V25 -E4 El Pasado a Través Del Hielo

4 Oilfield Review

El pasado a travs del hielo

El hecho de que el clima de la Tierra est cambiando constituye una verdad irrefutable,

pero el curso, el ritmo y los efectos futuros finales de ese cambio resultan menos claros.

Los climatlogos, glacilogos e ingenieros estn recuperando muestras de los

mantos de hielo de Groenlandia y la Antrtida y de los glaciares de climas templados

en un esfuerzo para comprender, en base al pasado, qu puede ofrecer el futuro.

Mary R. AlbertDartmouth CollegeHanover, New Hampshire, EUA

Geoffrey HargreavesServicio Geolgico de EUADenver, Colorado, EUA

Traduccin del artculo publicado en Oilfield Review Invierno de 2013/2014: 25, no. 4.Copyright 2014 Schlumberger.Por su colaboracin en la preparacin de este artculo, se agradece a Jay Johnson del grupo de Diseo y Operaciones de Perforacin en el Hielo, Madison, Wisconsin, EUA; Nature A. McGinn y Julie M. Palais, Fundacin Nacional para la Ciencia de EUA (NSF), Programa Antrtico de EUA, Arlington, Virginia, EUA; y a Mark Twickler del Instituto para el Estudio de la Tierra, los Ocanos y el Espacio, Universidad de New Hampshire, Durham, EUA. Mary R. Albert agradece el apoyo brindado por la NSF a travs del subsidio PLR-1327315.Isopar es una marca de ExxonMobil Corporation.

1. Alley RB: The Two Mile Time Machine: Ice Cores, Abrupt Change, and Our Future. Princeton, Nueva Jersey, EUA: Princeton University Press, 2000.

2. Comit sobre el Cambio Climtico Abrupto, Consejo Nacional de Investigacin: Abrupt Climate Change: Inevitable Surprises. Washington, DC: The National Academies Press, 2002.

Luthi D, Le Floch M, Bereiter B, Blunier T, Barnola J-M, Siegenthaler U, Raynaud D, Jouzel J, Fischer H, Kawamura K y Stocker TF: High-Resolution Carbon Dioxide Concentration Record 650,000800,000 Years Before Present, Nature 453, no. 7193 (15 de mayo de 2008):379382.

Brook E: Paleoclimate: Windows on the Greenhouse, Nature 453, no. 7193 (15 de mayo de 2008): 291292.

3. Langway CC Jr: The History of Early Polar Ice Cores, Cold Regions Science and Technology 52, no. 2 (Enero de 2008): 101117.

4. Dansgaard W: The O18-Abundance in Fresh Water, Geochimica et Cosmochimica Acta 6, no. 56 (Diciembre de 1954): 241260.

5. Langway CC Jr: Willi Dansgaard (19222011), Arctic 64, no. 3 (Septiembre de 2011): 385387.

> Glaciar Quelccaya, 1977. (Fotografa, cortesa de Lonnie Thompson de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus, EUA.)

Volumen 25, no.4 55

Los climatlogos necesitan remitirse a lo suce-dido hace varios cientos o miles de aos para darse cuenta de cmo ha cambiado el clima de nuestro planeta durante esos aos. Esto los ayuda a comprender mejor los procesos climticos de la Tierra para que puedan hacer predicciones con respecto a lo que est por acontecer. En las regio-nes cubiertas por mantos de hielo, donde la nieve no se derrite sino que se apila durante varios cientos de miles de aos, el hielo resultante, de espesor kilomtrico, conforma un archivo de pis-tas con respecto al clima del pasado.

Si bien la ciencia de interpretacin del clima a partir de ncleos de hielo tiene menos de 70 aos, los climatlogos han realizado algunos descubri-mientos notables.1 Por ejemplo, la ciencia de los ncleos (testigos corona) de hielo posibilit la revelacin de que el clima puede cambiar en forma abrupta, en menos de 10 aos, y la com-prensin de que la composicin de dixido de car-bono [CO2] de la atmsfera es hoy ms alta de lo que lo ha sido a lo largo de ms de 800 000 aos.2

Las primeras perforadoras para la recupera-cin de ncleos de hielo con fines cientficos fue-ron diseadas por el Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito de los Estados Unidos en la dcada de 1950. Estas perforadoras, cuyo diseo se origin a partir de conceptos relacionados con la perforacin geolgica, fueron utilizadas para extraer numerosos ncleos de hielo profundos y de profundidades intermedias tanto en Groenlandia como en la Antrtida.3 Cuando en la dcada de 1960 el Ejrcito de los Estados Unidos cre Camp Century, en Groenlandia, sus ingenieros concibieron una nueva perfora-dora electromecnica para recuperar el primer ncleo continuo profundo hasta la roca firme de fondo; para ese ncleo, Chester Langway, Jr., quien era responsable del anlisis cientfico de los ncleos, form un equipo internacional com-puesto por cientficos estadounidenses, daneses y suizos para la obtencin de una serie de medicio-nes basadas en el ncleo. La ciencia de los ncleos de hielo experiment una rpida evolucin en muchas naciones, e incluso hoy, los esfuerzos inter-disciplinarios internacionales siguen siendo un sello que la caracteriza.

Los trabajos del cientfico dans Willi Dansgaard se tradujeron en un proyecto de colaboracin inter-nacional centrado en el anlisis del ncleo de hielo de Camp Century. En la dcada de 1950, Dansgaard realiz un descubrimiento que hoy permite a los analistas descifrar la informacin grabada en estos registros antiguos. Dansgaard desarroll el instru-mental necesario para medir rpidamente las variaciones estacionales de las condiciones cli-mticas, a lo largo de intervalos de tiempo cortos, a travs de la medicin de las variaciones de las

relaciones de los istopos estables del oxgeno, tales como la relacin 18O/16O de los ncleos de hielo, y aplic esta tcnica al anlisis del ncleo de 1 390 m [4 560 pies] de largo recuperado en Camp Century en 1966 (arriba).4 Desde entonces, varios cientficos de todo el mundo han analizado otras especies qumicas presentes en los ncleos de hielo para extraer informacin climtica y

meteorolgica a partir del polvo, los resultados de la actividad volcnica, el ritmo de acumulacin de la nieve y, para los marcadores naturales y antropo-gnicos, numerosos trazadores qumicos presentes en los mantos de hielo.5

Este artculo describe la perforacin a travs de los mantos de hielo del rtico y la Antrtida y de los glaciares de climas tropicales, las tcnicas

> El primer ncleo de hielo de Camp Century. Los resultados del anlisis del ncleo de hielo de Camp Century indicaron que a partir de ncleos de hielo podan derivarse las condiciones climticas del pasado. La grfica muestra la magnitud, en partes por mil (0/00), en que vara la relacin de los istopos estables del oxgeno 18O/16O (18O) como una funcin de la profundidad y la edad a lo largo de los 1 390 m de longitud del ncleo de hielo. Los valores bajos de 18O (sombreado azul) se asocian con las bajas temperaturas de ese momento, en tanto que los valores altos (sombreado prpura) se relacionan con temperaturas clidas. La gran desviacin de los valores de 18O a 1 100 m aproximadamente corresponde al cambio desde el ltimo perodo glacial al actual perodo interglaciar. Adems, se identifican varios eventos climticos pasados (entre 2 y 5e). Estos resultados demuestran que la extraccin de ncleos de hielo y el mtodo de los istopos de oxgeno son formas viables de reconstruir las condiciones climticas del pasado. [Adaptado de The History of Danish Ice Core Science, Universidad de Copenhague, Centro para el Hielo y el Clima, Instituto Niels Bohr, http://www.iceandclimate.nbi.ku.dk/about_centre/history/ (Se accedi el 5 de junio de 2013).]

Oilfield Review WINTER 13/14Ice Coring Fig. 1ORWIN 13/14 ICECR 1

ptimo climticode 1930

ptimo climticopostglaciar

23

4

5a5b5d

5e

5c

Pequea Edadde Hielo

Perodo clidomedieval

1 000

800

600

400

300

200

100

50

30

20

10

10

20

50

100

200

500

1 000

2 000

5 000

10 000

20 000

50 000

100 000

45 40 35 30

1 100

1 200

1 300

1 330

1 360

Prof

undi

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m

Edad

en

aos

ant

es d

e 19

68

18O, 0/00

6 Oilfield Review

utilizadas para recuperar ncleos de hielo intactos y la forma en que stos se almacenan y se analizan. Algunos casos reales incluyen los resultados de los esfuerzos para obtener ncleos del perodo interglaciar Eemiano en Groenlandia, el Manto de Hielo de la Antrtida Occidental (WAIS) y el glaciar Quelccaya en Per.

