fase acuosa, son más grandes que en las otras dos fases, consecuentemente, estas últimas son menos ruidosas. Las oscilaciones entre muestras muy cercanas en los sólidos son de muy pequeña amplitud comparadas con la que presenta el agua.

2. Se destacan fácilmente los dos pulsos de cenizas volcánicas centrados en 408 y 1180 cm de profundidad; la capa ubicada en 408 cm se diferencia de forma clara en las tres figuras, pero especialmente en la fase inorgánica y en la fase acuosa donde se corresponde con un mínimo, lo cual indica que la capacidad de retención de agua no está ligada con los minerales. La fase orgánica es poco sensible a estos pulsos minerales y su ritmo de acumulación es muy levemente alterado por este pulso de volcanismo.

Figura 40. Las fases del núcleo Llano Grande 2.

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3. La distribución de las fases con la profundidad es variable; inicialmente se tienen dos sectores bien diferenciados separados por un salto brusco en 745 cm y en cada uno de ellos existe una tendencia débilmente lineal hacia una mayor cantidad de sólidos con el aumento de la profundidad.

4. El error cometido en la perforación entre 900 y 950 cm de profundidad es claramente visible como un salto brusco de las curvas, debido al exceso de agua de rehidratación absorbido por este segmento; allí, el peso empacado ha descendido en promedio 0.04 g respecto a sus vecinos más someros y también a los más profundos.

5. La distribución de las tres variables con la profundidad no es homogénea y existen sectores donde los valores oscilan muy poco alrededor de una media local.

DISTRIBUCIÓN LAS FASES

PORCENTUAL DE

Aunque en algunos casos los análisis cualitativos suelen indicar la dirección de las investigaciones, son las cuantificaciones las que permiten medir las magnitudes de los cambios detectados; con las mediciones gravimétricas es bastante frecuente que los datos sean procesados como proporciones, ya que ello facilita el análisis comparativo, especialmente cuando se dispone de solo dos o tres variables; sin embargo, este tratamiento obliga a los datos a un cierre de valor constante, ya sea 100 ó 1, y las variables no son vistas en sus valores libres y no son por lo tanto susceptibles de tratamiento estadístico convencional (Weltje, 2002).

El problema de cierre de los porcentajes, es particularmente severo cuando se intentan comparar muchas variables cuyas sumas totales son distintas en cada una de las muestras; en este caso se tienen solo dos variables independientes y todas las muestras son comparadas respecto al mismo referente

del peso empacado, lo cual facilita en gran medida las interpretaciones.

En la mayoría de los casos las proporciones que se establecen son sencillas con el denominador correspondiente al valor total de la variable de referencia, pero también son posibles relaciones más complejas donde el numerador y el denominador corresponden a sumas de variables o sumas ponderadas. A medida que el número de variables aumenta y la relación se hace más compleja, las comparaciones entre muestras son más susceptibles a desviaciones y requieren de más cuidado.

La determinación de las tres fases componentes de un sedimento permite establecer algunos parámetros básicos y realizar comparaciones con datos de sedimentos extraídos de otros ambientes; algunos de estos parámetros tienen una amplia tradición, entre ellos los diagramas ternarios y los cocientes simples.

El diagrama ternario La representación de los datos por medio de un diagrama ternario de los porcentajes relativos de cada una de las tres fases respecto al peso empacado de ellas (We), es una de las técnicas más empleadas en geología (Weltje, 2002), debido a su facilidad de lectura.

La Figura 41, corresponde a un diagrama de las tres fases del núcleo Llano Grande 2, y se pueden resaltar algunos detalles; • El agrupamiento visible como sectores bien diferenciados por su simbolo en el diagrama, es producido por los diferentes ambientes de depósito que existen en el núcleo; las facies de pantano (cuadros negros) ocupan la parte superior, las facies de lago (círculos grises) la parte media y las cenizas volcánicas (símbolo xes) en la parte inferior.

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Figura 41. Diagrama de las tres fases del Núcleo Llano Grande 2.

• La materia orgánica (media 7%, mínimo 4% y máximo 14%) está en su mayor parte restringida a una banda estrecha de valores entre 4 y 10% a lo largo de todo el núcleo.

• El porcentaje de agua (media 87%, mínimo 51% y máximo 94%) contenida en las facies de pantano excede el 85% y para las facies de lago casi todos los puntos están entre 75 y 85%. Igualmente y, con excepción de las cenizas volcánicas, todos los puntos se ubican en la parte superior del diagrama cerca del eje del agua y con valores por encima del 75%, lo cual nos indica sin duda alguna, que el agua es la fase dominante en el núcleo 122

• El contenido de sólidos no volátiles es muy variable (media 5%, mínimo 0.1% y máximo 44%) y por supuesto se resaltan claramente las capas de cenizas volcánicas con valores mayores de 25%.

De los datos precedentes se puede asegurar que el diagrama ternario de porcentajes, permite separar fácilmente los diferentes ambientes de depositación en los humedales altoandinos. Si se tiene en cuenta que en promedio el 87% del peso le corresponde a la fase acuosa y sólo el 13% del peso total está representado por los sólidos, entonces la manera más fiel de tratar estos materiales es como hidrocoloides orgánicos.

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Variaciones profundidad

porcentuales

con

la

Aunque el diagrama ternario permite observar con claridad cómo se agrupan los datos, no permite observar las variaciones porcentuales de las tres fases con respecto al peso empacado a lo largo de la profundidad, como se puede apreciar en la Figura 42, donde se resaltan otros aspectos importantes: 1. La distribución porcentual de las fases con la profundidad es variable; inicialmente se tienen dos sectores bien diferenciados separados por un salto brusco en 745 cm, lo cual, corresponde a un cambio significativo en el ambiente de depositación de los sedimentos. Los porcentajes de agua muestran una tendencia casi lineal a decrecer con la profundidad y la marcha al contrario se presenta con los porcentajes de sólidos no incinerables o ceniza en el núcleo.

2. La proporción de materia orgánica, varía muy poco a lo largo del núcleo, lo que

parece indicar la existencia de un límite a la cantidad relativa de materia orgánica que es posible fosilizar junto con agua en el ecosistema a pesar de los cambios de facies en estos humedales. Sin embargo, cuando se expresa la materia orgánica como proporción del peso seco, su comportamiento relativo es muy variable lo que demuestra la importancia del agua.

Esta consideración indica que obtener las densidades de microfósiles respecto al volumen es sensiblemente distinto que expresarlos respecto a la masa seca del sedimento.

3. Igualmente se destacan los dos pulsos de cenizas volcánicas ubicadas en 405 y 1179 cm de profundidad y el error de la perforación entre 900 y 950 cm.

4. En los primeros 550 cm superiores del núcleo, las proporciones de materia orgánica superan a la ceniza, pero lo contrario sucede a partir de 950 cm en la parte basal; en la parte media, las proporciones entre ambas fases tienden a ser iguales.

Figura 42. Variaciones porcentuales de las tres fases a lo largo de la profundidad, en el Núcleo Llano Grande 2.

