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Hundimiento

Casa hundida, llamada The Crooked House , resultado del hundimiento de una mina del siglo XIX en Staffordshire, Inglaterra
La carretera Mam Tor fue destruida por hundimientos y cizallamiento , cerca de Castleton , Derbyshire

El hundimiento es un término general que designa el movimiento vertical descendente de la superficie terrestre, que puede ser causado tanto por procesos naturales como por actividades humanas. El hundimiento implica poco o ningún movimiento horizontal, [1] [2] lo que lo distingue del movimiento de pendiente . [3]

Los procesos que conducen a la subsidencia incluyen la disolución de la roca carbonatada subyacente por las aguas subterráneas ; la compactación gradual de los sedimentos ; la extracción de lava fluida de debajo de una corteza de roca solidificada; la minería; el bombeo de fluidos del subsuelo, como las aguas subterráneas o el petróleo ; o la deformación de la corteza terrestre por fuerzas tectónicas. La subsidencia resultante de la deformación tectónica de la corteza se conoce como subsidencia tectónica [1] y puede crear un espacio para que los sedimentos se acumulen y, finalmente, se litifiquen en roca sedimentaria . [2]

El hundimiento del suelo es una preocupación global para geólogos , ingenieros geotécnicos , topógrafos , ingenieros , planificadores urbanos , propietarios de tierras y el público en general. [4] El bombeo de agua subterránea o petróleo ha provocado hundimientos de hasta 9 metros (30 pies) en muchos lugares del mundo y ha generado costos medidos en cientos de millones de dólares estadounidenses. [5] El hundimiento del suelo causado por la extracción de agua subterránea probablemente aumentará en incidencia y daños relacionados, principalmente debido al crecimiento económico y demográfico mundial, que seguirá impulsando una mayor demanda de agua subterránea. [6]

Causas

Disolución de caliza

El hundimiento causa con frecuencia problemas importantes en terrenos kársticos , donde la disolución de la piedra caliza por el flujo de fluidos en el subsuelo crea huecos (es decir, cuevas ). Si el techo de un hueco se debilita demasiado, puede derrumbarse y la roca y la tierra que se encuentran sobre él caerán al espacio, lo que provocará un hundimiento en la superficie. Este tipo de hundimiento puede provocar sumideros que pueden tener cientos de metros de profundidad. [7]

Minería

Varios tipos de minería subterránea , y específicamente los métodos que intencionalmente causan el colapso del vacío extraído (como la extracción de pilares, la minería de tajo largo y cualquier método de minería metalífera que utilice "hundimiento", como "hundimiento de bloques" o "hundimiento de subnivel") darán como resultado hundimientos superficiales. El hundimiento inducido por la minería es relativamente predecible en su magnitud, manifestación y extensión, excepto cuando ocurre un colapso repentino de un pilar o un túnel cerca de la superficie (generalmente explotaciones muy antiguas [8] ). El hundimiento inducido por la minería casi siempre está muy localizado en la superficie por encima del área minada, más un margen alrededor del exterior. [9] La magnitud vertical del hundimiento en sí no suele causar problemas, excepto en el caso del drenaje (incluido el drenaje natural); más bien, son las tensiones de compresión y tracción superficiales asociadas, la curvatura, las inclinaciones y el desplazamiento horizontal los que son la causa del peor daño al medio ambiente natural, los edificios y la infraestructura. [10]

En los casos en que se planifica una actividad minera, el hundimiento provocado por la minería se puede gestionar con éxito si existe la cooperación de todas las partes interesadas. Esto se logra mediante una combinación de planificación minuciosa de la mina, la adopción de medidas preventivas y la realización de reparaciones posteriores a la explotación. [11]

Estabilización de viviendas dañadas sobre una mina subterránea en Bradenville PA, EE. UU.
Tipos de hundimientos del terreno

Extracción de petróleo y gas natural

Si se extrae gas natural de un yacimiento de gas natural, la presión inicial (hasta 60 MPa (600 bar )) en el yacimiento disminuirá con el paso de los años. La presión ayuda a sostener las capas de suelo que se encuentran por encima del yacimiento. Si se extrae el gas, los sedimentos de presión de sobrecarga se compactan y pueden provocar terremotos y hundimientos a nivel del suelo.

Desde que comenzó la explotación del yacimiento de gas de Slochteren ( Países Bajos ) a finales de los años 1960, el nivel del suelo en una zona de 250 km2 ha descendido hasta un máximo actual de 30 cm. [12]

La extracción de petróleo también puede causar hundimientos importantes. La ciudad de Long Beach, California , ha experimentado 9 metros (30 pies) de hundimiento en el transcurso de 34 años de extracción de petróleo, lo que ha provocado daños por más de 100 millones de dólares a la infraestructura de la zona. El hundimiento se detuvo cuando los pozos de recuperación secundarios bombearon suficiente agua al yacimiento de petróleo para estabilizarlo. [5]

