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TÓPICOS DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIAS DE LA TIERRA Y MATERIALES VOL 4 (2017)

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo ISSN: 2395-8405 pág. 63

TÓPICO II: CIENCIAS DE LA TIERRA



MORFOMETRÍA DEL CERRO SAN CRISTÓBAL, PACHUCA, HIDALGO

L. E. Ortiz-Hernández1,*, M. L. Ramón-Melo2, J. C. Escamilla-Casas1, E. Cruz-Chávez1

1Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, UAEH, Mineral de la Reforma, Hidalgo [email protected]

2Licenciatura en Ingeniería en Geología Ambiental, UAEH, Mineral de la Reforma, Hidalgo [email protected]

* Autor de correspondencia: [email protected]

RESUMEN El cerro San Cristóbal se ubica en la sierra de Pachuca, en la inmediata vecindad de la ciudad de Pachuca. Se realizó su análisis geomorfológico a partir de mapas morfométricos de disección horizontal y vertical, de pendientes e hipsométrico, con la finalidad de obtener parámetros cuantitativos del relieve. La litología predominante es andesita, andesita basáltica, brecha volcánica andesítica y dacítica, riolita y toba riolítica. De acuerdo a su hipsometría, se clasifica como montaña intermedia, dado que su intervalo de elevación va de 2872 a 2954 msnm. La topografía es de pendiente muy inclinada y es notable un incremento de erosión hacia el flanco sur, pero sin variación significativa. La variación registrada de clima semiárido templado a templado subhúmedo, es debido a que esta cima actúa como sobra meteorológica, lo que impacta asimismo con el tipo de vegetación y el uso del suelo. Palabras Clave: Morfometría, Sierra de Pachuca, Cerro San Cristóbal, Pachuca, Hidalgo. 1. INTRODUCCIÓN Y MARCO GEOLÓGICO El cerro denominado San Cristóbal se localiza en el sector oriental de la Faja Volcánica Transmexicana, en el corazón de la sierra de Pachuca (coordenadas UTM 524 246 a 528 346 y 2 228 432 a 2 225 832), al NE de la ciudad de Pachuca de Soto, Hidalgo (figura 1). Las rocas que afloran en el área consisten en una sucesión volcánica, ligeramente inclinada, cuya edad va del Oligoceno Temprano al Plioceno Tardío, que ha sido agrupada en el Grupo Pachuca [1]. Su composición litológica varía desde riolita hasta basalto, con predominancia de dacita y andesita. [2, 3 y 4] muestran que la litología predominante en esta porción de la sierra de Pachuca es andesita, andesita basáltica, brecha volcánica andesítica y dacítica, riolita y toba riolítica (Figura 2). Las fallas que afectan a la sierra de Pachuca están orientadas NO-SE, NE-SO, E-O y N-S, siendo principalmente de tipo normal. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL La metodología incluyó la recopilación y análisis de la bibliografía del área de estudio, reconocimientos de campo y elaboración de los diferentes mapas geomorfológicos, de drenaje, de pendientes, de disección vertical y horizontal del relieve, así como del modelo digital de elevación, utilizando tanto datos vectoriales como ráster en ArcGis 10.2.2. Para la geología se tomó como mapa base la carta geológica Pachuca (F14D81), escala 1:50,000, del Servicio Geológico Mexicano y su texto explicativo [3 y 4].

mailto:[email protected]



Figura 1. Mapa de localización del cerro San Cristóbal, mostrado en el recuadro.

Figura 2. Mapa litológico de una porción de la sierra de Pachuca [3].



3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las corrientes de agua superficiales que rodean el área de estudio son intermitentes. Hacia el lado de la ciudad de Pachuca, el tipo de drenaje es paralelo y desaparece al llegar a la base de la montaña. Hacia el lado norte, los cauces forman ángulos rectos, siendo de tipo rectangular (figuras 2 y 3). En esta porción de la sierra de Pachuca, las pendientes predominantes van de los 15 a los 35° correspondientes a elevaciones muy inclinadas, que se suavizan en sus partes bajas, teniendo 15° de inclinación, hasta 2°. Hacia la cima del Cerro San Cristóbal, se presentan las pendientes de mayor valor, que van de los 55 a los 90° (figura 3).

Figura 3. Mapa de pendientes mostrando asimismo las corrientes de agua [5]. Pendiente en grados.

El valor promedio de la disección horizontal oscila en el rango de 1.0 a 1.5. Hacia la ciudad de Pachuca, es decir en la zona de piedemonte y planicie los valores de disección son bajos, y existe disección de entre 0-0.5 km/km2, mientras que hacía el noroeste, la disección horizontal se incrementa



en un rango de 1.3 -1.9, debido a la unión de tres cauces de agua. Pueden notarse los valores de disección mayores, de un rango de 2.0 a 2.5 km/km2. Se puede decir que la disección horizontal es variable en esta pequeña zona, considerando los valores que presenta que van de 0 a 2.7, que se alternan y distribuyen en toda el área (figura 4).

Figura 4. Mapa de disección horizontal del relieve [5].

Los valores de disección vertical del relieve de la porción estudiada de la Sierra de Pachuca, van de 20 a 440 m/km2. De acuerdo a la clasificación morfométrica del relieve [6], se tienen las siguientes formas de relieve: una notable predominancia de montañas ligeramente diseccionadas, cuyos valores van de 100-250 m/km2, al NE del mapa. La porción noroccidental del mapa y el Cerro de San Cristóbal, corresponden a montañas medianamente diseccionadas (figura 5).



Figura 5. Mapa de disección vertical del relieve [5].

Los valores representados con colores verdes, que van de 20 a 40 m/km2 representan llanuras colinosas medianamente y fuertemente diseccionadas, estos se localizan al sur que es la ciudad de Pachuca y al oeste del mapa. Hay solo dos valores en el rango de 60-80 m/km2, al SO del mapa que representan lomeríos y colinas medianamente diseccionadas. La disección que se presenta no es fuerte, debido a la litología volcánica presente, considerada como resistente. De esta manera se observa como las cimas de la zona de estudio tienen menor disección que sus laderas. Esto se debe a que en las partes más altas los procesos hídricos no son protagonistas, sino más bien los procesos erosivos.



