Flujo de escombros

Los flujos de escombros son fenómenos geológicos en los que masas de suelo cargadas de agua y rocas fragmentadas se precipitan por las laderas de las montañas, se canalizan hacia los canales de los arroyos , arrastran objetos en su camino y forman depósitos espesos y fangosos en los suelos de los valles. Por lo general, tienen densidades aparentes comparables a las de las avalanchas de rocas y otros tipos de deslizamientos de tierra (aproximadamente 2000 kilogramos por metro cúbico), pero debido a la licuefacción generalizada de los sedimentos causada por las altas presiones de los fluidos de poros , pueden fluir casi tan fluidamente como el agua. [2]Los flujos de escombros que descienden por canales empinados comúnmente alcanzan velocidades que superan los 10 m / s (36 km / h), aunque algunos flujos grandes pueden alcanzar velocidades mucho mayores. Los flujos de escombros con volúmenes que van hasta unos 100.000 metros cúbicos ocurren con frecuencia en las regiones montañosas de todo el mundo. Los mayores flujos prehistóricos han tenido volúmenes superiores a mil millones de metros cúbicos (es decir, 1 kilómetro cúbico). Como resultado de su alta concentración de sedimentos y su movilidad, los flujos de escombros pueden ser muy destructivos.

Canal de flujo de escombros con depósitos que quedaron después de las tormentas de 2010 en Ladakh , al noroeste del Himalaya indio. Diques de rocas gruesas forman los lados del canal. En el suelo del canal hay rocas mal clasificadas.
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Flujo de escombros en Saint-Julien-Mont-Denis , Francia , julio de 2013
Cicatrices formadas por el flujo de escombros en Ventura, Gran Los Ángeles durante el invierno de 1983. La fotografía fue tomada varios meses después de que ocurrieron los flujos de escombros. [1]

Los desastres de flujo de escombros notables del siglo XX involucraron más de 20,000 muertes en Armero , Colombia en 1985 y decenas de miles en el estado Vargas , Venezuela en 1999.

Los flujos de escombros tienen concentraciones volumétricas de sedimentos que exceden aproximadamente del 40 al 50%, y el resto del volumen de un flujo consiste en agua. Por definición, “escombros” incluye granos de sedimentos con diversas formas y tamaños, que comúnmente van desde partículas de arcilla microscópicas hasta grandes rocas . Los informes de los medios a menudo usan el término flujo de lodo para describir los flujos de escombros, pero los verdaderos flujos de lodo están compuestos principalmente por granos más pequeños que la arena . En la superficie terrestre, los flujos de lodo son mucho menos comunes que los flujos de escombros. Sin embargo, los flujos de lodo submarinos son frecuentes en los márgenes continentales submarinos , donde pueden generar corrientes de turbidez . Los flujos de escombros en las regiones boscosas pueden contener grandes cantidades de escombros leñosos , como troncos y tocones de árboles. Las inundaciones de agua rica en sedimentos con concentraciones de sólidos que oscilan entre el 10 y el 40% se comportan de manera algo diferente a los flujos de escombros y se conocen como inundaciones hiperconcentradas . [3] Los caudales normales de los arroyos contienen concentraciones aún más bajas de sedimentos.

Los flujos de escombros pueden ser provocados por lluvias intensas o por el deshielo, por la rotura de presas o por las inundaciones de los glaciares, o por deslizamientos de tierra que pueden o no estar asociados con lluvias intensas o terremotos. En todos los casos, las principales condiciones requeridas para el inicio del flujo de escombros incluyen la presencia de pendientes más pronunciadas de aproximadamente 25 grados , la disponibilidad de abundante sedimento suelto, suelo o roca erosionada, y suficiente agua para llevar este material suelto a un estado de saturación casi completa. (con todo el espacio poroso lleno). Los flujos de escombros pueden ser más frecuentes después de los incendios forestales y de matorrales, como lo demuestra la experiencia en el sur de California. Representan un peligro significativo en muchas áreas montañosas empinadas y han recibido especial atención en Japón, China, Taiwán, EE. UU., Canadá, Nueva Zelanda, Filipinas, los Alpes europeos, Rusia y Kazajstán. En Japón, un gran flujo de escombros o deslizamiento de tierra se llama yamatsunami (山 津 波), literalmente tsunami de montaña .