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LA FASE SÓLIDA La forma tradicional de estudiar los sedimentos es a través de diversos análisis de su parte sólida, debido a que constituyen la fracción dominante en la mayoría de sedimentos y raramente están tan hidratados que haya necesidad de incluir el agua en los estudios. Los sólidos están constituidos básicamente por los minerales y los mineraloides, con una fracción de sólidos orgánicos y de cationes no volátiles subordinados, excepto en algunas rocas como el carbón. Por ejemplo, los inorgánicos en la capa de tefras ubicada en 405 cm son diez veces mayores que la materia orgánica La técnica de la calcinación proporciona el método más rápido y barato para estudiar la fase sólida del sedimento en estado completamente seco y proporciona una división dicotómica entre una fase que se vaporiza a 550°C (sólidos incinerables) y un residuo o ceniza que subsiste a esta temperatura. Debido a que estas dos variables se complementan de manera recíproca, las posibilidades de tratamiento matemático son bastante limitadas (Figura 43).

Sin embargo, gran parte de los sedimentos de los humedales paramunos se apartan de esta norma y están realmente constituidos

por materia orgánica transformada hidratada acompañada de biosílice.

Los sólidos incinerables

Los sólidos orgánicos preservados en el sedimento son una mezcla bastante heterogénea de sustancias orgánicas y restos de organismos y su acumulación es el resultado del balance de dos fenómenos antagónicos que son la productividad biológica y la descomposición; cada uno de estos fenómenos consta de un conjunto de procesos con interrelaciones muy complejas que suceden al interior del ecosistema. Para la cuantificación de las cantidades y tipos de materiales orgánicos presentes en los sedimentos se han empleado tecnologías muy diversas, que incluyen las determinaciones por vía húmeda, los métodos térmicos y otras tecnologías con instrumental más especializado pero el problema está lejos de ser resuelto según una reciente revisión efectuada por Wai & Tanner (2003).

En el caso de los sedimentos de lagos y pantanos paramunos que carecen de Carbono inorgánico, presente normalmente en forma de carbonatos, el método de calcinación es bastante adecuado para la determinación de la cantidad de materia orgánica en el sedimento y el método desarrollado por

Figura 43. Fracción de sólidos no incinerables del Núcleo Llano Grande 2.

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e

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Dean (1974), es suficientemente confiable y el más ampliamente empleado.

y biominerales y en menor proporción a los cationes no volátiles.

Normalmente se asume que los sólidos volatilizables a 550oC corresponden a la materia orgánica del sedimento y dividiendo este valor por una constante, por lo general, entre 0.4 y 0.6, normalmente 0.58 se supone que se obtiene el Carbono orgánico del sedimento (Dean, 1974). Idealmente, aún las partes más refractarias, como los restos quitinosos son volatilizadas a esta temperatura quedando un residuo o ceniza constituida por los componentes inorgánicos y los cationes no volátiles.

La ceniza ya fría exhibe distintas coloraciones entre pardo y blanco de acuerdo con los materiales dominantes, y al ser observada en el microscopio petrográfico se revelan los componentes entre las cuales las diatomeas se destacan por sufrir serias distorsiones y pérdidas de la ornamentación, por lo cual, no se debe utilizar esta técnica para realizar conteos e identificaciones de estos organismos. Al parecer, el color de la ceniza responde al estado de oxidoreducción de los minerales de neoformación, especialmente a los de hierro, ya que la ceniza de los materiales de la acrotelma produce coloraciones rojizas mientras los que han estado permanentemente anegados dan cenizas de colores gris muy pálido hasta blanco.

La forma tradicional de procesar los sólidos en estado seco del sedimento es a través del índice LOI (Loss on ignition), propuesto por Dean (1974), que es un cociente, expresado en porcentaje, entre el peso de los sólidos incinerables respecto al peso total del sólido seco; en la figura 43, se muestra los resultados de este índice que es ampliamente aplicado en estudios modernos (Shuman, 2003).

En los sedimentos del núcleo Llano Grande 2, los sólidos volatilizables llegan a exceder localmente el 90% de los sólidos totales y en los ambientes de pantanos no es menor del 60% de los sólidos. En algunos segmentos los sólidos no combustibles están dominados por frústulas de diatomeas y la ceniza es ligeramente mayor que los sólidos incinerables (entre el 50-60%) lo cual corresponde básicamente a los sedimentos de fondo de los lagos como sucede entre 590 y 650 cm y a partir de 744 cm.

Los sólidos no incinerables La ceniza que queda como residuo del proceso de calcinar un volumen de sedimento refleja el contenido de los materiales más refractarios al calor acumulados en la cuenca de depositación y corresponde a los minerales

La fracción de ceniza respecto al peso seco (Figura 43) es una variable muy sensible a pequeñas variaciones, y constituyen una ayuda valiosa para la estratigrafía, ya que variaciones en los contenidos de silicofósiles, minerales, tefras y microtefras se reflejan notoriamente en la curva y por el contrario los materiales ricos en fibras o sólo en lodos orgánicos tienen los menores contenidos de ceniza.

Cuando se presentan aportes clásticos por erosión de la cuenca, como sucede con los lodos organo-minerales, la curva de ceniza muestra un cambio notorio; aún si estos eventos son muy pequeños e indetectables por la matriz mineral al estéreomicroscopio, la curva nos indica su presencia.

El contenido de ceniza tiene la mayor sensibilidad a la escala del centímetro de todas las variables analizadas y es capaz de producir una estratigrafía de este nivel muy confiable; sin embargo, es más poderosa cuando se emplea en 125

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combinación con los estratos determinados por estéreomicroscopia de muestra seca.

A modo de ejemplo, aunque la capa de turba entre 500-509 cm (Figura 44), tiene los menores contenidos de ceniza y la diatomita de la base posee los más altos, es aún posible detectar oscilaciones menores en el interior de ambas por medio de esta variable. Obsérvese igualmente que los bandeamientos de color no siempre se encuentran reflejados en la composición de los sólidos.

Tasas de sedimentación Determinar la tasa de aportes de detritos al registro geológico es de gran interés para conocer el crecimiento de un deposito pantanoso o el aumento de espesor del sedimento en un lago. Sin embargo, rara vez se dispone de medidas actuales de suficiente duración para calcular dichas tasas en los distintos ambientes de sedimentación.

Habitualmente en los núcleos de sedimentos, las tasas de sedimentación se calculan con base en el tiempo determinado por radiocarbono, pero esta variable temporal depende del modelo de edad seleccionado e introduce a las tasas calculadas las mismas incertidumbres que tiene aquel método de datación. Debido a que las tasas de acumulación reales cambian en cada uno de los tipos de sedimento de un humedal, este método requiere datar el techo y la base de un mismo tipo de estrato, pero normalmente no se dispone de suficientes datos cronológicos para conocer este parámetro en cada una de ellos.

Una manera de obviar el problema del tiempo es trabajar con tasas de acumulación relativas o con respecto a una variable que se sabe de antemano se acumula a una tasa constante; por ejemplo, calcular el peso de material acumulado por cada centímetro de avance en la vertical se puede interpretar como la cantidad de masa acumulada con 126

Figura 44. Diagrama combinado del contenido de ceniza (izquierda) y la imagen del núcleo para el segmento entre 550-600 cm de profundidad. respecto al espesor estratigráfico real. Al hacer este cálculo para fracción de la materia orgánica respecto al peso seco, que es la parte autóctona de la sedimentación en la cuenca (Figura 45), se observa que la curva del peso crudo acumulado en la vertical se puede asimilar a una línea polinomial de grado 2 indicando una tasa bastante monótona y creciente de acumulación de materia orgánica desde el inicio de la sedimentación en la cuenca.