4. CONCLUSIONES De acuerdo a su hipsometría, el Cerro San Cristóbal, se clasifica como montaña intermedia (intervalo de elevación va de 2872 a 2954 msnm). Se puede evidenciar un aumento de erosión, predominante hacia su flanco sur. La denudación y la estructura del cerro, provoca incremento del grado de las pendientes. La mayor parte de la topografía es de pendiente muy inclinada, a excepción de la ciudad de Pachuca, ubicado en una planicie, pero dado que los cauces de agua son intermitentes y de tipo paralelo, no conlleva riesgo de deslizamiento por gravedad. Se considera que la tectónica y los elementos estructurales han contribuido a dar forma a la topografía actual de la unidad de montaña Cerro San Cristóbal, en consecuencia, la orientación del área de estudio actúa como sombra meteorológica, dado que se registra clima semiárido templado a templado subhúmedo, y contrario a lo esperado, la erosión hídrica no es el modelador principal de relieve. Además, cuenta con una disección media y las corrientes de agua presentes son intermitentes; por tanto, el clima tendrá notable influencia, debido a que define la vegetación de la zona. BIBLIOGRAFÍA [1] A. R Geyne, C. J. Fries, K. Segerstrom, R. F. Black y I. F.Wilson: Geología y yacimientos minerales del distrito Pachuca-Real del Monte, Estado de Hidalgo México, México D.F., Consejo de Recursos Naturales no Renovables. 1963, 222 p. [2] A. M. Ortiz-Campa, J. M Aguilar-Díaz, H. M. Ángeles-Godínez, G. A. Ramos-García, M.A. Díaz-Ortiz, L. Del Ángel-Trejo, J. C. Escamilla-Casas, J. Castro-Mora y L. E. Ortiz-Hernández: Reconocimiento geológico del Cerro San Cristóbal, distrito minero Pachuca-Real del Monte, Estado de Hidalgo: Mineral de la Reforma, Hidalgo, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, reporte técnico. 2016, 2 pp. [3] Carta geológico-minera Pachuca de Soto F14D81, escala 1: 50,000: Servicio Geológico Mexicano (SGM), Pachuca, Hidalgo. 2005. [4] Informe técnico de la carta geológico-minera Pachuca de Soto F14D81, escala 1:50,000. Servicio Geológico Mexicano (SGM), Pachuca, Hidalgo, informe técnico, 2005, 115 pp. [5] INEGI, Imágenes de satélite. Recuperado el 07 de octubre de 2015 desde: http://www.inegi.org.mx/geo/contenidos/imgpercepcion/imgsatelite/landsat.aspx [6] D. J. Pérez, J. R. Hernández, F. Rosete, M. Villalobos y A.P. Méndez: Unidades morfométricas del relieve mexicano, a escala 1:25,000: plataforma geomorfológica para la ordenación ecológica territorial en Congreso Internacional de Ordenamiento Territorial y Ecológico Retos Sociales, Económicos y Culturales, Ensenada, B.C., México, 2011.



ANÁLISIS MORFOGÉNETICO PRELIMINAR DE UNA PORCIÓN DE LA SIERRA DE PACHUCA, MÉXICO

L. E. Ortiz-Hernández1,*, N. Cantera-Velázquez2, J. C. Escamilla-Casas1, E. Cruz-Chávez1

1Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, UAEH, Mineral de la Reforma, Hidalgo

[email protected] 2Licenciatura en Ingeniería en Geología Ambiental, UAEH, Mineral de la Reforma, Hidalgo

[email protected] * Autor de correspondencia: [email protected]

RESUMEN En la porción sudoriental de la sierra de Pachuca que comprende parte de los municipios de Mineral de la Reforma, Epazoyucan, Singuilucan, Villa de Tezontepec, Zempoala y Tlanalapa, en el estado de Hidalgo, se reconoce una estructura semi-elíptica de eje mayor 20 km y eje menor 13 km, interpretada como una caldera volcánica. Esta estructura posee varias geoformas volcánicas asociadas (domos, conos mongenéticos, cuellos volcánicos, derrames de lava y flujos piroclásticos). La caldera está limitada al norte por el complejo estratovolcánico riolítico de las Navajas (Pleistoceno), al este por conos monogenéticos plio-cuaternarios, al sur por el complejo dómico andesítico de Los Pitos (Mioceno-Plioceno tardío) y al oeste por flujos basálticos y piroclásticos, así como domos y cuellos volcánicos riolíticos. El análisis morfogenético de esta estructura permite establecer algunos hechos relevantes acerca de su génesis. Palabras Clave: Geomorfología, caldera, volcanismo, Faja Volcánica Transmexicana, Hidalgo. 1. INTRODUCCIÓN Y LOCALIZACIÓN La estructura geológica estudiada comprende una porción de los municipios de Mineral de la Reforma, Epazoyucan, Singuilucan, Villa de Tezontepec, Zempoala y Tlanalapa (Figura 1), en la porción sudoriental de la sierra de Pachuca y oriental de la Faja Volcánica Transmexicana. Cubre parte de las cartas topográfica a escala 1: 50, 000: Pachuca (F14-D81), Tulancingo (F14-D82), Tizayuca (E14-B11) y Ciudad Sahagún (E14-B12), del INEGI. Las imágenes de satélite muestran que se trata de una estructura en forma semi-eliptíca de eje mayor 20 km y eje menor 13 km, orientada NE40-45°SO. No es cerrada completamente, ya que su borde SO está abierto, por lo cual se asemeja más a una estructura en forma de herradura (figura 1). Morfológicamente, constituye pequeñas sierras y valles situados por arriba de los 2,000 msnm, destacando entre sus estructuras volcánicas: conos monogenéticos, volcanes compuestos, calderas, domos, flujos piroclásticos y derrames lávicos asociados con fracturas y fallas regionales orientadas NE-SO y NO-SE.




Figura 1. Mapa de localización geográfica del área de estudio. Los límites corresponden a la porción de los municipios que engloba el área.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y GEOLOGÍA DEL ÁREA La metodología de trabajo para el análisis morfogenético incluyó recopilación y análisis de la información del área, trabajo de campo, elaboración de mapas de drenaje, geológico, de pendientes, así como del modelo digital de elevación, utilizando tanto datos vectoriales como ráster, en ArcGis 10.2.2. Dentro de la geoforma de herradura se tienen rocas que por correlación pueden ser del Mioceno superior, Plioceno, Pleistoceno y Cuaternario. Las primeras afloran como remanentes en la porción SO de la geoforma, en Zempoala y al NO, cerca del poblado El Manzano; en tanto que en la sierra de Los Pitos se tiene rocas del Plioceno-Cuaternario [1]. En la porción NE, cerca de Epazoyucan, se tienen sedimentos fluvio-lacustres del Pleistoceno tardío (Rancholabreano) con équidos [2] y mamut Columbi del Pleistoceno en Matías Rodríguez, derrames basálticos cuaternarios, y flujos piroclásticos con pumicita e ignimbritas, domos andesíticos y cuellos volcánicos riolíticos. De manera simplificada las unidades volcánicas pueden englobarse en complejos volcánicos, a saber: a). complejo volcánico y volcaniclástico (más de 2000 m de espesor), del Grupo Pachuca [3], del Oligoceno tardío al Plioceno temprano, que constituye derrames lávicos y piroclásticos, domos y calderas afectados por fallas NE-SO, NO-SE y E-O. El campo volcánico de Apan-Tecocomulco del Mioceno medio (~16 to ~10 Ma) al Pleistoceno tardío (~42-31ka) [4, 5 y 6], formado de



estratovolcanes orientados NNE-SSO, domos y derrames piroclásticos, generó un vulcanismo basáltico a riolítico. Está afectado por fallas normales NE-SO y fosas y pilares. El complejo volcánico riolítico de Tulancingo constituido por los productos emitidos por la caldera de Tulancingo (Plioceno, 32 km de diámetro) y la de Acoculco (Pleistoceno, 18 km de diámetro) [7 y 8]. Domos dacíticos, depósitos de ignimbritas y conos de escoria en las regiones de Apan y de Acoculco arrojan edades que varían entre 3 y 2 Ma) [8]. Entre 2 y 1 Ma se produjo abundante vulcanismo silícico y andesítico en la caldera de Acoculco) [8]. Entre 0.5 y 0.1 Ma se formaron diversos conos de escoria en la región de Apan-Tecocomulco-Ciudad Sahagún [5 y 6]. Un derrame basáltico localizado dentro de la estructura arroja una edad Rb/Sr menor a 1 Ma [9], mientras que las edades K-Ar reportadas para los derrames de lava asociados a los volcanes monogenéticos varían entre 2.1 Ma) [5], 8 Ma [10]. 1.3, 1.0, 0.9, 0.24 y 0.2 Ma) [8].