Terremoto

El hundimiento del terreno puede producirse de diversas maneras durante un terremoto. Grandes extensiones de tierra pueden hundirse drásticamente durante un terremoto debido al desplazamiento a lo largo de las fallas. El hundimiento del terreno también puede producirse como resultado del asentamiento y la compactación de sedimentos no consolidados a causa del temblor de un terremoto. [13]

La Autoridad de Información Geoespacial de Japón informó de un hundimiento inmediato causado por el terremoto de Tōhoku de 2011. [ 14] En el norte de Japón, se observó un hundimiento de 0,50 m (1,64 pies) en la costa del océano Pacífico en Miyako , Tōhoku , mientras que en Rikuzentakata, Iwate, se midió 0,84 m (2,75 pies). En el sur, en Sōma, Fukushima , se observaron 0,29 m (0,95 pies). La cantidad máxima de hundimiento fue de 1,2 m (3,93 pies), junto con un diastrofismo horizontal de hasta 5,3 m (17,3 pies) en la península de Oshika en la prefectura de Miyagi . [15]

Subsidencia relacionada con las aguas subterráneas

Subsidencia del Valle de San Joaquín

El hundimiento de las aguas subterráneas es el hundimiento (o el hundimiento) de la tierra como resultado de la extracción de agua subterránea. Es un problema creciente en el mundo en desarrollo, ya que las ciudades aumentan en población y en uso de agua, sin una adecuada regulación y aplicación de las normas de bombeo. Se estima que el 80% de los problemas graves de hundimiento de la tierra se asocian a la extracción excesiva de agua subterránea [16] , lo que lo convierte en un problema creciente en todo el mundo [17] .

Las fluctuaciones de las aguas subterráneas también pueden afectar indirectamente la descomposición de la materia orgánica. La habitabilidad de las tierras bajas , como las llanuras costeras o del delta , requiere drenaje . La aireación resultante del suelo conduce a la oxidación de sus componentes orgánicos, como la turba , y este proceso de descomposición puede causar un hundimiento significativo de la tierra. Esto se aplica especialmente cuando los niveles de las aguas subterráneas se adaptan periódicamente al hundimiento, con el fin de mantener las profundidades deseadas de la zona no saturada , exponiendo cada vez más turba al oxígeno. Además de esto, los suelos drenados se consolidan como resultado del aumento del estrés efectivo . [18] [19] De esta manera, el hundimiento de la tierra tiene el potencial de autoperpetuarse, con tasas de hasta 5 cm/año. La gestión del agua solía ajustarse principalmente a factores como la optimización de los cultivos , pero, en diversos grados, también se ha llegado a tener en cuenta la prevención del hundimiento.

Fallas inducidas

Cuando existen tensiones diferenciales en la Tierra, estas pueden ser compensadas ya sea por fallas geológicas en la corteza frágil o por flujo dúctil en el manto más caliente y fluido . Cuando hay fallas, puede haber subsidencia absoluta en el muro colgante de las fallas normales. En las fallas inversas o de empuje, la subsidencia relativa puede medirse en el muro inferior. [20]

Subsidencia isostática

La corteza flota en la astenosfera , con una relación de masa por debajo de la "superficie" proporcional a su propia densidad y a la densidad de la astenosfera. Si se añade masa a un área local de la corteza (por ejemplo, a través de la deposición ), la corteza se hunde para compensar y mantener el equilibrio isostático . [2]

El opuesto de la subsidencia isostática se conoce como rebote isostático : la acción de la corteza que regresa (a veces durante períodos de miles de años) a un estado de isostasia, como después del derretimiento de grandes capas de hielo o el secado de grandes lagos después de la última edad de hielo. El lago Bonneville es un famoso ejemplo de rebote isostático. Debido al peso del agua que una vez estuvo contenida en el lago, la corteza terrestre se hundió casi 200 pies (61 m) para mantener el equilibrio. Cuando el lago se secó, la corteza rebotó. Hoy en día en el lago Bonneville , el centro del antiguo lago está aproximadamente 200 pies (61 m) más alto que los bordes del antiguo lago. [21]

Efectos estacionales

Muchos suelos contienen proporciones significativas de arcilla. Debido al tamaño muy pequeño de sus partículas, se ven afectados por los cambios en el contenido de humedad del suelo. El secado estacional del suelo produce una disminución tanto del volumen como de la superficie del suelo. Si los cimientos de los edificios están por encima del nivel alcanzado por el secado estacional, se mueven, lo que puede provocar daños en el edificio en forma de grietas cónicas.

Los árboles y otros tipos de vegetación pueden tener un efecto local significativo en el secado estacional de los suelos. A lo largo de varios años, se produce un secado acumulativo a medida que el árbol crece. Esto puede provocar lo contrario del hundimiento, conocido como levantamiento o hinchazón del suelo, cuando el árbol se desmorona o es talado. A medida que se revierte el déficit de humedad acumulada, que puede durar hasta 25 años, el nivel de la superficie alrededor del árbol se elevará y se expandirá lateralmente. Esto a menudo daña los edificios a menos que los cimientos se hayan reforzado o diseñado para hacer frente al efecto. [22]

Peso de los edificios

Los edificios altos pueden crear hundimientos del terreno al presionar el suelo que se encuentra debajo con su peso. El problema ya se siente en la ciudad de Nueva York , la zona de la bahía de San Francisco y Lagos . [23] [24]

Impactos

Aumento del potencial de inundaciones

El hundimiento del terreno provoca el descenso de la superficie del suelo, alterando la topografía. Esta reducción de la elevación aumenta el riesgo de inundaciones , en particular en las llanuras de inundación de los ríos [25] y en las zonas del delta [26] .