Construccin de un equipo para perforar a travs del hieloDesde que los cientficos comenzaron a adquirir ncleos desde mayores profundidades en los espesos mantos de hielo de Groenlandia y la Antrtida, los equipos utilizados con esos fines evolucionaron para satisfacer los desafos nicos de esos ambientes.6 Una de las iteraciones ms recientes en el desarrollo de equipos de perfora-cin a travs del hielo es la perforadora electrome-cnica para mantos de hielo profundos (DISC). La perforadora DISC, con su capacidad de perfora-cin direccional, fue diseada y construida por el grupo de Diseo y Operaciones de Perforacin en el Hielo (IDDO) del Centro de Ciencias Espaciales e Ingeniera de la Universidad de Wisconsin-Madison, EUA. El propsito de su desarrollo fue la recuperacin de ncleos de hielo profundos a travs de la incorporacin, entre otras caractersticas, de la capacidad para efectuar las siguientes prcticas: recolectar ncleos de hielo desde profundida-

des de hasta 4 000 m [13 000 pies] captar ncleos de hielo de ms de 98 mm

[3,9 pulgadas] de dimetro mantener una inclinacin de pozo de 5 o menor recolectar ncleos replicados utilizando perfo-

racin direccional muestrear y registrar la profundidad, la veloci-

dad de rotacin de la perforadora, el esfuerzo de torsin (torque), el peso sobre la barrena (WOB), la temperatura del fluido y la rapidez del tubo extractor de ncleos, de 10 veces por segundo.7

Los diseadores tambin intentaron reducir la duracin total de los proyectos mediante la optimizacin del equilibrio entre el tiempo de viaje y el tiempo de extraccin de los ncleos; en los proyectos ms profundos, la bajada y la extraccin de la barrena del pozo contribuye ms a la duracin total del proyecto que la obtencin de ncleos en el fondo. La unidad DISC puede perforar ncleos ms largos que las perforadoras previas, por lo que alcanza sus objetivos de pro-fundidad con menos viajes.

La perforadora DISC consta de una sonda de perforacin, un cable de perforacin, una torre de perforacin, un malacate y el sistema de control y suministro de energa de superficie. La sonda de perforacin modular incluye una corona de extrac-

cin de ncleos, un tubo extractor de ncleos, una seccin de filtrado, una seccin de bomba a motor y una seccin de instrumentos. La corona de extraccin de ncleos, provista de cuatro corta-dores reemplazables, posee un tubo extractor de ncleos incorporado para proteger el ncleo cap-tado (arriba). La corona de extraccin de ncleos, que recorta un anillo anular de hielo para formar el ncleo, incluye cuatro cmaras para ncleos, o retenes, que rompen el ncleo al final de la carrera de extraccin e impiden que se deslice por el fondo del tubo extractor a medida que se lleva a la superficie. La corona de extraccin incluye adems botones, o zapatas, en su cara inferior. Los botones sirven para limitar la penetracin de los cortadores ya que fijan el paso de estos ltimos.8

La seccin de bomba a motor de la sonda DISC contiene dos motores y una bomba de fluido de perforacin que puede operar con temperatu-ras de hasta 50C [58F] y presiones de 40 MPa

[5 800 lpc]. Un motor acciona la bomba y el otro el tubo y la corona de extraccin de ncleos.9 Los recor-tes de hielo son recolectados en la seccin de fil-trado, que consiste en un alojamiento, hecho con los mismos tubos que el tubo extractor de ncleos, provisto de filtros en su parte central. El fluido de perforacin transporta los fragmentos pequeos de hielo generados durante las operaciones de extraccin de ncleos hacia el interior del espa-cio anular del tubo extractor de ncleos y hacia los filtros del arreglo, que los lleva a la superficie junto con el ncleo (prxima pgina, arriba).

La sonda de perforacin est compuesta por las secciones de fuerza anti-torque, instrumentos y motores, para el control a motor, la adquisicin de datos, el acondicionamiento de la potencia y las comunicaciones. El sistema incluye dos moto-res que operan en forma independiente y son controlados a travs de un sistema de servocon-trol de corriente. Dado que en estos sistemas el

> Corona de extraccin de ncleos de hielo. La corona de extraccin de ncleos de hielo forma un espacio anular entre el hielo y la sonda. A medida que desciende, la herramienta capta una columna continua de hielo que se lleva a la superficie. Mediante la utilizacin de este sistema, los perforadores han alcanzado profundidades de unos 3 800 m [12 500 pies] y pueden recuperar ncleos de 12,2 cm [4,8 pulgadas] de dimetro y 4 m [13 pies] de longitud. El tubo extractor de ncleos rotativo consiste en una serie de tubos conectados mecnicamente y puede ser equipado con una camisa de fibra de vidrio que ayuda a mantener intactos los ncleos fracturados. Los retenes del ncleo, que giran dentro del hielo y lo fracturan cuando se sube la perforadora, mantienen el ncleo en el estabilizador y la cmara de ncleos (fotografa) a medida que el cortador se lleva a la superficie. Las zapatas de extraccin de ncleos son botones pequeos situados en la cara inferior de la corona de extraccin de ncleos que limitan la penetracin de las hojas del cortador. La distancia vertical entre la superficie inferior de las zapatas y las puntas de los cortadores fija el paso, o velocidad de penetracin, de la perforadora. (Adaptado de Mason et al, referencia 8.)


Retn del ncleo

Cortador

Segmento del tuboextractor de ncleos

Estabilizador y cmara de ncleos

Camisa

Ncleo de hielo

Zapata

Conexin roscada a la seccin del filtro

Volumen 25, no.4 7

torque del motor es proporcional a la corriente, dicha fuerza es controlada mediante la modera-cin de la potencia de los motores.

Los sensores de la sonda miden la tempera-tura de los componentes electrnicos, el fluido de perforacin, el motor de los cortadores, el motor de la bomba y el fluido de los motores. Dado que la seccin de instrumentos debe mantenerse estanca a la presin, los sensores monitorean la presin existente entre dos sellos redundantes y cada una de las tapas de cierre del arreglo.10

La seccin superior de la sonda incluye las termi-naciones mecnicas, elctricas y de fibra ptica del cable. Las juntas rotativas permiten que la sonda de perforacin rote con respecto al cable. El cable sustenta fsicamente la perforadora, le suministra potencia y posibilita la comunicacin entre la sonda y la superficie. El cable de la perforadora DISC incluye un cable central, cables de fibra ptica, alambres de cobre y una envoltura externa de cables de acero galvanizado que proporcionan la resistencia mecnica para bajar y subir la sonda (derecha, extremo inferior).11

A diferencia de los arreglos de las unidades de perforacin de hidrocarburos, el eje del tam-bor de la perforadora DISC se mantiene paralelo al cable de perforacin a medida que pasa a tra-vs de un dispositivo para enrollar hasta la torre. Esta configuracin permite ubicar el malacate en la base de la torre, lo que genera una huella ms pequea que las huellas producidas cuando el cable se extiende desde el malacate hasta la torre en forma perpendicular. Debido a la configuracin torre-malacate, una vez que la perforadora se encuentra en la superficie, debe desarmarse y se debe proceder a desconectar el tubo extractor de ncleos de la sonda. Luego, el personal del equipo de perforacin levanta y hace rotar el tubo

6. Bentley CR, Koci BR, Augustin LJ-M, Bolsey RJ, Green JA, Kyne JD, Lebar DA, Mason WP, Shturmakov AJ, Engelhardt HF, Harrison WD, Hecht MH y Zagorodnov V: Ice Drilling and Coring, en Bar-Cohen Y y Zacny K (eds): Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and Other Planets. Dramstadt, Alemania: Wiley-VCH (Agosto de 2009): 221308.

7. Shturmakov AJ, Lebar DA, Mason WP y Bentley CR: A New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 1. Design Concepts, Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 2834.

8. Mason WP, Shturmakov AJ, Johnson JA y Haman S: A New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 2. Mechanical Design, Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 3540.

9. Mason et al, referencia 8.10. Mortenson NB, Sendelbach PJ y Shturmakov AJ: A

New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 3. Control, Electrical and Electronics Design, Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 4150.

11. Shturmakov AJ y Sendelbach PJ: A New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 4. Drill Cable, Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 5153.

