Goyanes, Gabriel Alejandro. 2015 03 18 "Control climático e interacciones permafrost-volca

318 Pages·2015·34.74 MB·Spanish

by  Goyanes, Gabriel Alejandro

Tesis Doctoral
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Goyanes, Gabriel Alejandro
2015-03-18
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Goyanes, Gabriel Alejandro. (2015-03-18). Control climático e interacciones permafrost-
volcanismo, Isla Decepción, Antártida. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad
de Buenos Aires.
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Goyanes, Gabriel Alejandro. "Control climático e interacciones permafrost-volcanismo, Isla
Decepción, Antártida". Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires.
2015-03-18.
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UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Ciencias Geológicas

Control Climático e Interacciones Permafrost-Volcanismo, Isla
Decepción, Antártida

Tesis presentada para optar al título de Doctor de la Universidad de Buenos Aires en
el área de Ciencias Geológicas

Gabriel Alejandro Goyanes

Director de tesis: Alberto T. Caselli
Director Asistente: Gonçalo T. Vieira
Consejero de Estudios: Alberto T. Caselli

Buenos Aires, Marzo 2015
UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Ciencias Geológicas

Control Climático e Interacciones Permafrost-Volcanismo, Isla
Decepción, Antártida

Tesis presentada para optar al título de Doctor de la Universidad de Buenos Aires en
el área de Ciencias Geológicas

Gabriel A. Goyanes

Director: Alberto T. Caselli
Director Asistente: Gonçalo T. Vieira

TESIS DOCTORAL
RESU MEN
CONTROL CLIMÁTICO E INTERACCIONES PERMAFROST-VOLCANISMO, ISLA
DECEPCIÓN, ANTÁRTIDA

El programa de monitoreo de capa activa de la International Permafrost Association (CALM) fue
desarrollado en las últimas décadas con la finalidad de comprender el impacto del cambio climático
sobre los ambientes con permafrost. A partir del Año Polar Internacional (2007-2008), se han
incrementado los estudios en la temática en la región de la Península Antártica en un esfuerzo
realizado a nivel mundial (CALM-S), debido al reducido conocimiento del comportamiento del
mismo. A su vez, debido a la complejidad de instalar y mantener equipos de monitoreo en la zona, y
con la finalidad de extender los resultados obtenidos en estos sitios puntuales, ha habido un
incremento de estudios correlacionando la presencia y/o degradación de estos suelos congelados con
los procesos que ocurren en superficie.
En este trabajo se analizan los resultados obtenidos de los sitios CALM-S Irizar, Cráter Lake y
Refugio Chileno, ubicados en Isla Decepción, uno de los volcanes activos localizados en el
Continente Antártico. La relevancia del estudio en este sitio es que allí se produce la interacción
entre procesos ligados a la ocurrencia de permafrost, al cambio en las condiciones climáticas y al
vulcanismo activo, siendo que además, la isla es una de las áreas protegidas por el Tratado
Antártico.
En estos sitios de monitoreo se ha medido el espesor, el estado térmico y la distribución espacial
de la capa activa, como así también se ha analizado su interacción con la temperatura del aire y el
espesor y distribución de la cubierta nival y sus tendencias. Con la finalidad de extender estos
resultados, se ha realizado un relevamiento geomorfológico de detalle de la isla. Con él, se efectuó
un modelado geomórfico con base en el método estadístico de Valor Informativo, a fin de analizar la
distribución espacial de las geoformas mapeadas e inferir sus posibles factores condicionantes.
Además, con base en relatos históricos y en trabajos de investigación antiguos, se ha construido la
historia volcánica de la isla desde el punto de vista de la evidencia geomorfológica hallada.
En el sitio Irizar la evolución del espesor de capa activa varió interanualmente entre los valores de
67 y 45 cm, sin mostrar una clara tendencia dentro del corto período analizado; por el contrario, el
sitio Cráter Lake evidenció una tendencia significativa a la disminución de espesor entre los años
2006 y 2014, de 35,5 a 23,1 cm. La distribución espacial, el espesor y el régimen térmico de esta
capa, en los sitios de monitoreo, mostraron estar condicionados principalmente por la potencia de la
cubierta de nieve, la granulometría/litología y la exposición frente a los vientos. La ausencia de
potentes espesores de nieve durante el invierno, como lo ocurrido en el 2011 y en el 2012, favoreció
la libre interacción suelo-atmósfera permitiendo alcanzar las temperatura más frías observadas en
los sondeos, siendo inferiores a los -10 ºC. Por el contrario, la presencia de espesores de nieve
superiores a los 20 cm, como lo ocurrido durante el invierno del 2010, inhibió el enfriamiento del
suelo, el cual alcanzó solamente los -3 ºC. Durante el verano, debido a la ausencia de una cubierta
nival, los primeros 60 cm de los sondeos alcanzaron temperaturas cercanas a los 4 ºC, mientras que
su parte inferior permaneció a 0 ºC durante el período analizado. Esto permite suponer la presencia
del tope del permafrost a esta profundidad. Por su lado, los sitios expuestos a los vientos y con
mayor granulometría, desarrollaron los mayores espesores de deshielo superficial debido a que
favorecen la rápida conductividad térmica al comienzo de la época de fusión. El relieve, la
topografía de detalle y la orientación de las laderas frente a la radiación solar incidente, solamente
ejercieron un control menor sobre la distribución de esta capa superficial.
Pese a tratarse de un volcán activo con procesos geotérmicos e hidrotermales superficiales
puntuales, la dinámica de la capa activa solamente ha evidenciado una influencia de los mismos
muy reducida y solamente cercana a los sitios anómalos. Allí, la interacción local entre el flujo
geotérmico anómalo y la ocurrencia de permafrost controlan la hidrología del sitio provocando el
desarrollo de movimientos de remoción en masa.
El modelado geomorfológico de susceptibilidad de ocurrencia utilizando el método estadístico de
Valor Informativo, mostró buenos resultados al considerar a las geoformas analizadas como
polígonos. Por otro lado, al considerarla como puntos, el modelado arrojo resultados excelentes, con
niveles de predicción y validación superiores al 80 %. De esta forma, fue posible aproximar la
distribución de las geoformas de acuerdo a los factores condicionantes considerados (elevación,
pendiente, exposición, curvatura total, radiación solar potencial, índice de humedad, litología,
permeabilidad y temperatura del aire). A su vez se ha realizado una correlación de esta
aproximación con los datos meteorológicos locales y regionales, permitiendo aproximar la génesis
de cada una.
ABSTRACT