Ciudades que se hunden

Factores impulsores, procesos e impactos del hundimiento de las ciudades [27]
Las ciudades que se hunden son entornos urbanos que están en peligro de desaparecer debido a sus paisajes que cambian rápidamente . Los principales contribuyentes a que estas ciudades se vuelvan inhabitables son los efectos combinados del cambio climático (manifestado a través del aumento del nivel del mar , la intensificación de las tormentas y las mareas de tempestad), el hundimiento del terreno y la urbanización acelerada . [28] Muchas de las ciudades más grandes y de más rápido crecimiento del mundo están ubicadas a lo largo de ríos y costas, lo que las expone a desastres naturales. A medida que los países continúan invirtiendo personas, activos e infraestructura en estas ciudades, el potencial de pérdida en estas áreas también aumenta. [29] Las ciudades que se hunden deben superar barreras sustanciales para prepararse adecuadamente para el clima ambiental dinámico actual.

Fisuras de la tierra

Las fisuras terrestres son fracturas lineales que aparecen en la superficie terrestre, caracterizadas por aberturas o desniveles. Estas fisuras pueden tener varios metros de profundidad, varios metros de ancho y extenderse por varios kilómetros. Se forman cuando la deformación de un acuífero, causada por el bombeo, concentra la tensión en el sedimento. [30] Esta deformación no homogénea da como resultado la compactación diferencial de los sedimentos. Las fisuras del terreno se desarrollan cuando esta tensión de tracción excede la resistencia a la tracción del sedimento.

Daños a la infraestructura

El hundimiento del terreno puede provocar asentamientos diferenciales en edificios y otras infraestructuras , lo que provoca distorsiones angulares. Cuando estas distorsiones angulares superan ciertos valores, las estructuras pueden resultar dañadas, lo que genera problemas como inclinación o agrietamiento. [31] [32] [33]

Medición de subsidencia en campo

El hundimiento del terreno provoca desplazamientos verticales (subsidencia o elevación). Aunque también se producen desplazamientos horizontales, por lo general son menos significativos. A continuación se indican los métodos de campo utilizados para medir los desplazamientos verticales y horizontales en áreas en hundimiento:

Tomás et al. [45] realizaron un análisis comparativo de varias técnicas de monitoreo de subsidencia de terrenos. Los resultados indicaron que InSAR ofrecía la mayor cobertura, el menor costo anual por punto de información y la mayor densidad de puntos. Además, encontraron que, además de los sistemas de adquisición continua que se instalan típicamente en áreas con subsidencia rápida, InSAR tenía las frecuencias de medición más altas. En contraste, la nivelación, los GNSS no permanentes y los extensómetros no permanentes generalmente proporcionaban solo una o dos mediciones por año. [45]

Predicción del hundimiento del terreno

Métodos empíricos

Estos métodos proyectan tendencias futuras de subsidencia del terreno extrapolando datos existentes y tratando la subsidencia únicamente como una función del tiempo. [34] La extrapolación se puede realizar visualmente o ajustando curvas apropiadas. Las funciones comunes que se utilizan para el ajuste incluyen modelos lineales, bilineales, cuadráticos y/o exponenciales. Por ejemplo, este método se ha aplicado con éxito para predecir la subsidencia inducida por la minería. [46]

Métodos semiempíricos o estadísticos

Estos enfoques evalúan el hundimiento del terreno en función de su relación con uno o más factores influyentes, [34] [47] como los cambios en los niveles de agua subterránea , el volumen de extracción de agua subterránea y el contenido de arcilla.

Métodos teóricos

Modelo 1D

Este modelo supone que los cambios en los niveles piezométricos que afectan a los acuíferos y acuitardos ocurren solo en la dirección vertical. [47] Permite realizar cálculos de subsidencia en un punto específico utilizando solo parámetros verticales del suelo. [48] [49]

Modelo cuasi-3D

Los modelos de filtración cuasi-tridimensionales aplican la ecuación de consolidación unidimensional de Terzaghi para estimar el hundimiento, integrando algunos aspectos de los efectos tridimensionales. [47] [50]

Modelo 3D

El modelo tridimensional completamente acoplado simula el flujo de agua en tres dimensiones y calcula el hundimiento utilizando la teoría de consolidación tridimensional de Biot. [47] [51] [52]

Aprendizaje automático

El aprendizaje automático se ha convertido en un nuevo enfoque para abordar problemas no lineales y ha surgido como un método prometedor para simular y predecir el hundimiento del terreno. [53] [54]

Ejemplos

Véase también

Referencias

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