Figura 2. Mapa litológico del área de estudio [12] mostrando las unidades litológicas reconocidas. Qv=lavas y tobas, Qal= depósitos aluviales, Tpt= andesitas y riolitas, Qiv= Riolita Navajas, Tpv= rocas

volcánicas ácidas a intermedias, Tmv= rocas volcánicas ácidas, Tpz= ignimbritas, Qid= rocas volcánicas intermedias a básicas, Tmd= dacitas, Qvd= basaltos y depósitos aluviales, Tpd= domos,

Qivc= basaltos y depósitos aluviales, QiN= rocas volcánicas básicas a intermedias, Tav= rocas volcánicas ácidas a intermedias, Qvc= conos volcánicos cuaternarios, Teab= lavas y tobas básicas a

intermedias.



La estructura está limitada al norte por el complejo estratovolcánico riolítico peralcalino del cerro Las Navajas, del Pleistoceno ([11, 10], que contiene lavas basálticas medianamente alcalinas y al sur por el complejo dómico andesítico-riolítico de Los Pitos, que comprende un conjunto de domos andesíticos-riolíticos del Plioceno tardío, rodeado en su periferia por volcanes pequeños del Cuaternario de composición dacítica y al sur de composición andesítica a basáltica [1]. El mapa litológico a escala 1:100, 000 [12] de la geoforma reconocida, entre las coordenadas geográficas 19º 52΄ a 20º 04΄ de latitud N y 98º 29´ a 98º 48΄ de longitud O, muestra la predominancia de rocas volcánicas del Terciario y algunas del Cuaternario (figura 2). 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El mapa de patrones de drenaje muestra los tipos radial centrífugo (I), dendrítico (II) a sub-dendrítico (III) y sub-paralelo (IV) (figura 3). Estos patrones de drenaje pueden ser relacionados a la estructura geológica y la litología predominante en cada zona, por ejemplo, el radial centrífugo corresponde al complejo de domos Los Pitos, el dendrítico a sub-dendrítico a rocas volcánicas y piroclásticas, con baja permeabilidad, escasa vegetación y laderas bajas y el sub-paralelo a la estructura con baja permeabilidad, baja cobertura vegetal y pendientes fuertes.

Figura 3. Mapa de patrones de drenaje en el área estudiada. Se aprecia el drenaje de tipo radial centrífugo (I), dendrítico (II), sub-dendrítico (III) y sub-paralelo (IV).



El mapa de pendientes muestra que las pendientes van de 0 a 51.36° (figura 4).

Figura 4. Mapa de pendientes de la geoforma. Valores de pendiente en grados.

Los valores de pendientes más suaves que van de 0-5° se tienen en la porción NE y SE del área, en las faldas del complejo dómico de Los Pitos y en las faldas del volcán Tecajete, por lo cual se clasifica en plano o ligeramente inclinado, según la clasificación de [13]. Las pendientes más pronunciadas que van de 35 a 51.36 (muy inclinado a inclinado), se relacionan a conos monogenéticos y a domos. Los conos monogenéticos son de forma abierta en herradura (Cerro Molcajete, Cerro Tepetongo, Cerro Metepec y La Rinconada) y anulares cerrados, según la clasificación morfológica de [14]. Su pendiente puede ser muy inclinada (>10°), ya que varía entre 15-35°, según la clasificación de pendientes de [13]. El alineamiento de los conos monogenéticos en el área puede representar el campo de esfuerzos regional [15, 16], y también un cambio de magmatismo somero a más profundo [17]. De acuerdo a las diferentes estructuras volcánicas asociadas (domos, conos mongenéticos, cuellos volcánicos, derrames de lava y flujos piroclásticos), así como la presencia de varios lineamientos circulares dentro de una geoforma en herradura, se interpreta la existencia de una caldera volcánica, aquí denominada caldera Epazoyucan, de 20x13 km (figura 5). La caldera está afectada por fallas normales orientadas E-O y NO-SE en su margen norte, y es próxima al complejo estratovolcánico riolítico de las Navajas (Pleistoceno). Hacia el E, la caldera está enmascarada por un grupo de conos monogenéticos plio-cuaterrnarios, entre los cual destaca el volcán Tecajete (2800 msnm), con una altura de 70 m y un diámetro basal de 580 m. El margen S de la caldera es abierto, pero está limitado por el complejo dómico andesítico-riolítico de Los Pitos (Mioceno-Plioceno tardío). Finalmente, en su



margen Oeste, cerca de San Juan Tizahuapan y Epazoyucan, se tienen flujos basálticos y piroclásticos (incluyendo pumicita e ignimbritas), así como domos riolíticos y cuellos volcánicos. El anillo del cráter tiene 3 km de diámetro y 12 m de profundidad, lo que es factible para las dimensiones de la caldera (20 km y eje menor 13 km).

Figura 5. Imagen satelital [18] de la caldera Epazoyucan (trazo de margen de caldera, punteado en blanco; fallas, trazo punteado en negro), mostrando las estructuras asociadas. En primer plano la sierra

de Los Pitos y al fondo el complejo volcánico de la sierra de Las Navajas que son las mayores elevaciones en el área, con 3000 y 3180 msnm, respectivamente.

De acuerdo a [19], las calderas con forma de herradura son un tipo especial de calderas de erosión formadas en un periodo de tiempo corto y por avalanchas de fragmentos de gran escala. De acuerdo con estos autores, una depresión volcánica en forma de herradura puede ser una caldera donde se ha producido deslizamiento de laderas, o en su defecto, puede haber sido transformada por efecto de glaciares. [20] han mostrado a partir de estudios experimentales, que una extensión pre-caldera provoca el desarrollo de estructuras de colapso elípticas con el eje mayor paralelo a la dirección de extensión, lo mismo que la resurgencia, que tiene el eje mayor perpendicular a su dirección de extensión. Estos autores también sugieren que el colapso elíptico y las estructuras resurgentes se forman por reactivación de estructuras pre-existentes y entonces las calderas elípticas se pueden formar por cámaras magmáticas circulares que han sufrido extensión. [21] consideran que las cámaras magmáticas pueden empezar a elongarse paralelamente al mínimo esfuerzo horizontal (es decir, a la dirección de extensión), y durante la erupción se formarán calderas elípticas. [22] especifican que las calderas de forma elíptica se forman en regímenes extensivos y compresivos, por efecto de: a). una cámara magmática elongada, orientada según el máximo o mínimo esfuerzo horizontal y emplazada gracias a la estructura del basamento, b). por sobreposición de varias calderas anidadas de menor tamaño, que se unen para formar una grande de forma elíptica, c). por subsidencia



