mary r. albert · 2014-06-25 · nes cubiertas por mantos de hielo, donde la nieve no se derrite...

4 Oilfield Review

El pasado a través del hielo

El hecho de que el clima de la Tierra está cambiando constituye una verdad irrefutable,

pero el curso, el ritmo y los efectos futuros finales de ese cambio resultan menos claros.

Los climatólogos, glaciólogos e ingenieros están recuperando muestras de los

mantos de hielo de Groenlandia y la Antártida y de los glaciares de climas templados

en un esfuerzo para comprender, en base al pasado, qué puede ofrecer el futuro.

Mary R. AlbertDartmouth CollegeHanover, New Hampshire, EUA

Geoffrey HargreavesServicio Geológico de EUADenver, Colorado, EUA

Traducción del artículo publicado en Oilfield Review Invierno de 2013/2014: 25, no. 4.Copyright © 2014 Schlumberger.Por su colaboración en la preparación de este artículo, se agradece a Jay Johnson del grupo de Diseño y Operaciones de Perforación en el Hielo, Madison, Wisconsin, EUA; Nature A. McGinn y Julie M. Palais, Fundación Nacional para la Ciencia de EUA (NSF), Programa Antártico de EUA, Arlington, Virginia, EUA; y a Mark Twickler del Instituto para el Estudio de la Tierra, los Océanos y el Espacio, Universidad de New Hampshire, Durham, EUA. Mary R. Albert agradece el apoyo brindado por la NSF a través del subsidio PLR-1327315.Isopar es una marca de ExxonMobil Corporation.

1. Alley RB: The Two Mile Time Machine: Ice Cores, Abrupt Change, and Our Future. Princeton, Nueva Jersey, EUA: Princeton University Press, 2000.

2. Comité sobre el Cambio Climático Abrupto, Consejo Nacional de Investigación: Abrupt Climate Change: Inevitable Surprises. Washington, DC: The National Academies Press, 2002.

Luthi D, Le Floch M, Bereiter B, Blunier T, Barnola J-M, Siegenthaler U, Raynaud D, Jouzel J, Fischer H, Kawamura K y Stocker TF: “High-Resolution Carbon Dioxide Concentration Record 650,000–800,000 Years Before Present,” Nature 453, no. 7193 (15 de mayo de 2008):379–382.

Brook E: “Paleoclimate: Windows on the Greenhouse,” Nature 453, no. 7193 (15 de mayo de 2008): 291–292.

3. Langway CC Jr: “The History of Early Polar Ice Cores,” Cold Regions Science and Technology 52, no. 2 (Enero de 2008): 101–117.

4. Dansgaard W: “The O18-Abundance in Fresh Water,” Geochimica et Cosmochimica Acta 6, no. 5–6 (Diciembre de 1954): 241–260.

5. Langway CC Jr: “Willi Dansgaard (1922–2011),” Arctic 64, no. 3 (Septiembre de 2011): 385–387.

> Glaciar Quelccaya, 1977. (Fotografía, cortesía de Lonnie Thompson de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus, EUA.)

Volumen 25, no.4 55

Los climatólogos necesitan remitirse a lo suce-dido hace varios cientos o miles de años para darse cuenta de cómo ha cambiado el clima de nuestro planeta durante esos años. Esto los ayuda a comprender mejor los procesos climáticos de la Tierra para que puedan hacer predicciones con respecto a lo que está por acontecer. En las regio-nes cubiertas por mantos de hielo, donde la nieve no se derrite sino que se apila durante varios cientos de miles de años, el hielo resultante, de espesor kilométrico, conforma un archivo de pis-tas con respecto al clima del pasado.

Si bien la ciencia de interpretación del clima a partir de núcleos de hielo tiene menos de 70 años, los climatólogos han realizado algunos descubri-mientos notables.1 Por ejemplo, la ciencia de los núcleos (testigos corona) de hielo posibilitó la revelación de que el clima puede cambiar en forma abrupta, en menos de 10 años, y la com-prensión de que la composición de dióxido de car-bono [CO2] de la atmósfera es hoy más alta de lo que lo ha sido a lo largo de más de 800 000 años.2

Las primeras perforadoras para la recupera-ción de núcleos de hielo con fines científicos fue-ron diseñadas por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos en la década de 1950. Estas perforadoras, cuyo diseño se originó a partir de conceptos relacionados con la perforación geológica, fueron utilizadas para extraer numerosos núcleos de hielo profundos y de profundidades intermedias tanto en Groenlandia como en la Antártida.3 Cuando en la década de 1960 el Ejército de los Estados Unidos creó Camp Century, en Groenlandia, sus ingenieros concibieron una nueva perfora-dora electromecánica para recuperar el primer núcleo continuo profundo hasta la roca firme de fondo; para ese núcleo, Chester Langway, Jr., quien era responsable del análisis científico de los núcleos, formó un equipo internacional com-puesto por científicos estadounidenses, daneses y suizos para la obtención de una serie de medicio-nes basadas en el núcleo. La ciencia de los núcleos de hielo experimentó una rápida evolución en muchas naciones, e incluso hoy, los esfuerzos inter-disciplinarios internacionales siguen siendo un sello que la caracteriza.

Los trabajos del científico danés Willi Dansgaard se tradujeron en un proyecto de colaboración inter-nacional centrado en el análisis del núcleo de hielo de Camp Century. En la década de 1950, Dansgaard realizó un descubrimiento que hoy permite a los analistas descifrar la información grabada en estos registros antiguos. Dansgaard desarrolló el instru-mental necesario para medir rápidamente las variaciones estacionales de las condiciones cli-máticas, a lo largo de intervalos de tiempo cortos, a través de la medición de las variaciones de las

relaciones de los isótopos estables del oxígeno, tales como la relación 18O/16O de los núcleos de hielo, y aplicó esta técnica al análisis del núcleo de 1 390 m [4 560 pies] de largo recuperado en Camp Century en 1966 (arriba).4 Desde entonces, varios científicos de todo el mundo han analizado otras especies químicas presentes en los núcleos de hielo para extraer información climática y

meteorológica a partir del polvo, los resultados de la actividad volcánica, el ritmo de acumulación de la nieve y, para los marcadores naturales y antropo-génicos, numerosos trazadores químicos presentes en los mantos de hielo.5

Este artículo describe la perforación a través de los mantos de hielo del Ártico y la Antártida y de los glaciares de climas tropicales, las técnicas

> El primer núcleo de hielo de Camp Century. Los resultados del análisis del núcleo de hielo de Camp Century indicaron que a partir de núcleos de hielo podían derivarse las condiciones climáticas del pasado. La gráfica muestra la magnitud, en partes por mil (0/00), en que varía la relación de los isótopos estables del oxígeno 18O/16O (δ18O) como una función de la profundidad y la edad a lo largo de los 1 390 m de longitud del núcleo de hielo. Los valores bajos de δ18O (sombreado azul) se asocian con las bajas temperaturas de ese momento, en tanto que los valores altos (sombreado púrpura) se relacionan con temperaturas cálidas. La gran desviación de los valores de δ18O a 1 100 m aproximadamente corresponde al cambio desde el último período glacial al actual período interglaciar. Además, se identifican varios eventos climáticos pasados (entre 2 y 5e). Estos resultados demuestran que la extracción de núcleos de hielo y el método de los isótopos de oxígeno son formas viables de reconstruir las condiciones climáticas del pasado. [Adaptado de “The History of Danish Ice Core Science,” Universidad de Copenhague, Centro para el Hielo y el Clima, Instituto Niels Bohr, http://www.iceandclimate.nbi.ku.dk/about_centre/history/ (Se accedió el 5 de junio de 2013).]

Oilfield Review WINTER 13/14Ice Coring Fig. 1ORWIN 13/14 ICECR 1

Óptimo climáticode 1930

Óptimo climáticopostglaciar

23

4

5a5b5d

5e

5c

Pequeña Edadde Hielo

Período cálidomedieval

1 000

800

600

400

300

200

100

50

30

20

10

10

20

50

100

200

500

1 000

2 000

5 000

10 000

20 000

50 000

100 000

–45 –40 –35 –30

1 100

1 200

1 300

1 330

1 360

Prof

undi

dad,

m

Edad

en

años

ant

es d

e 19

68

δ18O, 0/00

6 Oilfield Review

utilizadas para recuperar núcleos de hielo intactos y la forma en que éstos se almacenan y se analizan. Algunos casos reales incluyen los resultados de los esfuerzos para obtener núcleos del período interglaciar Eemiano en Groenlandia, el Manto de Hielo de la Antártida Occidental (WAIS) y el glaciar Quelccaya en Perú.

