Megainundaciones: ¿cuánto contribuyen al relieve terrestre?

[Este post está relacionado con los dos artículos científicos que hemos publicado recientemente (ver lista de referencias al final)]

Antes de la geología había el mito. Catástrofes épicas que explicaban porqué vemos fósiles de seres que no existen y porqué otros fósiles que reconocemos como animales marinos se encuentran en lo alto de las montañas. Esa visión, fuertemente consolidada por las religiones, tenía respuesta para todo.

Cuando la revolución copernicana emergió del renacimiento, esa forma mágica y extraterrenal de entender el mundo dejó de ser suficiente, y surgió la necesidad de comprender en base a lo cotidiano, a lo empírico, y con un alcance universal.

Nicolas Steno desarrolló en 1669 los principios de la estratigrafía, y un siglo después el concepto trending de la época, el uniformismo, fue incorporado a la geología bajo el nombre de gradualismo (Hutton, 1785). Postulaba que las rocas han registrado los mismos procesos que observamos hoy en día y actuando a velocidades parecidas durante periodos de tiempo larguísimos que desafiaban los dogmas religiosos.

Así pues, desde los orígenes de la geología como una ciencia moderna más, el relieve de la Tierra ha sido visto como el resultado de lentos procesos: la erosión de los ríos; el movimiento y la deformación de los continentes. La ciencia geológica se fraguó por tanto en contraposición con aquella visión religiosa de grandes cataclismos. El gradualismo se convirtió en uno de sus más sólidos mantras científicos.

Y todo fue muy bien durante 150 años hasta que, a principios del siglo pasado, un hombre se atrevió a blasfemar contra ese paradigma tan lentamente consolidado. Se llamaba J. Harlen Bretz.

Bretz estudió el paisaje de la región de los Scablands, que ocupan buena parte del estado de Washington (EEUU). Y encontró formas erosivas y acumulaciones de sedimento que sólo podía explicar invocando megainundaciones de una magnitud sin precedentes, hoy bien conocidas como las Inundaciones de Missoula. Inundaciones descomunales ocurridas hace unos 17.000 años y que debían haber excedido en varios órdenes de magnitud las inundaciones que habitualmente, en base a nuestra corta experiencia histórica, consideramos catastróficas.

Pese a su conocido carácter terco, Bretz tardó décadas en convencer a la comunidad geológica de que su interpretación, por excéntrica que pareciera, era la más sencilla. Se estaba enfrentando a siglos de lucha entre la concepción geológica y la religiosa del mundo, y muchos de sus colegas le consideraban un lunático defensor de la segunda. A su manera, Bretz se convirtió en un hereje de la ciencia.

Todavía hoy en día, la noción de que las inundaciones más excepcionales también contribuyen al modelado del paisaje sigue siendo vastamente ignorada.

Pero ¿cuáles son estos fenómenos? ¿Cuanto contribuyen? ¿Cómo de excepcionales son?

Uno de los mecanismos responsables de estas megainundaciones es el desbordamiento de grandes lagos. El fenómeno es idéntico al que ocurre cuando una avalancha de roca bloquea el valle de un río de montaña y forma un nuevo lago: Cuando el lago rebosa, aunque inicialmente lo haga muy lentamente, la erosión puede desencadenar un aumento exponencial del flujo de agua, hasta producir caudales enormes de agua que pueden causar importantes pérdidas humanas y económicas río abajo.

Para emular el proceso, en este experimento en el USGS de Oregón formamos un pequeño lago tras una barrera de arena compactada:

La erosión que produce el agua en el canal de salida se retroalimenta con el flujo de agua que dicho canal permite evacuar:

Esquema de la retroalimentación entre flujo de agua y erosión del desaguadero de un lago de montaña.

Los datos disponibles sobre el pico de caudal que se alcanza en desbordamientos históricos permiten estimar empíricamente el riesgo en escenarios naturales. Los resultados son bastante intuitivos: cuanto mayor es el tamaño del lago y más débil es la barrera, más intenso será el pico de descarga de agua tras el desbordamiento. Pero estos resultados apenas permiten predecir la intensidad de las inundaciones porque las heterogeneidades de la barrera pueden ser tan determinantes como los factores anteriores: Una sola roca de gran tamaño, por ejemplo, puede retrasar la erosión del desaguadero y evitar la inundación.

Sin embargo, las inundaciones por desbordamiento han sido mucho mayores en el pasado geológico que esos casos históricos, y pese a ello han permanecido mayormente ignoradas.

En un artículo reciente (la referencia está al final de este post, Abril et al., 2018) hemos modelizado en 3D el flujo de la mayor megainundación de entre las mejor documentadas: El desbordamiento del Lago Bonneville durante el Pleistoceno, hace unos 15.000 años:

El desbordamiento del Lago Bonneville (Jarrett & Malde, 1987) tuvo lugar al sobrepasar su nivel la barrera topográfica formada por un delta fluvial (sedimento consolidado) a unos 1500 m sobre el nivel del mar. Alcanzó un caudal de agua de un millón de metros cúbicos por segundo: el agua que cabe en el Camp Nou, cada 2 segundos. Estos posts dan algo más de contexto: [1], [2].

Desde las primeras exploraciones de Gilbert en el Lago Bonneville (Gilbert, 1890) y las de Bretz, se han acumulado numerosas evidencias de que el desbordamiento de muchos otros lagos ha desencadenado inundaciones de mayor intensidad que las registradas históricamente, que alcanzan los 10^5 m3/s (la mitad del débito medio actual del río Amazonas), como ocurrió p.e. tras el bloqueo del río Yigong por una avalancha en 2000.