> Seccin de filtrado. La seccin de filtrado filtra los fragmentos pequeos de hielo, producidos por los cortadores, del flujo de fluido de perforacin a medida que ste circula a travs de la perforadora. Esta seccin tambin proporciona un compartimiento en el cual se recolectan y se almacenan los fragmentos pequeos de hielo para su transporte a la superficie. El filtro de fragmentos de hielo est diseado para proveer un rea de filtrado mxima y una cada de presin mnima. Para la perforadora DISC se desarroll un cartucho de filtro modular e intercambiable, por la velocidad y la facilidad de limpieza durante las operaciones de perforacin. El filtro DISC y el diseo del tubo extractor de ncleos son modulares de manera que puede utilizarse cualquier nmero de cartuchos de filtro. Las vlvulas de retencin controlan la direccin del flujo del fluido de perforacin. El arreglo de vlvula de retencin est conectado a la seccin de filtrado por debajo de los filtros y es sostenido en su lugar por un anillo de traba a resorte. El arreglo sustenta el peso de los cartuchos del filtro que se encuentran por encima de ste y emplea un conjunto de vlvulas de retencin con doble puerta para permitir que la lechada de fluido-fragmentos de hielo bombeada en forma ascendente desde los cortadores ingresen en el interior del conjunto de cartuchos del filtro, donde los fragmentos son filtrados y recogidos del flujo de fluido de perforacin; el fluido filtrado se descarta en el pozo. Un arreglo concntrico de 12 orificios permite que el contraflujo (flujo de retorno) unidireccional de fluido limpio drene y sortee los filtros en la direccin opuesta, a travs de la perforadora, a medida que se extrae la herramienta del pozo. (Adaptado de Mason et al, referencia 8.)


Conexin al cortador de ncleos

Conexin al cable

Segmento de filtradodel tubo extractor

Arreglo de vlvula de retencin

Orificios de descarga de fluido

Cartucho del filtro

Vlvula de retencin con doble puerta

> Cable de la perforadora DISC. El cable de la perforadora DISC est diseado principalmente para las condiciones de extraccin de ncleos del campamento WAIS y para los requerimientos de peso, tamao y lmite de ruptura. El tamao del cable se adecua a la bobina del malacate que baja el dispositivo en el pozo para la extraccin de ncleos. La bobina y el cable son suficientemente livianos para ser manipulados con las gras y los mtodos de transporte disponibles. El lmite de ruptura se fija en 142 kN [31 900 lbf]; es decir, un valor mayor que el del fusible mecnico del extremo superior de la sonda y menor que la fuerza de traccin total del malacate. El cable est diseado con material de relleno hueco alrededor de sus partes y con capas externas que son impermeables a los fluidos de perforacin utilizados en el campamento WAIS y posee una vida operativa de cinco aos. (Adaptado de Shturmakov y Sendelbach, referencia 11.)


Cable central

Seis fibras pticas

Almohadilla de nylon

Ocho cables de acero recubiertos en cobre

Faja de polietileno de alta densidad

Faja de polietileno de alta densidad

22 cables de acero galvanizado mejorado de alta calidad con elemento de resistencia

36 cables de acero galvanizado mejorado de alta calidad con elemento de resistencia

60 cables de cobre envueltos con cinta de aluminiode revestimiento polimrico

8 Oilfield Review

> Extraccin de un ncleo replicado. La sonda de extraccin de ncleos replicados (extremo inferior) es una sonda modificada de perforacin y extraccin de ncleos con secciones de tubo extractor de ncleos de dimetro reducido y filtrado, y un mdulo de accionamiento inferior que aplica presin contra la pared del pozo para iniciar un pozo desviado cuesta arriba o desde el lado alto del pozo original (extremo superior). El mdulo de accionamiento inferior est provisto de ruedas de discos (no mostradas) para reducir la friccin a lo largo de la pared del pozo. El mdulo de accionamiento superior evita que la sonda rote mientras se recorta el ncleo, impidiendo la transferencia del torque a la sonda. [Adaptado de Souney J: Replicate Ice Coring System, In-Depth 6, no. 2 (Otoo de 2011): 7.]


Seccinanti-torque

Mdulo deaccionamiento inferior

Seccin deinstrumentos

Seccin debomba y motor

Cortador

Extractor de ncleosde pequeo dimetro

Mdulo deaccionamiento superior

Vertical

Vertical

Pozodesviado

Incremento del dimetro logrado por la rectificacin

Lado altodel pozo

Mximo 30 m

Pozooriginal

Mximo20

extractor de ncleos 180 para permitir la extrac-cin del ncleo de la parte superior del tubo y su colocacin en una bandeja de procesamiento. Una vez removidos del tubo extractor, los ncleos de 3,5 m [12 pies] de longitud original general-mente se cortan en secciones de 1 m [3 pies] y luego se almacenan en un congelador para ser transportados hasta un centro de almacenamiento e investigacin para su archivado. La perforadora DISC fue probada en el terreno en Groenlandia y los diseadores implementaron las modificaciones necesarias antes de que el grupo de perforacin iniciara su actividad en la Antrtida.12

Similares a los utilizados en el campo petro-lero, los fluidos de perforacin para la extraccin de ncleos de hielo cumplen mltiples funciones; adems de transportar los fragmentos pequeos de hielo hasta los filtros, son utilizados para generar una presin hidrosttica que impide el colapso del pozo. Los pozos perforados en el hielo no son geopresionados, pero dado que el hielo es plstico no fluye hacia el interior del pozo en res-puesta a los esfuerzos verticales y cortantes impues-tos en las paredes del pozo. El esfuerzo vertical, o presin glacioesttica, es producido por el peso de sobrecarga del hielo; el esfuerzo cortante, o esfuerzo glaciodinmico, es causado por el flujo glaciar sobre la roca.13

La densidad de los fluidos de extraccin de ncleos de hielo est diseada para aproximarse lo ms posible a la densidad del hielo que se est perforando; en el pasado, los perforadores utiliza-ban acetato de n-butilo como fluido de perforacin. Pero para resguardar la salud del personal, los gerentes de proyectos del campamento WAIS Divide, situado en el interior de la Antrtida Occidental, optaron por una mezcla de aproxima-damente tres partes de fluido Isopar K y una parte de hidroclorofluorocarbono. Los sistemas de manipulacin de fluidos para la extraccin de ncleos de hielo contienen un tanque con dispo-sitivos de medicin, vlvulas, bombas y centrifu-gadores para recuperar los fragmentos pequeos de hielo de los filtros antes de que el fluido retorne al sistema.

En Estados Unidos, el desarrollo de la nueva tecnologa de perforacin en el hielo es impulsado por el Plan de Ciencias de Largo Alcance, que fue el resultado de un proceso de planeacin de la comunidad cientfica organizado por la Oficina del Programa de Perforacin en el Hielo (IDPO).14 La IDPO supervisa la ingeniera a cargo de la IDDO.15 Desde hace mucho tiempo, los cientficos de la comunidad que se dedica a los ncleos de hielo desean obtener ncleos replicados desde profundidades especficas, cientficamente signi-ficativas, de los mantos de hielo, tales como las profundidades en las que se han producido cam-bios climticos abruptos. Un ncleo replicado es un ncleo de un pozo desviado que ha sido perfo-rado en sentido casi paralelo y muy cerca de un ncleo recuperado previamente, de manera que ambos exhibirn comparaciones exactas de pro-fundidad y capas. En los ltimos cinco aos, los ingenieros del grupo IDDO hallaron una forma de hacer realidad esta posibilidad. En 2012, las adap-taciones tcnicas de la perforadora DISC ayudaron a los cientficos a recuperar ncleos de hielo repli-cados desde mltiples profundidades en la localiza-cin de perforacin WAIS. Dado que los cientficos deseaban continuar desplegando sensores accio-nados por gravedad en el pozo, ms all de la pro-fundidad en la que se haba tomado el ncleo replicado, ste deba extraerse cuesta arriba; es decir, desde el lado alto del pozo.

Volumen 25, no.4 9

12. Johnson JA, Mason WP, Shturmakov AJ, Haman ST, Sendelbach PJ, Mortensen NB, Augustin LJ y Dahnert KR: A New 122 mm Electromechanical Drill for Deep Ice-Sheet Coring (DISC): 5. Experience During Greenland Field Testing, Annals of Glaciology 47, no. 1 (2007): 5460.

13. Aber JS, Croot DG y Fenton MM: Glaciotectonic Landforms and Structures. msterdam: Springer Netherlands (1989): 155168.

14. El Plan de Ciencias de Largo Alcance fue desarrollado por la Fundacin Nacional para las Ciencias de EUA con el fin de fijar objetivos y ofrecer orientacin y apoyo logstico para la ciencia de perforacin y extraccin de ncleos de EUA y sustentar el desarrollo y la infraestructura de la tecnologa de perforacin a travs del hielo.

15. Albert M, Twickler M y Bentley C: A New Paradigm for Ice Core Drilling, Eos Transactions, American Geophysical Union 91, no. 39 (28 de septiembre de 2010): 345346.

16. Replicate Ice Coring System, US Ice Drilling Program, http://www.icedrill.org/equipment/replicate-coringsystem.shtml (Se accedi el 6 de julio de 2013).

17. Los hidratos de clatrato son slidos en los que las molculas, de aire en este caso, ocupan jaulas en los cristales moleculares de las molculas de agua con enlaces de hidrgeno.