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Figura 45. Sólidos incinerables acumulados.

La parte inferior de la Figura 45, ilustra la magnitud y los sitios (segmentos), en los cuales se aleja la acumulación real de la tendencia general teniendo en cuenta el signo de tal diferencia. Algunos detalles son particularmente importantes: • La curva general de la materia orgánica acumulada oscila muy poco alrededor de la tendencia, pero existen algunos segmentos que se apartan por exceso o deficiencia de la norma.

• Durante algunos periodos la acumulación de materia orgánica es monótona, por ejemplo, entre 1100 y 1200 cm y al inicio del núcleo.

• Es claro que el déficit tan marcado alrededor de 600 cm corresponde a las diatomitas más puras que tienen muy

poco de lodo orgánico y por el contrario, la acumulación más rápida se corresponde con los sitios donde las fibras son dominantes.

LA FASE ACUOSA En los estudios de los sedimentos tradicionalmente el agua no ha sido considerada como una fuente valiosa de información, lo cual contrasta fuertemente con la importancia que se ha dado a los núcleos de hielo y tampoco se ha tenido en cuenta como criterio de clasificación o de división estratigráfica. Debido a estas razones la recuperación de los núcleos sin alterar su hidratación natural es un proceso muy difícil de lograr.

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Durante el trabajo de campo en Frontino, se logró recuperar casi la totalidad del núcleo sin alterar su contenido natural de agua, lo cual permitió detectar por medio del tacto cambios sensibles en el grado de hidratación con la profundidad y, por lo tanto, se decidió cuantificar la cantidad de agua de estos materiales.

En un primer análisis de las cantidades de agua fósil que se hallan guardadas en los sedimentos, medida en gramos de agua extraídos de la masa empacada en un centímetro cúbico, ha resultado que estos materiales albergan cantidades muy grandes de agua, ya que tomando en cuenta las 1250 muestras que contiene todo el núcleo, se observa una distribución normal con un promedio de agua de 0.99 g y con un mínimo de 0,79 g y un máximo de 1,27 g (Figura 39 izquierda); esto indica que cualquier volumen empacado que se tome de los sedimentos orgánicos de los humedales paramunos de Frontino, estará constituido por al menos un 79% de agua.

Más importante aún, es que cuando se comparan las masas de agua respecto a las de materiales sólidos secos, nos permite asegurar que algunos de estos sedimentos se comportan como hidrogeles súperabsorbentes y su distribución es bimodal (Figura 39 derecha) con una población centrada en 4,5 y la otra en 9,5. Algunas de las consecuencias de esta cantidad de agua retenida por el sedimento de los páramos, han sido ya expuestas ampliamente por Parra et al., (2002).

Cuando se observa la variación de la cantidad de agua fósil retenida por los sedimentos con la profundidad, se nota que no se distribuye uniformemente como sería de esperar si fueran permeables o estuvieran saturados por aguas de percolación. Por otra parte, si la distribución del agua estuviera obedeciendo solo al gradiente de compactación geológico, los datos seguirían 128

una recta o una curva muy suave y monótona de deshidratación con la profundidad.

En la Figura 37 se puede observar que realmente al agua fósil presenta dos sectores separados por la muestra 746 con tendencias lineales diferentes de decrecimiento con la profundidad, pero está ampliamente subordinada a variaciones sectoriales dominantes. Se observan algunos segmentos continuos donde, de la masa empacada se ha extraído más de un gramo de agua pura.

Debido a que la fracción mineral no posee la propiedad de absorber grandes volúmenes de agua, la fase organogénica explica la absorción de estas grandes cantidades de agua y de otras disoluciones acuosas sin disolverse; parte del agua está absorbida en la materia orgánica que al ser fosilizada, sufre sensibles modificaciones poliméricas y volumétricas. Sin embargo, otra parte no despreciable del agua está absorbida en los microporos de los silicofósiles, especialmente en las frústulas de las diatomeas, como se demuestra en la Figura 37 inferior. En aquellos segmentos de esta figura donde las diatomeas juegan un papel subordinado la gráfica del centro es idéntica a la inferior, pero lo contrario sucede en las diatomitas.

El error cometido en la perforación entre 900 y 950 cm de profundidad es claramente visible como un salto brusco de las curvas.

Debido al exceso del agua de rehidratación absorbido por este segmento, la cantidad de agua se ha incrementado en promedio 0.03 g respecto a sus vecinos inmediatos más someros y más profundos.

Relación de agua a peso seco: cociente de absorción de agua Aunque los pesos crudos del agua extraída de la masa empacada son bastante indicativos, es más corriente averiguar la proporción de agua que puede retener una

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unidad de sólidos secos; en la Figura 46, se puede observar que por cada parte en peso de materia seca existe un mínimo de una parte de agua absorbida (justamente en la ceniza volcánica de 408 cm), una media de 7,9 partes y un máximo de 16. Si se acepta como material súper absorbente aquel que alcanza a retener como mínimo 10 veces su propio peso de agua (Omidian et al., 1998) entonces 355 de las 1250 muestras, (excluyendo aquellas del segmento 900-950 cm) o sea el 28% de las muestras sin errores son súper-absorbentes.

Este cociente de absorción de agua o humedad gravimétrica no es homogéneo a lo largo del perfil y se puede destacar: • La materia orgánica recién adicionada al techo, primeros 15 cm, no posee la propiedad de ser súper-absorbente y esta se adquiere gradualmente en la zona de oscilación del nivel freático.

Los materiales que pasan a la catotelma, debajo de 20 cm, tienen un cociente de absorbancia mayor de 10.

• La totalidad de las muestras súperabsorbentes se ubican en la facies de aguas someras y pertenecen a la población de datos más fibrosas del núcleo.

• El cociente es menor de seis en la parte inferior del núcleo, especialmente a partir del cambio de facies en 743 cm, donde empiezan a dominar los lagos

profundos y los fenómenos pedogenéticos y corresponden claramente a una misma población de datos.

Aunque a primera vista el resultado de estar tratando con algunos sedimentos súper absorbentes naturales parece un poco extraño, no debe olvidarse que los primeros polímeros con esta propiedad fueron fabricados a partir del almidón y podían almacenar sólo hasta 30 veces su propio peso en agua con una expansión de volumen considerable. Hoy en día existen polímeros sintéticos (Omidian et al., 1998) que alcanzan a retener hasta mil veces su propio peso de agua. En general, estos hidrogeles súper-absorbentes son materiales porosos capaces incluso de retener el agua bajo presión. Esto indica que los procesos naturales de transformación de la materia orgánica en las lagunas de este páramo son drásticos y sincrónicos con una gran hinchazón y absorción de agua y al menos una parte de ellos se transforman en hidrogeles orgánicos.

Si bien de los datos crudos de agua (Figura 37 superior) se pueden extraer esencialmente las mismas tendencias generales que cuando se compara respecto a la masa de agua por unidad de peso seco, esta última curva es más precisa en los detalles y tienen menos ruido.

Figura 46. Cociente simple entre el peso de agua y el peso seco.

