UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE GEOCIENCIAS

MAESTRA EN CIENCIAS - GEOLOGA

APLICACIN DE NDICES MORFOMTRICOS A CALDERAS Y ESTRUCTURAS VOLCNICAS ASOCIADASPRESENTADO POR:

WVEIMAR SAMAC TORRES

MAYO DE 20111. INTRODUCCIONEl presente documento hace parte del desarrollo terico y metodolgico de la propuesta de investigacin titulada ANLISIS MORFOMTRICO Y GEOMORFOLGICO DE LA CALDERA DE PALETAR (CAUCA), COLOMBIA, presentada para optar al ttulo de Maestra en Ciencias Geologa de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogot. A partir del desarrollo del estado del arte, se resalta la importancia del problema en cuanto a la aplicacin de los principios del anlisis morfomtrico en estructuras volcnicas, definidos hacia la dcada de 1970 y aplicados en un gran nmero de trabajos alrededor del mundo. Sin embargo, los ndices morfomtricos han sido complementados con el uso de tcnicas de tratamiento de Modelos de Elevacin Digitales (DEM, por sus siglas en ingls), en las cuales el anlisis de la pendiente y del aspecto del relieve son parmetros importantes en el desarrollo de los estudios morfolgicos en calderas y estratovolcanes evolucionados. Adems, se realiza una revisin de los objetivos y la metodologa del proyecto de investigacin, con el fin de justificar la importancia del proyecto de investigacin, el cual es uno de los primeros intentos de anlisis morfomtrico y geomorfolgico realizado a una caldera con alto grado de degradacin y actividad resurgente en Colombia. Por ltimo, se discute acerca de cmo debe complementarse el anlisis morfomtrico en volcanes, resaltando la importancia de este anlisis desde una perspectiva cientfica.2. ESTADO DEL ARTE2.1. ANLISIS MORFOMTRICO APLICADO A ESTRUCTURAS VOLCNICASCon respecto a la morfologa de las calderas, en diversas investigaciones se ha buscado establecer tanto la evolucin geomorfolgica como sus caractersticas en cuanto a pendiente, orientacin del crter, tamao, longitudes de las pendientes, tamao y morfologa de los campos de lava, entre otros.

Los principios del anlisis morfomtrico para estructuras volcnicas provienen de la dcada de 1970. Porter (1972, 3607) argumenta que la relacin entre el ancho y el alto de un cono de ceniza (cinder cones) refleja el ngulo de reposo de estructuras volcnicas constituidas por depsitos piroclsticos o tefras. Esta relacin est dada principalmente por los siguientes parmetros:

Piroclastos y forma de depositacin: Los piroclastos, dependiendo de su tamao, tienen una distribucin diferencial en su depositacin en los alrededores de una estructura volcnica. Los ms cercanos al cono y/o crter son bombas o piroclastos de tamao superior a los 64 mm, y dependiendo de la altura de la columna eruptiva, la direccin y velocidad del viento la distribucin puede variar entre lapilli y ceniza en las zonas alejadas de la estructura volcnica.

Flujos de lava: Los flujos de lava alteran la morfologa de los conos piroclsticos dependiendo del origen del flujo. Si los flujos de lava son provenientes de erupciones laterales, estos afectan gran parte de la morfologa de los conos, ms si provienen de estructuras volcnicas mayores o de la actividad de algn cono volcnico.

Erosin: La erosin en las estructuras volcnicas estn condicionadas hacia la accin de la escorrenta superficial y el viento. La accin erosiva de la escorrenta superficial sobre depsitos piroclsticos poco consolidados se refleja en el carcavamiento del interior del cono y de los flancos externos, sobre todo si la geoforma es inactiva (Porter, Op. Cit.: 3608). El viento ejerce una alta influencia sobre la disposicin espacial de los piroclastos, principalmente la direccin y la velocidad, adems que sus efectos erosivos se presentan en los depsitos sin consolidar de ceniza volcnica llevndolas hacia otros lugares (asimetra de los conos volcnicos).