> Flujo del hielo. Debido a que es plstico, el hielo fluye hacia abajo y hacia fuera (flechas azules) desde la cima de un domo. Por consiguiente, los ncleos de hielo extrados de la porcin central de un domo (lneas negras horizontales) conservan una correlacin precisa entre la profundidad y la edad. Las lneas negras representan capas cuyo espesor se reduce con la profundidad a medida que son comprimidas por el incremento del peso de la sobrecarga.


Cima

Hielo

Roca firmede fondo

Para satisfacer este requerimiento, la tcnica de extraccin de ncleos replicados utiliza mdu-los de accionamiento colocados a lo largo de la sonda que aplican presin en la pared lateral del pozo principal, lo que produce el desvo de la tra-yectoria del pozo (pgina anterior). La seccin des-viada se convierte en un pozo independiente a una distancia de 30 m [100 pies] del punto en el cual se aplican primero las fuerzas laterales. La desviacin sale desde el lado alto de un pozo principal leve-mente desviado. Una vez establecida la desvia-cin, se extraen los ncleos desde un pozo que se perfora en sentido casi paralelo al pozo principal. La sonda de extraccin de ncleos replicados incluye mdulos de accionamiento en su extremo superior, que actan como dispositivos anti-torque evitando la rotacin de la sonda; en el extremo infe-rior de la herramienta, los mdulos de acciona-miento provistos de ruedas de disco permiten que la sonda se mueva suavemente a lo largo de la sec-cin desviada. La extraccin de ncleos se lleva a cabo en viajes reiterados, en cada uno de los cuales se puede captar un ncleo de 10,8 cm [4,25 pulga-das] de dimetro hasta adquirir el largo pretendido de seccin de ncleo.16

Preparacin para la toma de la muestraSi bien las prcticas utilizadas en la perforacin y la extraccin de ncleos de hielo pueden ser com-parables con las de las operaciones petroleras, la

roca y el hielo se comportan de manera diferente. A diferencia de las rocas, el hielo es plstico y fluye hacia abajo y lateralmente (arriba). Por con-siguiente, para asegurar la correlacin precisa de los estratos en profundidad, los perforadores deben ubicar sus equipos en el tope de una estruc-tura de hielo o domo. Adems, el hielo difiere en cuanto a composicin segn la profundidad de sepultamiento y debe ser manipulado consecuen-temente. Los glaciares se componen de hielo que contiene impurezas qumicas y burbujas de aire. Entre 600 y 1 200 m [1 970 y 3 940 pies] aproxima-damente, el hielo del que se obtienen los ncleos normalmente es frgil cuando se extrae del pozo. Dado que la presin de las burbujas de aire atrapa-das en el hielo es mayor que la adherencia entre los cristales de hielo, el ncleo puede fracturarse espontneamente y a veces hacerse aicos. A ms de 1 200 m de profundidad, la presin y la tempe-ratura del hielo hacen que las burbujas de aire se vuelvan hidratos de clatrato, lo que las convierte en parte de la estructura cristalina del hielo y la inestabilidad de ste deja de ser un problema.17

Los tcnicos miden electrnicamente el largo de los ncleos llevados a la superficie y cargan las mediciones en un programa de computacin para que puedan ser comparables con mediciones derivadas de ncleos extrados previamente del mismo pozo. Luego, desalojan el fluido de perfo-racin que se encuentra alrededor del ncleo a

medida que ste se extrae del tubo extractor. A continuacin, se remueve el fluido de perfora-cin residual del ncleo en una cmara de dese-cacin y los ncleos se colocan en bolsas y en cajas y se procede a su transporte. El hielo frgil se capta en redes para minimizar la rotura, y aun-que se rompa en muchos pedazos, los cientficos pueden seguir discerniendo una gran cantidad de informacin siempre que la masa del ncleo se preserve en orden estratigrfico.

10 Oilfield Review

Muchos de los ncleos extrados de los princi-pales mantos de hielo de Groenlandia y la Antrtida ahora se envan al Laboratorio Nacional de Ncleos de Hielo (NICL) de EUA en Denver. Dirigido por el Servicio Geolgico de EUA y financiado por la Fundacin Nacional para la Ciencia (NSF) de EUA, el NICL conserva ms de 17 km [11 mi] de ncleos de hielo de 34 localizaciones de perfora-cin a una temperatura de almacenamiento de 36C [33F] (abajo).

El rea del NICL para el examen de los ncleos se mantiene a 24C [11F]. El ncleo de hielo que va a analizarse se corta a lo largo o en lminas. A su vez, las lminas se dividen en secciones que se distribuyen entre los cientficos para los diver-sos tipos de estudios (prxima pgina). Por ejem-plo, dado que las secciones extradas del centro del ncleo tienen menos probabilidades de ser contaminadas con los fluidos de perforacin u otros materiales externos durante la captacin, el transporte y el almacenamiento, los cientficos del laboratorio habitualmente destinan esas sec-ciones para el anlisis qumico. Otras secciones son recortadas segn especificaciones de tamao o de determinadas partes del ncleo para el con-

teo de las burbujas y las capas, la generacin de imgenes o el anlisis de gases utilizando espec-trmetros de masa.

Los paleoclimatlogos que buscan informacin sobre los climas pasados utilizan datos indirectos (proxy data) inferidos de los recursos naturales, tales como los anillos de los rboles y los sedimen-tos de los fondos marinos. Los registros que cons-truyen a partir de estas fuentes son los paleoregistros ambientales naturales (paleoproxy records); registros naturales indirectos de la variabilidad climatolgica o meteorolgica del pasado. En base a la composicin isotpica y qumica del hielo y el polvo presente en los ncleos de hielo, los cientfi-cos pueden estimar las temperaturas regionales promedio del aire del pasado, las variaciones de la circulacin atmosfrica, los volmenes de las pre-cipitaciones, la composicin atmosfrica, la activi-dad solar y las erupciones volcnicas. Los datos indirectos incluyen diversas especies qumicas, istopos estables, radioistopos, la composicin del polvo, el ritmo de acumulacin de la nieve, las cenizas volcnicas y el azufre, que son utilizados por los cientficos para determinar las condiciones climticas del pasado.

La evidencia que encierra el hieloDesde los trabajos de Dansgaard de la dcada de 1950, la utilizacin de las relaciones radioisotpi-cas principalmente el hidrgeno 2 [2H], o el deuterio [D], y el oxgeno 18 [18O] ha experi-mentado un mayor desarrollo y las relaciones son indicadores comunes de los ncleos de hielo que aportan informacin.18 Los istopos son tomos del mismo elemento con el mismo nmero de proto-nes, pero con un nmero desigual de neutrones. Al igual que todos los tomos de oxgeno, el istopo 18O posee 8 protones. No obstante, en lugar de los 8 neutrones del oxgeno estable 16 [16O], que con-forma casi el 99,8% de todos los tomos de ox-geno, el 18O posee 10 neutrones. Dado que el 18O es ms pesado que el 16O, las molculas de agua compuestas de hidrgeno y 16O [1H216O] se evapo-ran ms rpido que las molculas que contienen 18O [1H218O]. El vapor resultante contiene una alta relacin entre las molculas de agua liviana y de agua pesada. A medida que una masa de aire se enfra, las molculas ms pesadas se condensan con ms facilidad y se desprenden de las nubes en forma de nieve y lluvia. Por consiguiente, la relacin isotpica entre el oxgeno de la lluvia y el

> Ncleos en almacenamiento. El Laboratorio Nacional de Ncleos de Hielo de Denver sirve como centro de preparacin y almacenamiento de ncleos de hielo. Actualmente, el laboratorio contiene ms de 17 km de ncleos de hielo de todo el mundo.