Construcción de un equipo para perforar a través del hieloDesde que los científicos comenzaron a adquirir núcleos desde mayores profundidades en los espesos mantos de hielo de Groenlandia y la Antártida, los equipos utilizados con esos fines evolucionaron para satisfacer los desafíos únicos de esos ambientes.6 Una de las iteraciones más recientes en el desarrollo de equipos de perfora-ción a través del hielo es la perforadora electrome-cánica para mantos de hielo profundos (DISC). La perforadora DISC, con su capacidad de perfora-ción direccional, fue diseñada y construida por el grupo de Diseño y Operaciones de Perforación en el Hielo (IDDO) del Centro de Ciencias Espaciales e Ingeniería de la Universidad de Wisconsin-Madison, EUA. El propósito de su desarrollo fue la recuperación de núcleos de hielo profundos a través de la incorporación, entre otras características, de la capacidad para efectuar las siguientes prácticas:• recolectar núcleos de hielo desde profundida-

des de hasta 4 000 m [13 000 pies]• captar núcleos de hielo de más de 98 mm

[3,9 pulgadas] de diámetro• mantener una inclinación de pozo de 5° o menor• recolectar núcleos replicados utilizando perfo-

ración direccional• muestrear y registrar la profundidad, la veloci-

dad de rotación de la perforadora, el esfuerzo de torsión (torque), el peso sobre la barrena (WOB), la temperatura del fluido y la rapidez del tubo extractor de núcleos, de 10 veces por segundo.7

Los diseñadores también intentaron reducir la duración total de los proyectos mediante la optimización del equilibrio entre el tiempo de viaje y el tiempo de extracción de los núcleos; en los proyectos más profundos, la bajada y la extracción de la barrena del pozo contribuye más a la duración total del proyecto que la obtención de núcleos en el fondo. La unidad DISC puede perforar núcleos más largos que las perforadoras previas, por lo que alcanza sus objetivos de pro-fundidad con menos viajes.

La perforadora DISC consta de una sonda de perforación, un cable de perforación, una torre de perforación, un malacate y el sistema de control y suministro de energía de superficie. La sonda de perforación modular incluye una corona de extrac-

ción de núcleos, un tubo extractor de núcleos, una sección de filtrado, una sección de bomba a motor y una sección de instrumentos. La corona de extracción de núcleos, provista de cuatro corta-dores reemplazables, posee un tubo extractor de núcleos incorporado para proteger el núcleo cap-tado (arriba). La corona de extracción de núcleos, que recorta un anillo anular de hielo para formar el núcleo, incluye cuatro cámaras para núcleos, o retenes, que rompen el núcleo al final de la carrera de extracción e impiden que se deslice por el fondo del tubo extractor a medida que se lleva a la superficie. La corona de extracción incluye además botones, o zapatas, en su cara inferior. Los botones sirven para limitar la penetración de los cortadores ya que fijan el paso de estos últimos.8

La sección de bomba a motor de la sonda DISC contiene dos motores y una bomba de fluido de perforación que puede operar con temperatu-ras de hasta –50°C [–58°F] y presiones de 40 MPa

[5 800 lpc]. Un motor acciona la bomba y el otro el tubo y la corona de extracción de núcleos.9 Los recor-tes de hielo son recolectados en la sección de fil-trado, que consiste en un alojamiento, hecho con los mismos tubos que el tubo extractor de núcleos, provisto de filtros en su parte central. El fluido de perforación transporta los fragmentos pequeños de hielo generados durante las operaciones de extracción de núcleos hacia el interior del espa-cio anular del tubo extractor de núcleos y hacia los filtros del arreglo, que los lleva a la superficie junto con el núcleo (próxima página, arriba).

La sonda de perforación está compuesta por las secciones de fuerza anti-torque, instrumentos y motores, para el control a motor, la adquisición de datos, el acondicionamiento de la potencia y las comunicaciones. El sistema incluye dos moto-res que operan en forma independiente y son controlados a través de un sistema de servocon-trol de corriente. Dado que en estos sistemas el

> Corona de extracción de núcleos de hielo. La corona de extracción de núcleos de hielo forma un espacio anular entre el hielo y la sonda. A medida que desciende, la herramienta capta una columna continua de hielo que se lleva a la superficie. Mediante la utilización de este sistema, los perforadores han alcanzado profundidades de unos 3 800 m [12 500 pies] y pueden recuperar núcleos de 12,2 cm [4,8 pulgadas] de diámetro y 4 m [13 pies] de longitud. El tubo extractor de núcleos rotativo consiste en una serie de tubos conectados mecánicamente y puede ser equipado con una camisa de fibra de vidrio que ayuda a mantener intactos los núcleos fracturados. Los retenes del núcleo, que giran dentro del hielo y lo fracturan cuando se sube la perforadora, mantienen el núcleo en el estabilizador y la cámara de núcleos (fotografía) a medida que el cortador se lleva a la superficie. Las zapatas de extracción de núcleos son botones pequeños situados en la cara inferior de la corona de extracción de núcleos que limitan la penetración de las hojas del cortador. La distancia vertical entre la superficie inferior de las zapatas y las puntas de los cortadores fija el paso, o velocidad de penetración, de la perforadora. (Adaptado de Mason et al, referencia 8.)


Retén del núcleo

Cortador

Segmento del tuboextractor de núcleos

Estabilizador y cámara de núcleos

Camisa

Núcleo de hielo

Zapata

Conexión roscada a la sección del filtro

Volumen 25, no.4 7

torque del motor es proporcional a la corriente, dicha fuerza es controlada mediante la modera-ción de la potencia de los motores.

Los sensores de la sonda miden la tempera-tura de los componentes electrónicos, el fluido de perforación, el motor de los cortadores, el motor de la bomba y el fluido de los motores. Dado que la sección de instrumentos debe mantenerse estanca a la presión, los sensores monitorean la presión existente entre dos sellos redundantes y cada una de las tapas de cierre del arreglo.10

La sección superior de la sonda incluye las termi-naciones mecánicas, eléctricas y de fibra óptica del cable. Las juntas rotativas permiten que la sonda de perforación rote con respecto al cable. El cable sustenta físicamente la perforadora, le suministra potencia y posibilita la comunicación entre la sonda y la superficie. El cable de la perforadora DISC incluye un cable central, cables de fibra óptica, alambres de cobre y una envoltura externa de cables de acero galvanizado que proporcionan la resistencia mecánica para bajar y subir la sonda (derecha, extremo inferior).11

A diferencia de los arreglos de las unidades de perforación de hidrocarburos, el eje del tam-bor de la perforadora DISC se mantiene paralelo al cable de perforación a medida que pasa a tra-vés de un dispositivo para enrollar hasta la torre. Esta configuración permite ubicar el malacate en la base de la torre, lo que genera una huella más pequeña que las huellas producidas cuando el cable se extiende desde el malacate hasta la torre en forma perpendicular. Debido a la configuración torre-malacate, una vez que la perforadora se encuentra en la superficie, debe desarmarse y se debe proceder a desconectar el tubo extractor de núcleos de la sonda. Luego, el personal del equipo de perforación levanta y hace rotar el tubo

6. Bentley CR, Koci BR, Augustin LJ-M, Bolsey RJ, Green JA, Kyne JD, Lebar DA, Mason WP, Shturmakov AJ, Engelhardt HF, Harrison WD, Hecht MH y Zagorodnov V: “Ice Drilling and Coring,” en Bar-Cohen Y y Zacny K (eds): Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and Other Planets. Dramstadt, Alemania: Wiley-VCH (Agosto de 2009): 221–308.

7. Shturmakov AJ, Lebar DA, Mason WP y Bentley CR: “A New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 1. Design Concepts,” Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 28–34.

8. Mason WP, Shturmakov AJ, Johnson JA y Haman S: “A New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 2. Mechanical Design,” Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 35–40.

9. Mason et al, referencia 8.10. Mortenson NB, Sendelbach PJ y Shturmakov AJ: “A

New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 3. Control, Electrical and Electronics Design,” Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 41–50.

11. Shturmakov AJ y Sendelbach PJ: “A New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 4. Drill Cable,” Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 51–53.