129

Hidroestratigrafía de los sedimentos de la turbera Llano Grande

Como es bien conocido, las consideraciones respecto a los contenidos de agua de los suelos ricos en materia orgánica varían mucho dependiendo de la base de comparación y del método de medida de los parámetros; por ejemplo, tomando como referente el peso seco, las turbas contienen mas agua que los lodos orgánicos a succiones altas (0.1-15 bars) pero habría que decir lo contrario si la comparación se hace con base en el volumen real. Esto es debido a que la resistencia del agua a la extracción bajo diferente presión de succión, tiene que ver con el tipo de porosidad y el grado de conectividad de los poros de tal manera que muy descompuesto significa poros más pequeños y más difíciles de drenar y por lo tanto a altas presiones de succión los lodos retendrán más agua que las fibras (López & Cortés, 1978).

Procesamiento avanzado De la inspección precedente de las tres fases, se ve que los datos que son vecinos inmediatos no se pueden considerar independientes unos de otros, ni en su valor ni en su posición, y adicionalmente existe ruido, tendencias y saltos entre segmentos, lo cual lleva a la hipótesis de considerar este comportamiento como equivalente a una señal en el dominio de la profundidad. El procesamiento aplicado a las señales consiste básicamente en suprimir el componente que produce “ruido” y en individualizar las diferentes piezas de información que contienen los datos; para este propósito se emplean diversas técnicas analíticas casi todas ellas basadas en mediciones con espacios (clases) iguales en el dominio de la profundidad o del tiempo.

Los métodos clásicos de descomposición y los espectrogramas tienen ya una larga tradición en cicloestratigrafía y en los estudios paleoecológicos (Young, 1997), y están fundamentados en el análisis de 130

Fourier con señales periódicas (Master, 1995). En otros temas como cambios en la riqueza de especies, también ha empezado a ser utilizado el análisis de series (Murria, 2003). En el caso de análisis de señales no estacionarias, se han desarrollado otras técnicas más modernas como la transformada de Gabor y las Wavelets, las cuales ya han empezado a ser utilizadas en paleoecología por ejemplo en perfiles de loess (Lu et al., 2002). Debido a la importancia del agua como variable en los sedimentos paramunos, en esta sección se ha decidido explorar en más detalle la importancia paleoecológica de esta variable y para ello se ha asimilado el contenido de agua respecto al peso seco del sedimento a una serie en el dominio de la profundidad con el propósito de revelar tendencias, ritmos y periodicidades. Para otros detalles técnicos (Anexo 3). Las variaciones del contenido de agua fósil con la profundidad son notorias como ha sido descrito en la inspección de los datos, pero un estudio más detallado sólo es posible con el análisis de señales debido a ruido inherente en los datos. Con el fin de referir los datos entre sí al mismo nivel de comparación se ha decidido aplicar el procesamiento de señales al cociente entre el peso del agua respecto al peso seco, previamente corregido en el sector rehidratado (901-950 cm) y en la ceniza volcánica (centrada en 408 cm), pero se han omitido las técnicas de descomposición clásicas (filtros lineales y aditivos, Fourier & Gabor) debido a la naturaleza no estacionaria de estos datos.

La ventaja de las onditas (wavelets) radica en poder observar y analizar simultáneamente las distintas escalas de información en el dominio de la profundidad y en el de las frecuencias y en su amplia superioridad cuando existen señales no periódicas o cuasi periódicas en los datos. A modo de ilustración, se realizó un ejercicio completo de descomposición, restando

Parra et al.

sólo la tendencia general, por medio de onditas (Symmlet 8) y de visualización de la señal original (Morlet de grado 6) para revelar la estructura de frecuencias, como se puede ver en la Figura 47. Esta figura contiene básicamente el mismo nivel de información y facilita la interpretación de la señal del agua; en la ondita de Morlet se ha resaltado por contornos la parte que contiene los máximos de agua separados entre si por los déficit de agua con el fin de simplificar un poco la información y resaltar la estructura de frecuencias, mientras que la descomposición de Symmlet facilita observar la estructura de ciclicidades.

ESTRUCTURA DE FRECUENCIAS Observando las escalas más altas que contienen la mayor parte de la energía de la señal del agua es bien claro que el registro completo consta de tres partes

bien diferenciadas; el cambio localizado en 743 cm separa claramente dos patrones de frecuencias muy diferentes, especialmente porque la base carece de frecuencias muy altas e igualmente un máximo de agua que culmina cerca de 418cm separa el techo de la parte media.

El segmento de la base tiene su punto de cambio coincidente con la terminación de la facies de aguas profundas (743 cm) e igualmente en la profundidad 1043 cm, donde finalizan los fenómenos pedogenéticos fuertes del Tardiglacial se nota un cambio importante en las frecuencias de este sector (obsérvese que la línea 1043 actúa a modo de espejo), lo cual nos confirma que los dos cambios estratigráficos más notables están bien reflejados en las frecuencias de la señal del agua. Vale la pena destacar que este segmento corresponde a un máximo de agua muy debilitado, especialmente hacia la

Figura 47. Onditas de la señal del agua.

131

Hidroestratigrafía de los sedimentos de la turbera Llano Grande

base de la perforación, pero que se expresa localmente en las frecuencias medias.

El máximo de agua localizado en la mitad del registro (743 cm hasta 418 cm) contiene dos pulsos poco relacionados entre si a nivel de frecuencias; el de la base está conectado débilmente con el primer segmento y es transicional, mientras que el segundo impulso es independiente y aunque su máxima expresión corresponde a frecuencias bajas, también se extiende hasta los valores de frecuencias más altas culminando en forma más bien abrupta.

Este segundo pulso se manifiesta inicialmente en forma dual en las frecuencias más altas y más bajas que equivale a un aumento de la media local con unos picos abruptos y pequeños, pero a medida que se establece más firmemente se completan las frecuencias medias y los picos se vuelven más grandes y definidos. De hecho, estratigráficamente el primer pulso tiene relación con los lodos orgánicos con diatomeas que corresponden a aguas profundas, que son efectivamente más afines con los materiales de la base de la perforación que con aquellos del techo.

El segmento del techo está separado del máximo de humedad por una transición menos hidratada, que se extiende hasta 380 cm con frecuencias muy altas y allí hace presencia un pulso de matriz mineral en los materiales atestiguando una mayor erosión en la cuenca. A continuación se inicia otra oleada de humedad que tiene el mismo patrón de iniciación que el segundo pulso del segmento anterior y alcanza su expresión plena cerca de 130cm, sólo que las frecuencias medias (cerca de la escala 64) son bastante constantes y bien definidas.

CICLICIDADES La preocupación en las ciencias geológicas por los fenómenos rítmicos, se extiende 132

desde sus inicios hasta la actualidad (entre los autores que han escrito revisiones sobre este tema se hallan Gilbert (1900); Conway (1948); Shackleton, (1993); Miall (1995); Schwarzacher (2000) y Zachos et al., (2001).

La búsqueda de los ciclos ha sido doble, por un lado, tratando de localizar que tipo de huella dejan en el registro sedimentario aquellos fenómenos naturales que exhiben alguna periodicidad y, por el otro, observando los caracteres que exhiben repeticiones en las columnas de estratos y buscándoles una explicación.