La inestabilidad de la pendiente es un factor adicional que puede ser producido tanto por los agentes erosivos como por la misma actividad volcnica. Un volcn o estructura volcnica en actividad es susceptible a amplias variaciones de la pendiente por la superposicin de depsitos piroclsticos y de flujos de lava, los cuales elevan la pendiente de los flancos (Porter, Op. Cit.: 3608). Las erupciones laterales generan destruccin parcial o total del cuello volcnico principal y otras estructuras adyacentes, creando inmediatamente inestabilidad y procesos de remocin en masa tanto en el interior como en los flancos de los conos volcnicos. Como ya se ha dicho, la escorrenta superficial y el viento son factores erosivos que pueden causar inestabilidad de las pendientes, dependiendo de su intensidad.

Los parmetros morfomtricos definidos por Porter a partir del anlisis de los procesos sealados anteriormente son los siguientes (Figura 21):Figura 21: Parmetros morfomtricos para conos piroclsticos (Cinder cones) aplicados en los conos volcnicos adyacentes al volcn Mauna Kea, Hawaii, EE.UU., de acuerdo con Porter (1972: 3610).

A saber:

Wcr o ancho del crter

Dcr o profundidad del crter Hco o altura del cono Wco o Ancho basal del cono o ngulo Mximo de pendiente, el cual oscila en 25 2Otros autores, como Settle (1979) y Wood (1980a, 1980b) analizan y complementan la propuesta de Porter con herramientas tales como el anlisis del emplazamiento de estas estructuras. El aporte de Settle radica en la relacin que tiene la morfometra aplicada a estructuras volcnicas y la distribucin espacial, ya que bajo esta relacin se puede inferir los procesos de formacin caractersticos y diferentes estados evolutivos. Las variables de distribucin espacial (proximidad y separacin) de los conos piroclsticos pueden diferenciar, por ejemplo, los campos volcnicos de gran extensin a los que se forman en los flancos de estratovolcanes gigantes, as como la forma de las estructuras puede diferenciar el estado de evolucin y degradacin.

Wood (1980a, 1980b) realiza varios aportes al estudio de Porter, confirmando que la relacin del ancho/alto de los conos volcnicos puede inferir tanto tasas de crecimiento como de degradacin, aunque no es un indicador directo de actividad volcnica si no est acompaado de otros anlisis especficos. Los trabajos de Wood se concentran en profundizar sobre los procesos degradacionales y sus efectos sobre los conos piroclsticos, sobre los cuales afirma que los parmetros morfomtricos pueden ser similares al comparar estructuras volcnicas, pero lo que puede explicar la morfologa de los conos piroclsticos son su alta variacin en la tasa de degradacin.

Wood menciona que los procesos degradacionales pueden modelarse bajo dos condiciones: la presencia de nuevos flujos de lava sobre los flancos de un cono piroclstico y las prdidas por erosin y procesos de remocin en masa. Las prdidas por erosin se deben principalmente a la erosin laminar (formacin de surcos y crcavas) y a la erosin elica, y los procesos de remocin en masa suelen ser debidos a cambios bruscos en la pendiente y a la accin de la gravedad (Wood, Op. Cit.).

Las propuestas de anlisis de parmetros morfomtricos han sido recogidas y complementadas en gran parte por Becerra Ramrez et al. (2008), planteados a partir de un nivel de base regional (Nivel del mar, Figura 22 ):

Figura 22: Principales parmetros para anlisis morfomtrico (Becerra Ramrez, et al. 2008)

1. Altura de la estructura principal y altura promedio de los conos adyacentes (Aco): se establece segn la diferencia entre la altura de la cima del crter y la profundidad del crter (Pcr).