asimétrica, d). por topografía variable pre-colapso, e). por distorsión de fallas de la caldera, durante su formación, y f). por distorsión post-colapso de la caldera debido a la deformación regional. Se considera que tanto la geometría de la cámara magmática subyacente a la caldera, como el régimen tectónico que genera el campo de esfuerzos, son los responsables de la forma semi-elíptica de la caldera Epazoyucan. 4. CONCLUSIONES Se realizó el análisis morfogenético preliminar de una geoforma semi-elíptica o de herradura de la porción sud-oriental de la sierra de Pachuca, que alberga estructuras volcánicas tales como conos cineríticos, derrames de lava, flujos piroclásticos (incluyendo ignimbritas y pumicitas), cuellos volcánicos y domos, reconociéndose un complejo caldérico del Mioceno tardío-Plioceno-Cuaternario. Los rasgos geomorfológicos están relacionados con la estructura geológica regional y son consistentes con la erupción de una caldera volcánica, posiblemente anidada (aquí denominada caldera Epazoyucan), con erupciones piroclásticas explosivas a lo largo de fracturas anilladas y producción de nubes ardientes. Los conos monogenéticos se formaron preferentemente en la periferia de la caldera y atestiguan posiblemente de un cambio de somero, a más profundo de magmatismo. Dada su diversidad litológica (basalto, andesita, dacita y riolita) y las estructuras volcánicas asociadas, se sugiere que su actividad volcánica, fue posiblemente durante un período de tiempo prolongado. Es notorio que la forma de herradura se repite en la caldera y en algunos conos monogenéticos, lo que podría ser el resultado de la topografía pre-colapso y la cinemática de la deformación regional de este sector de la Faja Volcánica Transmexicana, que generó una elongación NE-SO, durante la etapa sin-caldera o post-caldera. BIBLIOGRAFÍA [1] J.J. Zamorano-Orozco, L.M. Tanarro-García, J. Lugo-Hubp y G. Sánchez-Rubio: Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, 2001, vol. 19, núm. 1, pp. 66-79. [2] V.M. Bravo-Cuevas, E. Jiménez-Hidalgo y J. Priego-Vargas: Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, 2011, vol. 28, núm. I, pp. 65-82. [3] A.R Geyne, C.J. Fries, K. Segerstrom, R.F. Black, y I. F. Wilson: Geología y yacimientos minerales del distrito Pachuca-Real del Monte, Estado de Hidalgo México, México D.F., Consejo de Recursos Naturales no Renovables. 1963, 222 p. [4] O. Ledezma-Guerrero: Resumen de la geología de la hoja Calpulalpan, Estados de México, Tlaxcala, Puebla e Hidalgo. Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Geología, Carta Geológica de México, serie 1:100, 000, mapa con texto. 1987, pp. 12. [5] A. García-Palomo. J. L. Macías, G. Tolson, G. Valdez y J.C. Mora: Geofísica Internacional, 2002, vol. 41, núm. 2, pp. 133-150. [6] G.P. García-Tovar, R.G. Martínez-Serrano, J. Solé, J.C. Correa-Tello, E.Y. Núñez-Castillo, H. Guillou y E. Monroy-Rodríguez: Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, 2015, vol. 32, núm. 1, pp. 100-122. [7] A. López-Hernández, G.J. Aguirre-Díaz y M. López-Martínez: Segunda Reunión Nacional de Ciencias de la Tierra, Geos. 2000, vol. 20, pp. 309. [8] A. López-Hernández: Evolución volcánica del complejo Tulancingo-Acoculco y su sistema hidrotermal, estados de Hidalgo y Puebla, Tesis de Doctorado en Ciencias de la Tierra, UNAM, Juriquilla, Querétaro, México. 2009, 170 pp. [9] J.M. Cantagrel y C. Robin: Bulletin de la Societé Géologique de France, 1978, vol.7, t XX, núm. 6, pp. 935-939. [10] S.A Nelson y A. Lighthart: Field excursion to the Sierra Las Navajas, Hidalgo, Mexico-A



Pleistocene peralkaline rhyolite complex with a large debris avalanche deposit. Instituto de Investigaciones en Ciencias de la Tierra de la UAEH e Instituto de Geología de la UNAM. II Convención sobre la Evolución Geológica de México y Recursos Asociados, Pachuca, Hidalgo. Libro-guía de las excursiones geológicas, Excursión 4, 1997, pp. 89-96. [11] A. Castro-García y D. Córdoba-Méndez: Pancromo 23, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, 1994, vol. 1, núm. 1, pp. 26-39. [12] F. Mooser, A. Montiel y A. Zúñiga: Nuevo mapa geológico de las cuencas de México, Toluca y Puebla. Estratigrafía, tectónica regional y aspectos geotérmicos. Escala 1: 100,000, Comisión Federal de Electricidad. México, D.F, 1996. [13] J. Demek: Manual of detailed geomorphological mapping. Academy of Sciences, Praga, Akademia, 1972, 344 pp. [14] J. Dónis-Páez: Geomorphology, 2015, vol. 228, pp. 432-447. [15] N. Le Corvec, K.B. Sporli, J. Rowland y J. Lindsay: Earth Science Reviews, 2014, vol. 124, pp. 96-114. [16] S.A. Alaniz-Álvarez, A.F. Nieto-Samaniego y L. Ferrari: Geology, 1998, vol. 26, pp. 591-594. [17] J. Martí, C. López, S.Bartolini, L. Becerril y A. Geyer: Frontiers in Earth Sciences, 2016, vol 4, art. 106, pp.1-17. [18] GEOMAPAPP, Marine Geoscience Data System. Disponible en Web: http://www.geomapapp.org/, 2014. [19] D. Karátson, J.C. Thouret, I. Moriya y A. Lomoschitz: Bulletin of Volcanology, 1999, vol. 61, pp. 174-193. [20] V. Acocella, R. Funiciello, E. Marotta, G. Orsi y S. de Vita: Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2004, vol.129, pp.199-217. [21] W. Bosworth, K. Burke y M. Strecker: Tectonics, 2003, vol. 22, núm. 4, article 1042, 21 pp.. [22] E.P. Holohan, V.R Troll, T.R. Walter, S. Munn, S. McDonell y Z.K. Shipton: Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2005, vol. 144, pp. 119-136.

http://www.geomapapp.org/



DETECCIÓN DE PÉRDIDA DE PLAYA MEDIANTE TRATAMIENTO DIGITAL DE IMÁGENES MULTIESPECTRALES DE RESOLUCIÓN ESPACIAL MEDIA EN LA REALIZACIÓN DEL MAPA

NACIONAL DE SUSCEPTIBILIDAD A LA EROSIÓN COSTERA

Z. Vázquez-Ostos1,*, A. F. Barrientos-Reyna2, V. A. Minjares-Rivera3

1Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), Pachuca de Soto, Hidalgo [email protected]

2 Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), Aguascalientes, Aguascalientes [email protected]

3 Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), Hermosillo, Sonora [email protected]

* Autor de correspondencia: [email protected]

RESUMEN La zona costera es una región de muy alta productividad biológica, presenta gran diversidad de ecosistemas y se desarrollan muchos procesos naturales y actividades económicas. En México, 17 estados presentan costa y el 15% de la población total del país vive en zonas costeras. En el 2011, el Instituto Nacional de Estadística y Geografía INEGI realizó el Inventario Nacional de Fenómenos Geológicos, incluyendo Erosión Costera, en el que se ubicaron sitios donde se ha reportado pérdida de playa; tomando como insumos, trabajos académicos, artículos o notas periodísticas. A partir del 2012, se trabaja en el mapa de susceptibilidad de erosión costera, generando información propia, que pretende dar cubrimiento nacional del fenómeno; para lograrlo se detecta perdida de playa utilizando el tratamiento digital de imágenes multiespectrales de resolución espacial media. La finalidad del proyecto es que éste sea de utilidad, tanto a investigadores en ciencias ambientales y terrestres, como a las distintas instancias de gobierno que toman decisiones en cuanto al manejo costero.

