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El hielo erosiona el lecho marino.

Los icebergs se desplazan hacia aguas menos profundas y, al entrar en contacto con el lecho marino, van erosionándolo. Las crestas de presión del hielo marino a la deriva tambié...

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Los icebergs se desplazan hacia aguas menos profundas y, al entrar en contacto con el lecho marino, van erosionándolo.
Las crestas de presión del hielo marino a la deriva también pueden erosionar el lecho marino.

La erosión del lecho marino por el hielo es un proceso que ocurre cuando las formaciones de hielo flotantes (típicamente icebergs y crestas de hielo marino ) se desplazan hacia zonas menos profundas y su quilla entra en contacto con el lecho marino . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] A medida que continúan desplazándose, producen surcos largos y estrechos, comúnmente llamados surcos o marcas de erosión . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Este fenómeno es común en entornos marinos donde se sabe que existe hielo. Aunque también ocurre en ríos y lagos, [ 7 ] [ 8 ] parece estar mejor documentado en océanos y grandes extensiones marinas. [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]

Las erosiones del lecho marino producidas por este mecanismo no deben confundirse con las erosiones del strudel . Estas resultan del agua de deshielo primaveral que fluye sobre la superficie de una extensión de hielo marino determinada, la cual finalmente se drena a través de grietas, agujeros de respiración de las focas, etc. La turbulencia resultante es lo suficientemente fuerte como para excavar una depresión en el lecho marino. La erosión del lecho marino por el hielo también debe distinguirse de otro mecanismo de erosión: la erosión de los sedimentos alrededor de una estructura debido a las corrientes de agua, un problema bien conocido en la ingeniería oceánica y la hidráulica fluvial [ 9 ] – véase erosión de puentes .

Perspectiva histórica y relevancia

Parece que Charles Darwin especuló en 1855 sobre la posibilidad de que los icebergs pudieran erosionar el lecho marino al desplazarse a través de las isobatas. [ 10 ] En la década de 1920 se planteó cierta discusión sobre la participación del hielo marino, pero en general este fenómeno siguió siendo poco estudiado por la comunidad científica hasta la década de 1970. [ 11 ] En ese momento, los estudios de sonar de barrido lateral a bordo de barcos en el mar de Beaufort canadiense comenzaron a recopilar evidencia real de este mecanismo. Posteriormente se observaron erosiones del lecho marino más al norte, en el archipiélago ártico canadiense , y también en el Ártico ruso. [ 4 ] A lo largo de esa década, la erosión del lecho marino por el hielo fue investigada extensamente.

Lo que desencadenó el repentino interés por este fenómeno fue el descubrimiento de petróleo cerca de las costas del norte de Alaska y dos factores relacionados: [ 10 ] 1) la posibilidad de que abundaran los yacimientos petrolíferos en estas aguas, y 2) la consideración de que los oleoductos submarinos participarían en futuros desarrollos de producción, ya que este parecía ser el enfoque más práctico para llevar este recurso a la costa. Desde entonces, los medios para proteger estas estructuras contra la acción del hielo se convirtieron en una preocupación importante. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] Un derrame de petróleo en este entorno sería problemático en términos de detección y limpieza. [ 16 ]

Científicos de campos de investigación distintos a la ingeniería marina también han abordado la erosión del lecho marino. Por ejemplo, los biólogos han relacionado las regiones del lecho marino remodeladas por la erosión del hielo con la formación de pozas negras , depresiones del lecho marino llenas de agua anóxica de alta salinidad que son trampas mortales para pequeños organismos marinos. [ 17 ] Sin embargo, gran parte de esto parece haber sido documentado desde una perspectiva de ingeniería marina, con el propósito de la exploración petrolera . [ 18 ]

Inspección del lecho marino para detectar hendiduras.

Ilustración de una operación de sondeo acústico, en este caso con un sonar multihaz utilizado para cartografiar la batimetría del lecho marino.