Volumen 25, no.4 11

de la nieve se correlaciona estrechamente con la temperatura de condensacin. Si la temperatura del aire contina descendiendo, la condensacin contendr concentraciones cada vez menores de molculas pesadas, lo que conducir al agota-miento del 18O respecto de la precipitacin que se haba condensado previamente en un ambiente ms clido. Por consiguiente, las tendencias de calentamiento y enfriamiento del pasado han tenido gran influencia en los registros de la rela-cin de los istopos de oxgeno pesados-livianos (18O/16O, o 18O) del ncleo de hielo.19

Los cientficos tambin toman en cuenta otros factores que podran afectar los valores de los indicadores indirectos, y la comprensin de las relaciones entre los indicadores naturales y los factores climticos es importante para el an-lisis de ncleos. Recientemente, los cientficos que recogen datos sobre la temperatura del pasado, las regiones con fuentes de humedad y la hidrologa a partir de los istopos estables presentes en la nieve y el hielo, rastrearon la presencia de elemen-tos secundarios o vestigiales en el hielo para eva-luar las contribuciones del pasado y actuales de fuentes antropognicas y volcnicas.20

Las sustancias qumicas y el polvo que se encuentran en los ncleos de hielo tambin son indicadores de la circulacin atmosfrica del pasado, las erupciones volcnicas, la velocidad del viento y la turbidez troposfrica. La evidencia de una erupcin volcnica en forma de capas de ceniza y sulfato, detectada a travs del anlisis qumico y otras pruebas, puede ayudar a los cien-tficos a datar las capas de los ncleos de hielo.21

Las concentraciones de iones de ciertas sustan-cias qumicas presentes en el hielo revelan cam-bios en las condiciones atmosfricas y las causas que los generan.22

Los cientficos interpretan las capas de polvo de los ncleos de hielo para inferir los cambios producidos en el clima y el viento en el rea cer-cana a aquella en la que fue recogido el ncleo. Las capas de polvo tambin ayudan a los cientfi-cos a identificar casos de turbidez atmosfrica,

informacin que utilizan luego para asignar una fecha al ncleo. La concentracin de polvo se correlaciona bien con la composicin de 18O del hielo glaciar. Los cientficos han aprendido a inter-pretar el valor del 18O presente en el hielo glaciar y en los foraminferos planctnicos de los sedimen-tos marinos como una medida del volumen de agua de la Tierra que se encuentra congelada en el hielo; la representacin grfica de estos datos revela la ocurrencia y duracin de las edades de hielo.23 Los paleoclimatlogos utilizan la correla-cin entre la concentracin de polvo y de los isto-pos de oxgeno para comprender mejor las causas de las edades de hielo a travs del estudio del polvo presente en el hielo que fue sepultado a una profundidad suficiente como para documentar las variaciones climticas producidas en los aos pre-vios y posteriores a las numerosas edades de hielo del pasado y durante su transcurso.24

18. D = {[(2H/1H)muestra (2H/1H)VSMOW] (2H/1H)VSMOW} 1 000, donde (2H/1H)muestra es la relacin entre deuterio e hidrgeno ordinario, en una muestra correspondiente a una referencia determinada, y (2H/1H)VSMOW es la relacin entre deuterio e hidrgeno ordinario segn el estndar medio de agua marina de Viena (VSMOW).

19. El estndar medio de agua marina de Viena fue desarrollado en la dcada de 1960 para la composicin isotpica del agua dulce. Los cientficos que estudian los ncleos de hielo utilizan dicha norma para estimar la temperatura de condensacin en el momento de la cada de la nieve.

20. Osterberg EC, Handley MJ, Sneed SB, Mayewski PA y Kreutz KJ: Continuous Ice Core Melter System with Discrete Sampling for Major Ion, Trace Element, and Stable Isotope Analyses, Environmental Science & Technology 40, no. 10 (Mayo de 2006): 33553361.

21. Los cientficos normalmente utilizan las pruebas qumicas para detectar la presencia de sulfato en los ncleos de hielo y para detectar cualquier actividad volcnica preindustrial. Sin embargo, dado que el incremento de los volmenes de sulfatos antropognicos genera seales de fondo que oscurecen la seal qumica proveniente de fuentes naturales, dicha tcnica es menos precisa para las muestras posteriores a la Revolucin Industrial.

22. Osterberg et al, referencia 20.23. Los foraminferos planctnicos son organismos

unicelulares con conchilla que habitan en la superficie de los ocanos. Cuando mueren, sus conchillas caen en el fondo ocenico. Segn la especie, los foraminferos planctnicos, que pueden ser diferenciados por sus conchillas, crecen en aguas marinas diversas, desde las aguas superficiales ms clidas hasta las profundidades ms fras. Por consiguiente, los cientficos pueden utilizar los restos de foraminferos planctnicos encontrados en los estratos del lecho marino para inferir la temperatura del ocano en el momento de la depositacin de una capa de sedimento.

24. Miocinovic P, Price PB y Bay RC: Rapid Optical Method for Logging Dust Concentration Versus Depth in Glacial Ice, Applied Optics 40, no. 15 (20 de mayo de 2001): 25152521.

> Divisin del trabajo. En el laboratorio, los tcnicos seccionan el ncleo para determinados tipos de anlisis. En este caso, las secciones DD17 y DD18 fueron utilizadas para determinar los istopos estables (H y O) del agua. La seccin delgada DDVTS fue utilizada para el anlisis de cristales y fbricas para la determinacin del tamao, la forma y la orientacin de los ejes de los cristales del hielo; estas secciones de muestras de 10 cm [4 pulgadas] se toman cada 20 m [65 pies]. Las secciones DD02 y DD06 se utilizaron para el anlisis de istopos berilio 10. Las secciones DD03, DD04 y DD05 fueron designadas para el anlisis qumico. Las secciones DD07 y DD09 se archivaron. La seccin DD08 fue utilizada para el anlisis de gases y las muestras fueron tomadas cada 10-50 cm [4-20 pulgadas] dependiendo de las caractersticas del clima y del intervalo de tiempo. La incisin se refiere al ancho del corte, que es determinado por el ancho de la hoja de la sierra y representa la cantidad de material que se sacrifica durante el seccionamiento.


DDO3

DD

O2

DD

O6

DDO7 DDO8 DDO9

DDO4

Plan de corte de ncleos WAIS 2011Incisin (lnea azul) = 2 mm

DDO5

Seccin delgada(DDVTS)

3 cm 3 cm

1,2

cm

2,8

cm

1,2

cm

2,8

cm

3 cm 3 cm 3 cm 3 cm

DD17 DD18

12 Oilfield Review

El anlisis de iones y elementos secundarios normalmente requera que los tcnicos removie-ran progresivamente la porcin externa potencial-mente contaminada del ncleo en condiciones de limpieza extrema. Aunque muy valioso para los investigadores, este mtodo proporciona una reso-lucin baja oscilante entre 10 y 20 cm [4 y 8 pulga-das] por muestra, y dado que es trabajoso y lento, los conjuntos de datos obtenidos a menudo son discontinuos. Por consiguiente, los cientficos modernizaron el proceso a travs del desarrollo de

los sistemas de fusin continua de los ncleos de hielo, que redujeron el tiempo de preparacin de las muestras, incrementaron la resolucin de muestreo y a la vez proporcionaron datos continuos y co-regis-trados para un vasto conjunto de elementos. Estos sistemas utilizan tcnicas de anlisis por flujo continuo (CFA) en lnea o acoplan el fundidor a un cromatgrafo de intercambio inico y a espec-trmetros de masa de campo y de plasma acoplados inductivamente. Estas innovaciones proporciona-ron mediciones continuas de los istopos presentes

en el agua de fusin y en el aire atrapado en las burbujas de los ncleos de hielo.

Si bien el anlisis qumico e isotpico de la matriz del hielo aporta evidencias indirectas de las condiciones ambientales del pasado, el aire viejo atrapado en las burbujas del hielo proporciona las nicas muestras directas de las atmsferas del pasado. La formacin de burbujas tiene su origen en el proceso de depositacin, compactacin y transi-cin de la nieve a hielo en profundidad. En las zonas extremadamente fras de Groenlandia y la Antrtida, donde el derretimiento de la nieve es poco comn, las nevadas se acumulan progresivamente a lo largo de varios miles de aos, generando mantos de hielo de espesor kilomtrico. Conforme la nieve contina acumulndose en la superficie, la creciente sobre-carga comprime la nieve infrayacente. La nieve que tiene ms de un ao de antigedad pero que conti-na siendo porosa se denomina nieve parcialmente compactada (izquierda). Con la profundidad, los espacios porosos existentes entre los cristales de la nieve parcialmente compactada se comprimen. A una profundidad oscilante entre 60 y 120 m [195 y 390 pies], el espacio poroso remanente existe en forma de burbujas en la matriz, que se ha convertido en hielo slido; sta se denomina profundidad de cierre. Dado que el aire presente en el espacio poroso se puede difundir a travs de la nieve parcial-mente compactada, el aire atrapado en las burbujas es ms moderno que el hielo que lo encierra.

Para determinar la diferencia entre la edad del gas y la edad del hielo en la profundidad de cierre de poros de un sitio dado se utiliza una combina-cin de mediciones del gas del aire de la nieve par-cialmente compactada, mediciones de los gases de las burbujas existentes en el hielo, mediciones gla-ciolgicas y procesos de modelado. Por debajo de la profundidad de cierre de poros, los gases envejecen al mismo ritmo que el hielo en el que se encuentran atrapados. La medicin de la composicin del gas con la profundidad del ncleo permite a los cient-ficos determinar los cambios producidos en la com-posicin atmosfrica del pasado para varios gases, incluidas las variaciones de los niveles de metano [CH4] y dixido de carbono [CO2].25 El aire atra-pado en las burbujas de las profundidades de los mantos de hielo polar representan la nica oportu-nidad para medir directamente la composicin qu-mica de la atmsfera antigua.