Palabras Clave: Erosión costera, imágenes satelitales, mapa de susceptibilidad, percepción remota, México.

1. INTRODUCCIÓN Los fenómenos geológicos son manifestaciones naturales recurrentes, que tienen su origen en la dinámica interna y externa de la tierra, los cuales son inevitables, por lo que es importante aprender a convivir con ellos, sin embargo, es necesario minimizar los efectos en la ocurrencia de estos eventos y en algunos casos evitar el daño a las vidas humanas, sus bienes y su entorno. En la actualidad, en muchas regiones alrededor del mundo, los efectos naturales y antropogénicos, como el calentamiento global y el descontrolado desarrollo en la franja costera, han generado alteraciones importantes en la dinámica litoral, cambiando el equilibrio natural de los depósitos sedimentarios que conforman playas y dunas, así como en el incremento de erosión en los acantilados. La erosión en las costas de México es el resultado de una combinación de causas tanto naturales como inducidas por el hombre. El control de avenidas y retención de sedimentos por las presas de los ríos, la obstrucción del drenaje fluvial y la destrucción de dunas por parte de los desarrollos turísticos y urbanos, causan desequilibrio de los sistemas costeros, provocando procesos erosivos acelerados con pocas posibilidades de recuperación [1].







El Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), tiene la responsabilidad de normar y coordinar el Sistema Nacional de Información Estadística y Geográfica (SNIEG), a través de dicho sistema y conforme al artículo 59, de su misma ley, el INEGI tiene la facultad de producir información geográfica de interés nacional. El registro de la información referida constituye un insumo invaluable en la planeación, prevención, seguimiento y fortalecimiento de las políticas públicas y acciones que en materia de protección civil preventiva se debe incorporar en México. En respuesta a la necesidad mencionada, el INEGI, se ha dado a la tarea de generar y administrar el Inventario Nacional de Fenómenos Geológicos que está disponible en el Mapa Digital de México (figura 1) en su versión 6.3.0 (http://gaia.inegi.org.mx/mdm6/). El tema de erosión costera dentro del inventario fue conformado a partir de la recopilación y análisis de información digital e impresa en México; se utilizaron registros de bases de datos, documentos académicos y científicos, así como de fuentes hemerográficas. Posteriormente se ubicaron y georeferenciaron cada uno de los sitios que han reportado algún grado de erosión utilizando conjuntos vectoriales como: Marco Geoestadístico Nacional de INEGI, versión 2015, topográficos escala 1:50 000 y 1:250 000 y raster: imágenes de satélite y ortofotos; todo ello apegado a su respectivo Diccionario de Datos [2].

Figura 1. Inventario Nacional de Fenómenos Geológicos; capa de Erosión Costera, en el Mapa Digital

de México del INEGI.

El inventario se inició con 71 registros de Erosión Costera en el litoral mexicano, actualmente se tiene un total de 574 sitios con alguna condición de pérdida de playa. En México no se ha publicado un mapa a nivel nacional que registre el fenómeno de erosión costera, que dé cuenta de la ubicación geográfica, condiciones, características y entorno, así como la estimación de la tasa de pérdida de sedimento. Por ello el Departamento de Geología de la Dirección General de Geografía y Medio Ambiente del INEGI, consideró dentro de su programa de trabajo, elaborar el mapa Nacional de Susceptibilidad a la Erosión Costera. El propósito de este trabajo es describir el uso de las imágenes de satélite de resolución media como Landsat y Spot, para la detección de cambio en la línea costera y determinar áreas con niveles erosión. De 1807 a 1927, todas las representaciones de la línea costera fueron generadas a través de mediciones en campo. De 1927 a 1980 las fotografías aéreas fueron conocidas como la única fuente para el mapeo de la costa mediante técnicas de restitución. A partir de la década de los 1970’s, la comunidad



científica tiene acceso a las imágenes de satélite que, a diferencia de las fotografías aéreas, las imágenes de satélite proporcionan una visión global y periódica de la superficie terrestre [3]. Los satélites con sensor remoto multiespectral proveen imágenes digitales en bandas espectrales del infrarrojo donde la interfase agua-tierra está bien definida [4]. En los últimos años se han tenido grandes avances en la tecnología de las imágenes de satélite, donde la resolución (espacial y radiométrica) ha ido en aumento, tal es el caso de las plataformas: Geoeye, Aster, Ikonos y Quickbird. A nivel mundial se han realizado numerosos trabajos referentes a la detección de cambio de la línea costera utilizando imágenes de resolución media de los cuales se pueden mencionar: Un estudio de detección de cambio en la línea de costa combinando las técnicas de cocientes de banda y umbral del histograma en la banda del infrarrojo [5]. También la determinación de cambios en el nivel del agua del lago Seyfe, Turquía empleando imágenes Landsat y con técnicas de clasificación digital [6]. En México, también se han realizado trabajos enfocados a determinar el cambio en la línea costera, sobre todo trabajos de investigación y formación académica por parte de instituciones como la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) a través de Institutos como el de Geografía, de Ingeniería y su laboratorio de Procesos Costeros, así como el Instituto Politécnico Nacional a través del CINVESTAV. También destacan algunos Atlas de Riesgos tanto municipales, regionales y Estatales. 2. MATERIALES Y MÉTODO IMÁGENES La obtención de las líneas de costa y extracción de los polígonos de erosión costera de forma semi-automática se realiza identificando y delimitando todas las áreas que manifiesten la erosión, las cuales son detectables mediante el tratamiento digital de series temporales de imagen de satélite, obteniendo imágenes con las bandas del espectro azul, verde e infrarrojo medio. El uso de imágenes de satélite de resolución media como Landsat y Spot obedece a la facilidad de adquisición, periodicidad de las escenas, resolución espectral y la temporalidad que va desde principios de los años 80 a la actualidad. Específicamente, las imágenes utilizadas son de Landsat 4, 5, 7 y 8; con resolución de 30 metros por pixel, con 7 a 11 bandas espectrales y disponibilidad desde 1983 al presente. Las imágenes Spot 4 y 5; con resoluciones de 20 a 10 metros por pixel, con 4 bandas espectrales incluyendo el infrarrojo medio y datan desde 1998. PRE PROCESO El software utilizado dentro de INEGI es el ArcGis con módulo de análisis espacial, se utiliza para todas las operaciones con raster y archivos vectoriales. Las imágenes Landsat se obtienen del sitio web del Servicio Geológico de los Estados Unidos USGS EarthExplorer (http://earthexplorer.usgs.gov/) y cuentan con un procesamiento llamado nivel L1T, georreferenciadas con método de remuestreo de convolución, proyectadas en Universal Transversa de Mercator (UTM), con datum WGS84 (Sistema Geodésico Mundial 1984). También cuenta con corrección topográfica por desplazamiento debido al relieve. La detección de cambio en la línea costera se obtiene mediante la comparación temporal de dos imágenes raster. El primer paso es seleccionar una misma escena que contenga el área de trabajo, de dos diferentes fechas, que difieran entre sí alrededor de 10 años o más, que no tenga nubosidad que obstruya la costa. El área es reducida a un buffer de algunos cientos de metros a cada lado de la línea costera; esto nos permite tener un mejor manejo de los datos y del procesamiento.

http://earthexplorer.usgs.gov/



EXTRACCIÓN DE POLÍGONOS EROSIÓN ACRECIÓN El objetivo es separar los pixeles que corresponden a tierra de los que representan el agua, para este fin, se utilizan las bandas del azul, verde e infrarrojo medio. El agua tiene una alta reflectividad en las bandas del azul-verde y prácticamente nula o muy baja en el infrarrojo medio. Por el contrario, el material tierra es menos reflectivo en bandas azul-verde y alta en el infrarrojo medio (figura 2).