2. Dimetro basal de los conos volcnicos (Dco), y dimetro del crter (Dcr), a partir de los cuales se puede establecer el Indice de elongacin de la estructura volcnica

3. Indice de Elongacin: Establecido a partir de la relacin entre el dimetro mximo y el dimetro mnimo, tanto del cono como del crter. Al evaluarse varias estructuras, debe resultar un ndice promedio de elongacin tanto del cono como del crter (Becerra Ramrez et al., Op. Cit.)4. Indice de separacin, el cual es la relacin de la distancia existente entre el centro geomtrico de un edificio volcnico con respecto al vecino ms prximo (Wood, 1980a)

5. Indice de agrupamiento, el cual es la distancia existente entre las bases de dos edificios volcnicos prximos (Ramrez, et al. Op Cit.)

6. Pendiente: Grado de inclinacin entre la base y el crter del cono, evaluado en grados de pendiente (0 a 90).

Otras relaciones identificadas para observar los proceso de evolucin y degradacin de los conos volcnicos y de otras estructuras volcnicas son las relaciones tamao/envergadura y el modelo torrencial de los aparatos eruptivos (Becerra Ramirez et al., Op. Cit.:3). La relacin tamao/envergadura se puede determinar calculando el volumen de la geoforma (en Km3) a partir de la altura (en metros) y la superficie (en Km2), aplicando la frmula del cono truncado (Figura 23):

Figura 23: Frmula para calcular el volumen (V) del cono truncado y representacin geomtrica

Donde: R=Radio basal, r=radio superior, h=altura del cono

El modelo torrencial de los aparatos eruptivos es un parmetro propuesto por los autores para analizar las redes de drenaje y su influencia en los procesos degradacionales que afectan a los conos piroclsticos. De una forma anloga a los anlisis de drenaje en cuencas hidrogrficas, se propone que el nmero de cauces y su longitud total de acuerdo al orden de drenaje son las variables que pueden inferir una mayor tendencia hacia la degradacin (Becerra Ramirez et al., Op. Cit.).

2.2. APLICACIONES DEL ANLISIS MORFOMTRICO EN VOLCANES

Las ltimas investigaciones aplican tcnicas de anlisis en sensores remotos, utilizando imgenes de satlites de resolucin media (por ejemplo, Landsat o ASTER), radar aerotransportado y por ltimo, utilizando imgenes de tecnologa LiDAR (Laser Imaging Detection and Ranging). Inbar et al. (2010, en prensa) proponen el uso de un modelo digital de elevacin generado a partir de imgenes satelitales ASTER y corregido con cartografa topogrfica para evaluar los parmetros morfomtricos de conos de escoria en el campo volcnico de Tolbachik, en la pennsula de Kamchatka (Federacin Rusa).

A partir de los ndices explicados anteriormente, se calcularon los parmetros morfomtricos a 9 conos, correlacionando adems dataciones de eventos eruptivos y datos de GPS levantados en campo, permitiendo una clasificacin de acuerdo a la edad de formacin de los edificios volcnicos; adems, se realizaron comparaciones de resultados con modelos de terreno generados con las imgenes ASTER y el modelo generado con cartografa convencional digital (Inbar et al. 2010:5). Los resultados evidencian que los valores de los ndices extrados con las imgenes satelitales pueden ser ms precisos que los extrados con la cartografa topogrfica convencional, ya que los errores de restitucin de las imgenes suelen ser menores que los de la cartografa convencional (Figura 24). En cuanto a las tasas de degradacin de los conos y su relacin con la actividad reciente (el ltimo registro de erupciones es de hace 41 aos), se puede evaluar que los picos de degradacin pudieron ocurrir en los dos primeros aos siguientes al ltimo registro de actividad por la exposicin de los piroclastos a erosin laminar y elica. Las condiciones climticas juegan un papel importante en las tasas de erosin, ya que el tiempo de exposicin a condiciones climticas extremas pueden generar tasas de erosin altas en un corto perodo de tiempo (Inbar et al. 2010:10). Figura 24: Modelo de Elevacin Digital que detalla 3 conos de escoria analizados, originado a partir de imgenes de satlite ASTER.