> Sección de filtrado. La sección de filtrado filtra los fragmentos pequeños de hielo, producidos por los cortadores, del flujo de fluido de perforación a medida que éste circula a través de la perforadora. Esta sección también proporciona un compartimiento en el cual se recolectan y se almacenan los fragmentos pequeños de hielo para su transporte a la superficie. El filtro de fragmentos de hielo está diseñado para proveer un área de filtrado máxima y una caída de presión mínima. Para la perforadora DISC se desarrolló un cartucho de filtro modular e intercambiable, por la velocidad y la facilidad de limpieza durante las operaciones de perforación. El filtro DISC y el diseño del tubo extractor de núcleos son modulares de manera que puede utilizarse cualquier número de cartuchos de filtro. Las válvulas de retención controlan la dirección del flujo del fluido de perforación. El arreglo de válvula de retención está conectado a la sección de filtrado por debajo de los filtros y es sostenido en su lugar por un anillo de traba a resorte. El arreglo sustenta el peso de los cartuchos del filtro que se encuentran por encima de éste y emplea un conjunto de válvulas de retención con doble puerta para permitir que la lechada de fluido-fragmentos de hielo bombeada en forma ascendente desde los cortadores ingresen en el interior del conjunto de cartuchos del filtro, donde los fragmentos son filtrados y recogidos del flujo de fluido de perforación; el fluido filtrado se descarta en el pozo. Un arreglo concéntrico de 12 orificios permite que el contraflujo (flujo de retorno) unidireccional de fluido limpio drene y sortee los filtros en la dirección opuesta, a través de la perforadora, a medida que se extrae la herramienta del pozo. (Adaptado de Mason et al, referencia 8.)


Conexión al cortador de núcleos

Conexión al cable

Segmento de filtradodel tubo extractor

Arreglo de válvula de retención

Orificios de descarga de fluido

Cartucho del filtro

Válvula de retención con doble puerta

> Cable de la perforadora DISC. El cable de la perforadora DISC está diseñado principalmente para las condiciones de extracción de núcleos del campamento WAIS y para los requerimientos de peso, tamaño y límite de ruptura. El tamaño del cable se adecua a la bobina del malacate que baja el dispositivo en el pozo para la extracción de núcleos. La bobina y el cable son suficientemente livianos para ser manipulados con las grúas y los métodos de transporte disponibles. El límite de ruptura se fija en 142 kN [31 900 lbf]; es decir, un valor mayor que el del fusible mecánico del extremo superior de la sonda y menor que la fuerza de tracción total del malacate. El cable está diseñado con material de relleno hueco alrededor de sus partes y con capas externas que son impermeables a los fluidos de perforación utilizados en el campamento WAIS y posee una vida operativa de cinco años. (Adaptado de Shturmakov y Sendelbach, referencia 11.)


Cable central

Seis fibras ópticas

Almohadilla de nylon

Ocho cables de acero recubiertos en cobre

Faja de polietileno de alta densidad

Faja de polietileno de alta densidad

22 cables de acero galvanizado mejorado de alta calidad con elemento de resistencia

36 cables de acero galvanizado mejorado de alta calidad con elemento de resistencia

60 cables de cobre envueltos con cinta de aluminiode revestimiento polimérico

8 Oilfield Review

> Extracción de un núcleo replicado. La sonda de extracción de núcleos replicados (extremo inferior) es una sonda modificada de perforación y extracción de núcleos con secciones de tubo extractor de núcleos de diámetro reducido y filtrado, y un módulo de accionamiento inferior que aplica presión contra la pared del pozo para iniciar un pozo desviado cuesta arriba o desde el lado alto del pozo original (extremo superior). El módulo de accionamiento inferior está provisto de ruedas de discos (no mostradas) para reducir la fricción a lo largo de la pared del pozo. El módulo de accionamiento superior evita que la sonda rote mientras se recorta el núcleo, impidiendo la transferencia del torque a la sonda. [Adaptado de Souney J: “Replicate Ice Coring System,” In-Depth 6, no. 2 (Otoño de 2011): 7.]


Secciónanti-torque

Módulo deaccionamiento inferior

Sección deinstrumentos

Sección debomba y motor

Cortador

Extractor de núcleosde pequeño diámetro

Módulo deaccionamiento superior

Vertical

Vertical

Pozodesviado

Incremento del diámetro logrado por la rectificación

Lado altodel pozo

Máximo 30 m

Pozooriginal

Máximo20°

extractor de núcleos 180° para permitir la extrac-ción del núcleo de la parte superior del tubo y su colocación en una bandeja de procesamiento. Una vez removidos del tubo extractor, los núcleos de 3,5 m [12 pies] de longitud original general-mente se cortan en secciones de 1 m [3 pies] y luego se almacenan en un congelador para ser transportados hasta un centro de almacenamiento e investigación para su archivado. La perforadora DISC fue probada en el terreno en Groenlandia y los diseñadores implementaron las modificaciones necesarias antes de que el grupo de perforación iniciara su actividad en la Antártida.12

Similares a los utilizados en el campo petro-lero, los fluidos de perforación para la extracción de núcleos de hielo cumplen múltiples funciones; además de transportar los fragmentos pequeños de hielo hasta los filtros, son utilizados para generar una presión hidrostática que impide el colapso del pozo. Los pozos perforados en el hielo no son geopresionados, pero dado que el hielo es plástico no fluye hacia el interior del pozo en res-puesta a los esfuerzos verticales y cortantes impues-tos en las paredes del pozo. El esfuerzo vertical, o presión glacioestática, es producido por el peso de sobrecarga del hielo; el esfuerzo cortante, o esfuerzo glaciodinámico, es causado por el flujo glaciar sobre la roca.13

La densidad de los fluidos de extracción de núcleos de hielo está diseñada para aproximarse lo más posible a la densidad del hielo que se está perforando; en el pasado, los perforadores utiliza-ban acetato de n-butilo como fluido de perforación. Pero para resguardar la salud del personal, los gerentes de proyectos del campamento WAIS Divide, situado en el interior de la Antártida Occidental, optaron por una mezcla de aproxima-damente tres partes de fluido Isopar K y una parte de hidroclorofluorocarbono. Los sistemas de manipulación de fluidos para la extracción de núcleos de hielo contienen un tanque con dispo-sitivos de medición, válvulas, bombas y centrifu-gadores para recuperar los fragmentos pequeños de hielo de los filtros antes de que el fluido retorne al sistema.

En Estados Unidos, el desarrollo de la nueva tecnología de perforación en el hielo es impulsado por el Plan de Ciencias de Largo Alcance, que fue el resultado de un proceso de planeación de la comunidad científica organizado por la Oficina del Programa de Perforación en el Hielo (IDPO).14 La IDPO supervisa la ingeniería a cargo de la IDDO.15 Desde hace mucho tiempo, los científicos de la comunidad que se dedica a los núcleos de hielo desean obtener núcleos replicados desde profundidades específicas, científicamente signi-ficativas, de los mantos de hielo, tales como las profundidades en las que se han producido cam-bios climáticos abruptos. Un núcleo replicado es un núcleo de un pozo desviado que ha sido perfo-rado en sentido casi paralelo y muy cerca de un núcleo recuperado previamente, de manera que ambos exhibirán comparaciones exactas de pro-fundidad y capas. En los últimos cinco años, los ingenieros del grupo IDDO hallaron una forma de hacer realidad esta posibilidad. En 2012, las adap-taciones técnicas de la perforadora DISC ayudaron a los científicos a recuperar núcleos de hielo repli-cados desde múltiples profundidades en la localiza-ción de perforación WAIS. Dado que los científicos deseaban continuar desplegando sensores accio-nados por gravedad en el pozo, más allá de la pro-fundidad en la que se había tomado el núcleo replicado, éste debía extraerse cuesta arriba; es decir, desde el lado alto del pozo.

Volumen 25, no.4 9

12. Johnson JA, Mason WP, Shturmakov AJ, Haman ST, Sendelbach PJ, Mortensen NB, Augustin LJ y Dahnert KR: “A New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 5. Experience During Greenland Field Testing,” Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 54–60.

13. Aber JS, Croot DG y Fenton MM: Glaciotectonic Landforms and Structures. Ámsterdam: Springer Netherlands (1989): 155–168.

14. El Plan de Ciencias de Largo Alcance fue desarrollado por la Fundación Nacional para las Ciencias de EUA con el fin de fijar objetivos y ofrecer orientación y apoyo logístico para la ciencia de perforación y extracción de núcleos de EUA y sustentar el desarrollo y la infraestructura de la tecnología de perforación a través del hielo.

15. Albert M, Twickler M y Bentley C: “A New Paradigm for Ice Core Drilling,” Eos Transactions, American Geophysical Union 91, no. 39 (28 de septiembre de 2010): 345–346.

16. “Replicate Ice Coring System,” US Ice Drilling Program, http://www.icedrill.org/equipment/replicate-coringsystem.shtml (Se accedió el 6 de julio de 2013).

17. Los hidratos de clatrato son sólidos en los que las moléculas, de aire en este caso, ocupan jaulas en los cristales moleculares de las moléculas de agua con enlaces de hidrógeno.

> Flujo del hielo. Debido a que es plástico, el hielo fluye hacia abajo y hacia fuera (flechas azules) desde la cima de un domo. Por consiguiente, los núcleos de hielo extraídos de la porción central de un domo (líneas negras horizontales) conservan una correlación precisa entre la profundidad y la edad. Las líneas negras representan capas cuyo espesor se reduce con la profundidad a medida que son comprimidas por el incremento del peso de la sobrecarga.


