Algunos experimentos en géiseres artificiales

http://dx.doi.org/10.18268/BSGM1906v2n1a7

Paul Waitz.

Estudiando la región geiseriana de Ixtlán de los Hervores, al N. del Estado de Michoacán, he hecho algunas veces observación de un fenómeno, sin encontrar por de pronto una explicación satisfactoria. Tampoco he encontrado en la literatura sobre los géiseres nada referente á tales fenómenos.

Creyendo que estas observaciones, con su explicación física, den luz para los fenómenos geiserianos he construido un geiser artificial, que imita en escala pequeña los fenómenos naturales. De ser correcta mi idea, solamente podrá, desde luego, aplicarse para la región geiseriana de Ixtlán, y es necesario declarar, que no es propio generalizar teorías sacadas de casos en una localidad; porque de varios modos se puede explicar y demostrar el fenómeno de los géiseres. Solamente un estudio detallado y observaciones cuidadosas— algunas veces ni éstas,— pueden dar una probabilidad de que tal ó cual teoría sea la correcta.

El camino real de Zamora á Ixtlán sigue, en la cercanía de Ixtlán, al pie de una serie de cerros de roca basáltica, y está poco elevado sobre el nivel del valle en que corre el río Duero. A unos dos y medio km antes de llegar á Ixtlán, pasando un puente de piedra, se encuentra, al lado del camino, el primer pozo pequeño de lodo.

Allí es el principio de la faja geiseriana, que siempre al lado izquierdo, al Sur del camino real, de 100 hasta 150 m de ancho, llega hasta Ixtlán, y también ocupa la parte oriental de la población.

En esta zona larga y angosta, he encontrado unos 600 géiseres, hervideros, manantiales calientes y restos de otros ya extinguidos.

En abril y junio de 1905 que visité la región, unos 400 estaban en actividad ó presentaban indicios de actividad, conteniendo en sus embudos agua caliente. Unos 200 y muy probablemente más, tenían el aspecto de estar apagados.

Como géiseres propiamente dichos, he podido comprobar unos 13; además, se han encontrado unos 50 embudos y conos ó volcancitos de lodo más ó menos activos é intermitentes.

Pozos que hierven permanentemente, he encontrado unos 15.

Pero como se cambian de día en día todos estos números, se puede hacer constar, observando diariamente nuevos desprendimientos de vapor cerca de otros recientemente apagados; nuevos volcanes de lodo y otros recientemente apagados á causa de pisadas de animales ó de una piedra tirada sobre el cono. Con una ligera inspección se puede observar una agrupación sorprendente.

En el Sureste de la pequeña población de Salitre, existe el núcleo de los pozos en un terreno limitado. En un lugar de 500 m de largo y 100 hasta 150 m de ancho, se encuentran 250 hasta 300 pozos activos ó apagados. Al Oriente y al Poniente de este grupo, se encuentran más ó menos alineados los restantes 300 ó 400 pozos.

Además, algunas veces se reúnen en estos tres grupos unos pozos, que no solamente por su cercanía local forman un grupo pequeño, sino también para el observador concienzudo parecen estar en conexión interna.

Esta conexión interna manifiesta algunas veces de un modo interesante.

En algunos grupos, en los cuales hay un géiser intermitente, se puede notar en el período de quietud del géiser, que los otros tubos están llenos de agua caliente; pero en el momento en que empieza la erupción del géiser, se vacían los otros, quedando vacíos hasta el fin de la erupción.

Estos grupos se encuentran frecuentemente.

El agua, en algunos pozos, alrededor del géiser*, desaparece cuando él trabaja activamente.

*Véase el croquis publicado en el «Livret Guide des excursions du Congrés Géologique International.» México, 1906. «Les Géiseres d’Ixtlán».

Todos los embudos cerca del pozo 4, se-vacían, cuando el pozo tiene su período largo de actividad.

Hace mucho tiempo que la gente de Salitre ha observado lo mismo, respecto del pozo pequeño cerca del géiser 7, que surte de agua potable á la población, y respecto del «Pozo Verde» 9, el más grande de todos, quetiene una anualmente una sola erupción al principio de la temporada de las aguas, hirviendo en seguida con mucha fuerza y esplendor, mientras que el pantano, al Poniente, cerca del «Pozo Verde,» se agota.