La erosión del lecho marino por el hielo es un fenómeno sumamente discreto: desde la superficie del agua apenas se observan indicios; la escasa evidencia consiste en sedimentos del fondo marino incorporados al hielo. [ 10 ] La información de interés sobre estas erosións incluye: profundidad, anchura, longitud y orientación. [ 19 ] La frecuencia de erosión —el número de erosións producidas en un lugar determinado por unidad de tiempo— es otro parámetro importante. Este tipo de información se ha recopilado mediante el mapeo del lecho marino con instrumentación a bordo de buques, normalmente un sonar de profundidad : dispositivos de ecosonda como un sonar de barrido lateral y sistemas de sonar multihaz . [ 20 ] El mapeo repetitivo implica repetir estos estudios varias veces, a intervalos que van desde unos pocos hasta varios años, como medio para estimar la frecuencia de erosión. [ 21 ] [ 22 ]

Características de la gubia

Las hendiduras del lecho marino producidas por formaciones de hielo a la deriva pueden tener muchos kilómetros de longitud. En el norte de Canadá y Alaska, las profundidades de las hendiduras pueden alcanzar los 5 metros (16 pies) . [ 23 ] Sin embargo, la mayoría no supera el metro (3 pies). Cualquier profundidad superior a 2 metros es considerada por la comunidad de ingeniería marina como un evento extremo . Los anchos de las hendiduras varían desde unos pocos metros hasta unos cientos de metros. [ 24 ] [ 25 ] Las profundidades máximas del agua en las que se han reportado hendiduras varían de 450 a 850 metros (1480 a 2790 pies) , al noroeste de Svalbard en el Océano Ártico . [ 26 ] Se cree que estos son rastros remanentes dejados por icebergs durante el Pleistoceno , hace miles de años, cuando el nivel del mar era más bajo que el actual. En el mar de Beaufort , al norte de Canadá, se demostró la existencia de una hendidura de 50 km (30 millas) de longitud, con una profundidad máxima de 8,5 metros (28 pies) y en profundidades de agua que oscilan entre 40 y 50 metros (130 y 160 pies) . [ 21 ] La hendidura no siempre es recta, sino que varía en orientación. Se cree que este evento tiene unos 2000 años de antigüedad. Se ha observado que episodios recientes de varamiento, hendidura y fragmentación de grandes icebergs antárticos producen potentes señales hidroacústicas y sísmicas que esclarecen aún más la dinámica del proceso. [ 27 ]      

El hielo presenta

En el entorno marino, las formaciones geológicas están compuestas por dos tipos de hielo: hielo glaciar y hielo marino .

Anatomía de un lecho marino erosionado, con tres zonas: la Zona  1 es donde se elimina el suelo (para formar la erosión), la Zona  2 donde se produce el desplazamiento del suelo y la Zona  3 donde no hay desplazamiento.

Hielo glacial

Física y mecánicamente, el hielo glaciar es similar al hielo de lagos, ríos y carámbanos . [ 28 ] [ 29 ] La razón es que todos se forman a partir de agua dulce (agua no salina). Las capas de hielo , los casquetes polares y los glaciares consisten esencialmente en hielo glaciar . Dado que el hielo glaciar se extiende lateralmente y ladera abajo (como resultado de la gravedad), [ 30 ] en algunas áreas este hielo llega a la costa. Donde esto sucede, dependiendo de la topografía, el hielo puede romperse en pedazos que caen al mar, un mecanismo llamado desprendimiento de hielo , y se alejan a la deriva. Alternativamente, las capas de hielo pueden extenderse mar adentro formando extensas plataformas de hielo flotantes llamadas plataformas de hielo , que también pueden desprenderse. Las formaciones producidas por estos procesos de desprendimiento se conocen como icebergs y pueden variar en tamaño desde metros hasta kilómetros. Los más grandes, denominados islas de hielo , [ 31 ] suelen tener forma tabular. Estos pueden ser responsables de eventos de erosión extrema.

hielo marino

El hielo marino es el resultado de la congelación del agua de mar . Es poroso y mecánicamente más débil que el hielo glaciar . La dinámica del hielo marino es muy compleja. [ 32 ] [ 33 ] Impulsado por los vientos y las corrientes, el hielo marino puede desarrollarse en crestas de presión , una acumulación de fragmentos de hielo o escombros , formando estructuras largas y lineales. Estas son una fuente muy común de surcos en el lecho marino. Las crestas de presión suelen estar encerradas dentro de extensiones de hielo flotante a la deriva, de modo que la actividad de surcos de las quillas de las crestas de hielo marino está estrechamente relacionada con el movimiento del hielo flotante. Los stamukhi también son acumulaciones de hielo marino roto, pero están anclados al fondo marino y, por lo tanto, son relativamente estacionarios. Resultan de la interacción entre el hielo fijo y el hielo flotante a la deriva. Los stamukhi pueden penetrar el lecho marino a una profundidad considerable, lo que también supone un riesgo para los oleoductos submarinos en los accesos a la costa.