Fuente: Inbar, et al. (2010, en prensa)

En otro estudio de caso, esta vez aplicado a conos piroclsticos localizados en los flancos de una estructura principal o conos adventicios, es el realizado por Favalli et al. (2009) para analizar la morfometra de estos edificios a partir del uso de tecnologa LiDAR. Esta tecnologa introducida recientemente puede generar imgenes y modelos digitales del terreno de alta precisin y detalle, y son muy convenientes para examinar las alteraciones morfolgicas que pueden suceder en un volcn histricamente activo, como es el caso del Monte Etna, al sur de Italia.

El Monte Etna es un volcn complejo que posee en sus flancos 135 conos de piroclastos, adems de una estructura caldrica con amplio registro de actividad histrica. Los conos volcnicos se formaron sucesivamente durante el Holoceno, aunque muchos de ellos han tenido alteraciones morfolgicas tanto por la actividad efusiva del crter activo, como por los procesos erosivos comunes del clima mediterrneo (Favalli, et al. 2009:321). Metodolgicamente, los autores proponen evaluar el modelo de elevacin digital de resolucin de 2 m utilizando los parmetros clsicos de Porter (1972), Settle (1978) y Wood (1980a) para anlisis morfomtrico, modificados para hallar los valores de conos de escoria emplazados en los flancos de una estructura principal (Figura 25).Figura 25: Mtodos para calcular los ndices morfomtricos en conos de escoria a) Mtodo clsico de Seetle (1979) definiendo Hmax como el mximo valor de la elevacin promedio basal del cono; b) Mtodo planteado por Favalli et al. (2009) para conos emplazados en el flanco de una estructura mayor. Hmax es el valor mximo de la elevacin promedio de acuerdo a Zb, o elevacin de la base del cono.

Fuente: Favalli et al. (2009:322)

Dentro de los resultados representativos se destacan los bajos valores en la relacin Hco/Wco, lo que significa que los cuerpos de lava introducidos recientemente juegan un factor importante en la morfologa de los conos analizados. As mismo, en los conos ms viejos, los bajos valores de Hco/Wco indican una tasa de degradacin continua durante el tiempo, representando una influencia mayor de la erosin progresiva, que la causada por eventos climticos extremos (Favalli, et al. 2009:329).

Para otros tipos de estructuras volcnicas (estratovolcanes o calderas en degradacin) se han realizado algunos estudios, intentando aplicar los parmetros morfomtricos sealados con anterioridad. Sin embargo, en estos casos la pendiente y el volumen de la estructura es ms importante que la relacin entre Hco/Wco. Szekely et al. (2006) utiliza un anlisis basado en Modelos Digitales de Elevacin de alta resolucin para determinar las caractersticas morfolgicas de una caldera degradada en Hungra. El anlisis basado en los DEM requiere del procesamiento del mismo para generar productos derivados que apoyan el anlisis:

Aspecto: El aspecto del terreno es una derivacin del DEM utilizada para observar la orientacin del relieve con respecto al norte geogrfico. Las facetas del relieve suelen medirse anlogamente a la llamada Rosa de Los Vientos (8 direcciones dominantes). Pendiente: La pendiente fue definida anteriormente como un ngulo o grado de inclinacin del relieve con respecto a la horizontal. Para los casos observados, as como para el anlisis de los conos volcnicos, se recomienda utilizar grados de pendiente. Luego, estos valores generados se clasifican en categoras de acuerdo al mayor y menor grado de inclinacin. Transformacin a Coordenadas Polares: Este tratamiento se realiza utilizando al centro de la caldera como un centro simtrico, al partir del cual se puede establecer coordenadas polares, facilitando la representacin morfolgica (Figura 26).Figura 26: Aplicacin de la Transformacin a Coordenadas Polares al Modelo Digital de Elevacin de una caldera: Borzony Mts., Hungra.