Un poco más complicado es el juego en el grupo del «géiser tritubular» núm. 8; pero también en este agrupamiento hay varios pozos que se secan cuando trabajanlos tres géiseres;

La misma observación se hace en la serie de los volcanes de lodo, donde se junta casi siempre un cono con un embudo de lodo, en el cual baja el nivel del agua lodosa, en tanto que empieza la erupción periódica del cono.

Un grupo con los mismos fenómenos, se encuentra más al Este, casi al fin de la línea de géiseres.

Además, creo que todos los pozos que hierven permanentemente son géiseres con muy largos períodos, lo que fue posible poner en evidencia respecto del pozo 2, junto á la «Casa Salitre, » y también respecto del pozo hirviente núm. 4. Algunos otros pozos, en la cercanía de éstos, y aparentemente apagados, se llenan cuando los hervideros acaban su período de actividad. Esto he observado en el dicho pozo núm. 4.

Tomemos uno de estos grupos, por ejemplo el géiser núm. 7, con su pozo subordinado cerca de la población de Salitre, y observemos sus juegos:

Si el géiser ha acabado su período .de erupción en este momento, el agua brotada ref1uye con gargarismo en la boca del géiser, y el pozo subordinado, vacío durante la erupción del géiser, se llena lentamente con agua de una temperatura de 80°. (Estando la boca del géiser rellena con piedras, no se pudo tomar la temperatura de su agua pero sin duda no está muy abajo el nivel del agua). En los dos tubos empieza á subir el agua y á calentarse.

Después de una hora, el agua aparece también en las piedras del tubo del géiser y el nivel está á la misma altura que en el tubo subordinado; los dos niveles suben igualmente.

La temperatura en el géiser, es de 90 á 91° en el otro pozo, 88 á 89, y sube lentamente en los dos, en el géiser con más aceleración.

Después de otros tres cuartos de hora, suben burbujas más numerosas en el tubo del géiser, y el nivel del agua se mueve algunas veces violentamente.

También en el tubo subordinado aparecen algunas burbujas. El nivel varía un poco, sin bullirse, subiendo y bajando.

La temperatura del géiser es de 92.5; del otro tubo, de 91.5; después se aumenta el número de las burbujas en el tubo del géiser, la ebullición es más fuerte, el nivel en el otro tubo se mueve con rapidez y fuerza, la temperatura sube lentamente con uniformidad, sin interrupción.

Ahora está ya por empezar la erupción del géiser. Originan la actividad algunas burbujas grandes de vapor, sigue un hervor fuerte de agua á 93.5. Las gotas saltan á un metro y medio hasta dos m de altura, y el embudo abierto del géiser se llena con agua desbordante.

Muy poco tiempo antes que hayan subido las primeras, burbujas grandes en el géiser, ha bajado el nivel del tubo subordinado á él. En el momento de la erupción, sigue bajando más, y durante la erupción se agota enteramente el tubo angosto del pozo tributario.

La erupción dura más ó menos minutos; después, acabándose la fuerza explosiva del vapor, el agua refluye al embudo del géiser con un sonido parecido al gargareo, y en el tubo subordinado aparece de nuevo el nivel del agua.

Después de dos horas de quietud, en las cuales sube el agua calentándose, empieza de nuevo á trabajar el géiser.

En mi opinión, es acertada la interpretación del fenómeno geiseriano, que ya dio MacKenzieenel año de 1811. Su teoría ha sido mejorada por Bischof y Nidd van Kruga.

Lo esencial de la teoría de MacKenzie es: que el tubo del géiser en la profundidad desemboca en una cavidad que sirve de depósito de agua y de caldera. El tubo del géiser es curvo y desemboca de tal modo, que el agua retiene el vapor en la caldera hasta el momento en que la presión es bastante fuerte y puede levantar la columna de agua del tubo.

Alcanzada la tensión necesaria, entra el vapor en el tubo, levantando la columna de agua. El líquido, saliendo de la boca angosta por el embudo abierto, se desborda de éste. Por eso se disminuye la presión del vapor en la caldera que obliga al agua, demasiado caliente para esta presión (menor), á empezar á hervir impetuosamente, y se efectúa entonces la erupción.

