12.1: Introducción a las configuraciones de cama

Una característica llamativa del transporte de sedimentos granulares sobre un lecho del mismo material por un flujo turbulento de fluido es que en una amplia gama de condiciones el lecho se moldea en rasgos topográficos, llamados formas de lecho, en una escala que es órdenes de magnitud mayor que los granos. Pequeñas ondulaciones a los pies de la orilla del mar, o en el lecho seco de un río, o en el desierto, y dunas gigantescas en el desierto y (aún más comunes, pero no evidentes para el observador casual) en grandes ríos y el océano poco profundo, todos estos son ejemplos de formas de lecho. Generaciones de científicos e ingenieros se han maravillado de la rica y confusa variedad de estas características.

Primero voy a introducir alguna terminología. La geometría general del lecho que existe en un momento dado en respuesta al flujo (la configuración del lecho) está compuesta por elementos topográficos individuales (formas de lecho). El agregado o conjunto de configuraciones de lecho similares que se pueden producir por un flujo medio dado sobre un lecho de sedimento dado es el estado del lecho: La configuración del lecho difiere en detalle de vez en cuando, y el estado del lecho puede considerarse como el promedio sobre la infinidad de configuraciones que son posible bajo esas condiciones. El término fase de lecho puede usarse para diferentes tipos de configuraciones de lecho reconocibles o cualitativamente que se producen en algún rango de condiciones de flujo y sedimento y que están estrechamente relacionadas en geometría y dinámica. Finalmente, el término forma de cama (una palabra) es ampliamente utilizado, indiscriminadamente, para los cuatro aspectos anteriores de la geometría del lecho.

Las configuraciones de lecho que son comunes en entornos de flujo natural pueden ser generadas por flujos puramente unidireccionales, flujos combinados y flujos puramente oscilatorios. Señalé en el Capítulo 6 que incluso los flujos puramente oscilatorios en entornos de flujo natural pueden ser más complejos que aquellos con un solo componente de flujo oscilatorio, y que una amplia gama de flujos oscilatorios pueden superponerse a una corriente unidireccional. (Este sería un buen punto en el que volver atrás y revisar la naturaleza de los flujos oscilatorios y combinados).

Bien puede imaginar, entonces, cuán amplia gama de configuraciones de cama deberíamos esperar tener que lidiar si nos esforzamos por hacer una encuesta inclusiva de configuraciones de cama. La enorme gama de flujos que pueden generar configuraciones de lecho, junto con la compleja dinámica de la respuesta del lecho, hace que la geometría de las configuraciones de lecho resultante sea muy variada. En un sentido, sin embargo, esto es afortunado para los sedimentólogos, porque proporciona una gran variedad de diferentes estructuras sedimentarias que pueden usarse para intentar hacer interpretaciones paleoflow!

Tanto los ingenieros como los geólogos llevan más de cien años realizando experimentos de laboratorio sobre formas de lecho, además de observar su movimiento en entornos de flujo natural. La comprensión de las configuraciones de lecho de flujo unidireccional es bastante buena por ahora, aunque de ninguna manera perfecta. El trabajo en configuraciones de lecho de flujo oscilatorio está menos avanzado, creo que debido a la dificultad de disponer flujos oscilatorios con largos períodos de oscilación en el laboratorio. Finalmente, las configuraciones de lecho de flujo combinado aún no se han estudiado mucho.

Si el flujo cambia con el tiempo, la configuración del lecho se ajusta en respuesta. En los flujos naturales, el equilibrio entre el lecho y el flujo es la excepción más que la regla: generalmente la configuración del lecho va a la zaga del cambio en el flujo. Dicho desequilibrio es un elemento importante de complejidad que hace que las relaciones entre las fases del lecho sean mucho más difíciles de descifrar, pero sus efectos son muy importantes en entornos de flujo natural.

En el entorno natural la mayoría de las formas de lecho se ven en las arenas, pero también se producen en limos y gravas. De mayor interés para los geólogos, oceanógrafos e ingenieros hidráulicos son las formas de lecho producidas por flujos de aire o agua sobre sedimentos minerales con forma de grano igual, pero un rango mucho más amplio, importante en muchas aplicaciones de ingeniería, puede ser producido por flujos de otros fluidos con otras densidades y viscosidades sobre sedimentos menos densos o más densos que los sedimentos minerales comunes.

Muchos científicos naturales creen (y yo estoy entre ellos) que debe haber un enorme número de planetas similares a la Tierra en todo el universo. El campo de planetas extraterrestres es un campo de rápido crecimiento hoy en día, y no me sorprendería saber, en un futuro no muy lejano, que tales planetas similares a la Tierra están siendo descubiertos. Al estudiar un fenómeno físico como las configuraciones de camas, existe un elemento de peligro al restringir nuestra consideración solo a los pocos puntos del espectro de proporciones de densidad con los que tenemos a mano: arena en agua en la Tierra; arena en aire en la Tierra; arena en la atmósfera marciana de la atmósfera venusiana; ver Figura 8.1.5, en el Capítulo 8). En cierto sentido, ¡no hay nada especial en esos puntos particulares del espectro!

Aparte de su interés científico intrínseco, las formas de cama son importantes tanto en geología como en ingeniería. Las grandes formas de lecho subacuoso de muchos metros de altura pueden ser obstáculos para la navegación, y su movimiento puede ser una amenaza para las estructuras submarinas. Los ingenieros están interesados en las configuraciones de lecho en parte porque juegan un papel importante en la determinación de la velocidad de transporte de sedimentos, pero quizás principalmente por su importancia para determinar la resistencia que un canal presenta a un flujo. Por ejemplo, predecir la profundidad de flujo en un canal construido con una pendiente dada y diseñado para transportar una descarga de agua dada requiere conocer la configuración del lecho que se espera. Los sedimentólogos han prestado atención a las configuraciones de lecho principalmente por su papel en el desarrollo de la estratificación en depósitos sedimentarios; las formas de lecho son una de las herramientas más útiles disponibles para interpretar ambientes sedimentarios antiguos.

El estado de las observaciones sobre las configuraciones de cama es bueno, pero hay mucho margen para mejorar aún más. Es fácil observar configuraciones de lecho en flujos oscilatorios bidireccionales y bidireccionales estables en canales y tanques de laboratorio. Pero todavía hay una gran necesidad de más trabajos de laboratorio, en parte porque las relaciones generalmente pequeñas de ancho a profundidad de tanques y canales tienden a inhibir el desarrollo completo de los aspectos tridimensionales de la geometría del lecho, pero también, y lo más importante, porque no se ha hecho mucho trabajo con multidireccional flujos oscilatorios y, especialmente, flujos combinados. E incluso los experimentos de laboratorio más grandes están restringidos a las profundidades de flujo en el extremo inferior del rango de profundidades de flujo natural. En la naturaleza, por otro lado, las observaciones sobre las configuraciones de camas están limitadas por dificultades prácticas y técnicas, y los flujos que las producen suelen ser más complicados.