Aplicación de la señal isotópica δ13CO2 para la caracterización de mecanismos de transporte de CO2-gas entre atmósfera y subsuelo en sistemas kársticos someros(cueva de Altamira, Cantabria)

Resumen

El estudio del ciclo del carbono supone uno de los retos actuales más importantes de la ciencia. La preocupación de la comunidad internacional por el Cambio Climático quedó plasmada en el Protocolo de Kyoto (1997, Kyoto, Japón; última ratificación en 2012, Doha, Catar), a partir del cual surge la necesidad de identificar y cuantificar las diversas fuentes y sumideros de gases de efecto invernadero (GEI). Uno de los principales temas en lo que concierne a la investigación sobre el calentamiento global, es precisamente el estudio de los procesos que controlan la concentración y los flujos de intercambio atmosférico de dióxido de carbono (CO2) y de otros gases GEI (p.e. CH4). El aumento estimado de CO2 en la atmósfera ligado a las emisiones antropogénicas no coincide con los valores posteriormente observados. Esto demuestra la existencia de un sumidero terrestre de CO2 desconocido (Tans et al., 1990; Houghton et al., 1998). La migración, el almacenamiento temporal o el consumo de GEI en la zona vadosa (atmósfera subterránea), pueden jugar un importante papel en este sumidero. Los modelos previos de CO2 a escala global asumen que el papel regulador del océano resuelve dicho sumidero (Berner, 1999), sin tener en cuenta los flujos de CO2 asociados a la disolución/precipitación de carbonatos en el subsuelo. Estudios recientes destacan la contribución potencial de los procesos de disolución de carbonatos a ese sumidero desconocido (Liu y Zhao, 2000; Gombert, 2002; Liu et al., 2008). Sin embargo, esta contribución suele considerarse irrelevante en el balance neto de carbono en ecosistemas terrestres (Serrano-Ortiz et al., 2010). Por otra parte, el interés creciente en la captura y almacenamiento de CO2, como posible estrategia de mitigación de las emisiones de CO2 ligadas a la actividad humana, hace necesaria la evaluación de la capacidad de almacenamiento geológico subterráneo (Post et al., 2012; Nickerson y Risk, 2013; Cohen et al., 2013). En este sentido, es esencial un exhaustivo conocimiento del medio subterráneo y su entorno, así como de los procesos de transferencia de CO2 en fase gaseosa a corto y medio plazo. El estudio de los mecanismos que controlan el aislamiento y la recarga de gases, así como los procesos de ventilación de los ambientes subterráneos y el consecuente aumento o pérdida del CO2 almacenado a la atmósfera terrestre, deben ser identificados para entender la función estos ambientes como reguladores del contenido en CO2 atmosférico. Las cuevas someras son lugares ideales para desarrollar estudios especialmente enfocados para alcanzar este objetivo. Constituyen macroporos ubicados cerca de la superficie, y por tanto del suelo, con una atmósfera representativa del ambiente subterráneo en el que se encuentra. La accesibilidad de estos lugares facilita la instalación de equipos para el registro de los principales parámetros ambientales, así como la recolección de muestras de aire para el adecuado desarrollo de la investigación. La cueva de Altamira (Santillana del mar, Cantabria), en la que se ha desarrollado este trabajo, presenta unas condiciones de accesibilidad e infraestructuras que la hace especialmente favorable para el seguimiento e interpretación de procesos de intercambio de gases del medio subterráneo con la atmósfera. Desarrollo teórico La investigación desarrollada para la ejecución de esta Tesis Doctoral, se ha centrado en el estudio de procesos implicados en las variaciones de dióxido de carbono en el interior de la cueva de Altamira. La señal isotópica o13C-CO2 en el aire ha sido estudiada en detalle al tratarse de un parámetro clave para la caracterización y cuantificación de los procesos de intercambio gaseoso entre el medio subterráneo, el suelo y la atmósfera. El estudio además cuenta con el seguimiento en continuo de los principales parámetros que caracterizan el ambiente de la cavidad (temperatura, humedad relativa, presión, contenido en 222Rn, velocidad del viento, etc.) para completar el control de la dinámica microclimática. Las condiciones exteriores se miden de manera continuada para el estudio de la influencia de las variaciones climáticas exteriores sobre el ambiente interno de la cavidad. La meta perseguida mediante este trabajo, que supone la continuación de años investigación por parte del grupo de investigación del MNCN-CSIC en el que se desarrolla la Tesis, es la caracterización de los mecanismos responsables de los procesos de intercambio de CO2 entre la cueva y el exterior así como la cuantificación de los flujos de gas que se producen como resultado de esos intercambios. La investigación seguida para la obtención del objetivo final se puede dividir en varios objetivos concretos: 1. Conocer en detalle el entorno de la cavidad, determinar las vías potenciales de conexión e identificar las zonas concretas de intercambio preferente entre la atmosfera externa y la subterránea. 