Depósito de flujo de escombros antiguo en Resting Springs Pass, California

Los flujos de escombros se aceleran cuesta abajo por la gravedad y tienden a seguir los canales montañosos empinados que desembocan en abanicos aluviales o llanuras aluviales . El frente o "cabeza" de una oleada de flujo de escombros a menudo contiene una gran cantidad de material grueso, como rocas y troncos, que imparten mucha fricción . Detrás del cabezal de flujo de alta fricción se encuentra un cuerpo de flujo de menor fricción, en su mayoría licuado, que contiene un mayor porcentaje de arena , limo y arcilla. Estos sedimentos finos ayudan a retener altas presiones de fluido intersticial que mejoran la movilidad del flujo de escombros. En algunos casos, el cuerpo de flujo es seguido por una cola más acuosa que se convierte en un flujo de corriente hiperconcentrado. Los flujos de escombros tienden a moverse en una serie de pulsos o oleadas discretas, en las que cada pulso o oleada tiene una cabeza, un cuerpo y una cola distintivos.

Un flujo de escombros en Ladakh, provocado por tormentas en 2010. Tiene una mala clasificación y diques. La captación de fuente empinada es visible en el fondo.

Los depósitos de escombros son fácilmente reconocibles en el campo. Constituyen porcentajes significativos de muchos abanicos aluviales y conos de escombros a lo largo de los frentes empinados de las montañas. Los depósitos completamente expuestos comúnmente tienen formas lobuladas con hocicos ricos en rocas, y los márgenes laterales de los depósitos y caminos de flujo de escombros están comúnmente marcados por la presencia de diques laterales ricos en rocas . Estos diques naturales se forman cuando los escombros relativamente móviles, licuados y de grano fino en el cuerpo de escombros fluyen a un lado de los escombros gruesos y de alta fricción que se acumulan en las cabezas de flujo de escombros como consecuencia de la segregación del tamaño de grano (un fenómeno familiar en la mecánica granular ). Los diques laterales pueden limitar los caminos de los flujos de escombros subsiguientes, y la presencia de diques más antiguos proporciona una idea de la magnitud de los flujos de escombros anteriores en un área en particular. A través de la datación de los árboles que crecen en tales depósitos, se puede estimar la frecuencia aproximada de los flujos de escombros destructivos. Esta es información importante para el desarrollo de la tierra en áreas donde los flujos de escombros son comunes. Los depósitos de flujo de escombros antiguos que están expuestos solo en afloramientos son más difíciles de reconocer, pero comúnmente se caracterizan por la yuxtaposición de granos con formas y tamaños muy diferentes. Esta mala clasificación de los granos de sedimentos distingue los depósitos de flujo de escombros de la mayoría de los sedimentos depositados en el agua.

Otros flujos geológicos que pueden describirse como flujos de detritos suelen recibir nombres más específicos. Éstas incluyen:

Lahar

Un lahar es un flujo de escombros relacionado de alguna manera con la actividad volcánica , ya sea directamente como resultado de una erupción o indirectamente por el colapso de material suelto en los flancos de un volcán. Una variedad de fenómenos pueden desencadenar un lahar, incluido el derretimiento del hielo glacial, lluvias intensas sobre material piroclástico suelto o el estallido de un lago que anteriormente fue represado por sedimentos piroclásticos o glaciares. La palabra lahar es de origen indonesio, pero ahora los geólogos de todo el mundo la utilizan de forma rutinaria para describir los flujos de escombros volcánicos. Casi todos los flujos de escombros más grandes y destructivos de la Tierra son lahares que se originan en los volcanes. Un ejemplo es el lahar que inundó la ciudad de Armero , Colombia.