Cima

Hielo

Roca firmede fondo

Para satisfacer este requerimiento, la técnica de extracción de núcleos replicados utiliza módu-los de accionamiento colocados a lo largo de la sonda que aplican presión en la pared lateral del pozo principal, lo que produce el desvío de la tra-yectoria del pozo (página anterior). La sección des-viada se convierte en un pozo independiente a una distancia de 30 m [100 pies] del punto en el cual se aplican primero las fuerzas laterales. La desviación sale desde el lado alto de un pozo principal leve-mente desviado. Una vez establecida la desvia-ción, se extraen los núcleos desde un pozo que se perfora en sentido casi paralelo al pozo principal. La sonda de extracción de núcleos replicados incluye módulos de accionamiento en su extremo superior, que actúan como dispositivos anti-torque evitando la rotación de la sonda; en el extremo infe-rior de la herramienta, los módulos de acciona-miento provistos de ruedas de disco permiten que la sonda se mueva suavemente a lo largo de la sec-ción desviada. La extracción de núcleos se lleva a cabo en viajes reiterados, en cada uno de los cuales se puede captar un núcleo de 10,8 cm [4,25 pulga-das] de diámetro hasta adquirir el largo pretendido de sección de núcleo.16

Preparación para la toma de la muestraSi bien las prácticas utilizadas en la perforación y la extracción de núcleos de hielo pueden ser com-parables con las de las operaciones petroleras, la

roca y el hielo se comportan de manera diferente. A diferencia de las rocas, el hielo es plástico y fluye hacia abajo y lateralmente (arriba). Por con-siguiente, para asegurar la correlación precisa de los estratos en profundidad, los perforadores deben ubicar sus equipos en el tope de una estruc-tura de hielo o domo. Además, el hielo difiere en cuanto a composición según la profundidad de sepultamiento y debe ser manipulado consecuen-temente. Los glaciares se componen de hielo que contiene impurezas químicas y burbujas de aire. Entre 600 y 1 200 m [1 970 y 3 940 pies] aproxima-damente, el hielo del que se obtienen los núcleos normalmente es frágil cuando se extrae del pozo. Dado que la presión de las burbujas de aire atrapa-das en el hielo es mayor que la adherencia entre los cristales de hielo, el núcleo puede fracturarse espontáneamente y a veces hacerse añicos. A más de 1 200 m de profundidad, la presión y la tempe-ratura del hielo hacen que las burbujas de aire se vuelvan hidratos de clatrato, lo que las convierte en parte de la estructura cristalina del hielo y la inestabilidad de éste deja de ser un problema.17

Los técnicos miden electrónicamente el largo de los núcleos llevados a la superficie y cargan las mediciones en un programa de computación para que puedan ser comparables con mediciones derivadas de núcleos extraídos previamente del mismo pozo. Luego, desalojan el fluido de perfo-ración que se encuentra alrededor del núcleo a

medida que éste se extrae del tubo extractor. A continuación, se remueve el fluido de perfora-ción residual del núcleo en una cámara de dese-cación y los núcleos se colocan en bolsas y en cajas y se procede a su transporte. El hielo frágil se capta en redes para minimizar la rotura, y aun-que se rompa en muchos pedazos, los científicos pueden seguir discerniendo una gran cantidad de información siempre que la masa del núcleo se preserve en orden estratigráfico.

10 Oilfield Review

Muchos de los núcleos extraídos de los princi-pales mantos de hielo de Groenlandia y la Antártida ahora se envían al Laboratorio Nacional de Núcleos de Hielo (NICL) de EUA en Denver. Dirigido por el Servicio Geológico de EUA y financiado por la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF) de EUA, el NICL conserva más de 17 km [11 mi] de núcleos de hielo de 34 localizaciones de perfora-ción a una temperatura de almacenamiento de –36°C [–33°F] (abajo).

El área del NICL para el examen de los núcleos se mantiene a –24°C [–11°F]. El núcleo de hielo que va a analizarse se corta a lo largo o en láminas. A su vez, las láminas se dividen en secciones que se distribuyen entre los científicos para los diver-sos tipos de estudios (próxima página). Por ejem-plo, dado que las secciones extraídas del centro del núcleo tienen menos probabilidades de ser contaminadas con los fluidos de perforación u otros materiales externos durante la captación, el transporte y el almacenamiento, los científicos del laboratorio habitualmente destinan esas sec-ciones para el análisis químico. Otras secciones son recortadas según especificaciones de tamaño o de determinadas partes del núcleo para el con-

teo de las burbujas y las capas, la generación de imágenes o el análisis de gases utilizando espec-trómetros de masa.

Los paleoclimatólogos que buscan información sobre los climas pasados utilizan datos indirectos (proxy data) inferidos de los recursos naturales, tales como los anillos de los árboles y los sedimen-tos de los fondos marinos. Los registros que cons-truyen a partir de estas fuentes son los paleoregistros ambientales naturales (paleoproxy records); registros naturales indirectos de la variabilidad climatológica o meteorológica del pasado. En base a la composición isotópica y química del hielo y el polvo presente en los núcleos de hielo, los científi-cos pueden estimar las temperaturas regionales promedio del aire del pasado, las variaciones de la circulación atmosférica, los volúmenes de las pre-cipitaciones, la composición atmosférica, la activi-dad solar y las erupciones volcánicas. Los datos indirectos incluyen diversas especies químicas, isótopos estables, radioisótopos, la composición del polvo, el ritmo de acumulación de la nieve, las cenizas volcánicas y el azufre, que son utilizados por los científicos para determinar las condiciones climáticas del pasado.

La evidencia que encierra el hieloDesde los trabajos de Dansgaard de la década de 1950, la utilización de las relaciones radioisotópi-cas —principalmente el hidrógeno 2 [δ2H], o el deuterio [δD], y el oxígeno 18 [δ18O]— ha experi-mentado un mayor desarrollo y las relaciones son indicadores comunes de los núcleos de hielo que aportan información.18 Los isótopos son átomos del mismo elemento con el mismo número de proto-nes, pero con un número desigual de neutrones. Al igual que todos los átomos de oxígeno, el isótopo 18O posee 8 protones. No obstante, en lugar de los 8 neutrones del oxígeno estable 16 [16O], que con-forma casi el 99,8% de todos los átomos de oxí-geno, el 18O posee 10 neutrones. Dado que el 18O es más pesado que el 16O, las moléculas de agua compuestas de hidrógeno y 16O [1H2

16O] se evapo-ran más rápido que las moléculas que contienen 18O [1H2

18O]. El vapor resultante contiene una alta relación entre las moléculas de agua liviana y de agua pesada. A medida que una masa de aire se enfría, las moléculas más pesadas se condensan con más facilidad y se desprenden de las nubes en forma de nieve y lluvia. Por consiguiente, la relación isotópica entre el oxígeno de la lluvia y el

>Núcleos en almacenamiento. El Laboratorio Nacional de Núcleos de Hielo de Denver sirve como centro de preparación y almacenamiento de núcleos de hielo. Actualmente, el laboratorio contiene más de 17 km de núcleos de hielo de todo el mundo.


Volumen 25, no.4 11

de la nieve se correlaciona estrechamente con la temperatura de condensación. Si la temperatura del aire continúa descendiendo, la condensación contendrá concentraciones cada vez menores de moléculas pesadas, lo que conducirá al agota-miento del 18O respecto de la precipitación que se había condensado previamente en un ambiente más cálido. Por consiguiente, las tendencias de calentamiento y enfriamiento del pasado han tenido gran influencia en los registros de la rela-ción de los isótopos de oxígeno pesados-livianos (18O/16O, o δ18O) del núcleo de hielo.19

Los científicos también toman en cuenta otros factores que podrían afectar los valores de los indicadores indirectos, y la comprensión de las relaciones entre los indicadores naturales y los factores climáticos es importante para el aná-lisis de núcleos. Recientemente, los científicos que recogen datos sobre la temperatura del pasado, las regiones con fuentes de humedad y la hidrología a partir de los isótopos estables presentes en la nieve y el hielo, rastrearon la presencia de elemen-tos secundarios o vestigiales en el hielo para eva-luar las contribuciones del pasado y actuales de fuentes antropogénicas y volcánicas.20

Las sustancias químicas y el polvo que se encuentran en los núcleos de hielo también son indicadores de la circulación atmosférica del pasado, las erupciones volcánicas, la velocidad del viento y la turbidez troposférica. La evidencia de una erupción volcánica en forma de capas de ceniza y sulfato, detectada a través del análisis químico y otras pruebas, puede ayudar a los cien-tíficos a datar las capas de los núcleos de hielo.21