2. Caracterizar los mecanismos mediante los que se producen los procesos de intercambio de CO2-gas. 3. Determinar los factores desencadenantes y limitantes de los procesos de intercambio gaseoso en el sistema cueva-suelo-atmósfera. 4. Elaborar un modelo mecanicista que permita simular los procesos de intercambio y permita cuantificar los flujos de recarga y desgasificación del gas en la cueva. El trabajo realizado durante los años de investigación para la ejecución de esta Tesis ha dado lugar a publicaciones científicas en forma de comunicaciones a congresos y artículos en revistas con índice de impacto y bajo revisión por pares de expertos. Los hallazgos más relevantes se recogen en tres publicaciones que se incluyen en la Tesis. Los tres artículos, brevemente resumidos a continuación, son representativos de la práctica totalidad del trabajo realizado para alcanzar los objetivos referidos y para la obtención al título de Doctor. * Definición cuantitativa del Área de Protección Inmediata mediante metodología basada en SIG: caso de la cueva de Altamira (Elez et al., 2013) El trabajo propone una nueva Área de Protección Inmediata de la cueva de Altamira basada en procesos geológicos que controlan los flujos de materia y energía en el sistema kárstico en el que se encuentra la cavidad. Las zonas que se encuentran en las proximidades de las cavidades suelen presentar diferentes usos que generan materia y energía susceptible de alcanzar los estables ambientes hipogeos. Esta materia y energía es potencialmente peligrosa para la conservación el registro prehistórico que muchas de ellas contienen. Mediante metodología basada en Sistemas de Información Geográfica se establece el área de influencia de los procesos de transferencia que a partir del análisis de las características geológicas han sido identificados como: infiltración directa y lateral, circulación interna de agua, intercambio de gas y transmisión de vibraciones. La cartografía y modelización de los parámetros superficiales ha permitido la identificación de las principales características que restringen el comportamiento hidrológico y por tanto la infiltración directa y lateral a la cueva. La integración de mapas geológicos y geomorfológicos en la modelización basada en SIG hace posible la definición de las áreas relacionadas con los procesos de intercambio de gases y ventilación. Mediante este trabajo se parcialmente el primer objetivo de la tesis, ya que el SIG permite la completa caracterización geomorfológica de la cueva de Altamira así como la identificación de las zonas potenciales de intercambio de materia y energía con el exterior, lo que incluye todos los procesos relacionados con la transferencia del CO2. * Principales factores que determinan los procesos advectivos y difusivos de intercambio del CO2-gas entre una zona vadosa somera y la atmósfera (García-Antón et al., 2014a) El artículo presenta los resultados obtenidos del estudio en detalle de la variación de las condiciones microclimáticas de la cavidad y su entorno exterior durante un ciclo diario en época estival. En esta época el CO2 en el interior de la cueva presenta variaciones cíclicas diarias muy interesantes para el estudio y caracterización de los procesos que afectan a los niveles registrados del gas. Los parámetros estudiados incluyen, en el exterior: la temperatura, la humedad, las precipitaciones y la irradiancia; en el interior de la cueva los medidos por el sistema de monitorización: temperatura, humedad relativa, presión atmosférica y concentración de 222Rn; y los obtenidos mediante equipos portátiles de alta precisión: CO2, o13C-CO2, y contenido de aerosoles en el aire. Los parámetros determinantes que permiten discernir los diferentes procesos son la concentración de partículas en el aire y la señal isotópica del CO2 (¿13C-CO2). En concreto, la concentración de partículas, permite la identificación de los movimientos de aire que resultan de los procesos advectivos. La señal isotópica se usa como identificador del origen y los procesos que afectan al CO2 contenido en la cueva. Como resultado se crea un modelo de transporte del gas basado en la interacción de tres masas de aire (suelo-cueva-exterior), controlado por la difusión del CO2 generado en el suelo suprayacente hacia el subsuelo y de la mezcla advectiva del aire contenido en la cueva con la atmosfera externa. El modelo basado en la alternancia y simultaneidad de ambos procesos a escala diaria permite cuantificar los flujos de entrada y salida de CO2 en la cueva. Por definición la advección depende de la diferencia de densidades entre las masas de aire involucradas y la difusión del gradiente de concentraciones del gas (en concreto, el CO2). Por tanto, las condiciones de la cavidad se estudian conjuntamente con las condiciones externas, ya que determinan 1) la densidad del aire exterior (humedad, temperatura, etc.) y 2) los procesos bióticos y abióticos en el suelo que regulan la concentración de CO2 contenida en el suelo. Con este trabajo se alcanzan los objetivos 2, 3 y 4 parcialmente ya que se define el modelo mecanicista con los principales factores que regulan su funcionamiento. * Combinación del control