El registro sedimentario es complejo, multidimensional e incompleto y localizar repeticiones en alguna de sus propiedades no es una tarea fácil, ya que coexisten con las huellas de eventos inusuales y con otros fenómenos que borran u oscurecen el archivo sedimentario. Sin embargo y bajo condiciones favorables, se preservan evidencias de fenómenos naturales repetitivos como las estaciones que se quedan registradas como varvas en el sedimento. En la gran mayoría de casos los fenómenos son a lo sumo cuasi periódicos, se preservan sólo unas pocas repeticiones del fenómeno o el registro no es suficientemente completo y extenso.

De otro lado, sólo recientemente se ha dispuesto de las herramientas matemáticas y computacionales adecuadas para abordar el estudio de los fenómenos naturales periódicos o cuasi-periódicos y como producto de estos estudios, han emergido del archivo sedimentario diversos eventos con tiempos de recurrencias variados, en algunos casos es difícil asignarles un origen claro (Helmke et al., 2002).

Desde el siglo XIX, se formuló la hipótesis de que determinados eventos de cambio clima, en ambientes terrestres podrían estar ligados a variaciones en los parámetros orbítales,

Parra et al.

pero solo es a partir de los cálculos de Milankovich y de la extracción de sedimentos de los fondos oceánicos que se posibilita confrontar esta suposición. Desde entonces, además de los cambios de la intensidad de la radiación solar, se ha probado que existen otros mecanismos que influyen en el clima a nivel planetario, especialmente los ligados con los mecanismos de distribución y preservación del calor y con la repartición horizontal y vertical de tierras y océanos. De estos fenómenos no astronómicos, no se tiene información mínima sobre su ciclicidad, a esta escala dimensional de millones de años, los fenómenos climáticos pertenece al reino de las suposiciones razonables (Zachos et al., 2001).

media de 10 años, consecuentemente, se puede detectar teóricamente fenómenos con persistencias cercanas a media centuria y eventos bruscos locales.

Otros cambios periódicos ligados a los cambios de clima y cuyos tiempos de recurrencia son de varias centurias o de unos pocos milenios, son más fáciles de abordar, ya que el registro sedimentario de árboles, lagos, hielo, corales y estalagmitas está a las mismas escalas y los grandes parámetros planetarios han sido muy similares a los actuales. Se supone que estos registros pueden dar información sobre las condiciones de frontera de algunos parámetros planetarios relevantes, como son la dinámica temporal de las zonas climáticas y bióticas, las concentraciones de los gases atmosféricos y la redistribución del calor superficial. Es a estas escalas que las correlaciones regionales o continentales de los cambios de clima son más confiables.

Tradicionalmente en paleoecología y en otras disciplinas el establecimiento de los estratos se ha realizado con base en las variaciones registradas en el tipo y arreglo de los componentes de las rocas o sedimentos, pero también es posible establecer estas unidades con base en cualquier propiedad o atributo que sea objetivamente determinable y reproducible por otros investigadores y que conduzca a unidades bien diferenciadas y con limites claramente definidos por cambios sensibles.

Cambios de clima a escalas de decenas de años, describen con mayor probabilidad fenómenos de alcance regional, como celdas atmosféricas, influencias de las distribuciones de relieve, sequías. Sin embargo, a escalas más pequeñas, fenómenos puntuales o eventos anómalos empiezan a generar ruido de alta frecuencia en el sistema sedimentario.

El núcleo Llano Grande 2, fue muestreado cada centímetro, acción que equivale a una

El análisis de periodicidades en el agua fósil por medio de diversas técnicas, ha conducido al descubrimiento de ciclicidades notorias en el núcleo. Es bastante claro que las señales son cuasi periódicas y por ello la amplitud y longitud de onda varían a lo largo de la profundidad, sin embargo, se pueden destacar ciclos aproximados cuyos máximos están separados entre sí cada 380, 125, 75 y 35 cm a lo largo del núcleo.

ESTRATIGRAFÍA DEL AGUA FÓSIL

A raíz de los procedimientos aplicados anteriormente al contenido de agua fósil respecto a la profundidad, se han detectado suficientes rasgos en esta variable que permiten establecer sobre sus bases una estratigrafía bien sustentada y clara.

Particularmente, la cantidad de agua fósil exhibe umbrales bien marcados a modo de escalones entre zonas cuyos valores medios son más o menos constantes o se encuentran en una variación bien definida de valores.

La particular marcha de esta condición del peso de agua en el núcleo Llano Grande 2, se presenta tanto si esta variable es graficada respecto al peso del sedimento densamente 133

Hidroestratigrafía de los sedimentos de la turbera Llano Grande

empacado o si lo es respecto al peso seco de la misma masa. Se ha preferido realizar la estratigrafía del agua con los valores gravimétricos, debido a que se considera la técnica estándar respecto a la cual se suelen referir las demás mediciones del agua por ser más precisa, confiable y fácil de determinar.

HIDROESTRATOS Las divisiones del núcleo se han realizado con base en los datos gravimétricos y en el análisis por medio de onditas de Symmlet & Morlet que han permitido detectar las variaciones mayores de los valores del agua fósil. Se ha descartado el análisis de las fluctuaciones de más alta frecuencia, que incluyen sólo unas pocas muestras.

Desde el punto de vista estratigráfico, es preciso reconocer las diferentes escalas de información que poseen los datos. A nivel de varios milenios, se resalta la existencia de dos grandes sectores bien diferenciados por un comportamiento similar respecto a su contenido de agua fósil, que se nombran hidroperiodos I y II al interior de los cuales se presentan segmentos mas cortos, que se apartan del comportamiento general y a los cuales nos referiremos como hidropulsos.

Una forma alterna y más simple de representar los anteriores resultados es convirtiendo la señal a una forma discreta por medio de clases, lo cual se puede hacer manualmente o por medios matemáticos y técnicas de computación. La forma manual de convertir la señal a una forma discreta es dividiendo los valores de la humedad gravimétrica en tres clases y darle a cada una de ellas una denominación, por ejemplo, súper hidratado (mayor de nueve), muy hidratados (entre seis y nueve) e hidratados (entre tres y seis), lo cual se considera adecuado ya que un suelo orgánico fibroso alcanza valores mayores de dos. La misma acción se puede realizar igualmente de una forma matemática 134

aplicándole a la serie original del agua fósil la transformada discreta de Haar (González, 2004), con lo cual se logra una división más exacta en clases resaltando las medias locales (figura que no se muestreo).

Para propósitos de comparación con otros trabajos se ha indicado tanto la profundidad como el tiempo equivalente (en años interpolados 14C BP) durante el cual la cantidad de la variable agua fósil se ha mantenido dentro de unos límites dados; a nivel de paleohidrología esta variable permite incluso hablar con alguna certeza de fenómenos a la escala de medio siglo. A continuación se presenta la división propuesta con base en las técnicas ya descritas.

Hidroperiodo I (actualidad-9200 años 14C BP) Abarca los primeros 746 cm del núcleo (9200 años 14C BP), incluyendo los primeros 20 cm que corresponden a la turbera activa actual o acrotelma, a partir de 14 cm los materiales localmente se vuelven super absorbentes (humedad gravimétrica mayor de 10), pero permanecen por encima de seis (muy hidratados) durante el periodo.

Este hidroperiodo contiene dos máximos de hidratación separados entre si por dos periodos de transición.