Esta teoría de MacKenzie se excluyó cuando en el año de 1846, Bunsen y Descloizeaux estudiaron y dieron la interpretación del fenómeno del Gran Géiser de Islandia. Pero la teoría geiseriana de Bunsen es acertada sólo para el Gran Géiser; su generalización sobre todos los géiseres, sin duda es errónea.

En los tiempos más modernos han estudiado, principalmente americanos y alemanes, los fenómenos geiserianos, examinando detalladamente las alteraciones que produce una solución de jabón ó una perturbación por piedras tiradas en las bocas de los géiseres. Para estos estudios sehan construido varios modelos de géiseres artificiales de los cuales cada uno es capaz de demostrar algunos fenómenos especiales.

Hay un trabajo acompañado de ilustraciones, sobre los varios tipos de géiseres artificiales, por el Prof. Andreae, en el Neues Jahrbuch, 1893, tomo II, pág. 1.

Antes de dar una descripción de mi aparato, que se asemeja algo al modelo 2 del Prof. Andreae, quiero adelantar algunas noticias.

Mi aparato debe demostrar y explicar principalmente el hundimiento del agua en los tubos subordinados, en el momento en que empieza la erupción del géiser. Dicho fenómeno se podría explicar por una fuerza aspirante producida por el vapor en el tubo del géiser. Para que resultara este efecto de aspiración, deberían juntarse los tubos subordinados, viniendo de abajo al tubo del géiser, bajo un ángulo corto, como se ve en el dibujo.

Pero por lo menos es dudoso que 10 á 20 tubos subordinados, que rodean el tubo del géiser se junten con éste de dicho modo.

Otra explicación, pero que no puede servir para demostrar la simultaneidad de la erupción y del hundimiento en los tubosrespectivos, mencionaré más adelante.

Mi interpretación de este fenómeno, se funda una ley física bastante conocida, pero todavía en la práctica poco aplicada.

En un tubo comunicante, doblado en forma de una U, que contiene agua, están los niveles en los dos tubos en una línea horizontal. Pero por ejemplo, vertemos primeramente mercurio, y después, en un solo tubo, agua; los niveles naturalmente tienen diferentes alturas, el nivel del agua está más levantado que el del mercurio.

Tal diferencia vemos también cuando ponemos en el fondo agua y encima echamos en untubo petróleo ó aceite ú otro líquido de peso específico más ligero y que no se mezcle con el agua. En este caso está el nivel del petróleo más que el del agua en el otro tubo.

Cambiaremos el aparato tal modo, que en un tubo entre por abajo un gas por ejemplo, aire; estando el tubo bastante angosto, se aumenta la diferencia de los niveles, porque la diferencia entre los pesos específicos del agua y del aire es más grande.

En este caso observamos relaciones, como se ve en la fig. II.

El nivel del agua en un tubo, está elevado aproximadamente á la suma de la altura de las burbujas sobre el nivel del otro tubo;digo aproximadamente, porque también el gas tiene su peso. Se debería por eso, prescindiendo de la influencia de la fuerza de las superficies de los líquidos, descontar de la suma de la altura de las burbujas el peso de éstas, calculadas como columna de agua de un diámetro igual al diámetro del tubo.

Este principio físico se emplea hace pocos, años, para una bomba de aspiración con mercurio. Este aparato me ha dado la idea mi interpretación de los fenómenos de Ixtlán.

Mi aparato geiseriano consiste de un depósito D, (fig. I), de agua, en el cual se forma el vapor —este deposito es un matraz ó alambique con dos aberturas— de un tubo A—el tubo del géiser,— al cual envuelve un tubo más ancho, B, para tener caliente el tubo A con vapor. El tubo del géiser tiene en su extremidad superior un embudo muy abierto, H.

Estas tres partes forman el géiser; las dimensiones son las siguientes:

Matraz, de diámetro de 13 cm y de una capacidad de 1200 cm3

Tubo, de largo de 1.12 m.; diámetro de 12 mm.

Embudo H de ángulo de 140°; diámetro de 1 m.