Dinámica de excavación

Reacción de quilla

Debido a las diferencias en la naturaleza del hielo glaciar y las crestas de presión , los eventos de erosión producidos por estos dos tipos de hielo también son diferentes. En ambos casos, se espera que la interfaz hielo-suelo mantenga un cierto ángulo de equilibrio, llamado ángulo de ataque , durante el cual el proceso de erosión alcanza un estado estacionario . Los icebergs pueden ajustarse a este ángulo mediante rotación. Las crestas de hielo marino pueden hacerlo mediante la reorganización de los escombros en la interfaz quilla-fondo marino o mediante la falla de la quilla. [ 34 ]

reacción del lecho marino

La reacción del lecho marino al proceso de erosión depende de las propiedades tanto del hielo como del lecho marino. Suponiendo que el primero sea más fuerte que el segundo, y que la fuerza impulsora del hielo sea suficiente, se formará una erosión en el lecho marino. Se distinguen tres zonas dentro del lecho marino en función de la respuesta del suelo. [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] La Zona 1 es la profundidad de la erosión, donde el suelo ha sido desplazado por la formación de hielo y remobilizado en bermas laterales y montículo frontal delante de la interfaz hielo-lecho marino. La Zona 2 es donde el suelo experimenta cierto desplazamiento. En la Zona 3 , se produce poco o ningún desplazamiento, pero se transmiten tensiones de naturaleza elástica desde la zona superior.

La isla Northstar, cercana a la costa en el mar de Beaufort de Alaska, en condiciones de aguas abiertas (verano), es un ejemplo de una instalación de producción que depende de un oleoducto submarino para transportar el recurso a tierra. [ 39 ] [ 40 ]

Petróleo y gas en alta mar en el Ártico

Según el USGS , la zona al norte del círculo polar ártico podría albergar una cantidad significativa de petróleo y gas sin descubrir, hasta un 13 % y un 30 %, respectivamente . [ 41 ] Este recurso probablemente se encuentra en las plataformas continentales a profundidades inferiores a 500 metros (1600 pies) , lo que representa aproximadamente un tercio de dicha área. Además, hasta 2007 se habían identificado más de 400 yacimientos de petróleo y gas, la mayoría en el norte de Rusia y en la vertiente norte de Alaska. 

Un desafío para la ingeniería marina

El acceso plantea un desafío. [ 42 ] Un proyecto de producción en alta mar busca necesariamente una operación segura y económica durante todo el año y la vida útil completa del proyecto. Los desarrollos de producción en alta mar a menudo consisten en instalaciones en el lecho marino, lejos de los peligros de la superficie del mar (viento, olas, hielo). En aguas menos profundas, la plataforma de producción puede descansar directamente sobre el lecho marino. En cualquier caso, si estas instalaciones incluyen un oleoducto submarino para transportar este recurso a la costa, una parte sustancial de su longitud podría estar expuesta a eventos de erosión. [ 43 ]

El oleoducto está enterrado bajo el lecho marino para evitar el impacto directo con una formación de hielo que erosiona el fondo marino.

Protección de oleoductos submarinos contra eventos de perforación

Según revisiones recientes sobre el tema, [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 44 ] se puede lograr una protección adecuada contra la actividad de excavación mediante el enterramiento de la tubería. Colocar la tubería en la Zona 3 sería la opción más segura, pero los costos de esta opción se consideran prohibitivos. En cambio, la filosofía de diseño actual prevé la ubicación de la tubería dentro de la Zona 2, que todavía está por debajo de la profundidad de excavación, pero donde se espera que el suelo se mueva como resultado de un evento de excavación por encima de ella. Esto implica que la tubería debe sufrir cierta cantidad de flexión y la consiguiente deformación, o tensión , de la pared de la tubería. Para el sitio de producción North Star actualmente en operación, “[l]a profundidad mínima de cobertura de la tubería (desde el lecho marino original no perturbado hasta la parte superior de la tubería) para resistir las cargas de la quilla de hielo se calculó con base en los procedimientos de diseño de estado límite para la flexión de la tubería”. [ 45 ] Para ese sitio en particular, “ [l]os desplazamientos previstos del suelo del lecho marino por debajo de la profundidad máxima de la ranura de la quilla de hielo (3,5 pies) dieron como resultado una profundidad mínima de cobertura de 7 pies para deformaciones de flexión de tuberías de hasta el 1,4 %”. [ 45 ]

Esta filosofía de diseño debe lidiar con al menos tres fuentes de incertidumbre: [ 2 ]