Jökulhlaup

Un jökulhlaup es un estallido glacial. Jökulhlaup es una palabra islandesa, y en Islandia muchos desbordes glaciales son provocados por erupciones volcánicas subglaciales. (Islandia se encuentra en la cima de la Cordillera del Atlántico Medio, que está formada por una cadena de volcanes en su mayoría submarinos). En otros lugares, una causa más común de jökulhlaups es la ruptura de lagos con represas de hielo o de morrenas . Tales eventos de ruptura a menudo son causados ​​por el desprendimiento repentino del hielo de un glaciar en un lago, lo que luego hace que una ola de desplazamiento rompa una morrena o una presa de hielo. Valle abajo del punto de ruptura, un jökulhlaup puede aumentar considerablemente de tamaño debido al arrastre de sedimentos sueltos del valle a través del cual viaja. El arrastre amplio puede permitir que la inundación se transforme en un flujo de escombros. Las distancias de viaje pueden superar los 100 km.

Se han utilizado numerosos enfoques diferentes para modelar las propiedades del flujo de escombros, la cinemática y la dinámica . Algunos se enumeran aquí.

  • Los modelos de base reológica que se aplican a los flujos de lodo tratan los flujos de escombros como materiales homogéneos de una sola fase (los ejemplos incluyen: Bingham , viscoplástico , fluido dilatante tipo Bagnold , tixotrópico , etc.)
  • Ola de ruptura de presa, por ejemplo, Hunt, [4] Chanson et al. [5]
  • Roll wave, p. Ej., Takahashi, [6] Davies [7]
  • Onda progresiva [8]
  • Un tipo de presa de roca de traslación [9]

Bifásico

La teoría de la mezcla , propuesta originalmente por Iverson [2] y posteriormente adoptada y modificada por otros, trata los flujos de detritos como mezclas de dos fases sólido-fluido.

En los flujos de masa reales de dos fases (detritos) existe un fuerte acoplamiento entre la transferencia de momento sólido y fluido , donde la tensión normal del sólido se reduce por la flotabilidad , lo que a su vez disminuye la resistencia a la fricción , mejora el gradiente de presión y reduce la arrastre sobre el componente sólido. La flotabilidad es un aspecto importante del flujo de escombros en dos fases, porque mejora la movilidad del flujo (distancias de viaje más largas) al reducir la resistencia a la fricción en la mezcla . La flotabilidad está presente siempre que haya líquido en la mezcla. [10] Reduce el esfuerzo normal sólido, los esfuerzos normales laterales sólidos y el esfuerzo cortante basal (por lo tanto, la resistencia a la fricción) por un factor (), dónde es la relación de densidad entre las fases líquida y sólida. El efecto es sustancial cuando la relación de densidad () es grande (por ejemplo, en el flujo natural de escombros).

Si el flujo es de flotabilidad neutra, es decir, , (ver, por ejemplo, Bagnold, [11] 1954) la masa de escombros se fluidiza y se desplaza a distancias de viaje más largas. Esto puede suceder en flujos de detritos naturales altamente viscosos . [12] Para flujos con flotación neutra, la fricción de Coulomb desaparece, el gradiente de presión lateral del sólido desaparece, el coeficiente de arrastre es cero y el efecto de la pendiente basal en la fase sólida también desaparece. En este caso límite , la única fuerza sólida restante se debe a la gravedad y, por lo tanto, a la fuerza asociada con la flotabilidad. En estas condiciones de soporte hidrodinámico de las partículas por el fluido, la masa de detritos está completamente fluidizada (o lubricada ) y se mueve de manera muy económica, promoviendo largas distancias de recorrido. En comparación con el flujo boyante, el flujo neutramente boyante muestra un comportamiento completamente diferente. Para el último caso, las fases sólida y fluida se mueven juntas, la masa aparente de detritos se fluidiza, el frente se mueve sustancialmente más lejos, la cola se retrasa y la altura total del flujo también se reduce. Cuándo, el flujo no experimenta ningún efecto de flotabilidad. Entonces, el esfuerzo cortante por fricción efectivo para la fase sólida es el del flujo granular puro . En este caso se altera la fuerza debida al gradiente de presión, el arrastre es alto y el efecto de la masa virtual desaparece en el momento sólido. Todo esto lleva a ralentizar el movimiento .