Las concentraciones de iones de ciertas sustan-cias químicas presentes en el hielo revelan cam-bios en las condiciones atmosféricas y las causas que los generan.22

Los científicos interpretan las capas de polvo de los núcleos de hielo para inferir los cambios producidos en el clima y el viento en el área cer-cana a aquella en la que fue recogido el núcleo. Las capas de polvo también ayudan a los científi-cos a identificar casos de turbidez atmosférica,

información que utilizan luego para asignar una fecha al núcleo. La concentración de polvo se correlaciona bien con la composición de δ18O del hielo glaciar. Los científicos han aprendido a inter-pretar el valor del δ18O presente en el hielo glaciar y en los foraminíferos planctónicos de los sedimen-tos marinos como una medida del volumen de agua de la Tierra que se encuentra congelada en el hielo; la representación gráfica de estos datos revela la ocurrencia y duración de las edades de hielo.23 Los paleoclimatólogos utilizan la correla-ción entre la concentración de polvo y de los isóto-pos de oxígeno para comprender mejor las causas de las edades de hielo a través del estudio del polvo presente en el hielo que fue sepultado a una profundidad suficiente como para documentar las variaciones climáticas producidas en los años pre-vios y posteriores a las numerosas edades de hielo del pasado y durante su transcurso.24

18. δD = {[(2H/1H)muestra – (2H/1H)VSMOW] (2H/1H)VSMOW} × 1 000, donde (2H/1H)muestra es la relación entre deuterio e hidrógeno ordinario, en una muestra correspondiente a una referencia determinada, y (2H/1H)VSMOW es la relación entre deuterio e hidrógeno ordinario según el estándar medio de agua marina de Viena (VSMOW).

19. El estándar medio de agua marina de Viena fue desarrollado en la década de 1960 para la composición isotópica del agua dulce. Los científicos que estudian los núcleos de hielo utilizan dicha norma para estimar la temperatura de condensación en el momento de la caída de la nieve.

20. Osterberg EC, Handley MJ, Sneed SB, Mayewski PA y Kreutz KJ: “Continuous Ice Core Melter System with Discrete Sampling for Major Ion, Trace Element, and Stable Isotope Analyses,” Environmental Science & Technology 40, no. 10 (Mayo de 2006): 3355–3361.

21. Los científicos normalmente utilizan las pruebas químicas para detectar la presencia de sulfato en los núcleos de hielo y para detectar cualquier actividad volcánica preindustrial. Sin embargo, dado que el incremento de los volúmenes de sulfatos antropogénicos genera señales de fondo que oscurecen la señal química proveniente de fuentes naturales, dicha técnica es menos precisa para las muestras posteriores a la Revolución Industrial.

22. Osterberg et al, referencia 20.23. Los foraminíferos planctónicos son organismos

unicelulares con conchilla que habitan en la superficie de los océanos. Cuando mueren, sus conchillas caen en el fondo oceánico. Según la especie, los foraminíferos planctónicos, que pueden ser diferenciados por sus conchillas, crecen en aguas marinas diversas, desde las aguas superficiales más cálidas hasta las profundidades más frías. Por consiguiente, los científicos pueden utilizar los restos de foraminíferos planctónicos encontrados en los estratos del lecho marino para inferir la temperatura del océano en el momento de la depositación de una capa de sedimento.

24. Miocinovic P, Price PB y Bay RC: “Rapid Optical Method for Logging Dust Concentration Versus Depth in Glacial Ice,” Applied Optics 40, no. 15 (20 de mayo de 2001): 2515–2521.

> División del trabajo. En el laboratorio, los técnicos seccionan el núcleo para determinados tipos de análisis. En este caso, las secciones DD17 y DD18 fueron utilizadas para determinar los isótopos estables (H y O) del agua. La sección delgada DDVTS fue utilizada para el análisis de cristales y fábricas para la determinación del tamaño, la forma y la orientación de los ejes de los cristales del hielo; estas secciones de muestras de 10 cm [4 pulgadas] se toman cada 20 m [65 pies]. Las secciones DD02 y DD06 se utilizaron para el análisis de isótopos berilio 10. Las secciones DD03, DD04 y DD05 fueron designadas para el análisis químico. Las secciones DD07 y DD09 se archivaron. La sección DD08 fue utilizada para el análisis de gases y las muestras fueron tomadas cada 10-50 cm [4-20 pulgadas] dependiendo de las características del clima y del intervalo de tiempo. La incisión se refiere al ancho del corte, que es determinado por el ancho de la hoja de la sierra y representa la cantidad de material que se sacrifica durante el seccionamiento.


DDO3

DD

O2

DD

O6

DDO7 DDO8 DDO9

DDO4

Plan de corte de núcleos WAIS 2011Incisión (línea azul) = 2 mm

DDO5

Sección delgada(DDVTS)

3 cm × 3 cm

1,2

cm ×

2,8

cm

1,2

cm ×

2,8

cm

3 cm × 3 cm 3 cm × 3 cm

DD17 DD18

12 Oilfield Review

El análisis de iones y elementos secundarios normalmente requería que los técnicos removie-ran progresivamente la porción externa potencial-mente contaminada del núcleo en condiciones de limpieza extrema. Aunque muy valioso para los investigadores, este método proporciona una reso-lución baja oscilante entre 10 y 20 cm [4 y 8 pulga-das] por muestra, y dado que es trabajoso y lento, los conjuntos de datos obtenidos a menudo son discontinuos. Por consiguiente, los científicos modernizaron el proceso a través del desarrollo de

los sistemas de fusión continua de los núcleos de hielo, que redujeron el tiempo de preparación de las muestras, incrementaron la resolución de muestreo y a la vez proporcionaron datos continuos y co-regis-trados para un vasto conjunto de elementos. Estos sistemas utilizan técnicas de análisis por flujo continuo (CFA) en línea o acoplan el fundidor a un cromatógrafo de intercambio iónico y a espec-trómetros de masa de campo y de plasma acoplados inductivamente. Estas innovaciones proporciona-ron mediciones continuas de los isótopos presentes

en el agua de fusión y en el aire atrapado en las burbujas de los núcleos de hielo.

Si bien el análisis químico e isotópico de la matriz del hielo aporta evidencias indirectas de las condiciones ambientales del pasado, el aire viejo atrapado en las burbujas del hielo proporciona las únicas muestras directas de las atmósferas del pasado. La formación de burbujas tiene su origen en el proceso de depositación, compactación y transi-ción de la nieve a hielo en profundidad. En las zonas extremadamente frías de Groenlandia y la Antártida, donde el derretimiento de la nieve es poco común, las nevadas se acumulan progresivamente a lo largo de varios miles de años, generando mantos de hielo de espesor kilométrico. Conforme la nieve continúa acumulándose en la superficie, la creciente sobre-carga comprime la nieve infrayacente. La nieve que tiene más de un año de antigüedad pero que conti-núa siendo porosa se denomina nieve parcialmente compactada (izquierda). Con la profundidad, los espacios porosos existentes entre los cristales de la nieve parcialmente compactada se comprimen. A una profundidad oscilante entre 60 y 120 m [195 y 390 pies], el espacio poroso remanente existe en forma de burbujas en la matriz, que se ha convertido en hielo sólido; ésta se denomina profundidad de cierre. Dado que el aire presente en el espacio poroso se puede difundir a través de la nieve parcial-mente compactada, el aire atrapado en las burbujas es más moderno que el hielo que lo encierra.

Para determinar la diferencia entre la edad del gas y la edad del hielo en la profundidad de cierre de poros de un sitio dado se utiliza una combina-ción de mediciones del gas del aire de la nieve par-cialmente compactada, mediciones de los gases de las burbujas existentes en el hielo, mediciones gla-ciológicas y procesos de modelado. Por debajo de la profundidad de cierre de poros, los gases envejecen al mismo ritmo que el hielo en el que se encuentran atrapados. La medición de la composición del gas con la profundidad del núcleo permite a los cientí-ficos determinar los cambios producidos en la com-posición atmosférica del pasado para varios gases, incluidas las variaciones de los niveles de metano [CH4] y dióxido de carbono [CO2].25 El aire atra-pado en las burbujas de las profundidades de los mantos de hielo polar representan la única oportu-nidad para medir directamente la composición quí-mica de la atmósfera antigua.