CLIMATE CONTROLS AND PERMAFROST-VOLCANO INTERACTIONS, DECEPTION
ISLAND, ANTARCTICA

The Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) program developed over the last two decades
has a leading edge in comprehensive efforts to study the impacts of climate change in permafrost
environments. Since the International Polar Year (2007-2008), an increase in the permafrost studies
in the Antarctic Peninsula region has developed as an international effort to bridge the gap on the
understanding of regional permafrost and active layer conditions. In turn, in order to overcome
limitation due the complexity of installing and maintaining monitoring equipment and, in order to
extend the observations besides specific monitoring sites, there has been an increase in studies
analyzing frozen ground and its degradation in relation to the surface processes.
In this work, data from Irizar, Crater Lake and Refugio Chileno CALM-S sites, located in
Deception Island, one of the active volcanoes in the Antarctic region, are analyzed. The site is
especially relevant due to the widespread occurrence of permafrost and active volcanism, in a setting
of strong climate warming in the last decades. Furthermore, the island is an Antarctic Treaty
protected site.
Active layer thickness, thermal regime and distribution, as well as its interaction with air
temperature and snow were analyzed at the monitoring sites. In order to obtain a better spatial
understanding of active layer dynamics and its impact, a detailed geomorphological survey of
Deception Island at scale of 1:15.000 was made. A statistical modeling of geomorphic processes
based on Information Value method was performed in order to understand spatial distribution and
triggering factors. Historical accounts and research papers have been analyzed in order to review the
volcanic history of the island based on geomorphological evidence.
In Irizar CALM-S site the active layer depth varied interannually between 67 and 45 cm without a
clearly trend over the short record available. By contrast, Crater Lake CALM-S showed a significant
thinning trend over the period 2006-2014, from 35.5 to 23.1 cm. In all sites, the spatial patterns of
thaw, the active layer thickness and thermal regime were mainly controlled by snow cover
conditions, grain-size/lithology and wind exposure. The occurrence of thin snow thickness during
the winter, as in 2011 and 2012, favored the ground-atmosphere interaction allowing to reach the
coldest borehole temperatures observed, still lower than -10 ºC. On the contrary, snow depths
greater than 20 cm, as in 2010 winter, inhibited ground cooling reaching only -3 ºC. During the
summer, due to snow cover absence, the first 60 cm of the boreholes reached temperatures close to 4
ºC meanwhile the bottom of them remained at 0 ºC during the period analyzed. This suggests the
presence of the top of permafrost at this depth. On the other hand, the sites with larger grain sizes
and exposed to the wind action, developed greater active layer thickness due to higher thermal
conductivity at the beginning of melt season. The relief, the detailed topography and solar radiation
also exerted a local control over the spatial patterns.
Despite being an active volcano surficial geothermal anomalies and hydrothermal processes are
local phenomena and as such, active layer dynamics, is only impacted in their vicinity. There, local
interaction between high geothermal flux and permafrost occurrence at depth control the hydrology
of the site resulting in the mass wasting landforms generation.
Susceptibility modeling of geomorphological process distribution using the Information Value
statistical method showed good results when analyzing landforms as polygons. However, when
considering landforms as point features, the modeling results were excellent, with both prediction
and success rates up to 80 %. This allowed to identify the effects of independent variables such as
elevation, slope, aspect, total curvature, total solar radiation, moisture index, lithology, permeability
and air temperature, on landform distribution. These results were discussed accounting for both local
and regional meteorological data, allowing to infer causal effects.
AGRADECIMIENTOS

En primer lugar tengo que agradecer a la Universidad de Buenos Aires, al Departamento de
Ciencias Geológicas y a todos los docentes que tuve en estos años, por ayudarme a formarme
como profesional.