Almaty , Kazajstán, después del catastrófico flujo de escombros de 1921. Desde entonces se han construido varias instalaciones, incluida la presa Medeu , para evitar que flujos de este tipo lleguen a la ciudad. [13]

Para evitar que los flujos de escombros lleguen a la propiedad y a las personas, se puede construir una cuenca de escombros. Los depósitos de escombros están diseñados para proteger el suelo y los recursos hídricos o para evitar daños aguas abajo. Estas construcciones se consideran un último recurso porque son caras de construir y requieren un compromiso de mantenimiento anual. [14] Además, las cuencas de escombros solo pueden retener los flujos de escombros de una fracción de los arroyos que drenan el terreno montañoso.

Antes de una tormenta que potencialmente puede nuclear los flujos de escombros, los marcos de pronóstico a menudo pueden cuantificar la probabilidad de que ocurra un flujo de escombros en una cuenca; [15] sin embargo, sigue siendo un desafío predecir la cantidad de sedimento movilizado y, por lo tanto, el tamaño total de los flujos de escombros que pueden nuclearse para una tormenta determinada, y si las cuencas de escombros tendrán o no la capacidad de proteger a las comunidades río abajo. Estos desafíos hacen que los flujos de escombros sean particularmente peligrosos para las comunidades de las montañas. [dieciséis]

En 1989, como parte de su pieza a gran escala David Gordon United States , y más tarde, en 1999, como parte de Autobiography of a Liar , el coreógrafo David Gordon reunió la música de Harry Partch y las palabras de John McPhee de The Control of Nature , leída por Norma Fire, en un baile titulado "Debris Flow", una "narración desgarradora grabada de la terrible experiencia de una familia en un deslizamiento de tierra masivo de Los Ángeles ..." [17]

  • Coluvión
  • Illhorn , debajo del cual se encuentra Illgraben, un popular lugar turístico de flujo de escombros
  • Reología