Obtención de la datación correctaAdemás de la corrección por la diferencia de edad entre el aire atrapado en el hielo y el hielo propiamente dicho, los científicos deben abordar la tarea de correlacionar la profundidad con la edad en los núcleos de hielo. Para ello comparan los perfiles de las especies químicas que exhiben

> Formación del hielo. Las capas de nieve recién caída están compuestas por un 70% de aire en volumen pero se compactan bajo las capas de nieve subsiguientes. Por debajo de la nevada anual, que puede variar entre 1 y 200 cm [0,4 y 80 pulgadas] por año, la nieve se compacta parcialmente, asemejándose al hielo granular con una reducción del aire intersticial de aproximadamente un 60% a un 10% con la profundidad. A más de 60-120 m [195-390 pies] de profundidad, la nieve parcialmente compactada se convierte en hielo glaciar y el aire permanece como burbujas en la matriz del hielo. A medida que continúa el proceso de sepultamiento, el volumen de burbujas se reduce aún más y el hielo se vuelve claro.


Nieve70% de aire

Nieve parcialmente compactada60% de aire

Nieve parcialmente compactada10% de aire

Hielo glaciar2% comoburbujasde aire

Volumen 25, no.4 13

una variación estacional en el momento de la depositación y los gases de composición atmosfé-rica largamente conocida, correlacionando la profundidad del núcleo con la profundidad de la depositación volcánica para las erupciones cono-cidas y, para ciertas localizaciones, contando las capas visualmente. La estratigrafía visual, que se basa en las diferencias de brillo, textura, burbu-jas de aire y color entre las capas de los núcleos, constituye una forma directa de correlacionar la profundidad con la edad en sitios con altas tasas de acumulación de nieve en los que no se ha pro-ducido derretimiento y el polvo sirve para permi-tir la identificación de las capas (arriba).

Dado que el conteo visual de las capas no siempre es posible, los científicos con mucha fre-cuencia utilizan métodos de datación que compa-ran las variaciones químicas con los perfiles de composición de los gases. En el año 2003, los científicos dataron 50 m [165 pies] de hielo en Siple Dome, Antártida, bajando una cámara con

un LED en el pozo. El brillo de la imagen se filtró digitalmente. Los resultados de la relación entre la profundidad y la edad, derivados mediante la utili-zación de imágenes digitales, fueron similares a los obtenidos mediante el conteo manual de las capas y la medición de la conductividad eléctrica (ECM) en un núcleo de una localización cercana.26

El método ECM de corriente continua, uno de los dos métodos utilizados por los analistas en el proceso de estratigrafía eléctrica, mide la conduc-tividad de baja frecuencia de los núcleos. En este proceso, el personal de laboratorio arrastra dos electrodos con una diferencia de potencial relati-vamente alta a través de la superficie de una lámina preparada y miden la corriente que fluye a través del núcleo. Las mediciones se digitalizan a cada milímetro a lo largo del núcleo; estos datos se almacenan junto con otra información, tal como profundidad, tiempo de recuperación, tem-peratura del hielo y localizaciones de las quebra-duras y las fracturas. Dado que la medición de la conductividad ECM es una reflexión de la acidez del hielo, constituye un indicador directo de la influencia de la actividad volcánica en la química del núcleo. Los científicos interpretan las medi-ciones ECM para revelar una estratigrafía de las erupciones volcánicas, que puede ser utilizada para datar los núcleos de hielo. Y utilizan estos resultados, además de la datación química, para establecer relaciones entre la profundidad y la edad (arriba).27 También utilizan estas medicio-nes para determinar correlaciones de profundi-dad entre los núcleos; estas correlaciones pueden

ser utilizadas para determinar o esclarecer las capas anuales que son difíciles de discernir debido a las sequías.28

Un segundo método de estratigrafía eléctrica —la generación de perfiles dieléctricos (DEP)— emplea corriente alterna de alta frecuencia para medir la conductividad del hielo. La conductividad derivada mediante la generación de perfiles dieléc-tricos es una indicación de la cantidad de ácido presente en el hielo, pero a diferencia del método ECM, la medición DEP puede ser afectada por sus-tancias químicas tales como el amonio y el cloruro. En el método DEP, los núcleos de hielo enteros se colocan entre electrodos curvos, lo que le confiere varias ventajas con respecto al método ECM. Las pruebas de conductividad DEP pueden ser efectuadas sin tocar el núcleo de hielo y sin extraerlo de la funda plástica utilizada para su transporte, lo que lo vuelve particularmente útil para las secciones de núcleos frágiles e inestables.

25. Bender M, Sowers T y Brook E: “Gases in Ice Cores,” Transcripciones de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos de América 94, no. 16 (5 de agosto de 1997): 8343–8349.

26. Hawley RL, Waddington ED, Alley RB y Taylor KC: “Annual Layers in Polar Firn Detected by Borehole Optical Stratigraphy,” Geophysical Research Letters 30, no. 15 (Agosto de 2003): HLS1-1–HLS1-3.

27. Wolff E: “Electrical Stratigraphy of Polar Ice Cores: Principles, Methods, and Findings,” en Hondoh T (ed): Physics of Ice Core Records. Sapporo, Japón: Hokkaido University Press (2000): 155–171.

28. Taylor K, Alley R, Fiacco J, Grootes P, Lamorey G, Mayewski P y Spencer MJ: “Ice-Core Dating and Chemistry by Direct-Current Electrical Conductivity,” Journal of Glaciology 38, no. 130 (1992): 325–332.

> Estratigrafía visual. Las capas anuales resultan claramente visibles en esta muestra de un núcleo de hielo. Las capas correspondientes al verano (flechas) se observan más claras porque contienen menos polvo. (Fotografía, cortesía de la Universidad de Colorado, en Boulder, EUA.)


> Gráfica de estratigrafía eléctrica. Mediante la utilización de los núcleos de hielo de Groenlandia, Creta y Camp Century, los técnicos calcularon la estratigrafía volcánica de los últimos 10 000 años a partir del tamaño de los picos del método de conductividad eléctrica (ECM) de corriente continua (líneas rojas). El método ECM responde a la acidez del hielo, que varía con el aporte de ácido proveniente de la actividad volcánica. Los científicos pueden datar el hielo mediante la correlación de las fechas de estos picos con los de las erupciones volcánicas conocidas. (Adaptado de Wolff, referencia 27.)


500

400

300

200

100

–8 000 –6 000 –4 000 –2 000 2 00000

Lluv

ia á

cida

de

orig

en v

olcá

nico

, kg/

m2

Año de nuestra era

14 Oilfield Review

La correlación entre la profundidad y la edad de los núcleos de hielo también es afectada por el flujo del hielo y la deformación de la roca base. El flujo del hielo en torno a las deformidades basales puede producir fusión, plegamiento y otras defor-maciones del manto de hielo. Estos eventos, a su vez, pueden afectar la forma en que los científi-cos interpretan las fechas y en ciertos casos des-truir el registro físico.

Debido a éstas y otras dificultades, los científi-cos a veces deben establecer una relación entre la profundidad y la edad de un núcleo indirectamente. En 1968, se perforó el núcleo de hielo Byrd, en la Antártida, hasta la roca firme de fondo. Pero dado que los 88 m [290 pies] superiores del núcleo se encontraban dañados o faltaban, no fue posible establecer una correlación mediante el conteo de las capas. En cambio, se estableció la cronología identificando primero el horizonte a una profundi-dad de 97,8 m [321 pies] por debajo de la superfi-cie como una capa generada por la actividad

volcánica que había tenido lugar en el año 1259 de nuestra era. La acumulación media anual en el sitio Byrd fue de 1,12 cm [0,44 pulgadas] por año durante el período de 709 años previo a 1968.29 La escala de tiempo para el resto del núcleo se estableció utilizando el método ECM. Dado que las mediciones fueron escasas en la zona frágil comprendida entre 300 y 800 m [980 y 2 600 pies], las mismas se ajustaron con funcio-nes lineales y la relación entre la profundidad y la edad se obtuvo mediante la integración del perfil de espesor de las capas desde la superficie hasta la profundidad de interés. La escala de tiempo para las secciones más antiguas del núcleo fue ajustada subsiguientemente mediante la correla-ción de las mediciones de la concentración de metano en el núcleo de hielo Byrd con las de las cronologías de las capas contadas, derivadas de los núcleos de hielo de Groenlandia.30

Los investigadores también pueden extender las relaciones entre la profundidad y la edad,

29. Langway CC Jr, Clausen HB y Hammer CU: “An Inter-Hemispheric Volcanic Time-Marker in Ice Cores from Greenland and Antarctica,” Annals of Glaciology 10 (1988): 102–108.