Figura 2. Firmas espectrales.

Para potenciar la diferencia entre los dos materiales se realiza una operación de sustracción entre las bandas del infrarrojo medio y la banda del azul. Esta operación nos permite obtener un histograma de frecuencias mejor definido que los de cada banda individual; (figura 3) con un comportamiento bimodal o muy cercano a ello, donde cada máximo pertenece a un material (agua o tierra).

Figura 3. Histogramas de frecuencia.



El siguiente paso es encontrar el valor umbral (1) que nos va a separar los dos materiales. Este valor es el de menor frecuencia que se encuentra en el valle entre los dos máximos del histograma. Con el valor umbral se reclasifica el raster producto de la sustracción.

μ =Valor umbral 𝑓𝑓𝜇𝜇(𝑥𝑥, 𝑦𝑦) = �0, 𝑓𝑓(𝑥𝑥,𝑦𝑦) ≤ 𝜇𝜇

1, 𝑓𝑓(𝑥𝑥,𝑦𝑦) > 𝜇𝜇 (1) Mediante esta clasificación obtenemos las dos imágenes binarias que representan las regiones agua-tierra de cada fecha. El siguiente paso es convertir las imágenes binarias a archivos vectoriales de polígonos. El archivo contiene una tabla de atributos con un campo (gridcode) con valores 0 y 1 que identifica los polígonos que pertenecen a agua y a tierra. Utilizando el modulo “geoprocessing” y la herramienta “Intersect”, al intersectar los polígonos de la imagen antigua con los de la imagen más reciente, se obtienen los polígonos de cambio en un período de tiempo, relacionando los campos que resultan al unirse las tablas de atributos de ambos vectoriales. Así tenemos que para un polígono que tenía valor 0 y después 1, se identifica como un polígono de acreción; si el valor era 1 y después es 0 es un polígono de erosión (figura 4); cuando ambos valores son iguales, no hay cambio.

Figura 4. Imagen Binaria.

Los polígonos de erosión se agrupan de acuerdo a la morfología, celdas y sub celdas costeras, para calcular su área y posteriormente obtener la tasa de erosión para cada zona mediante la siguiente ecuación:

Tasa = área / (año 2 – año 1) (2) Cada zona se reclasifica en base a la condición de la playa y en rangos de tasa de erosión de acuerdo a los siguientes criterios: Acreción: aumento en la depositación de sedimento. Estable: valor < 250 m2/año. Perceptible: 250 m2/año ≤ valor ≤500 m2/año. Apreciable: 500 m2/año < valor ≤ 2500 m2/año. Aguda: 2500 m2/año < valor ≤ 5000 m2/año. Intensa: valor > 5000 m2/año



ACTIVIDADES DE CAMPO Una vez obtenidos los polígonos de erosión se hace una selección y ubicación de sitios de información con base a la extensión del área y grado de erosión derivado del tratamiento digital de imágenes y obtención de datos como: localización georeferenciada, descripción general del sitio, levantamiento de perfiles, muestreo de sedimentos y caminamiento a lo largo de la playa por una distancia de 500 m a cada lado del sitio de información. Integrada y analizada la información, tanto de gabinete como de campo se genera el archivo shape final, que será el mapa que se presentará con la información de la susceptibilidad del peligro de Erosión Costera (figura 5) del área de estudio con su tabla de atributos estructurada (establecida en el Diccionario de Datos del Fenómeno Erosión Costera), donde se podrán consultar datos concretos y simples del fenómeno conforme al diccionario de datos.

Figura 5. Diagrama de los pasos metodológicos.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A la fecha se han publicado los Mapas de susceptibilidad a la erosión costera de los estados de Campeche, Tabasco y Yucatán en la página web de INEGI (http://www.inegi.org.mx/geo/contenidos/recnat/geologia/default.aspx). Los estados de Quintana Roo, Veracruz y Chiapas se encuentran en proceso de publicación. Para estos Estados se detectaron zonas de erosión a lo largo de sus costas, con diferentes niveles de erosión y longitudes de playa:

• Campeche: Perceptible 25.2 km (5.9%), Apreciable 77.1 km (18.1%), Aguda 31.3 km (7.4%), Intensa 50.8 km (12%); dando una longitud susceptible de erosión de 184.4 km que representa el 43.4% del total de costa en el estado

http://www.inegi.org.mx/geo/contenidos/recnat/geologia/default.aspx



• Tabasco: Perceptible 3.476 km (1.74%), Apreciable 50.711 km (25.25%), Aguda 27.32 km (13.66%), Intensa 26.7 km (13.35%); dando una longitud susceptible de erosión de 108.216 km que representa el 54% del total de costa en el estado.

• Yucatán: Perceptible 26.9 km (7.9%), Apreciable 40.3 km (11.8%), Aguda 13.8 km (4%), Intensa 10.7 km (3.1%); dando una longitud susceptible de erosión total de 91.7 km que representa el 27% del total de costa en el estado.

• Quintana Roo: Perceptible 50.3 km (4.3%), Apreciable107.0 km (9.0%), Aguda 12.2 km (1.0%), Intensa 5.0 km (0.4%); dando una longitud susceptible de erosión total de 174.5 km que representa el 14.7% del total de costa en el estado.

• Veracruz: Perceptible 41.1 km (5.7%), Apreciable 79.3 km (11.0%), Aguda 145.6 km (20.2%), Intensa 60.3 km (8.4%); dando una longitud susceptible de erosión de 720 km que representa el 45.3% del total de costa en el estado.

• Chiapas: Perceptible 3.8 km (1.4%), Apreciable 36.8 km (13.8%), Aguda 2.2 km (0.8%), Intensa 8.0 km (3.0%); dando una longitud susceptible de erosión de 50.8 km que representa el 19.0% del total de costa en el Estado.