Este géiser sencillo trabaja con períodos bastante regulares que se siguen cada 6 minutos 30 segundos. Diez observaciones, hechas en la mañana del 27 de septiembre del año en curso, se han efectuado en 1 hora y 10 minutos.

Las erupciones vienen á producirse cuando se ha formado una cantidad considerable de vapor en el matraz. Este vapor tiene naturalmente debajo de la columna de agua del tubo, una temperatura más alta que la que existiría sin presión. De este vapor suben burbujas grandes por el tubo y levantan el agua en é1. Si estuviera el tubo más largo, soportaría siempre la misma columna de agua sobre el vapor. En estecasose forma permanentemente vapor, que en el tubo lentamente sube, pero nunca puede producir el vapor explosiones intermitentes.

Explosiones periódicas intermitentes produce el géiser, cuando la columna de agua se puede disminuir, y esto es posible, cuando el tubo es bastante corto y el agua puede desbordarse del tubo, sea que desborde, escurra y ya no sirva para el géiser, ó sea que en un embudo abierto se desparrame. En los dos casos se disminuye la presión del vapor en la caldera, y por esta disminución la presión empieza la ebullición del agua en el depósito. Por el exceso de calor se efectúa una ebullición repentina y una explosión, siendo ésta la causa de la erupción del géiser. La ebullición y explosión consumen el exceso del calor del agua y reducen su temperatura al término normal de la ebullición. La fuerza explosiva del vapor se ha gastado; una parte del agua del tubo recae al depósito, y estando un poco más fría, condensa el vapor en la caldera. Por eso se forma un vacío en el depósito que aspira el agua del tubo. La aspiración se aumenta en proporción del agua de menos temperatura, que entra al depósito.

Al efectuarse esta aspiración, refluye el agua del tubo á manera de un golpe con mucha fuerza al depósito, y llena éste enteramente, cuando no arrastró la aspiración algunas burbujas de aire.

Aquí tenemos una verdadera aspiración en el aparato; en los géiseres naturales se disminuye esta fuerza á causa de la longitud del tubo y de la temperatura muy elevada en todo el terreno, en que se encuentra el tubo y el depósito del géiser.

Por eso nunca se observa en Ixtlán una aspiración tan fuerte como en el géiser artificial. Pero vemos también, que esta aspiración se efectúa al fin de la erupción del géiser. Por eso no podremos usar esta observación para la interpretación del fenómeno, porque en los tubos subordinados el agua desaparece simultáneamente al comenzar la erupción del géiser.

Para interpretar este fenómeno necesitamos complicar nuestro aparato.

El principio físico es el mismo que el de dichos tubos comunicantes.

Por la segunda abertura del matraz hacemos entrar un tubo largo, introduciéndolo hasta una profundidad, que quede debajo del espacio que puede llenar el vapor.

El tubo es de tal tamaño, que su abertura superior queda más arriba que la boca del tubo del géiser.

El géiser trabaja ahora del mismo modo que antes.

Alcanzando la temperatura en el depósito el punto de la ebullición bajo la presión de las dos columnas de agua, se forma vapor, que se acumula en la encorvadura del matraz hasta el momento que puede entrar al tubo del géiser. Al principio las burbujas son pequeñas, pero aumentan rápidamente y entonces se puede ver, que el nivel en el tubo subordinado baja por una altura igual á la suma de las alturas de las burbujas.

Cuando disminuye la presión de la columna de agua suficientemente por las burbujas de vapor, empieza la erupción explosiva del géiser. En este momento baja mucho el agua en el tubo subordinado, subiendo y descendiendo rápidamente en una altura muy debajo del nivel normal, la cual corresponda á la altura de la columna normal, menos la suma de las alturas de las burbujas de vapor que suben en el tubo del géiser.

Este descenso del agua en el tubo subordinado, empieza al mismo tiempo que la erupción del géiser, y debe empezar en este momento, según la mencionada ley física.

También en este aparato se efectúa la aspiración en el tubo del géiser con el golpe, al terminarse la actividad de él. En el tubo subordinado no se observa una aspiración considerable, sino más bien, como efecto del golpe, una repulsión bastante fuerte, por la cual sube el agua sobre el nivel normal. Como he dicho antes, se observan estos últimos fenómenos en el géiser artificial, pero no se notan de la misma fuerza en géiseres naturales.