30. Neumann TA, Conway H, Price SF, Waddington ED, Catania GA y Morse DL: “Holocene Accumulation and Ice Sheet Dynamics in Central West Antarctica,” Journal of Geophysical Research: Earth Surface 113, no. F2 (Junio de 2008): F02018-1–F02018-9.

establecidas a partir de estudios químicos y visua-les de núcleos de hielo, a las áreas geográficas adyacentes más extensas mediante la aplicación de radares de penetración del hielo que utilizan pulsos electromagnéticos en el dominio del tiempo. Las reflexiones del radar recibidas en las antenas son causadas principalmente por los con-trastes de conductividad presentes en el hielo, que indican nevadas características (izquierda). Mediante la extrapolación de las isócronas deter-minadas con el radar en un núcleo de hielo datado al área geográfica de interés, los científicos pue-den determinar la extensión lateral de las capas estratigráficas clave en lugares alejados del sitio en el que se extrajeron los núcleos.

Recuerdos del futuroMuchos climatólogos consideran que la obtención de un núcleo de hielo del último período intergla-ciar —el Eemiano, entre 130 000 y 115 000 años atrás— es crucial para la comprensión de la ten-dencia actual de calentamiento global de la Tierra. El interglaciar Eemiano fue un período cálido similar al que puede estar tendiendo nuestro pla-neta en la actualidad. Si bien en ese momento el calentamiento no fue causado por emisiones antropogénicas, los resultados del calentamiento de los glaciares y los mantos de hielo indudable-mente proporcionan pistas para inferir los proce-sos climáticos y pueden ayudar a los científicos a perfeccionar sus predicciones sobre el futuro. Por ejemplo, algunos modelos climáticos indican que el manto de hielo de Groenlandia desapare-cerá si se mantiene la tendencia de calenta-miento actual; los registros naturales indirectos del período interglaciar Eemiano constituyen una prueba de esa hipótesis.31

Hasta hace poco tiempo, los esfuerzos para extraer un núcleo de hielo con el registro completo del período Eemiano habían sido infructuosos, pero ese obstáculo se superó recientemente en el sitio del proyecto NEEM (Perforación de los Hielos Eemianos de Groenlandia Septentrional) cuando los científicos extrajeron un núcleo de hielo de 2 540 m [8 330 pies] de longitud. En el proyecto NEEM, un esfuerzo de colaboración internacional dirigido por los investigadores del Instituto Niels Bohr, de la Universidad de Copenhague, en Dinamarca, la recuperación del núcleo insumió el

31. Wilhelms F, Schwander J, Mason B, Augustin L, Azuma N, Hansen SB, Fitzpatrick J y Talalay PG: “Ice Core Drilling Technical Challenges,” libro blanco de las Asociaciones Internacionales de Ciencias de Núcleos de Hielo, http://www.isogklima.nbi.ku.dk/nyhedsfolder/engelske_nyheder/centre-people-to-antarctic-2013/IPICS_Technical_Challenges.pdf/ (Se accedió el 15 de enero de 2014).

32. Miembros de la Comunidad NEEM: “Eemian Interglacial Reconstructed from a Greenland Folded Ice Core,” Nature 493, no. 7433 (24 de enero de 2013): 489–494.

33. Miembros de la Comunidad NEEM, referencia 32.34. “Greenland Ice Cores Reveal Warm Climate of the Past,”

Universidad de Copenhague, Instituto Niels Bohr (22 de enero de 2013), http://www.nbi.ku.dk/english/news/news13/greenland-ice-cores-reveal-warm-climate-ofthe-past/ (Se accedió el 23 de octubre de 2013).

> Radar de penetración del hielo. Esta sección de datos de radar de 150 km [95 mi] de longitud, recolectada en torno a la localización de perforación del proyecto NGRIP (Proyecto de Núcleos de Hielo de Groenlandia Septentrional), en Groenlandia, muestra una roca firme de fondo bastante plana (línea oscura de la base) a una profundidad de unos 3 km [2 mi] y capas de hielo ondulantes. La forma de estas capas es generada por las variaciones producidas en el ritmo de fusión basal. Donde las capas se inclinan hacia abajo, el ritmo de fusión es más alto. (Fotografía utilizada con la autorización del Centro de Percepción Remota de Mantos de Hielo, Universidad de Kansas, Lawrence, EUA.)


Roca firme de fondo

Volumen 25, no.4 15

con valores relativamente altos de isótopos esta-bles de H2O [δ18Ohielo], lo que, como indicador para la temperatura de condensación, muestra que el hielo proviene del período interglaciar Eemiano (izquierda). Esta conclusión es susten-tada por el hecho de que el hielo que se encuentra a una profundidad de más de 2 537 m [8 323 pies] se halla cerca de la roca firme de fondo y posee valores de δ18O bajos, que indican que corres-ponde al período glaciar que precedió al Eemiano.33

El núcleo de hielo NEEM constituye el primer registro de núcleo de hielo del período Eemiano entero. Los científicos continuarán con sus estu-dios en un esfuerzo para decodificar en forma más exhaustiva el hielo plegado; no obstante, resulta claro que la temperatura de Groenlandia durante el Eemiano era 8°C [14°F] más alta que la actual. A partir del análisis del núcleo, los cien-tíficos llegaron a la conclusión de que la fusión se produjo en el borde del manto del hielo y que el flujo de toda la masa de hielo hizo que el manto perdiera masa y se redujera en altura. A pesar de su tasa de contracción de 6 cm [2,5 pulgadas] por año, el manto de hielo no desapareció y el equipo de investigación estima que su volumen no se redujo en más del 25% durante los años más cáli-dos del período Eemiano.34 Esto podría indicar que los altos niveles del mar prevalecientes en el Eemiano son atribuibles principalmente al colapso del Manto de Hielo de la Antártida Occidental (WAIS).

Desde el sur profundoEn un campamento situado a 1 045 km [650 mi] del Polo Sur magnético, un grupo de ingenieros y científicos recuperó recientemente un núcleo de hielo que data de 68 000 años atrás. El Proyecto del Núcleo de Hielo de WAIS Divide proporciona registros de gases de efecto invernadero y regis-tros climáticos del hemisferio sur, que son com-parables en cuanto a resolución temporal y duración con los núcleos de hielo de Groenlandia. Este núcleo de hielo permite a los científicos com-parar las condiciones ambientales entre los hemis-ferios norte y sur con mayor detalle que antes y además estudiar los niveles de gases de efecto invernadero presentes en las atmósferas antiguas.

Los investigadores están utilizando el núcleo de hielo para comprender la historia del manto de hielo WAIS a fin de proporcionar un mayor conocimiento de la composición atmosférica del pasado y del cambio climático abrupto e investi-gar las señales biológicas contenidas en los núcleos de hielo antártico profundo. Dado que el núcleo WAIS Divide posee un orden de magnitud menos de polvo que el núcleo de Groenlandia, los

período comprendido entre los años 2008 y 2012. Los 1 419 m [4 656 pies] superiores corresponden al período interglaciar actual (Holoceno). El hielo glaciar que se encuentra debajo puede correlacio-narse con el hielo glaciar del proyecto NGRIP (Proyecto de Núcleos de Hielo de Groenlandia Septentrional). Por debajo de la profundidad del proyecto NGRIP, la escala de tiempo extendida de la Cronología de Núcleos de Hielo de Groenlandia

2005 puede ser utilizada hasta una profundidad de 2 206,7 m [7 239,8 pies], lo cual se correlaciona con 108 000 años antes del presente, asumiendo como presente el año 1950.32

A más de 2 206,7 m de profundidad, la estrati-ficación anual del núcleo de hielo del Eemiano se vuelve más difícil de discernir porque el hielo cerca de la base del manto se encuentra plegado. No obstante, esta sección inferior contiene zonas

> Registros observados del proyecto NEEM. En esta gráfica se representan los registros observados de los isótopos δ18Ohielo, δ18Oatmósfera y δ15N, junto con las trazas de CH4 y N2O en partes por billón en volumen (ppbv) y el contenido de aire a 2 162 m [7 093 pies] y mayor profundidad, en la escala de profundidad del proyecto NEEM. Cada zona (0 a 6) representa una sección del registro del núcleo de hielo NEEM. Los símbolos indican el comienzo (diamante) y el final (cuadrado) de cada zona. Entre las zonas 4 y 5 no existe ninguna discontinuidad, pero en la zona 4 se producen picos de CH4, N2O y contenido de aire (sombreado azul), que indican un período de derretimiento en la superficie o de condiciones superficiales de humedad. A los fines comparativos, los datos NGRIP se representan gráficamente como curvas de color gris claro en la escala de profundidad NGRIP (extremo superior de la gráfica). Las escalas de profundidad NEEM y NGRIP se sincronizan entre las profundidades NEEM de 2 162 y 2 207,6 m [7 093 y 7 242,8 pies]. (Adaptado de los miembros de la Comunidad NEEM, referencia 32.)