Obtencin de la datacin correctaAdems de la correccin por la diferencia de edad entre el aire atrapado en el hielo y el hielo propiamente dicho, los cientficos deben abordar la tarea de correlacionar la profundidad con la edad en los ncleos de hielo. Para ello comparan los perfiles de las especies qumicas que exhiben

> Formacin del hielo. Las capas de nieve recin cada estn compuestas por un 70% de aire en volumen pero se compactan bajo las capas de nieve subsiguientes. Por debajo de la nevada anual, que puede variar entre 1 y 200 cm [0,4 y 80 pulgadas] por ao, la nieve se compacta parcialmente, asemejndose al hielo granular con una reduccin del aire intersticial de aproximadamente un 60% a un 10% con la profundidad. A ms de 60-120 m [195-390 pies] de profundidad, la nieve parcialmente compactada se convierte en hielo glaciar y el aire permanece como burbujas en la matriz del hielo. A medida que contina el proceso de sepultamiento, el volumen de burbujas se reduce an ms y el hielo se vuelve claro.


Nieve70% de aire

Nieve parcialmente compactada60% de aire

Nieve parcialmente compactada10% de aire

Hielo glaciar2% comoburbujasde aire

Volumen 25, no.4 13

una variacin estacional en el momento de la depositacin y los gases de composicin atmosf-rica largamente conocida, correlacionando la profundidad del ncleo con la profundidad de la depositacin volcnica para las erupciones cono-cidas y, para ciertas localizaciones, contando las capas visualmente. La estratigrafa visual, que se basa en las diferencias de brillo, textura, burbu-jas de aire y color entre las capas de los ncleos, constituye una forma directa de correlacionar la profundidad con la edad en sitios con altas tasas de acumulacin de nieve en los que no se ha pro-ducido derretimiento y el polvo sirve para permi-tir la identificacin de las capas (arriba).

Dado que el conteo visual de las capas no siempre es posible, los cientficos con mucha fre-cuencia utilizan mtodos de datacin que compa-ran las variaciones qumicas con los perfiles de composicin de los gases. En el ao 2003, los cientficos dataron 50 m [165 pies] de hielo en Siple Dome, Antrtida, bajando una cmara con

un LED en el pozo. El brillo de la imagen se filtr digitalmente. Los resultados de la relacin entre la profundidad y la edad, derivados mediante la utili-zacin de imgenes digitales, fueron similares a los obtenidos mediante el conteo manual de las capas y la medicin de la conductividad elctrica (ECM) en un ncleo de una localizacin cercana.26

El mtodo ECM de corriente continua, uno de los dos mtodos utilizados por los analistas en el proceso de estratigrafa elctrica, mide la conduc-tividad de baja frecuencia de los ncleos. En este proceso, el personal de laboratorio arrastra dos electrodos con una diferencia de potencial relati-vamente alta a travs de la superficie de una lmina preparada y miden la corriente que fluye a travs del ncleo. Las mediciones se digitalizan a cada milmetro a lo largo del ncleo; estos datos se almacenan junto con otra informacin, tal como profundidad, tiempo de recuperacin, tem-peratura del hielo y localizaciones de las quebra-duras y las fracturas. Dado que la medicin de la conductividad ECM es una reflexin de la acidez del hielo, constituye un indicador directo de la influencia de la actividad volcnica en la qumica del ncleo. Los cientficos interpretan las medi-ciones ECM para revelar una estratigrafa de las erupciones volcnicas, que puede ser utilizada para datar los ncleos de hielo. Y utilizan estos resultados, adems de la datacin qumica, para establecer relaciones entre la profundidad y la edad (arriba).27 Tambin utilizan estas medicio-nes para determinar correlaciones de profundi-dad entre los ncleos; estas correlaciones pueden

ser utilizadas para determinar o esclarecer las capas anuales que son difciles de discernir debido a las sequas.28

Un segundo mtodo de estratigrafa elctrica la generacin de perfiles dielctricos (DEP) emplea corriente alterna de alta frecuencia para medir la conductividad del hielo. La conductividad derivada mediante la generacin de perfiles dielc-tricos es una indicacin de la cantidad de cido presente en el hielo, pero a diferencia del mtodo ECM, la medicin DEP puede ser afectada por sus-tancias qumicas tales como el amonio y el cloruro. En el mtodo DEP, los ncleos de hielo enteros se colocan entre electrodos curvos, lo que le confiere varias ventajas con respecto al mtodo ECM. Las pruebas de conductividad DEP pueden ser efectuadas sin tocar el ncleo de hielo y sin extraerlo de la funda plstica utilizada para su transporte, lo que lo vuelve particularmente til para las secciones de ncleos frgiles e inestables.

25. Bender M, Sowers T y Brook E: Gases in Ice Cores, Transcripciones de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos de Amrica 94, no. 16 (5 de agosto de 1997): 83438349.

26. Hawley RL, Waddington ED, Alley RB y Taylor KC: Annual Layers in Polar Firn Detected by Borehole Optical Stratigraphy, Geophysical Research Letters 30, no. 15 (Agosto de 2003): HLS1-1HLS1-3.

27. Wolff E: Electrical Stratigraphy of Polar Ice Cores: Principles, Methods, and Findings, en Hondoh T (ed): Physics of Ice Core Records. Sapporo, Japn: Hokkaido University Press (2000): 155171.

28. Taylor K, Alley R, Fiacco J, Grootes P, Lamorey G, Mayewski P y Spencer MJ: Ice-Core Dating and Chemistry by Direct-Current Electrical Conductivity, Journal of Glaciology 38, no. 130 (1992): 325332.

> Estratigrafa visual. Las capas anuales resultan claramente visibles en esta muestra de un ncleo de hielo. Las capas correspondientes al verano (flechas) se observan ms claras porque contienen menos polvo. (Fotografa, cortesa de la Universidad de Colorado, en Boulder, EUA.)


> Grfica de estratigrafa elctrica. Mediante la utilizacin de los ncleos de hielo de Groenlandia, Creta y Camp Century, los tcnicos calcularon la estratigrafa volcnica de los ltimos 10 000 aos a partir del tamao de los picos del mtodo de conductividad elctrica (ECM) de corriente continua (lneas rojas). El mtodo ECM responde a la acidez del hielo, que vara con el aporte de cido proveniente de la actividad volcnica. Los cientficos pueden datar el hielo mediante la correlacin de las fechas de estos picos con los de las erupciones volcnicas conocidas. (Adaptado de Wolff, referencia 27.)


500

400

300

200

100

8 000 6 000 4 000 2 000 2 00000

Lluv

ia

cida

de

orig

en v

olc

nico

, kg/

m2

Ao de nuestra era

14 Oilfield Review

La correlacin entre la profundidad y la edad de los ncleos de hielo tambin es afectada por el flujo del hielo y la deformacin de la roca base. El flujo del hielo en torno a las deformidades basales puede producir fusin, plegamiento y otras defor-maciones del manto de hielo. Estos eventos, a su vez, pueden afectar la forma en que los cientfi-cos interpretan las fechas y en ciertos casos des-truir el registro fsico.

Debido a stas y otras dificultades, los cientfi-cos a veces deben establecer una relacin entre la profundidad y la edad de un ncleo indirectamente. En 1968, se perfor el ncleo de hielo Byrd, en la Antrtida, hasta la roca firme de fondo. Pero dado que los 88 m [290 pies] superiores del ncleo se encontraban daados o faltaban, no fue posible establecer una correlacin mediante el conteo de las capas. En cambio, se estableci la cronologa identificando primero el horizonte a una profundi-dad de 97,8 m [321 pies] por debajo de la superfi-cie como una capa generada por la actividad

volcnica que haba tenido lugar en el ao 1259 de nuestra era. La acumulacin media anual en el sitio Byrd fue de 1,12 cm [0,44 pulgadas] por ao durante el perodo de 709 aos previo a 1968.29 La escala de tiempo para el resto del ncleo se estableci utilizando el mtodo ECM. Dado que las mediciones fueron escasas en la zona frgil comprendida entre 300 y 800 m [980 y 2 600 pies], las mismas se ajustaron con funcio-nes lineales y la relacin entre la profundidad y la edad se obtuvo mediante la integracin del perfil de espesor de las capas desde la superficie hasta la profundidad de inters. La escala de tiempo para las secciones ms antiguas del ncleo fue ajustada subsiguientemente mediante la correla-cin de las mediciones de la concentracin de metano en el ncleo de hielo Byrd con las de las cronologas de las capas contadas, derivadas de los ncleos de hielo de Groenlandia.30

Los investigadores tambin pueden extender las relaciones entre la profundidad y la edad,

29. Langway CC Jr, Clausen HB y Hammer CU: An Inter-Hemispheric Volcanic Time-Marker in Ice Cores from Greenland and Antarctica, Annals of Glaciology 10 (1988): 102108.

