Resultado de la interacción entre el hielo a la deriva y el fondo marino
Iceberg que se desplaza hacia aguas menos profundas y excava el fondo marino al entrar en contacto con él.Las crestas de presión del hielo marino a la deriva también pueden erosionar el lecho marino.
La erosión del fondo marino por el hielo es un proceso que ocurre cuando los elementos de hielo flotante (normalmente icebergs y crestas de hielo marino ) se desplazan hacia zonas menos profundas y su quilla entra en contacto con el fondo marino . [1] [2] [3] A medida que siguen a la deriva, producen surcos largos y estrechos, a menudo denominados surcos o erosiones . [4] [5] [6] Este fenómeno es común en entornos marinos donde se sabe que existe hielo. Aunque también ocurre en ríos y lagos, [7] [8] parece estar mejor documentado en océanos y extensiones marinas. [2] [4] [5]
Las erosiones del fondo marino producidas por este mecanismo no deben confundirse con las erosiones en forma de strudel . Estas son el resultado de la escorrentía de agua de manantial que fluye sobre la superficie de una extensión de hielo marino determinada, que finalmente se drena a través de grietas, orificios de respiración de los sellos, etc. La turbulencia resultante es lo suficientemente fuerte como para excavar una depresión en el fondo marino. La erosión del fondo marino por el hielo también debe distinguirse de otro mecanismo de erosión: la erosión de los sedimentos alrededor de una estructura debido a las corrientes de agua, un problema bien conocido en la ingeniería oceánica y la hidráulica fluvial [9] ; consulte erosión de puentes .
Perspectiva histórica y relevancia
Parece que Charles Darwin especuló en 1855 sobre la posibilidad de que los icebergs pudieran excavar el fondo marino al desplazarse a través de las isóbatas. [10] En la década de 1920 se planteó cierta discusión sobre la participación del hielo marino, pero en general este fenómeno siguió siendo poco estudiado por la comunidad científica hasta la década de 1970. [11] En ese momento, los estudios con sonares de barrido lateral a bordo de barcos en el mar de Beaufort canadiense comenzaron a reunir evidencia real de este mecanismo. Posteriormente se observaron excavaciones en el fondo marino más al norte, en el archipiélago ártico canadiense, y también en el Ártico ruso. [4] A lo largo de esa década, la excavación del fondo marino por el hielo se investigó ampliamente.
Lo que despertó el interés repentino por este fenómeno fue el descubrimiento de petróleo cerca de las costas del norte de Alaska y dos factores relacionados: [10] 1) la perspectiva de que los yacimientos petrolíferos pudieran abundar en estas aguas, y 2) la consideración de que los oleoductos submarinos participarían en futuros desarrollos de producción, ya que este parecía ser el enfoque más práctico para llevar este recurso a la costa. Desde entonces, los medios para proteger estas estructuras contra la acción del hielo se convirtieron en una preocupación importante. [12] [13] [14] [15] Un derrame de petróleo en este entorno sería problemático en términos de detección y limpieza. [16]
Los científicos que trabajan en campos de investigación distintos a la ingeniería marina también han abordado la erosión del fondo marino. Por ejemplo, los biólogos han vinculado las regiones del fondo marino remodeladas por la erosión del fondo marino con la formación de charcas negras , depresiones del fondo marino llenas de agua anóxica de alta salinidad que son trampas mortales para pequeños organismos marinos. [17] Sin embargo, gran parte de esto parece haber sido documentado desde una perspectiva de ingeniería marina, con el propósito de exploración petrolera. [18]
Estudio del fondo marino en busca de surcos
Ilustración de una operación de ecosondeo, aquí con un sonar multihaz utilizado para mapear la batimetría del fondo marino.