Además, he agregado á mi aparato un sifón de tubos capilares, con el cual puedo comunicar el aparato con un depósito ancho de agua. Por este sifón renuevo siempre el agua, que el géiser haya perdido en forma de gotas y de vapor durante la erupción, conservando, de consiguiente, las dos columnas siempre al mismo nivel, sin que el agua que entra continuamente, en pequeña cantidad, á causa de la capilaridad del sifón, altere en mucho el trabajo del géiser.

He arreglado el aparato de tal modo, para que durante un tiempo considerable las condiciones sean las mismas. Una adquisición útil sería una fuente regularizadora de calor para .producir siempre la misma cantidad de calor.

Comparando las condiciones y relaciones naturales de Ixtlán, con nuestro aparato, se ve lo siguiente: A una profundidad indeterminable, existen cavidades más ó menos considerables, en las cuales se filtra agua probablemente vadosa, es decir, agua que viene de la superficie de la comarca.

La temperatura de la roca, en que se encuentran estas cavidades, es seguramente bastante elevada y más alta que 93.5°, temperatura á la cual hierve el agua en Ixtlán.

Esta temperatura puede tener su origen de macizos de roca eruptiva todavía no enfriada; pero es más probable que calienten todo el terreno profundo, emanaciones calientes de ácidos clorhídrico, sulfúrico y bórico, que suben de la profundidad probablemente por grietas.

La faja angosta y larga en que se encuentran todos los géiseres alineados, hace probable la existencia de estas grietas.

Importante es la forma y principalmente la profundidad relativa en que desembocan los varios tubos á las cavidades de los depósitos.

Vemos en la figura IV, una cavidad alargada, en la cual desembocan varios tubos en diferentes profundidades.

El vapor que se forma en el depósito, llena la bóveda de la cavidad. Un tubo delgado D, que desemboca en la parte más alta de esta bóveda, es naturalmente en la superficie una emanación de vapor, que casi siempre trabaja.

El tubo A, que desemboca más abajo, es el géiser intermitente. Los otros dos tubos, B y C, son tubos subordinados, porque desembocan más abajo que el tubo del géiser.

Un hervidero permanente, es el tubo E, porque en él suben siempre todas las burbujas de vapor, que se forman en el depósito.

Encima de todos los tubos tenemos embudos abiertos. El embudo del géiser hace posible que disminuya la presión sobre el agua en el depósito, cuando se ha llenado la bóveda con vapor y entran las burbujas en el tubo, extendiéndose después el agua en el embudo. Por debajo entran al depósito venas de agua, que siempre llenan de nuevo la cavidad.

Todo el terrenotiene una temperatura elevada, queya se nota desde las partes superficiales; el agua en los embudos está siempre cerca del punto de ebullición. Además, siendo los tubos largos y angostos, se enfría menos el agua, y por eso es menor la disminución de la temperatura del vapor en la bóveda después de la erupción, á causa de lo cual no puede efectuarse una aspiración tan fuerte, como resulta en nuestro géiser artificial por la condensación de vapor.

La duración de las erupciones en Ixtlán, cambia en los diferentes pozos, pero en todos los géiseres no es larga (entre 2 y 10 minutos); eso es un indicio, que las cavidades y depósitos de agua no son muy grandes.

Los períodos de quietud son pruebas que la temperatura del terreno en que están situados los depósitos no es muy alta, y que la provisión de agua en la profundidad no es muy grande. La disminución de los períodos de quietud en los tiempos de lluvias, indica que el agua es de origen por superficial por lo menos en su mayor parte.

Al fin debo acentuar de nuevo, que es imposible dar la misma interpretación para todos los géiseres. Solamente un estudio detallado de las relaciones locales puede resolver la cuestión á qué sistema pertenecen los géiseres de una localidad.

Los fenómenos en los tubos subordinados comprueban con mucha probabilidad mi opinión, de que hay en Ixtlán depósitos y calderas en que desembocan los tubos de los géiseres, como lo hace constar en su teoría MacKenzie.

Sin embargo, es posible que algunos de los géiseres de Ixtlán no pertenezcan á este sistema de géiseres.