Sin embargo, la mayor inundación podría haber sido la Inundación Zancliense, que puso fin a la Crisis de Salinidad Messiniense hace 5.3 millones de años (e.g., Blanc, 2006; Garcia-Castellanos et al., 2009), tras el desbordamiento del Océano Atlántico sobre un Mediterráneo parcialmente desecado. El consenso en este caso no es completo, pero de confirmarse podría haber causado caudales de hasta 100 millones de metros cúbicos por segundo. La compilación más completa de este tipo de eventos puede encontrarse en el material suplementario de nuestro artículo (Garcia-Castellanos & O’Connor, 2018, Scientific Reports) referencia más abajo).

Lo que proponemos en ese segundo artículo es un nuevo método para medir la erodabilidad de la superficie de la Tierra, es decir la facilidad con la que ésta es modificada por la acción del agua. Y ese método utiliza precisamente la erosión producida en todas estas megainundaciones ocurridas en el pasado reciente de la Tierra.

El método consiste en resolver con un código escrito en C un sistema de ecuaciones que calcula la erosión producida por el agua (modelos desarrollados por la comunidad geomorfológica global) y el caudal de agua que se produce en el desaguadero de un lago (relaciones hidrológicas relativamente sencillas). Simulando con este programa el desbordamiento de cada lago buscamos el valor de la erodabilidad de la presa natural correspondiente que permite reproducir los datos del caudal de agua. Estos datos de caudal han sido derivados a lo largo de décadas en numerosos estudios de geomorfología de campo en lagos del Pleistoceno (O’Connor & Beebee, 2009).

Esos estudios previos, junto con experimentos realizados con presas de tierra o arena, nos permiten disponer de datos sobre la descarga de agua y la erosión que se extienden a lo largo de 10 órdenes de magnitud en términos de volumen de agua total evacuada. La figura muestra los escenarios naturales mejor estudiados (los de volúmenes más importantes).

Datos sobre inundaciones debidas al desbordamiento de lagos naturales, compilados por O’Connor & Beebee (2010). Cada punto es una inundación indicando la descarga máxima de agua frente al volumen total de agua del lago. Los datos se extienden a 10 órdenes de magnitud en términos de volumen.

Estos datos han servido para estimar el riesgo en escenarios naturales, aunque con muy poca precisión, para decidir el desalojo de valles fluviales cuando un río es bloqueado por una avalancha de roca, como ocurrió en el río Hunza (sin consecuencias) o en el desbordamiento e inundación en 1963 del Lago Issyk.

A nosotros, en cambio, los datos de caudal nos han servido para cuantificar mejor a qué velocidad erosiona el agua el relieve del planeta. La esperanza es que en un futuro seamos capaces de predecir mejor la erosión, y concretamente, la peligrosidad de lagos a punto de ser desbordados.

Resultado de la simulación numérica de dos inundaciones (izquierda: Lago Bonneville; derecha, experimento del vídeo mostrado más arriba). Se muestra la evolución de varios parámetros como el caudal de agua Q o el nivel del agua z_l. La erodabilidad necesitada para reproducir los datos de caudal (círculos) es mucho menor en el experimento que en Bonneville.
Relación encontrada entre la erodabilidad del desaguadero de los lagos estudiados y el tipo de roca. La correlación demuestra que el método permite medir la erodabilidad.

Los resultados indican no sólo que los desbordamientos catastróficos, pese a ser poco frecuentes, pueden cambiar significativamente el relieve, sino que además será importante incluir la periodicidad de las inundaciones (meteorológicas o no) en los futuros modelos, porque su distribución frecuencia-magnitud es también crucial en la evolución del relieve terrestre.

Este artículo nos lo envía Daniel Garcia-Castellanos (@danigeos en Twitter). Daniel es científico del Instituto de Ciencias de la Tierra del CSIC en Barcelona, es coautor del artículo publicado en Nature y además es el editor del blog sobre geología Retos Terrícolas, donde podréis encontrar mucha más información.

[My conference on this subject at the PAGES meeting, 2017]

Referencias:

Garcia-Castellanos, D., J. O’Connor, 2018. Outburst floods provide erodability estimates consistent with long-term landscape evolution. Nature Scientific Reports.

Abril-Hernández, J.M., Periáñez, R., O’Connor, J.E., Garcia-Castellanos, D. Computational Fluid Dynamics simulations of the Late Pleistocene Lake Bonneville Flood (2018) Journal of Hydrology, 561, pp. 1-15. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2018.03.065

Garcia-Castellanos, D., J. O’Connor, 2018. Outburst floods provide erodability estimates consistent with long-term landscape evolution. Nature Scientific Reports. Burr, D.M., Baker, V.R., Carling, P.A. (Eds), 2009. Megaflooding on Earth and Mars. Cambridge University Press. 319 pp.

Garcia-Castellanos, D., 2006. Long-term evolution of tectonic lakes: Climatic controls on the development of internally drained basins. In: Tectonics, Climate, and Landscape evolution. Eds.: S.D. Willett, N. Hovius, M.T. Brandon & D.M. Fisher. GSA Special Paper 398. 283-294. doi: 10.1130/2006.2398(17). Garcia-Castellanos, D., F. Estrada, I. Jiménez-Munt, C. Gorini, M. Fernàndez, J. Vergés, R. De Vicente, 2009. Catastrophic flood of the Mediterranean after the Messinian Crisis. Nature, 462, 778-781. doi:10.1038/nature08555

Gilbert, Grove Karl, 1890. Lake Bonneville. 438 p., 51 leaves of plates. Monographs of the United States Geological Survey, v. 1. O’Connor, J.E., 1993, Hydrology, Hydraulics, and Geomorphology of the Bonneville Flood: Geological Society of America Special Paper 274, 83 p.

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