  • Profundidad máxima esperada de erosión : Basándose en el régimen de erosión anterior (distribución de la profundidad de erosión y frecuencia de erosión, especialmente), es necesario recurrir a análisis de probabilidad para estimar la probable profundidad máxima de erosión en el sitio de despliegue planificado del oleoducto durante toda su vida útil (por ejemplo, 20-40 años). Este tipo de análisis no es inusual en ingeniería civil; existen libros de texto sobre este tema. [ 46 ] Pero los patrones climáticos cambiantes [ 47 ] [ 48 ] son ​​una fuente adicional de incertidumbre, ya que no se sabe con certeza cómo afectará el cambio climático a los futuros regímenes de erosión.
  • Deformación subsuperficial : La erosión del lecho marino por el hielo es un fenómeno relativamente complejo que depende de varios parámetros (dimensiones y propiedades de la quilla, respuesta del suelo, etc.). Incluso si se puede determinar la profundidad máxima de la erosión, es difícil evaluar la magnitud del desplazamiento del suelo por debajo de ella, un parámetro que se considera al establecer la profundidad segura de enterramiento de una tubería.
  • Tensión en la tubería : Otra fuente de incertidumbre es la cantidad de tensión que probablemente experimentará la tubería a una profundidad determinada por debajo de la falla.

Problemas medioambientales

Los proyectos de extracción de petróleo y gas en aguas árticas deben abordar las preocupaciones ambientales mediante planes de contingencia adecuados. Partes del Ártico están cubiertas de hielo la mayor parte del año. Durante los meses de invierno, predomina la oscuridad. Si se produce un derrame de petróleo , puede pasar desapercibido durante varios meses. [ 49 ] [ 50 ] Suponiendo que se localice el derrame, es probable que las labores de limpieza se vean obstaculizadas por la capa de hielo. Además, se trata de lugares remotos, por lo que entrarían en juego problemas logísticos. Los ecosistemas árticos son sensibles; se requiere una respuesta oportuna para mitigar las consecuencias de un derrame de petróleo.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Rey 2011
  2. 1 2 3 4 Palmer y Been 2011
  3. 1 2 Pasador 2011
  4. 1 2 3 Wadhams 2000, pág. 72
  5. 1 2 Semanas 2010, Cap. 13
  6. ↑ Otros sinónimos menos utilizados incluyen arados y puntuaciones
  7. ↑ Noble y Confort 1982
  8. ↑ Hierba 1984
  9. ↑ Véase Annandale 2006, por ejemplo.
  10. 1 2 3 Semanas 2010, pág. 391
  11. ↑ Weeks 2010, p. 391: Hasta entonces, "...lo que sea que estuviera ocurriendo entre el [hielo] y el fondo marino no estaba causando suficientes problemas como para haber llegado a la lista de problemas que debían investigarse."
  12. ↑ Pilkington y Marcellus 1981
  13. ↑ Woodworth-Lynas et al. 1985
  14. ↑ Woodworth-Lynas et al. 1996
  15. ↑ Clark et al. 1987
  16. ↑ McHale et al. 2000
  17. ↑ Kvitek et al. 1998
  18. ↑ Weeks 2010, pág. 403
  19. ↑ Sonnichsen y King 2011, por ejemplo
  20. ↑ Weeks 2010, pág. 392
  21. 1 2 Blasco et al. 1998
  22. ↑ Sonnichsen et al. 2005
  23. ↑ Been et al. 2008
  24. ↑ Héquette et al. 2008
  25. ↑ Oickle et al. 2008
  26. ↑ Weeks 2010, pág. 395
  27. ↑ Martin et al. 2010
  28. ↑ Hobbs 1974
  29. ↑ Los cubitos de hielo producidos en un congelador doméstico estándar son básicamente iguales al hielo glacial.
  30. ↑ Mediante un mecanismo conocido como fluencia .
  31. ↑ Weeks 2010, pág. 399
  32. ↑ Haas 2003
  33. ↑ Semanas 2010, cap. 12
  34. ↑ Croasdale et al. 2005
  35. ↑ Palmer et al. 1990
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  37. ↑ Løset et al. 2006
  38. ↑ Nobahar et al. 2007
  39. ↑ Lanan y Ennis 2001
  40. ↑ Lanan et al. 2011
  41. ↑ Gautier et al. 2009
  42. ↑ Mørk 2007
  43. ↑ Palmer y Tung 2012
  44. ↑ Cardenal et al. 2022
  45. 1 2 Lanan et al. 2011, pág. 3
  46. ↑ p. ej. Jordaan 2005
  47. ↑ Comisión 2002
  48. ↑ Kubat et al. 2006
  49. ↑ Timco y Davies 1996
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