Al CONICET (Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas) por otorgarme las
becas de Posgrado Tipo I y Tipo II las cuales me permitieron solventarme económicamente a lo
largo de estos cinco años y de esta forma dedicarme exclusivamente a perfeccionarme
profesionalmente.

Al Dr. Caselli por haberme ofrecido la posibilidad de realizar este Doctorado en isla Decepción
bajo la dirección conjunta con el Dr. Vieira.

Al Dr. Vieira y a todo su grupo de trabajo sin quienes esta tesis jamás se habría podido realizar,
ya que me brindaron desde la posibilidad de acceso a los instrumentales a utilizar en el campo a
enseñarme la metodología del procesamiento de los datos.

Al Instituto de Geografia e Ordenamento do Território de la Universidade de Lisboa por
haberme permitido utilizar sus instalaciones durante mis estadías en Lisboa.

A la DNA-IAA por haberme permitido realizar las campañas antárticas desde el verano del año
2010, y al PROPOLAR (Programa Polar Portugués) por la logística brindada en estas dos últimas
campañas.

A los proyectos de investigación ESTUDIO Y SEGUIMIENTO DE VOLCANES ACTIVOS:
ISLA DECEPCIÓN, ANTÁRTIDA (Financiado por la Agencia Nacional de Promoción
Científica y Tecnológica), ESTUDIO Y SEGUIMIENTO DE VOLCANES ACTIVOS DE LOS
ANDES Y ANTARTIDA (Financiado por la Universidad de Buenos Aires), ESTUDIO
VOLCANOLOGICO Y GEOMORFOLOGICO DE VOLCANES ACTIVOS EN ANTARTIDA
Y LOS ANDES (Financiado por la Dirección Nacional del Antártico y el Instituto Antártico
Argentino), y PERMANTAR-2 y PERMANTAR-3 (Financiados por la Fundação para a Ciência
e a Tecnologia - Portugal), con los cuales se cubrieron los gastos de viajes, congresos, estadías y
sobre todo del equipamiento utilizado.

Al personal de las bases antárticas “Decepción” (dependiente de la Fuerza Armada Argentina)
y “Gabriel de Castilla” (dependiente del Ejército de Tierra - España) por la ayuda brindada en el
terreno a lo largo de las campañas y por el alojamiento en sus bases.

Al IDEAN (UBA-CONICET) quienes siempre buscaron solucionar mis problemas, muchos de
los cuales no les correspondían, pero dedicaron parte de su tiempo a hacerlo y me brindaron toda
la ayuda necesaria.

Una mención especial se la debo a la Cooperativa Telefónica de El Calafate Limitada, por
haberme extendido el Préstamo de Honor que me ayudo económicamente a lo largo de toda mi
carrera, y que devolveré, para poder así seguir ayudando a que más chicos puedan iniciar sus
estudios en otra parte del país.

Al Dr. Winocur que siempre que tuve dudas en las que necesitaba respuestas rápidas estuvo
presente para darme una mano.

A mis AMIGOS de acá y de todo el mundo, gracias por estos años que pasamos juntos y por
apoyarme en los buenos y malos momentos.

También quiero agradecer a mi familia por haberme ayudado en todo lo que necesite durante
todo el transcurso de la carrera, ya que sin ellos nada de esto sería posible.

GRACIAS A TODOS…
ÍNDICE GENERAL

1. INTRODUCCIÓN…………..…..……………………………………...…………………… 1
1.1. Estado actual del conocimiento………………………………………………………. 2
1.2. Descripción del área de estudio………………………………………………………. 4
1.3. Objetivos……………………………………………………………………………… 7
1.4. Estructura de la tesis………………………………………………………………….. 8

2. MARCO REGIONAL……………...…………………….………………………………... 10
2.1. Marco tectónico…………………………………………………………...………… 11
2.2. Estratigrafía…………………………………………………………………………. 12
2.3. Estructura………………………………………………………................................ 15
2.3.1. Deformación y anomalías geotérmicas……………………………………… 20
2.4. Evolución volcánica de isla Decepción debido a las erupciones de 1967, 1969 y
1970………………………………………………………………………………… 25
2.4.1. Cambios morfológicos debidos a la erupción de 1967……………………… 26
2.4.2. Cambios morfológicos debidos a la erupción de 1969……………………… 30
2.4.3. Cambios morfológicos debidos a la erupción de 1970……………………… 35

3. METODOLOGÍA………….……………………………………………….……………… 41
3.1. Introducción………………………………………………………….……………… 42
3.2. Monitoreo térmico y del espesor de descongelamiento estacional………………….. 45
3.3. Análisis granulométricos de los sitios CALM-S……………………………………. 48