30. Neumann TA, Conway H, Price SF, Waddington ED, Catania GA y Morse DL: Holocene Accumulation and Ice Sheet Dynamics in Central West Antarctica, Journal of Geophysical Research: Earth Surface 113, no. F2 (Junio de 2008): F02018-1F02018-9.

establecidas a partir de estudios qumicos y visua-les de ncleos de hielo, a las reas geogrficas adyacentes ms extensas mediante la aplicacin de radares de penetracin del hielo que utilizan pulsos electromagnticos en el dominio del tiempo. Las reflexiones del radar recibidas en las antenas son causadas principalmente por los con-trastes de conductividad presentes en el hielo, que indican nevadas caractersticas (izquierda). Mediante la extrapolacin de las iscronas deter-minadas con el radar en un ncleo de hielo datado al rea geogrfica de inters, los cientficos pue-den determinar la extensin lateral de las capas estratigrficas clave en lugares alejados del sitio en el que se extrajeron los ncleos.

Recuerdos del futuroMuchos climatlogos consideran que la obtencin de un ncleo de hielo del ltimo perodo intergla-ciar el Eemiano, entre 130 000 y 115 000 aos atrs es crucial para la comprensin de la ten-dencia actual de calentamiento global de la Tierra. El interglaciar Eemiano fue un perodo clido similar al que puede estar tendiendo nuestro pla-neta en la actualidad. Si bien en ese momento el calentamiento no fue causado por emisiones antropognicas, los resultados del calentamiento de los glaciares y los mantos de hielo indudable-mente proporcionan pistas para inferir los proce-sos climticos y pueden ayudar a los cientficos a perfeccionar sus predicciones sobre el futuro. Por ejemplo, algunos modelos climticos indican que el manto de hielo de Groenlandia desapare-cer si se mantiene la tendencia de calenta-miento actual; los registros naturales indirectos del perodo interglaciar Eemiano constituyen una prueba de esa hiptesis.31

Hasta hace poco tiempo, los esfuerzos para extraer un ncleo de hielo con el registro completo del perodo Eemiano haban sido infructuosos, pero ese obstculo se super recientemente en el sitio del proyecto NEEM (Perforacin de los Hielos Eemianos de Groenlandia Septentrional) cuando los cientficos extrajeron un ncleo de hielo de 2 540 m [8 330 pies] de longitud. En el proyecto NEEM, un esfuerzo de colaboracin internacional dirigido por los investigadores del Instituto Niels Bohr, de la Universidad de Copenhague, en Dinamarca, la recuperacin del ncleo insumi el

31. Wilhelms F, Schwander J, Mason B, Augustin L, Azuma N, Hansen SB, Fitzpatrick J y Talalay PG: Ice Core Drilling Technical Challenges, libro blanco de las Asociaciones Internacionales de Ciencias de Ncleos de Hielo, http://www.isogklima.nbi.ku.dk/nyhedsfolder/engelske_nyheder/centre-people-to-antarctic-2013/IPICS_Technical_Challenges.pdf/ (Se accedi el 15 de enero de 2014).

32. Miembros de la Comunidad NEEM: Eemian Interglacial Reconstructed from a Greenland Folded Ice Core, Nature 493, no. 7433 (24 de enero de 2013): 489494.

33. Miembros de la Comunidad NEEM, referencia 32.34. Greenland Ice Cores Reveal Warm Climate of the Past,

Universidad de Copenhague, Instituto Niels Bohr (22 de enero de 2013), http://www.nbi.ku.dk/english/news/news13/greenland-ice-cores-reveal-warm-climate-ofthe-past/ (Se accedi el 23 de octubre de 2013).

> Radar de penetracin del hielo. Esta seccin de datos de radar de 150 km [95 mi] de longitud, recolectada en torno a la localizacin de perforacin del proyecto NGRIP (Proyecto de Ncleos de Hielo de Groenlandia Septentrional), en Groenlandia, muestra una roca firme de fondo bastante plana (lnea oscura de la base) a una profundidad de unos 3 km [2 mi] y capas de hielo ondulantes. La forma de estas capas es generada por las variaciones producidas en el ritmo de fusin basal. Donde las capas se inclinan hacia abajo, el ritmo de fusin es ms alto. (Fotografa utilizada con la autorizacin del Centro de Percepcin Remota de Mantos de Hielo, Universidad de Kansas, Lawrence, EUA.)


Roca firme de fondo

Volumen 25, no.4 15

con valores relativamente altos de istopos esta-bles de H2O [18Ohielo], lo que, como indicador para la temperatura de condensacin, muestra que el hielo proviene del perodo interglaciar Eemiano (izquierda). Esta conclusin es susten-tada por el hecho de que el hielo que se encuentra a una profundidad de ms de 2 537 m [8 323 pies] se halla cerca de la roca firme de fondo y posee valores de 18O bajos, que indican que corres-ponde al perodo glaciar que precedi al Eemiano.33

El ncleo de hielo NEEM constituye el primer registro de ncleo de hielo del perodo Eemiano entero. Los cientficos continuarn con sus estu-dios en un esfuerzo para decodificar en forma ms exhaustiva el hielo plegado; no obstante, resulta claro que la temperatura de Groenlandia durante el Eemiano era 8C [14F] ms alta que la actual. A partir del anlisis del ncleo, los cien-tficos llegaron a la conclusin de que la fusin se produjo en el borde del manto del hielo y que el flujo de toda la masa de hielo hizo que el manto perdiera masa y se redujera en altura. A pesar de su tasa de contraccin de 6 cm [2,5 pulgadas] por ao, el manto de hielo no desapareci y el equipo de investigacin estima que su volumen no se redujo en ms del 25% durante los aos ms cli-dos del perodo Eemiano.34 Esto podra indicar que los altos niveles del mar prevalecientes en el Eemiano son atribuibles principalmente al colapso del Manto de Hielo de la Antrtida Occidental (WAIS).

Desde el sur profundoEn un campamento situado a 1 045 km [650 mi] del Polo Sur magntico, un grupo de ingenieros y cientficos recuper recientemente un ncleo de hielo que data de 68 000 aos atrs. El Proyecto del Ncleo de Hielo de WAIS Divide proporciona registros de gases de efecto invernadero y regis-tros climticos del hemisferio sur, que son com-parables en cuanto a resolucin temporal y duracin con los ncleos de hielo de Groenlandia. Este ncleo de hielo permite a los cientficos com-parar las condiciones ambientales entre los hemis-ferios norte y sur con mayor detalle que antes y adems estudiar los niveles de gases de efecto invernadero presentes en las atmsferas antiguas.

Los investigadores estn utilizando el ncleo de hielo para comprender la historia del manto de hielo WAIS a fin de proporcionar un mayor conocimiento de la composicin atmosfrica del pasado y del cambio climtico abrupto e investi-gar las seales biolgicas contenidas en los ncleos de hielo antrtico profundo. Dado que el ncleo WAIS Divide posee un orden de magnitud menos de polvo que el ncleo de Groenlandia, los

perodo comprendido entre los aos 2008 y 2012. Los 1 419 m [4 656 pies] superiores corresponden al perodo interglaciar actual (Holoceno). El hielo glaciar que se encuentra debajo puede correlacio-narse con el hielo glaciar del proyecto NGRIP (Proyecto de Ncleos de Hielo de Groenlandia Septentrional). Por debajo de la profundidad del proyecto NGRIP, la escala de tiempo extendida de la Cronologa de Ncleos de Hielo de Groenlandia

2005 puede ser utilizada hasta una profundidad de 2 206,7 m [7 239,8 pies], lo cual se correlaciona con 108 000 aos antes del presente, asumiendo como presente el ao 1950.32

A ms de 2 206,7 m de profundidad, la estrati-ficacin anual del ncleo de hielo del Eemiano se vuelve ms difcil de discernir porque el hielo cerca de la base del manto se encuentra plegado. No obstante, esta seccin inferior contiene zonas

> Registros observados del proyecto NEEM. En esta grfica se representan los registros observados de los istopos 18Ohielo, 18Oatmsfera y 15N, junto con las trazas de CH4 y N2O en partes por billn en volumen (ppbv) y el contenido de aire a 2 162 m [7 093 pies] y mayor profundidad, en la escala de profundidad del proyecto NEEM. Cada zona (0 a 6) representa una seccin del registro del ncleo de hielo NEEM. Los smbolos indican el comienzo (diamante) y el final (cuadrado) de cada zona. Entre las zonas 4 y 5 no existe ninguna discontinuidad, pero en la zona 4 se producen picos de CH4, N2O y contenido de aire (sombreado azul), que indican un perodo de derretimiento en la superficie o de condiciones superficiales de humedad. A los fines comparativos, los datos NGRIP se representan grficamente como curvas de color gris claro en la escala de profundidad NGRIP (extremo superior de la grfica). Las escalas de profundidad NEEM y NGRIP se sincronizan entre las profundidades NEEM de 2 162 y 2 207,6 m [7 093 y 7 242,8 pies]. (Adaptado de los miembros de la Comunidad NEEM, referencia 32.)