La erosión del fondo marino por el hielo es un fenómeno sumamente discreto: se pueden observar pocas señales de él desde arriba de la superficie del agua; las evidencias raras incluyen sedimentos del fondo marino incorporados al hielo. [10] La información de interés sobre estas erosiones incluye: profundidad, ancho, longitud y orientación. [19] La frecuencia de erosión (el número de erosiones producidas en un lugar determinado por unidad de tiempo) es otro parámetro importante. Este tipo de información se ha recopilado mediante el mapeo del fondo marino con instrumentación embarcada, típicamente un sondador , dispositivos de ecosonda como un sonar de barrido lateral y un sistema de sonar multihaz . [20] El mapeo repetitivo implica repetir estos estudios varias veces, en un intervalo que varía de unos pocos a varios años, como un medio para estimar la frecuencia de erosión. [21] [22]
Características de la gubia
Las grietas en el fondo marino producidas por las formaciones de hielo a la deriva pueden tener muchos kilómetros de longitud. En el norte de Canadá y Alaska, las profundidades de las grietas pueden alcanzar los 5 metros (16 pies). [23] La mayoría, sin embargo, no superan 1 metro (3 pies). Cualquier profundidad superior a los 2 metros es considerada por la comunidad de ingeniería offshore como un evento extremo . Los anchos de las grietas varían de unos pocos metros a unos cientos de metros. [24] [25] Las profundidades máximas del agua en las que se han reportado grietas varían de 450 a 850 metros (1,480 a 2,790 pies), al noroeste de Svalbard en el Océano Ártico. [26] Se cree que son rastros remanentes dejados por icebergs durante el Pleistoceno , hace miles de años, cuando el nivel del mar era más bajo de lo que es hoy. En el mar de Beaufort , en el norte de Canadá, se ha demostrado la existencia de una hendidura de 50 km (30 mi) de longitud, con una profundidad máxima de 8,5 metros (28 pies) y en profundidades de agua que van desde los 40 a los 50 metros (130 a 160 pies). [21] La hendidura no siempre es recta, sino que varía en orientación. Se cree que este evento tiene unos 2000 años de antigüedad. Se ha observado que episodios recientes de encallamiento, hendidura y fragmentación de grandes icebergs antárticos producen potentes señales hidroacústicas y sísmicas que iluminan aún más la dinámica del proceso. [27]
Las características del hielo
En el ambiente marino, las características de excavación están formadas por dos tipos de hielo: hielo glacial y hielo marino .
Anatomía de un fondo marino excavado, con tres zonas: la zona 1 es donde se remueve el suelo (para formar la excavación), la zona 2 donde ocurre el desplazamiento del suelo y la zona 3 donde no hay ninguno.
Hielo glacial
Físicamente y mecánicamente, el hielo glacial es similar al hielo de lago, hielo de río y carámbanos . [28] [29] La razón es que todos se forman a partir de agua dulce (agua no salina). Las capas de hielo , los casquetes polares y los glaciares consisten esencialmente en hielo glacial . Dado que el hielo glacial se extiende lateralmente y pendiente abajo (como resultado de la gravedad), [30] en algunas áreas este hielo llega a la costa. Donde esto sucede, dependiendo de la topografía, el hielo puede romperse en pedazos que caen en el mar, un mecanismo llamado desprendimiento de hielo , y se alejan. Alternativamente, las capas de hielo pueden extenderse mar adentro en extensas plataformas de hielo flotante llamadas plataformas de hielo , que finalmente también pueden desprenderse. Las características producidas por estos procesos de desprendimiento se conocen como icebergs y pueden variar en tamaño desde una escala de metros a kilómetros. Los muy grandes, conocidos como islas de hielo , [31] suelen tener forma tabular. Estos pueden ser responsables de eventos de excavación extremos.