4. CONCLUSIONES El amplio registró (1982- ) y periodicidad de las imágenes satelitales de resolución media como Landsat y Spot, permite detectar de manera indirecta cambios en la línea de costa ocurridos en áreas extensas, durante periodos de tiempo de por lo menos 10 años, dependiendo de la tasa de erosión. Las imágenes de alta resolución, donde se puede extraer la línea costera con una buena precisión, tienen un registro temporal muy reducido y en ocasiones no tienen un cubrimiento total de las áreas de trabajo. El tratamiento digital de imágenes es muy útil para determinar áreas con cambios significativos en la línea de costa, sin embargo, el levantamiento de información en campo siempre será indispensable para la vinculación entre la interpretación a distancia y el terreno. Para que se determine el peligro de erosión costera se deben tomar en cuenta los factores condicionantes (clima, mareas, vegetación) y detonantes (fenómenos naturales y antropogénicos) ya que estos se conjugan para minimizar o agravar el fenómeno. La estabilidad de la línea de costa se encuentra en función de un equilibrio donde intervienen las distintas interacciones que existen entre el oleaje, las corrientes marinas, el transporte de sedimentos y finalmente, las acciones humanas. Comprender a fondo los procesos costeros que originan la erosión de playas es trascendental para poder llevar a cabo esquemas eficientes de manejo costero, los cuales provoquen el mínimo daño colateral a la infraestructura costera y promuevan una estabilidad ecológica. BIBLIOGRAFÍA [1] INEGI. (Instituto Nacional de Estadística y Geografía): Metodología para la generación del Mapa de Susceptibilidad a la Erosión Costera, no publicada, 2012. [2] INEGI. (Instituto Nacional de Estadística y Geografía): Diccionario de Datos de Fenómenos Geológicos escala 1:250 000, 2013. [3] I. Rodríguez: IX Congreso Nacional de Teledetección. Universidad de Lérida, España, 2001. [4] G. Winarso, S. Budhiman: Proc. 22nd. Asian Conference on Remote Sensing, Singapore, 2001. Disponible en: http://www.crisp.nus.edu.sg/~acrs2001 [5] A. Alesheikh, A. Ghorbanali, N. Nouri: International Journal of Environmental Science and Technology. vol. 4 (1) 2007, pp. 8-15 [6] S. Reis, H. M. Yilmaz: Hydrological Processes 65, 2008, pp. 303-1310.



INTERPRETACIÓN EN UN ESPACIO BIDIMENSIONAL DE LAS FALLAS GEOLÓGICAS EN LA SIERRA DE PACHUCA

J. C. Escamilla-Casas1,*, E. Meneses-Meneses1, E. Ortiz-Hernández1, E. M. Uribe-Alcántara1, E. Cruz-

Chávez1

1Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, UAEH, Mineral de la Reforma, Hidalgo * Autor de correspondencia: [email protected]

RESUMEN Una carta geológica es una representación gráfica de la distribución de unidades litológicas y estructuras geológicas en el terreno. Por lo tanto, geométricamente hablando, la extensión del mapa es un área que corresponde a un espacio bidimensional delimitado. Consecuentemente, mediante la geometría Euclidiana es posible determinar características como: la extensión del espacio bidimensional, las longitudes de los segmentos de rectas que definen la extensión de fallas geológicas y sus direcciones preferenciales; así como la intensidad, conectividad y densidad de las mismas. Estas características geométricas obtenidas a partir de la carta geológica, corresponden a la distribución real de fracturas en las rocas. Por lo tanto, la distribución espacial que exhiben estos rasgos, se asume que tienen algún tipo de orden que conforman al patrón espacial de las fracturas. En el presente trabajo, se presentan las etapas para la implementación del análisis bidimensional de la distribución de fallas cartografiadas en la Sierra de Pachuca. Los resultados preliminares sugieren la existencia de dos zonas de máxima densidad, las cuales pueden ser interpretadas como las zonas de recarga hidráulica de la Sierra de Pachuca. Los sectores con máxima conectividad se interpretan como las áreas que alojaron las mayores concentraciones minerales (Au-Ag).

Palabras Clave: Patrones de fractura, espacio bidimensional, conectividad, densidad, Sierra de Pachuca. 1. INTRODUCCIÓN Un mapa se define como un diagrama, dibujo, o cualquier otra representación gráfica de la tierra o parte de ella; usualmente sobre una superficie plana, con determinadas características que pueden ser naturales, artificiales, o ambas y de acuerdo a una escala. Por lo anterior, se deduce que un mapa es un plano que, geométricamente hablando, es un espacio bidimensional delimitado constituyendo así un espacio euclídeo. Particularmente, un mapa geológico es la representación gráfica de una extensión delimitada de terreno en la que se muestra la distribución de unidades rocosas y sus edades, las estructuras geológicas y sus datos estructurales, entre otros rasgos. Tomando en cuenta lo anterior y combinándolo con el estudio de la deformación frágil en la Sierra de Pachuca, surge el objetivo de este trabajo: estudiar la distribución espacial de fallas y fracturas bajo los principios de la geometría euclidiana, para caracterizar los atributos y patrones de fractura en las rocas de la Sierra de Pachuca. En sustento de este objetivo, se considera la hipótesis de que el arreglo bidimensional de fallas y fracturas es una red de discontinuidades que reflejan el comportamiento mecánico de las rocas, mismas que fueron sujetas a los esfuerzos corticales responsables de su deformación frágil.



Dentro de los estudios geológicos más detallados que se han elaborado en la Sierra de Pachuca destaca el que elaboraron Geyne et al. [1]. Estos autores configuraron un mapa a escala 1:20,000 en el que se muestra una recopilación cartográfica de estructuras en superficie y subsuelo. En la actualidad, muchas de estas estructuras no son observables ya que han sido obliteradas por el desarrollo urbano o por la inaccesibilidad a túneles y demás obras mineras abandonadas o inactivas. Por las características anteriormente descritas, se tomó a dicho mapa como objeto para el análisis bidimensional desarrollado en el presente trabajo. Para el análisis bidimensional, se implementó un procedimiento que consiste en obtener una imagen escaneada del mapa impreso, la digitalización de las fracturas, la conversión de archivos gráficos (.jpg) a formato de pares de datos (.svg). Finalmente, el procesado de los datos se realizó a través de las rutinas FracPAQ [2] modificadas por los autores y compiladas en MATLAB-R2016TM. El producto final evalúa, mediante gráficos, los parámetros relacionados con la orientación y posición espacial, la relación de fracturas como una población y la cuantificación de la correlación espacial de objetos de longitud finita. En el presente trabajo se llevaron a cabo los análisis de longitudes, direcciones, intensidad y densidad de fracturas y la estimación del tensor de fracturas. Los resultados indican que, en la Sierra de Pachuca, existen dos zonas de máxima densidad de fracturas. Lo cual se puede interpretar como las zonas de máxima recarga y como las zonas del subsuelo en donde hubo una mayor acumulación de los precipitados a partir de los fluidos mineralizantes en el Distrito Minero Pachuca Real del Monte. Finalmente, la relevancia de este novedoso método de análisis, demuestra su amplia aplicabilidad, ya que no se restringe únicamente a mapas y estructuras geológicas mayores, sino también puede utilizarse en el análisis de imágenes de mapas a escala de afloramientos o de imágenes de láminas delgadas para estudios de petrografía, estudios de materiales artificiales, etc. Por otro lado, el procedimiento es fácil de seguir y la información de los resultados puede asistir en el análisis topológico de fracturas en cualquier medio. Es decir, los resultados incluyen estimaciones cuantitativas de las fracturas de manera individual (longitudes y orientación) así como las estimaciones de los atributos de toda la red de fracturas (conectividad, permeabilidad, etc.). 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El procedimiento diseñado en este trabajo consiste en tres etapas. En la primera etapa, denominada de pre-proceso, se hizo la transformación de la información de fallas y fracturas mostradas en el mapa impreso a un archivo digital que contenga datos de coordenadas cartesianas, pares de datos x e y delimitados por tabulador. En otras palabras, se generó un archivo con extensión .svg (Scalable Vector Graphics, por sus siglas en inglés) a partir de un mapa impreso y de ahí se transformó a un archivo .txt. Para ello, inicialmente se obtuvo un archivo .jpg generado al escanear el mapa original impreso (figura 1). Posteriormente, se utilizó el programa computacional Adobe Illustrator CS2, para obtener un archivo .svg con la información de las fracturas mostradas en el archivo .jpg, digitalizadas en formato de líneas y polilíneas (figura 2). La conversión a texto delimitado por tabulador se puede realizar mediante una rutina sencilla en el sistema MacOS Sierra o utilizando un convertidor de uso libre en la red. La segunda etapa se ha denominado como de codificación. En esta etapa, se utiliza la colección de programas (toolbox) FracPaQ [2] compilados en MATLAB-R2016TM. Esta colección de programas al ser alojada en una plataforma de acceso libre en la red, permite ser manipulada y recodificada de acuerdo a los objetivos del análisis que persiga el usuario [3]. En este trabajo, se hicieron cambios en los programas relacionados con el análisis de longitudes, intensidades, mapas de densidades y estimación del tensor de fracturas; en los que se cambiaron las unidades de pixeles a unidades de medida del sistema métrico decimal [4].