La primera oleada de humedad (20 hasta 191 cm) cubre los últimos 3750 años 14C BP del registro y su máximo se alcanza cerca de los 2850 años 14C BP dejando en el registro materiales super absorbentes. La influencia de este máximo se deja sentir hasta 370 cm (6100 años 14C BP) cuando es interrumpido por una fuerte onda de menor hidratación y de más alta frecuencia que se vuelve dominante hasta los 417 cm (6600 años 14C BP) dejando sedimentos menos hidratados respecto a los materiales vecinos; otro hidropulso de menor hidratación está localizado entre 268 y 287 cm (4900-5100 años 14C BP).

Parra et al.

El segundo máximo de hidratación se expresa fuertemente por un reforzamiento de los máximos de distinta frecuencia localizados entre 417 y 563 cm (6600-7900 años 14C BP) y durante este lapso gran parte de los sedimentos son súper-absorbentes.

A nivel estratigráfico hay correspondencia con un segmento dominado por turbas y lodos orgánicos fibrosos. En forma bastante abrupta los niveles de hidratación empiezan a disminuir hacia la base y en 650 cm (8500 años 14C BP) alcanzan su mínimo para empezar a aumentar nuevamente hasta el final del hidroperiodo I; aún durante este descenso los valores de la humedad gravimétrica se mantienen por encima de seis pero el incremento de la base está relacionado con el hidroperiodo II, el segmento 563 hasta 746 cm es transicional Hidroperiodo II (9200-14000 años 14C BP) El límite entre los dos hidroperiodos ubicado en 746 cm es un salto abrupto entre las medias locales donde la humedad gravimétrica desciende a valores por debajo de seis y se mantiene oscilando suavemente entre este valor y cuatro durante todo el hidroperiodo con pocas excepciones. Este límite también coincide con el cambio facial más notable del núcleo. El hidroperiodo II solo presenta dos oscilaciones importantes; la primera de ellas se ubica entre 1001 y 1054 cm (11150-11650 años 14C BP) y está marcada por una sensible reducción de la hidratación por debajo de cuatro cuyos síntomas se insinúan ya un poco antes en 1064 cm (11750 años 14C BP) y el segundo mínimo cubre los 1164-1185 cm (1290013100 años 14C BP) correspondiente a importantes eventos siliciclásticos en la cuenca.

A pesar de la corrección practicada a los valores de humedad gravimétrica entre 901-950 cm debidos a un error durante la perforación, esta parte del registro es difícil

de interpretar adecuadamente y por ello se ha omitido en este trabajo. Otras anomalías bastante localizadas y de corta duración en el hidroperiodo II son atribuibles fácilmente a fenómenos conocidos; por ejemplo el horizonte A con estructura se destaca claramente en 875 cm e igualmente sucede con el horizonte humificado entre 1121-1128 cm, pero también algunas particularidades destacadas como las ubicadas en 1240 cm no se asocian con rasgos estratigráficos en el núcleo.

SIGNIFICADO ESTRATOS

DE

LOS

HIDRO-

La búsqueda de los parámetros climáticos que tienen mayor relevancia en los ecosistemas de páramos está lejos de terminar; debido a que la biota de los páramos está adaptada a cambios muy bruscos en la temperatura que incluso alcanzan amplitudes de 30oC en el transcurso de 24 horas, como sucede en el caso particular del páramo de Frontino donde en el periodo menos lluvioso se han medido 26°C a mediodía y menos 6°C en la noche e igualmente han sido registrados por otros autores como Sturm & Rangel (1985). Es poco probable que cambios de pocos grados en la temperatura media anual tengan efectos significativos en la biota, excepto cuando están acoplados con cambios sensibles en el balance hídrico. A estas dos variables, temperatura y cantidaddistribución de la precipitación le atribuyen la posición del límite altitudinal del bosque (Van der Hammen & González, 1963).

La humedad disponible es una variable climática maestra en los ecosistemas de páramo y esto incluye no sólo un balance favorable entre precipitación y evapotranspiración sino también el agua subterránea, especialmente la profundidad y dinámica estacional del nivel freático que tiene un fuerte impacto sobre las comunidades hidrófilas; en la actualidad 135

Hidroestratigrafía de los sedimentos de la turbera Llano Grande

periodos muy cortos de déficit de humedad tienen efectos dramáticos de marchitamiento e incendios sobre la vegetación, como ha sido observado, en Frontino, durante los eventos secos del niño y es de esperar que una sequía más prolongada tendría efectos aún más persistentes.

El agua medida en el sedimento del núcleo Llano Grande 2, exhibe comportamientos bien particulares y consistentes como tendencias y pseudociclos que excluyen a los errores experimentales como su causalidad y por lo tanto, es necesario plantear algunas conjeturas que permitan orientar las posibles explicaciones, como las siguientes: 1. Debido a que parte de los materiales organogénicos se vuelven súper hidratados justo durante la transformación a hidrogeles orgánicos en la zona de oscilación del nivel freático, entonces para la interpretación de la estratigrafía del agua fósil, es posible plantear la hipótesis de que las cantidades de agua fósil están relacionadas directamente con el balance hídrico de la cuenca responsable en último caso de controlar este nivel y por lo tanto, esta variable se puede emplear como una herramienta paleohidrológica. En el caso de los lagos se ha discutido un posible origen alóctono desde los pantanos ribereños para los flóculos que forman la parte mayoritaria de la materia orgánica sedimentada y por lo tanto, estos hidrogeles orgánicos serían capaces de preservar parte del agua previamente absorbida aún cuando estén inmersos en una columna de agua. A diferencia de otros indicadores indirectos de la paleohidrología, como la vegetación, la cantidad de agua fósil constituiría un indicador directo de la disponibilidad de agua en el ecosistema.

2. Como se notó en la descomposición de la señal del agua, la información está conformada por componentes de diferentes 136

frecuencias y escalas y parece razonable suponer que cada una esté asociada con una fracción distinta, a modo de ejemplo la matriz orgánica y las fibras podrían ser portadoras de señales diferentes.

Evidencias a favor de esta hipótesis son la coincidencia entre algunos máximos locales de frecuencias altas en la señal del agua con concentraciones altas de fibras; por supuesto los máximos de las frecuencias bajas reflejan el comportamiento general del sedimento. La interpretación tiene una fuerte dependencia de la escala y particularmente la persistencia temporal de unas determinadas condiciones de la variable agua fósil, darían una idea de la estabilidad de las condiciones hidroclimáticas.

3. Resolver el problema sobre cual fracción del sedimento es responsable de algún componente particular de la señal acuosa no es fácil. Una prueba ácida de tal búsqueda es suponer que el agua está absorbida solo en la fase orgánica incinerable lo cual se refuta fácilmente buscando aquellas partes donde las curvas de la figuras 42 centro e inferior no son idénticas en su forma.

Algunos de estos sectores bien diferentes están ocupados por las diatomitas e indican que una parte del agua esta encerrada en estas frústulas. Aún si se supone que la fracción mineral no es portadora de agua o que su contribución es despreciable, la gran cantidad de agua que poseen estos sedimentos los aleja bastante de lo normal y se requiere investigar los mecanismos y portadores especiales como la formación de hidrogeles orgánicos súper-absorbentes ya invocada como conjetura.