Hielo marino
El hielo marino es el resultado de la congelación del agua de mar . Es poroso y mecánicamente más débil que el hielo glacial . La dinámica del hielo marino es muy compleja. [32] [33] Impulsado por los vientos y las corrientes, el hielo marino puede acabar convirtiéndose en crestas de presión , una acumulación de fragmentos de hielo o escombros , que forman características largas y lineales. Estas son una fuente muy común de surcos en el fondo marino. Las crestas de presión suelen estar encerradas dentro de extensiones de hielo flotante a la deriva, de modo que la actividad de surco de las quillas de las crestas de hielo marino está estrechamente relacionada con el movimiento del hielo flotante. Los stamukhi también son acumulaciones de hielo marino roto, pero están en tierra y, por tanto, son relativamente estacionarios. Son el resultado de la interacción entre el hielo fijo y el hielo flotante. Los stamukhi pueden penetrar el fondo marino a una profundidad considerable, y esto también supone un riesgo para las tuberías submarinas en los accesos a la costa.
Dinámica de ranurado
Reacción de la quilla
Debido a las diferencias en la naturaleza del hielo glacial y las crestas de presión , los eventos de excavación de estos dos tipos de hielo también son diferentes. En ambos casos, se espera que la interfaz hielo-suelo mantenga un cierto ángulo de equilibrio, llamado ángulo de ataque , durante el cual el proceso de excavación alcanza un estado estable . Los icebergs pueden ajustarse a este ángulo por rotación. Las crestas de hielo marino pueden hacerlo a través de la reorganización de los escombros en la interfaz quilla-fondo marino o por falla de la quilla. [34]
Reacción del fondo marino
La reacción del fondo marino al proceso de excavación depende de las propiedades tanto del hielo como del fondo marino. Suponiendo que el primero es más fuerte que el segundo, y la fuerza impulsora del hielo es suficiente, se formará una excavación en el fondo marino. Se distinguen tres zonas dentro del fondo marino sobre la base de la respuesta del suelo. [35] [36] [37] [38] La zona 1 es la profundidad de la excavación, donde el suelo ha sido desplazado por la característica del hielo y removilizado en bermas laterales y montículo frontal delante de la interfaz hielo-fondo marino. La zona 2 es donde el suelo sufre algún desplazamiento. En la zona 3 , se produce poco o ningún desplazamiento, pero se transmiten tensiones de naturaleza elástica desde la zona superior.
La isla Northstar , cercana a la costa del mar de Beaufort de Alaska, en condiciones de aguas abiertas (verano), es un ejemplo de una instalación de producción que depende de un ducto submarino para transportar el recurso a la tierra. [39] [40]
Petróleo y gas en alta mar en el Ártico
Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS), la zona al norte del Círculo Polar Ártico puede albergar una cantidad significativa de petróleo y gas sin descubrir, hasta un 13% y un 30%, respectivamente . [41] Este recurso probablemente se encuentra en plataformas continentales a profundidades de agua inferiores a 500 metros (1.600 pies), lo que constituye aproximadamente un tercio de esa área. Además, hasta 2007 se habían identificado más de 400 yacimientos de petróleo y gas, la mayoría de ellos en el norte de Rusia y en la vertiente norte de Alaska.
Un desafío para la ingeniería offshore
El acceso plantea un desafío. [42] Un plan de producción offshore necesariamente apunta a una operación segura y económica durante todo el año y la vida útil completa del proyecto. Los desarrollos de producción offshore a menudo consisten en instalaciones en el lecho marino mismo, lejos de los peligros de la superficie marina (viento, olas, hielo). En aguas menos profundas, la plataforma de producción puede descansar directamente sobre el lecho marino. De cualquier manera, si estas instalaciones incluyen un ducto submarino para llevar este recurso a la costa, una parte sustancial de su longitud podría estar expuesta a eventos de excavación. [43]
Tubería enterrada debajo del fondo marino para evitar el impacto directo con una formación de hielo que excava el fondo marino.