Fuente: A partir de Szekely et al. (2006: 33)

El anlisis de pendiente tambin se ha utilizado para evaluar la morfometra regular de los estratovolcanes. Kartson et al. (2010) analizaron 19 estratovolcanes alrededor del mundo, encontrando que la relacin entre la pendiente y la elevacin es simtrica. Adems, otro ndice morfolgico propuesto por los autores es el llamado ndice de circularidad, el cual define de acuerdo al radio y al dimetro de la base la disposicin de los contornos de elevacin (Figura 2-7)Figura 27: Modelo de sombras de los volcanes Mayn (Filipinas) y Kronotsky (Kamchatka, Fed. Rusa), contornos cada 200 m.; Las grficas comparan para cada caso la pendiente y la elevacin.

Fuente: Kartson et al. (Op Cit., 173).

3. PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMTICALa propuesta del proyecto de investigacin va encaminada hacia el anlisis de las estructuras volcnicas que hacen parte de la Caldera de Paletar, de acuerdo a las propuestas de anlisis de parmetros morfomtricos. Estos parmetros tienen que correlacionarse junto a un anlisis geomorfolgico, a partir del cual se deben explicar tanto los procesos de formacin dominantes, como los procesos degradacionales que existen en la zona de estudio, con el fin de justificar la razn de la actividad resurgente de la Caldera Paletar, evaluar la actividad volcnica y magmtica actual, y plantear una idea aproximada de la evolucin de la caldera.

La generacin del Modelo Digital de Elevacin (DEM) de la caldera es importante para la solucin de la problemtica, ya que a partir de ste se pueden determinar las relaciones Hco/Wco propuestas por Wood (1980a) y otros autores, adems de los otros parmetros planteados y resumidos por Becerra Ramrez et al. (2009). Realizando el procesamiento analtico del DEM, se pueden desarrollar tanto el mapa de categoras de pendiente y aspecto del terreno, importantes en la descripcin morfolgica, tal como lo afirman Szekely et al. (Op. Cit). Adems, con la aplicacin de otro proceso se puede generar el modelo de sombras (Hillshade), que puede apoyar la interpretacin geomorfolgica de la zona de estudio.4. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVO GENERALRealizar el anlisis morfomtrico de la Caldera de Paletar, y los edificios volcnicos adyacentes (Volcn Purac, Cadena Volcnica de Los Coconucos y otras estructuras menores).

4.2. OBJETIVOS ESPECFICOS Identificar las caractersticas geomorfolgicas generales de La Caldera de Paletar, as como de los edificios volcnicos que la componen.

Relacionar los aspectos morfomtricos de la estructura volcnica con la ocurrencia de procesos volcnicos (flujos de lava, depsitos piroclsticos, entre otros)

Identificar los procesos de erosin y modificacin de esta estructura volcnica, con el fin de plantear una idea general acerca de su evolucin.5. METODOLOGIA