El análisis de señales nos ha permitido realizar una estratigrafía con la variable agua fósil, pero es necesario comparar estos datos con informaciones provenientes de otros indicadores paleoambientales con el fin de confrontar su significado, por ejemplo con la estratigrafía general (Figura 53).

Parra et al.

Los cuatro metros superiores de la sección CUX, han servido desde su publicación (van der Hammen & González, 1963), como una columna de referencia para la definición de las zonas (numeradas I a VIII) del Tardiglacial y Holoceno en Colombia.

A modo de síntesis para el Holoceno, estos autores han dejado claro que: “Las variaciones de temperatura son pocas pero inmensos los cambios de precipitación”.

A nivel mundial y a la escala de varios milenios, en la parte media del Holoceno se reconoce periodo muy particular conocido como óptimo climático que ha permitido realizar una primera división tripartita de este periodo; a nivel de la estratigrafía de la Sabana de Bogotá, se le conoce como la Zona VI (Van der Hammen & González, 1963), y se le considera una fase húmeda (en términos de estos autores significa cantidad y distribución de la precipitación anual). En nuestro caso, un máximo de hidratación dentro del hidroperiodo I, ocupa esta misma posición central y se acompaña de una elevada concentración de estratos de turba.

El comportamiento del clima entre la fase final de el Pleniglacial y el óptimo climático es más complejo, en parte debido a una menor calidad del registro sedimentario, se han sugerido a nivel mundial hasta ocho divisiones para este segmento de sólo unos 11000 años de duración. Una situación similar ha sido propuesta para Colombia, abarcando entre el interestadial Susaca y la zona V. A la escala de varios milenios, la hidroestratigrafía no sustenta una división tan compleja y allí solo se puede establece el hidroperiodo II con algunas divisiones menores.

Los sedimentos del hidroperiodo II contienen la cantidad mínima de agua de todo el registro coincidiendo estratigráficamente con los paleosuelos donde se dio incluso gasificación de la materia orgánica

previamente depositada en una atmósfera seca y con sedimentos depositados en el fondo de lagos. El punto de contacto entre los hidroperiodos I y II se sitúa alrededor de 9200 años 14C BP y representa una cambio radical hacía una mayor hidratación coincidiendo con el cambio facial más importante del registro.

Por el contrario para los últimos 5000 años C BP a nivel mundial y de Colombia solo se han propuesto dos segmentos con poco cambio entre ellos; esta última parte del Holoceno en Llano Grande corresponde al hidroperiodos I y allí todos los sedimentos son súper-absorbentes.

14

DISCUSIÓN Y CONSIDERACIONES FINALES Se puede afirmar que el análisis de las fases y la estratigrafía del núcleo de Llano Grande 2, permiten establecer un marco general para comprender fenómenos muy relevantes que influyen en los ecosistemas del Páramo de Frontino. Desde el Tardiglacial hasta 9200 años 14C BP los sedimentos de Llano Grande, Frontino presentan una menor hidratación incluyendo déficit de humedad muy localizados, condiciones que favorecieron el desarrollo de procesos edáficos aún en las depresiones más protegidas y la existencia de erosión en las laderas más expuestas como lo atestiguan las pérdidas del registro sedimentario o discordancias erosivas en los núcleos Llano Grande 2 y Puente Largo.

De acuerdo con los datos recientes (Wille et al., 2003) se presentan hiatos similares en los núcleos de otros sitios de Colombia durante el Tardiglacial, razón por la cual el registro sedimentario para este periodo no es tan completo.

El anterior déficit de hidratación en los sedimentos cede su intensidad a los 9200 años 14C BP y permitió la existencia de lagos estables, pero a partir de los 7900 y hasta 137

Hidroestratigrafía de los sedimentos de la turbera Llano Grande

los 6600 años 14C BP, se presentan excesos notorios de agua y las sequías fisicamente no existieron; sin embargo, la cuenca del lago Llano Grande se colmató rápidamente con sedimentos y quedó reducida a una gran laguna somera con sus áreas marginales, evento que coincide con la consideración de que la fecha 7000 años es un dato importante sobre el origen de las lagunas y lagunetas del páramo colombiano (Kuhry 1988). Los últimos 4900 años 14C BP del Holoceno tardío son similares a las condiciones ya descritas y se mantienen hasta la actualidad.

Algunos momentos cortos pero intensos de menor hidratación están centrados en 6300 y 5300 años 14C BP, con casi cinco centurias de duración en el primer caso y sólo dos en el segundo.

A partir de otras pruebas como los paleosuelos y las facies que son coincidentes con la hidroestratigrafía, es bastante probable que el significado atribuido al agua fósil en el sentido positivo de la hipótesis según la cual, las cantidades de agua fósil acumuladas en el sedimento son directamente proporcionales al balance hídrico de la cuenca, sea el correcto. Sin embargo, es un asunto todavía por explorar, conocer la forma en que se produce la acumulación proporcional del agua en los sedimentos y su preservación luego de la fosilización. Una parte de la respuesta es que se trata de un fenómeno coloidal ligado a la polimerización de la materia orgánica que le conferiría propiedades súperabsorbentes. El mecanismo por el cual se logra tal fenómeno es completamente desconocido pero quizás se logre a través de una preservación selectiva de las cadenas hidrofílicas y un lavado de gran parte de las hidrofóbicas durante la transformación de la materia orgánica en la zona de oscilación del nivel freático.

La gran cantidad de agua guardada en la materia organogénica (materia orgánica 138

y biominerales) quizá haya contribuido también a la preservación de la señal isotópica del oxígeno, lo cual de ser probado, permitiría extraer el agua y determinar las paleotemperaturas del momento de formación de los hidrocoloides, con lo cual se abriría un nuevo campo de investigación en los humedales paramunos.

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Hidroestratigrafía de los sedimentos de la turbera Llano Grande

Anexo 3. Metodología sobre la hidroestatigrafía de la turbera Llano Grande.

Los datos básicos para el análisis de las fases se obtuvieron siguiendo las siguientes metodologías: Durante el trabajo de campo se extrajeron 12.5 m de sedimentos de la parte más profunda de la laguna, por medio de una sonda rusa que no comprime ni distorsiona el núcleo y adicionalmente no permite el ingreso de fluidos al interior de la canaleta que pudieran alterar su hidratación natural.

El corazón inmediatamente después de haber sido extraído, fue segmentado en el campo a una distancia continua de un centímetro y las rodajas resultantes se colocaron en bolsas plásticas individuales y selladas cuidadosamente para evitar las pérdidas de humedad. El conjunto de muestras fue empacado en una caja de icopor refrigerada y transportada al laboratorio donde se preservó en frío a 4°C. Ya en el laboratorio se tomaron alicuotas pequeñas del sedimento con una espátula fina y se empacaron densamente en una jeringa hasta completar un centímetro cúbico evitando las pérdidas de humedad y cuidando de no dejar espacios vacíos.

Las muestras deben ser transportadas bajo refrigeración, para evitar los cambios bruscos de temperatura que ocasionan la volatilización del agua del sedimento hacia el interior de las bolsas selladas, y la extracción del centímetro cúbico de la muestra debe ser realizada tan pronto como sea posible para minimizar esta fuente de error. En muestras que ya han sido abiertas y manipuladas varias veces no se puede determinar fielmente el contenido de la fase acuosa.