Notas

  1. ^ DM Morton, RM Alvarez y RH Campbell. "MAPAS PRELIMINARES DE SUSCEPTIBILIDAD AL DESLIZAMIENTO DEL SUELO, SUDOESTE DE CALIFORNIA" (Informe de archivo abierto de 03-17 USGS 2003)
  2. ^ a b "Iverson, RM, 1997, La física de los flujos de escombros, Reseñas de geofísica, 35 (3): 245-296" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2013-06-03 . Consultado el 18 de octubre de 2013 .
  3. ^ Pierson, Thomas C. Distinguir entre flujos de escombros e inundaciones a partir de la evidencia de campo en pequeñas cuencas hidrográficas . Departamento del Interior de EE. UU., Servicio Geológico de EE. UU., 2005.
  4. ^ Caza, B. (mil novecientos ochenta y dos). "Solución asintótica para problemas de rotura de presas". Jl de Hyd. Div., Actas, ASCE, Vol. 108, núm. HY1, págs. 115-126.
  5. ^ Hubert Chanson , Sebastien Jarny y Philippe Coussot (2006). "Dam Break Wave de fluido tixotrópico" . Revista de Ingeniería Hidráulica . 132 (3): 280-293. doi : 10.1061 / (ASCE) 0733-9429 (2006) 132: 3 (280) .
  6. ^ Takahashi, T., 1981. Flujo de escombros, Annu. Rev. Fluid Mech., 13, 57–77.
  7. ^ Davies, TRH 1986. Grandes flujos de escombros: un problema macro-viscoso. Acta Mechanica, 63, 161-178.
  8. ^ Hungr, O. 2000. Análisis de las oleadas de escombros utilizando la teoría del flujo uniformemente progresivo . Procesos y accidentes geográficos de la superficie terrestre , 25, 483–495
  9. ^ Coleman, PF, 1993. Una nueva explicación para los fenómenos de aumento de flujo de escombros (resumen), Eos Trans. AGU, 74 (16), Reunión de primavera. Supl., 154.
  10. ^ EB, Pitman; L. Le (2005). "Un modelo de dos fluidos para avalanchas y flujos de escombros". Philosophical Transactions de la Royal Society A . 363 (1832): 1573–1602. Código Bibliográfico : 2005RSPTA.363.1573P . doi : 10.1098 / rsta.2005.1596 . PMID  16011934 . S2CID  17779815 .
  11. ^ RA Bagnold (1954). "Experimentos sobre una dispersión libre de gravedad de grandes esferas sólidas en un fluido newtoniano bajo cizallamiento". Proceedings of the Royal Society A . 225 (1160): 49–63. Código Bibliográfico : 1954RSPSA.225 ... 49B . doi : 10.1098 / rspa.1954.0186 . S2CID  98030586 .
  12. ^ BW, McArdell y P. Bartelt, J. Kowalski (2007). "Observaciones de campo de las fuerzas basales y la presión de los poros de un fluido en un flujo de detritos" . Geophys. Res. Lett . 34 (7): L07406. Código Bibliográfico : 2007GeoRL..34.7406M . doi : 10.1029 / 2006GL029183 .
  13. ^ Jakob, Matthias; Hungr, Oldrich (2005). Peligros de flujo de escombros y fenómenos relacionados . Peligros de flujo de escombros y fenómenos relacionados . Saltador. págs. 38–39. Bibcode : 2005dfhr.book ..... J . ISBN 3-540-20726-0.
  14. ^ "Cuencas de escombros" . Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU . Consultado el 30 de enero de 2013 .
  15. ^ Staley, DM, Negri, JA, Kean, JW, Laber, JL, Tillery, AC y Youberg, AM, 2017. Predicción de umbrales de intensidad-duración de lluvia espacialmente explícitos para la generación de flujo de escombros después del incendio en el oeste de Estados Unidos. Geomorfología, 278, págs. 149-162.
  16. ^ Kean, JW, Staley, DM, Lancaster, JT, Rengers, FK, Swanson, BJ, Coe, JA, Hernandez, JL, Sigman, AJ, Allstadt, KE y Lindsay, DN, 2019. Inundación, dinámica de flujo y daños en el evento de flujo de escombros de Montecito del 9 de enero de 2018, California, EE. UU .: Oportunidades y desafíos para la evaluación del riesgo posterior a un incendio forestal. Geosphere, 15 (4), págs. 1140-1163.
  17. ^ Tobías, Tobi. "Dance: Burning the Flag" Nueva York (20 de noviembre de 1989), p.116; Jowitt, Deborah. "Corre hacia adelante. Mira hacia atrás". Village Voice (21 de diciembre de 1999)

Otras lecturas

  • McPhee, John . El control de la naturaleza . Nueva York: Noonday Press (Farrar, Straus & Giroux, 1989 ISBN  0-374-12890-1 )

  • Estación de investigación y observación del flujo de escombros de Dongchuan, China
  • Documentación en video de experimentos en el canal de flujo de escombros del USGS, Oregón, EE. UU.
  • Movimientos masivos. Sección de la plataforma de información "Peligros naturales en Suiza" [ enlace muerto permanente ]
  • Información del estado de Washington sobre flujos de escombros y material relacionado
  • Asociación de flujo de desechos