δ15 N

, 0 /00

δ18 O

atm

, 0 /00

N2O

, ppb

v

CH4,

ppbv

Cont

enid

o de

aire

, mL/

kg

δ18Ohielo

δ18Oatm

δ15N

CH4

N2O

Contenido de aire

Profundidad NEEM, m

Profundidad NGRIP, m

δ18 O

hiel

o, 0 /0

0

–32

–36

–40

–44

70

80

90

100

2 200 2 300 2 400 2 5002 250 2 350 2 450

0,2

0 1 2 3 4 5 6

0,3

0,4

0,5

0,5

–0,5

1

0

400

350

300

250

2 000

1 000

800

600

400

2 800 3 000 3 200

16 Oilfield Review

científicos consideran que les proporcionará un registro de CO2 atmosférico más detallado que el que fue posible inferir con el núcleo de hielo de Groenlandia. Muchos otros gases (tanto gases de efecto invernadero como no invernadero) y sus isótopos están siendo medidos con un nivel de precisión y resolución sin precedentes.

El equipo de investigación recuperó el núcleo de hielo a partir de un hielo de más de 3 460 m [11 300 pies] de espesor y detuvo la perforación justo 50 m [165 pies] por encima de la roca firme de fondo para evitar la contaminación del agua de la base del hielo que se mantuvo aislada del medio ambiente durante al menos 100 000 años. Dado que la nieve que cae en WAIS Divide raramente se derrite, cada uno de los últimos 40 000 años puede ser identificado en las capas de hielo indi-viduales (arriba). A mayor profundidad, las capas anuales individuales no son tan fáciles de identi-ficar, pero el núcleo contiene un registro de reso-

lución temporal más alta que cualquier núcleo recuperado previamente. Los resultados del aná-lisis de este núcleo resolvieron un debate cientí-fico acerca de las relaciones entre el cambio climático en los hemisferios norte y sur y confirma-ron que el manto WAIS es muy sensible a las condi-ciones existentes en los océanos meridionales. Los científicos esperan obtener resultados signi-ficativos adicionales de un análisis posterior ahora que se ha concluido la perforación del núcleo de hielo.

Hasta la cima de la montañaLas operaciones de extracción de núcleos no se limitan a los climas polares extremos y han sido eje-cutadas en glaciares de alta altitud y baja latitud. Los pozos de estas localizaciones tropicales son más someros que los perforados en los mantos de hielo de latitudes altas, pero estos núcleos de hielo revelan efectivamente detalles de la histo-

ria del clima tropical de la Tierra. Se han recupe-rado núcleos de hielo tropicales desde lugares geográficamente tan diversos como las montañas del Himalaya y los Andes.

En el año 2003, los científicos de la Universidad Estatal de Ohio, en Columbus, EUA, recuperaron núcleos de hielo a una distancia de 1,92 km [1,19 millas] de dos pozos —Quelccaya Summit

>Núcleo del Manto de Hielo de la Antártida Occidental. Dado que la nieve de WAIS Divide raramente se fusiona, las capas de hielo de los últimos 40 000 años no se han fracturado y sus divisiones son visibles y fáciles de contar. Además, el hielo contiene mucho menos polvo que otros mantos de hielo. No obstante, en esta sección de núcleo de 2 m [6,5 pies] de largo, existe una capa de ceniza oscura claramente visible. (Fotografía, cortesía de Heidi A. Roop, Oficina de Coordinación de Ciencias WAIS Divide de la Universidad de New Hampshire.)


35. Thompson LG: “Ice Core Evidence for Climate Change in the Tropics: Implications for Our Future,” Quaternary Science Reviews 19, no. 1–5 (Enero de 2000): 19–35.

36. Thompson LG, Mosley-Thompson E, Davis ME, Zagorodnov VS, Howat IM, Mikhalenko VN y Lin PN: “Annually Resolved Ice Core Records of Tropical Climate Variability over the Past ~1800 Years,” Science 340, no. 6135 (24 de mayo de 2013): 945–950.

37. Fischer H, Severinghaus J, Brook E, Wolff E, Albert M, Alemany O, Arthern R, Bentley C, Blankenship D, Chappellaz J, Creyts T, Dahl-Jensen D, Dinn M, Frezzotti M, Fujita S, Gallee H, Hindmarsh R, Hudspeth D, Jugie G, Kawamura K, Lipenkov V, Miller H, Mulvaney R, Parrenin F, Pattyn F, Ritz C, Schwander J, Steinhage D, van Ommen T y Wilhelms F: “Where to Find 1.5 Million Yr Old Ice for the IPICS ‘Oldest Ice’ Ice Core,” Climate of the Past 9 (5 de noviembre de 2013): 2489–2505.

Volumen 25, no.4 17

Dome y Quelccaya North Dome— perforados hasta la roca firme de fondo en el glaciar Quelccaya de los Andes peruanos. Los investigadores a cargo del análisis de los núcleos observaron que cada uno de los 1 800 años cubiertos por los núcleos quedaba claramente definido por la alternancia de capas oscuras y claras. Las capas oscuras se encuentran coloreadas por el polvo acumulado durante las estaciones secas; las capas claras son el resultado de la caída de nieve producida durante las estaciones húmedas.35

Además de la claridad sin precedentes de las capas anuales, los núcleos del glaciar Quelccaya son importantes para los climatólogos porque se formaron en la llanura altoandina del sur de Perú.

La nieve que se convirtió en el hielo que formó los núcleos se originó al este del glaciar Quelccaya; esta nieve también fue afectada por los efectos cli-máticos de El Niño procedentes del oeste. Dado que El Niño es un cambio climático temporario causado por las temperaturas del mar en la superfi-cie, la rúbrica química del glaciar Quelccaya cons-tituye un indicador natural para las temperaturas del mar en la superficie, en el Océano Pacífico ecuatorial de los últimos 1 800 años (arriba).36 Los registros químicos e isotópicos de estos núcleos de hielo tropicales proporcionan evidencias his-tóricas de la naturaleza del cambio climático en las regiones de menor latitud del planeta y un contexto para los cambios actuales.

Perfeccionamiento de las herramientas Si bien los primeros extractores de núcleos de hielo se basaron en conceptos de perforación geológica, los dispositivos de última generación actuales incluyen avances no intentados en la perforación de rocas. Por ejemplo, la capacidad de la perforadora DISC para recuperar núcleos replicados desde el lado alto del pozo, a la vez que el pozo original permanece accesible para la ejecución de estudios de adquisición de registros, constituye una innovación exclusiva de la extrac-ción de núcleos de hielo.

Posibilitada por numerosos avances tecnológi-cos, la ciencia relativamente moderna de utiliza-ción de núcleos de hielo para comprender los climas y ambientes del pasado ha arrojado descubri-mientos relevantes e importantes para la sociedad. Y a medida que madure, dicha ciencia indudable-mente proporcionará a los climatólogos un cono-cimiento cada vez más claro del futuro del clima en nuestro planeta. Estos avances tecnológicos registrados en la extracción de núcleos de hielo también podrán ayudar a responder una pre-gunta que ha atormentado a los científicos a lo largo de varias décadas. Actualmente, los especia-listas en extracción de núcleos están trabajando para escoger la localización superficial óptima del Manto de Hielo de la Antártida Oriental desde la cual atravesar el hielo de 1,5 millones de años.37 Los registros ambientales naturales de dicho núcleo de hielo pueden contribuir a develar el mis-terio que subyace la transición climática que, según los análisis de los sedimentos marinos, tuvo lugar entre 900 000 y 1,2 millones de años atrás. Antes de este evento de edad Pleistoceno Medio, el tiempo comprendido entre los períodos de calen-tamiento y las edades de hielo de la Tierra era de 41 000 años aproximadamente, pero desde el cambio climático acaecido en el Pleistoceno, el tiempo comprendido entre estos extremos térmi-cos fue de 100 000 años. Hasta la fecha, la causa de esta transición se desconoce y los científicos albergan la esperanza de que la respuesta resida en las burbujas de aire y en la química de este hielo antiguo ahora accesible. —RvF

> Identificación de eventos climáticos. Los valores promedio a lo largo de 10 años de δ18O, acumulación neta, polvo insoluble, amonio y nitrato del núcleo de hielo Quelccaya Summit Dome del glaciar Quelccaya de Perú permitieron a los científicos identificar los períodos climatológicos (sombreado). El asterisco del perfil correspondiente al polvo indica la erupción del Huaynaputina acaecida en Perú en el año 1600. (Adaptado de Thompson et al, referencia 36.)


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era

Principio de la Pequeña Edad de Hielo

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Fin de la Pequeña Edad de Hielo

Período cálido actual

Nitrato, ppbPolvo, 104 ppb/mL

Acumulación, mequivalente en agua/año

Amonio, ppb

δ18O, 0/00

Anomalía climática medieval

mary r. albert · 2014-06-25 · nes cubiertas por mantos de hielo, donde la nieve no se derrite...

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