15 N

, 0/0

0

18 O

atm

, 0/0

0N

2O, p

pbv

CH4,

ppbv

Cont

enid

o de

aire

, mL/

kg

18Ohielo

18Oatm

15N

CH4

N2O

Contenido de aire

Profundidad NEEM, m

Profundidad NGRIP, m

18 O

hiel

o, 0 /0

0

32

36

40

44

70

80

90

100

2 200 2 300 2 400 2 5002 250 2 350 2 450

0,2

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16 Oilfield Review

cientficos consideran que les proporcionar un registro de CO2 atmosfrico ms detallado que el que fue posible inferir con el ncleo de hielo de Groenlandia. Muchos otros gases (tanto gases de efecto invernadero como no invernadero) y sus istopos estn siendo medidos con un nivel de precisin y resolucin sin precedentes.

El equipo de investigacin recuper el ncleo de hielo a partir de un hielo de ms de 3 460 m [11 300 pies] de espesor y detuvo la perforacin justo 50 m [165 pies] por encima de la roca firme de fondo para evitar la contaminacin del agua de la base del hielo que se mantuvo aislada del medio ambiente durante al menos 100 000 aos. Dado que la nieve que cae en WAIS Divide raramente se derrite, cada uno de los ltimos 40 000 aos puede ser identificado en las capas de hielo indi-viduales (arriba). A mayor profundidad, las capas anuales individuales no son tan fciles de identi-ficar, pero el ncleo contiene un registro de reso-

lucin temporal ms alta que cualquier ncleo recuperado previamente. Los resultados del an-lisis de este ncleo resolvieron un debate cient-fico acerca de las relaciones entre el cambio climtico en los hemisferios norte y sur y confirma-ron que el manto WAIS es muy sensible a las condi-ciones existentes en los ocanos meridionales. Los cientficos esperan obtener resultados signi-ficativos adicionales de un anlisis posterior ahora que se ha concluido la perforacin del ncleo de hielo.

Hasta la cima de la montaaLas operaciones de extraccin de ncleos no se limitan a los climas polares extremos y han sido eje-cutadas en glaciares de alta altitud y baja latitud. Los pozos de estas localizaciones tropicales son ms someros que los perforados en los mantos de hielo de latitudes altas, pero estos ncleos de hielo revelan efectivamente detalles de la histo-

ria del clima tropical de la Tierra. Se han recupe-rado ncleos de hielo tropicales desde lugares geogrficamente tan diversos como las montaas del Himalaya y los Andes.

En el ao 2003, los cientficos de la Universidad Estatal de Ohio, en Columbus, EUA, recuperaron ncleos de hielo a una distancia de 1,92 km [1,19 millas] de dos pozos Quelccaya Summit

> Ncleo del Manto de Hielo de la Antrtida Occidental. Dado que la nieve de WAIS Divide raramente se fusiona, las capas de hielo de los ltimos 40 000 aos no se han fracturado y sus divisiones son visibles y fciles de contar. Adems, el hielo contiene mucho menos polvo que otros mantos de hielo. No obstante, en esta seccin de ncleo de 2 m [6,5 pies] de largo, existe una capa de ceniza oscura claramente visible. (Fotografa, cortesa de Heidi A. Roop, Oficina de Coordinacin de Ciencias WAIS Divide de la Universidad de New Hampshire.)


35. Thompson LG: Ice Core Evidence for Climate Change in the Tropics: Implications for Our Future, Quaternary Science Reviews 19, no. 15 (Enero de 2000): 1935.

36. Thompson LG, Mosley-Thompson E, Davis ME, Zagorodnov VS, Howat IM, Mikhalenko VN y Lin PN: Annually Resolved Ice Core Records of Tropical Climate Variability over the Past ~1800 Years, Science 340, no. 6135 (24 de mayo de 2013): 945950.

37. Fischer H, Severinghaus J, Brook E, Wolff E, Albert M, Alemany O, Arthern R, Bentley C, Blankenship D, Chappellaz J, Creyts T, Dahl-Jensen D, Dinn M, Frezzotti M, Fujita S, Gallee H, Hindmarsh R, Hudspeth D, Jugie G, Kawamura K, Lipenkov V, Miller H, Mulvaney R, Parrenin F, Pattyn F, Ritz C, Schwander J, Steinhage D, van Ommen T y Wilhelms F: Where to Find 1.5 Million Yr Old Ice for the IPICS Oldest Ice Ice Core, Climate of the Past 9 (5 de noviembre de 2013): 24892505.

Volumen 25, no.4 17

Dome y Quelccaya North Dome perforados hasta la roca firme de fondo en el glaciar Quelccaya de los Andes peruanos. Los investigadores a cargo del anlisis de los ncleos observaron que cada uno de los 1 800 aos cubiertos por los ncleos quedaba claramente definido por la alternancia de capas oscuras y claras. Las capas oscuras se encuentran coloreadas por el polvo acumulado durante las estaciones secas; las capas claras son el resultado de la cada de nieve producida durante las estaciones hmedas.35

Adems de la claridad sin precedentes de las capas anuales, los ncleos del glaciar Quelccaya son importantes para los climatlogos porque se formaron en la llanura altoandina del sur de Per.

La nieve que se convirti en el hielo que form los ncleos se origin al este del glaciar Quelccaya; esta nieve tambin fue afectada por los efectos cli-mticos de El Nio procedentes del oeste. Dado que El Nio es un cambio climtico temporario causado por las temperaturas del mar en la superfi-cie, la rbrica qumica del glaciar Quelccaya cons-tituye un indicador natural para las temperaturas del mar en la superficie, en el Ocano Pacfico ecuatorial de los ltimos 1 800 aos (arriba).36 Los registros qumicos e isotpicos de estos ncleos de hielo tropicales proporcionan evidencias his-tricas de la naturaleza del cambio climtico en las regiones de menor latitud del planeta y un contexto para los cambios actuales.

Perfeccionamiento de las herramientas Si bien los primeros extractores de ncleos de hielo se basaron en conceptos de perforacin geolgica, los dispositivos de ltima generacin actuales incluyen avances no intentados en la perforacin de rocas. Por ejemplo, la capacidad de la perforadora DISC para recuperar ncleos replicados desde el lado alto del pozo, a la vez que el pozo original permanece accesible para la ejecucin de estudios de adquisicin de registros, constituye una innovacin exclusiva de la extrac-cin de ncleos de hielo.

Posibilitada por numerosos avances tecnolgi-cos, la ciencia relativamente moderna de utiliza-cin de ncleos de hielo para comprender los climas y ambientes del pasado ha arrojado descubri-mientos relevantes e importantes para la sociedad. Y a medida que madure, dicha ciencia indudable-mente proporcionar a los climatlogos un cono-cimiento cada vez ms claro del futuro del clima en nuestro planeta. Estos avances tecnolgicos registrados en la extraccin de ncleos de hielo tambin podrn ayudar a responder una pre-gunta que ha atormentado a los cientficos a lo largo de varias dcadas. Actualmente, los especia-listas en extraccin de ncleos estn trabajando para escoger la localizacin superficial ptima del Manto de Hielo de la Antrtida Oriental desde la cual atravesar el hielo de 1,5 millones de aos.37 Los registros ambientales naturales de dicho ncleo de hielo pueden contribuir a develar el mis-terio que subyace la transicin climtica que, segn los anlisis de los sedimentos marinos, tuvo lugar entre 900 000 y 1,2 millones de aos atrs. Antes de este evento de edad Pleistoceno Medio, el tiempo comprendido entre los perodos de calen-tamiento y las edades de hielo de la Tierra era de 41 000 aos aproximadamente, pero desde el cambio climtico acaecido en el Pleistoceno, el tiempo comprendido entre estos extremos trmi-cos fue de 100 000 aos. Hasta la fecha, la causa de esta transicin se desconoce y los cientficos albergan la esperanza de que la respuesta resida en las burbujas de aire y en la qumica de este hielo antiguo ahora accesible. RvF

> Identificacin de eventos climticos. Los valores promedio a lo largo de 10 aos de 18O, acumulacin neta, polvo insoluble, amonio y nitrato del ncleo de hielo Quelccaya Summit Dome del glaciar Quelccaya de Per permitieron a los cientficos identificar los perodos climatolgicos (sombreado). El asterisco del perfil correspondiente al polvo indica la erupcin del Huaynaputina acaecida en Per en el ao 1600. (Adaptado de Thompson et al, referencia 36.)


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Principio de la Pequea Edad de Hielo

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Fin de la Pequea Edad de Hielo

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Acumulacin, mequivalente en agua/ao

Amonio, ppb

18O, 0/00

Anomala climtica medieval

V25 -E4 El Pasado a Través Del Hielo

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