El procedimiento de secado se realizó en una estufa con control digital, calentando la muestra a 105°C hasta obtener peso constante durante no menos de 24 horas. Las cifras se consideran confiables hasta 0.01 g, ya que las pesadas sucesivas del mismo crisol seco sólo son reproducibles hasta esta cifra y un ensayo de replicación con 50 muestras por un operario diferente condujo al mismo resultado. Por este método se obtiene la densidad bruta o peso de un centímetro cúbico de sedimento húmedo densamente empacado e igualmente la cantidad de agua evaporada y los sólidos totales contenidos en cada centímetro cúbico.

A continuación la muestra ya seca, se sometió a calcinación a temperatura constante en una mufla con control digital automático dejándola quemar durante dos horas luego de alcanzar los 550°C. Los pesos iniciales y finales de todas las etapas fueron determinados en una balanza de precisión hasta 0.0001 g. Aunque existen otros métodos más complejos para determinación del Carbono, véase la revisión en Wai & Tanner (2003), el más sencillo y barato es la determinación de las pérdidas de masa bajo calcinación.

Inicialmente el núcleo fue recuperado sin distorsiones en el campo, preservando la textura original del sedimento, para lo cual se utilizó la sonda rusa que trabaja por corte lateral y no por presión vertical. Durante el corte en rodajas (un semi-cilindro de un centímetro de espesor), el empacado en bolsas autosellables y su colocación dentro de una nevera de icopor tampoco se introdujeron cambios importantes a la textura.

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Parra et al.

Sin embargo, los siguientes procesos si produjeron una alteración de la organización de espacios y partículas en el sedimento original: • Durante el transporte (humano, en mulas, vehicular y aéreo) las muestras se sometieron a distorsiones bastante leves de su forma inicial por la agitación mecánica.

• Efecto del empaquetado de la submuestra. Durante este proceso, aunque se evitaron las pérdidas de agua por el empacado, se produce una distorsión total de la textura original del sedimento y es particularmente severo con la conformación del espacio poroso.

El tratamiento de señales Como una señal se puede considerar toda información cuyos valores dependen de la posición que ocupan y adicionalmente exhiben una autocorrelación entre si. Muchos de los parámetros que se pueden extraer de un núcleo de sedimentos se pueden considerar señales y por lo tanto la aplicación a los sedimentos de técnicas de análisis de señales tiene ya una larga tradición, especialmente en los núcleos extraídos de los fondos oceánicos con el fin de encontrar ciclicidades. Recientemente y aprovechando la velocidad de los computadores personales, las técnicas se han vuelto más asequibles y se ha iniciado una fase rápida de aplicación de estas técnicas a otros tipos de registros como los lagos (Young, 1997).

En otros campos del conocimiento (Ondas y econometría) el análisis de señales se realiza colocando el tiempo en el eje X, de donde proviene el nombre genérico de series de tiempo con el que se conocen estas técnicas y la mayoría de supuestos teóricos y de las técnicas de análisis demandan un espaciamiento igual y sin faltantes de los datos en este eje. Sin embargo, en núcleos de sedimentos es más usual y exacto obtener datos a intervalos regulares de profundidad y por el lo tanto esta variable ocupa el eje X, en cicloestratigrafía, como sucede en el caso de los datos de Llano Grande 2, obtenidos cada centímetro.

Debido a que es menos común hablar de fenómenos que se repiten cada cierta profundidad en un núcleo, se acostumbra transformar la profundidad en tiempo empleando un modelo de edad contra profundidad y algoritmos de regularización. Esta costumbre introduce problemas en los datos debido a que ningún modelo de edad está libre de errores y la regularización coloca los datos en un eje abstracto y muy distinto de donde originalmente fueron extraídos los datos. Es necesario recordar que es imposible tomar datos a tiempos regulares en un núcleo, excepto quizás en las varvas. Por esta razón, Llano Grande 2, ha sido procesado en el dominio de la profundidad y el tiempo solo se emplea marginalmente. El análisis de señales trata de aislar la información relevante suprimiendo aquellas componentes menos importantes incluyendo el ruido que se presenta en la señal. Las técnicas para llevar a cabo estas actividades varían desde el análisis clásico empleando filtrajes, pasando por las técnicas de análisis de Fourier o Gabor, hasta las más recientes del análisis de onditas o wavelets.

Está lejos de los alcance de este trabajo hacer siquiera una breve síntesis de las técnicas descritas, pero existen excelentes trabajos donde se puede consultar esta temática; una buena descripción conceptual para series unidimensionales se puede consultar en el libro de Masters (1995), el cual adicionalmente trae el programa NPREDICT con el cual se pueden aprender varias de las técnicas clásicas; igualmente el trabajo de Young (1997), ilustra sobre algunas aplicaciones básicas de estas técnicas a sedimentos lacustres.

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Hidroestratigrafía de los sedimentos de la turbera Llano Grande

Otras técnicas más recientes, como las propias de las descomposiciones simultáneas en tiempo y frecuencias, tienen fundamentos conceptuales y matemáticos más complejos que se pueden consultar en libros y artículos especializados. Gran parte de estas técnicas requieren software especializado como W Waveslim para R o KYPLOT (versión 2.0 B.15).

Preparación de los datos Debido a que en el estudio de series es necesario contar con datos homogéneos en el dominio de la profundidad y a que los eventos clásticos introducen distorsiones en el registro de valores, se hace necesario aplicar correctivos a algunos segmentos de la serie; particularmente los intervalos 405 a 411 cm donde se presenta la ceniza volcánica y el intervalo 900 a 950 cm donde se cometió un error durante el proceso de perforación.

Como los datos están igualmente espaciados un centímetro en el dominio de la profundidad, no se ha considerado prudente convertir la señal al dominio del tiempo con lo cual se cambiaría a un espaciamiento irregular de los datos en el dominio del tiempo. La corrección básica consiste en sustituir los valores medidos en estas posiciones por la media de la facies respectiva incluyendo un ruido blanco generado con una distribución normal para similar su aspecto ruidoso. La operación estadística consiste en multiplicar el ruido blanco por la desviación estándar de la respectiva facies y adicionar la media de la facies. En otros casos, es suficiente con una nivelación de las medias con sus vecinos más inmediatos.

Adicionalmente a la igualdad de espaciamiento de los valores, los métodos de análisis de señales exigen otras condiciones particulares como tener un conjunto de datos múltiplo de 2n, siendo usual llenar los valores faltantes con la media o ceros e igualmente la tendencia de los datos es suprimida Con el fin de indagar mejor acerca del comportamiento sectorizado que exhibe cada una de las fases con la profundidad, se han procesado los datos por medio de técnicas clásicas (filtrado y análisis del periodograma), las cuales permiten una ubicación mucho más precisa de los cambios en el dominio de la profundidad que sus homologas las técnicas de wavelets.

Estas últimas hacen su mejor trabajo en mostrar las diferentes escalas de información que existen en los datos en los dominios simultáneos de las frecuencias y la profundidad, pero su precisión en la localización es bastante menor.

Aunque es posible estudiar parte de los datos con métodos menos complejos, por ejemplo suavizamiento por promedio móvil para las bajas frecuencias (Master, 1995), se ocasionaría una subutilización de los datos, se perdería precisión en las localizaciones y no sería posible estudiar el comportamiento de las altas frecuencias que son eliminadas por los métodos de suavizado de las curvas.

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