Protección de tuberías submarinas contra perforaciones
Según estudios recientes sobre el tema, [1] [2] [3] [44] se puede lograr una protección adecuada contra la actividad de ranurado mediante el enterramiento de la tubería. Colocar la tubería en la Zona 3 sería la opción más segura, pero los costos de esta opción se consideran prohibitivos. En cambio, la filosofía de diseño actual prevé la ubicación de la tubería dentro de la Zona 2, que todavía está por debajo de la profundidad de la ranura, pero donde se espera que el suelo se mueva como resultado de un evento de ranurado por encima de ella. Esto implica que la tubería debe sufrir una cierta cantidad de flexión y la consiguiente deformación, o tensión , de la pared de la tubería. Para el sitio de producción North Star que actualmente está en funcionamiento, "[l]a profundidad mínima de la cubierta de la tubería (desde el lecho marino original inalterado hasta la parte superior de la tubería) para resistir las cargas de la quilla de hielo se calculó en función de los procedimientos de diseño de estado límite para la flexión de la tubería". [45] Para ese sitio en particular, “los desplazamientos previstos del suelo del fondo marino por debajo de la profundidad máxima de la perforación de la quilla del hielo (3,5 pies) dieron como resultado una profundidad mínima de cobertura de 7 pies para tensiones de flexión de tuberías de hasta 1,4%”. [45]
Esta filosofía de diseño debe enfrentarse al menos a tres fuentes de incertidumbre: [2]
La profundidad máxima esperada de la ranura : con base en el régimen de ranurado pasado (distribución de la profundidad de la ranurado y frecuencia de la ranurado, especialmente), uno debe confiar en los análisis de probabilidad para estimar la profundidad máxima probable de la ranurado en el sitio de despliegue planificado del ducto durante su vida útil operativa completa (por ejemplo, 20 a 40 años). Este tipo de análisis no es inusual en ingeniería civil: se escriben libros de texto sobre este tema. [46] Pero los patrones climáticos cambiantes [47] [48] son una fuente adicional de incertidumbre, ya que es incierto cómo el cambio climático afectará los regímenes de ranurado futuros.
Deformación por debajo de la ranura : la perforación del fondo marino por el hielo es un fenómeno relativamente complejo, que depende de una serie de parámetros (dimensiones y propiedades de la quilla, respuesta del suelo, etc.). Incluso si se puede determinar la profundidad máxima de la ranura, es difícil evaluar la cantidad de desplazamiento del suelo por debajo de ella, un parámetro que se tiene en cuenta al establecer cuál debería ser la profundidad segura para enterrar una tubería.
Deformación de la tubería : otra fuente de incertidumbre es la cantidad de deformación que es probable que sufra la tubería a una profundidad determinada debajo de la ranura.
Cuestiones medioambientales
Las explotaciones de petróleo y gas en aguas del Ártico deben abordar las preocupaciones ambientales mediante planes de contingencia adecuados. Algunas partes del Ártico están cubiertas de hielo la mayor parte del año. Durante los meses de invierno, reina la oscuridad. Si se produce un derrame de petróleo , puede pasar desapercibido durante varios meses. [49] [50] Suponiendo que se localice el derrame, es probable que los procedimientos de limpieza se vean obstaculizados por la capa de hielo. Además, se trata de lugares remotos, por lo que entrarían en juego cuestiones logísticas. Los ecosistemas del Ártico son sensibles: se requiere una respuesta oportuna para mitigar las consecuencias de un derrame de petróleo.
^ Otros sinónimos menos utilizados son arados y puntuaciones.
^ Nobleza y Confort 1982
^ Hierba 1984
^ Véase Annandale 2006, por ejemplo
^abc Semanas 2010, pág. 391
^ Semanas 2010, p. 391: Hasta entonces, "...lo que estaba ocurriendo entre el [hielo] y el fondo marino no estaba causando suficientes problemas como para haber llegado a la lista de problemas que alguien debía investigar".
^ Pilkington y Marcellus 1981
^ Woodworth-Lynas y otros, 1985
^ Woodworth-Lynas y otros, 1996
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