Anlisis Topogrfico de la estructura volcnica, a partir del procesamiento y restitucin de Modelos Digitales de Elevacin detallados (entre 1 y 5 metros de tamao de pxel), base cartogrfica disponible (escala 1:25000 y 1:100000), fotografas areas e imgenes satelitales con poca cantidad de nubes y buena calidad radiomtrica. Procesamiento y clasificacin de pendientes y aspecto del terreno, a partir de algoritmos empleados por un software SIG. (ArcGIS 9.x o ERDAS), con el fin de apoyar a la definicin de los ndices morfomtricos. Determinacin y clculo de los ndices morfomtricos correspondientes a la estructura macro (Caldera) y los conos adyacentes, de acuerdo con Becerra Ramrez et al. (2008), a partir del Modelo de Elevacin Digital y mediciones en campo. Evaluacin de la distribucin espacial de las estructuras secundarias adyacentes al edificio principal, con el fin de establecer los parmetros de separacin y agrupamiento de estructuras volcnicas sugerido por Wood (1980a, 1980b). 6. DISCUSINLa comprobacin de la validez de los ndices morfomtricos debe realizarse de acuerdo al anlisis del tipo de eventos volcnicos que ocurren en la zona de estudio. En los casos relacionados en el estado del arte, la mayora de los modelos estn orientados hacia establecer tasas de erosin y modelado caracterstico de las estructuras volcnicas, principalmente conos de ceniza o escoria. Dependiendo de las condiciones climticas y los procesos degradacionales dominantes propuestos por Porter (1972) las geoformas volcnicas pueden alcanzar estados degradacionales muy avanzados, en los cuales las evidencias morfolgicas originales han sido alteradas. En el caso tratado por Szekely (2004) que tiene por objetivo la identificacin del relieve original a partir del tratamiento matemtico y analtico de un DEM de la estructura volcnica erodada, determinando que el aspecto del relieve y la pendiente son parmetros morfomtricos importantes para aplicarlos en el anlisis de una superficie volcnica, y sirven de base para inferir tanto la geoforma original como el proceso de degradacin. Este trabajo constituye un gran avance dentro del campo de estudio de la geomorfologa volcnica. Como afirmaba Wood (1980a, 1980b), el anlisis morfomtrico solo es uno de los insumos para el anlisis de evolucin de una estructura volcnica, complementario a la generacin de mapas geomorfolgicos, la evaluacin de productos volcnicos utilizando tcnicas mineralgicas y petrogrficas, y la evaluacin de periodos de recurrencia de actividad, si la estructura a analizar es activa histricamente (que contenga registros de actividad radiomtrica en los ltimos 10000 aos, o registros comprobados histricamente). El anlisis evolutivo de una estructura volcnica es insumo importante para la generacin de mapas de amenaza volcnica, identificacin de anomalas gravimtricas y/o ssmicas, y ms recientemente, por objetivos econmicos (mineralizacin de metales preciosos). 7. REFERENCIAS

Becerra Ramirez, R., Doniz Pez, J., Gonzlez, E. (2008). Aplicacin del Anlisis Morfomtrico a los volcanes del extremo sur-oriental de la Regin Volcnica del Campo de Calatrava (Ciudad Real, Espaa). Trabajos de Geomorfologa en Espaa, 2006 2008, X Reunin Nacional de Geomorfologa, Cdiz, 2008. 5 p.

Favalli, M. et al. (2009). Morphometry of scoria cones located on a volcano flank: A case study from Mt. Etna (Italy) based on high-resolution LiDAR data. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 186, p. 320-330.

Hooper, D., Sheridan, M. (1998). Computer-simulation models of scoria cone degradation. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 83, p. 241-267.

Inbar, M. et al. (2010). Morphometric and morphological development of Holocene cinder cones: A field and remote sensing study in the Tolbachik volcanic field, Kamchatka. Journal of Volcanology and Geothermal Research. En prensa. (2010).Kartson, D., Favalli, M. et al. (2010). The Regular shape of stratovolcanes: A DEM-based morphometrical approach. Journal of Volcanology and Geothermal Research 193 (2010) 171181.Porter, S. (1972). Distribution, morphology and size of cinder cones on Mauna Kea volcano, Hawaii. Geological Society of America Bulletin, 83, 3607-3612.

Settle, M. (1978). The structure and emplacement of cinder cones. American Journal of Science, Vol. 279, P.1089-1107.

Szekely, B., Kartson, D. (2004). DEM-based morphometry as a tool for reconstructing primary volcanic landforms: examples from the Brzsny Mountains, Hungary. Geomorphology 63, pp. 25-37.

Wood, C.A. (1980a). Morphometric evolution of cinder cones. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 7, 387-413.

__________ (1980b). Morphometric analysis of cinder cone degradation. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 8, 137-160.