de isotopos estables (o13CO2) y de los niveles de gases trazadores con un seguimiento aerobiológico para la estudio de la entrada y dispersión de microorganismos en cuevas (García-Antón et al., 2014b) En este trabajo se publica el estudio conjunto de la distribución espacial de los niveles de CO2, CH4, la señal isotópica del CO2, y de microorganismos (bacterias y hongos) en el aire durante la época de mayor ventilación en la cueva. El objetivo es la detección de los puntos de conexión con el exterior en los que por un lado se producen cambios en las condiciones físico-químicas internas y por otro se puede producir la entrada y dispersión de microorganismos en la cavidad. Ambas consecuencias son negativas para la conservación de las pinturas prehistóricas de Altamira ya que pueden provocar colonización por parte de microorganismos así como procesos químicos que llevan a la degradación del arte rupestre. En el estudio, se buscan zonas de intercambio no tan evidentes como la propia entrada, que permitan la comunicación de las masas de aire interna y externa por medio del sistema de fracturas de la roca que alberga la cueva. A través de estas zonas se producen los procesos advectivos responsables de la entrada y salida de aire provocando la reducción de la concentración de CO2 en la atmosfera interna. Mediante este estudio se alcanza parte del objetivo 1 arriba referido, ya que se localizan las zonas preferenciales de intercambio de aire cueva-exterior durante la época estival. Los estudios que han dado lugar a estas publicaciones se desarrollan dentro de un marco general de investigación que implicó el seguimiento de los principales parámetros relacionados con las variaciones del dióxido de carbono en el interior de Altamira durante un ciclo anual completo: septiembre de 2011 a septiembre de 2012. La interpretación del total de resultados a escala anual permiten alcanzar por completo los objetivos del trabajo. Conclusiones El análisis conjunto de los datos de ¿13C-CO2 y CH4, obtenidos mediante la monitorización en continuo del aire interno de la cavidad y los muestreos discretos de las masas de aire implicadas (exterior-suelo-ambiente subterráneo), ha proporcionado resultados muy significativos y esclarecedores respecto a diversos aspectos del origen y de la dinámica de los gases de efecto invernadero más abundantes, CO2 y CH4, en el interior de cavidades kársticas y, especialmente, respecto a los mecanismos de intercambio de estos gases subsuelo/atmósfera. Entre las aportaciones más relevantes cabe destacar las siguientes: ¿ Caracterizar por primera vez de forma conjunta la señal isotópica ¿13C-CO2 de la atmósfera externa, el aire del suelo y el aire subterráneo a escala anual. Los valores obtenidos en las campañas bimestrales han permitido distinguir patrones estacionales en la señal isotópica del aire del suelo y de la atmosfera subterránea. * Determinar y demostrar que el suelo externo es la fuente principal del CO2 en la cavidad a lo largo de todo el año. Esto se ha conseguido mediante la elaboración de diagramas de Keeling (Keeling, 1958, Keeling, 1961) en diferentes épocas del año con tres conjuntos de muestras (cavidad, suelo y atmósfera) en vez de dos (suelo y atmósfera) como tradicionalmente se ha realizado en los estudios de flujos de CO2 en ecosistemas terrestres. * Obtener un patrón estacional de la señal isotópica de la fuente de CO2 del sistema cueva-suelo-exterior, que refleja el patrón de funcionamiento a escala anual del conjunto de los procesos biogeoquímicos que intervienen en la producción de CO2 en el suelo. * Definir y modelizar los mecanismos de desgasificación y de recarga de CO2-gas en la atmósfera subterránea, advección y difusión respectivamente. Se ha comprobado que existe una relación directa entre la activación/desactivación de estos mecanismos y las variaciones tanto de la concentración de CO2 y su señal isotópica (o13CO2) como de la concentración de CH4 en el subsuelo. El modelo basado en los mecanismos que regulan la concentración de CO2 en la cavidad ha permitido la cuantificación de los flujos de recarga y desgasificación así como la estimación del balance total para un ciclo diario. * Determinar que la difusión de CO2 desde el suelo a la atmósfera subterránea se produce de forma continua, incluso durante las fases en las que predomina la advección. * Descubrir la utilidad de la concentración de CH4 del aire como indicador de ventilación del ambiente subterráneo, hasta el momento no contemplada en estudios previos. Los resultados muestran que durante el periodo estacional de aislamiento de la atmósfera subterránea de la Cueva de Altamira, con mínimo intercambio de aire con el exterior, la concentración de este gas tiende a anularse. En el aire contenido en el suelo, las concentraciones de CH4 también tienden a presentar valores más bajos que los medidos en la atmosfera pero, por lo general, con una mayor concentración que los registrados en el aire de la cavidad. Estos resultados indican que en el ambiente subterráneo podrían estar actuando mecanismos de eliminación (consumo) de CH4 diferentes a los que predominan en el suelo.