Figura 1. Imagen (archivo con extensión .jpg) generada a partir del escaneo del mapa impreso

publicado por Geyne [1]. La imagen ha sido modificada para eliminar la información cartográfica del mapa.

Figura 2. Imagen mostrando las líneas y poli-líneas que representan las fracturas en el mapa original.

La imagen corresponde a la captura de pantalla del archivo .svg desplegado en la pantalla de la computadora.

Por otro lado, en el caso del mapa de Geyne [1], el mapa está proyectado en un sistema de coordenadas convencional, por lo tanto, se modificaron los parámetros de escala y fueron declarados en metros lineales atendiendo a las dimensiones reales de la cobertura del mapa. Para corroborar la efectividad de los cambios en la codificación de los programas a partir de los originales, primeramente, se obtuvo la imagen de las trazas de las fracturas en un marco de referencia correspondiente a las dimensiones del área del terreno que representa el mapa (figura 3). Para la estimación del tensor de fracturas, se adoptaron las ecuaciones descritas por Oda [5], pero se utilizaron únicamente tensores de segundo y cuarto orden.



Finalmente, se tiene la etapa de análisis, en esta etapa se efectuaron los análisis topológicos de longitudes y orientaciones preferenciales y los que corresponden a la interconectividad de las fracturas- Los análisis que se efectuaron son: los de intensidad, densidad y estimación del tensor de las fracturas [6] [7].

Figura 3. Imagen mostrando las líneas que corresponden a las fracturas en el mapa de Geyne [1] en la

dimensión real de longitudes. Los círculos rojos indican los nodos entre las líneas y poli-líneas.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Una vez generados los archivos delimitados por tabulador, se ejecutaron los programas de la colección para generar, primeramente, el gráfico de orientaciones. Para ello, se obtuvo un diagrama tipo de “rosa de los vientos” (figura 4). El resultado mostrado en este diagrama, confirma la presencia de una población de fracturas como una función de la abundancia de orientaciones (intervalo de clase = 005°) en la totalidad del área de cobertura del mapa. Mediante la inspección visual, se puede determinar que el resultado indica que las fallas en la Sierra de Pachuca tienen una orientación preferencial NW-SE, el resultado del programa indica una dirección de preferencial de 300°. Cabe mencionar que este dato no aporta información nueva. Sin embargo, para los propósitos de este trabajo, sirve como parámetro de verificación y da la certeza de que la colección de programas funciona adecuadamente con los datos de entrada asignados. En la compilación del programa, se ha agregado la opción de declarar la declinación magnética, en este estudio se declararon 7.5 grados hacia el NE que corresponde a la Sierra de Pachuca. Los resultados de fracturas se muestran mediante los mapas de contornos de intensidad y de estimación de la densidad de fracturas (figura 5 y 6, respectivamente). Estos mapas de contornos se realizan a partir de los datos de segmentos de recta (unidades de L-1 y L-2, densidades e intensidades, respectivamente) [8]. Los mapas indican valores de intensidad alta en dos zonas: la primera se ubica entre las coordenadas 4000m en la dirección de las ordenadas y en 4000 m en la dirección de las abscisas (figura 5 y 6). En el mapa original, esta zona



corresponde al área comprendida entre la ubicación de la Veta Analcos y Rosario Viejo, en las inmediaciones de la mina El Bordo. La segunda zona se ubica entre las coordenadas 1100 m, 3000 m (coordenadas x e y, respectivamente). En el mapa original, esta zona corresponde a la ubicación del Distrito Minero Real del Monte. En el mapa de contornos de la densidad de fracturas, se observa que la densidad tiene una distribución a lo largo de una dirección NW-SE, lo cual puede ser considerada como las áreas de mayor recarga de agua de lluvia en la Sierra de Pachuca.

Figura 4. Diagrama de tipo “rosa de los vientos” mostrando la orientación preferencial de las fracturas en la Sierra de Pachuca (300°). La línea roja corresponde a los grados de declinación magnética que se

deben compensar en la orientación de los datos estructurales.

Figura 5. Mapa de contornos indicando las zonas con una mayor intensidad de fracturas. Los máximos

valores se concentran en el área donde se localiza la mina El Bordo y en el Distrito Minero Real del Monte, de acuerdo al mapa de Geyne [1].



Figura 6. Mapa de contornos indicando las zonas con una mayor densidad de fracturas. La distribución de valores altos define dos máximos que se concentran en las áreas donde se ubica la mina El Bordo, al

oeste y en donde se localiza el Distrito Real del Monte, al este.

Finalmente, se tiene el resultado del análisis del tensor de fracturas. El resultado obtenido es una gráfica polar que muestra la distribución direccional del número de fracturas que intersecta la línea de escaneo determinada por los tensores de segundo y cuarto orden. Como se puede observar en la figura 7, los resultados de ambos tensores son similares. Lo que sugiere que, muy probablemente, la etapa de deformación frágil responsable de las fracturas ocurrió bajo un solo episodio de deformación y que, por otro lado, hay una marcada consistencia en los datos [9].

Figura 7. Diagrama polar para ilustrar la dirección del tensor de fracturas, la línea en verde

corresponde al tensor de segundo orden y la línea azul al resultado del tensor de cuarto orden.



4. CONCLUSIONES Los resultados que se han obtenido en el desarrollo del presente trabajo, permiten entender la deformación frágil de la Sierra de Pachuca desde el punto de vista de la geometría euclidiana y la topología. La fundamentación primordial del estudio es la característica bidimensional de un mapa geológico. En consecuencia, el hecho de que las fallas y fracturas en rocas del área de estudio se muestren como segmentos de líneas en el mapa, dan lugar a la aplicación efectiva de la cuantificación de la geometría de los segmentos de línea. Las evaluaciones individuales de las fracturas proporcionan la estimación de las longitudes y otientación de las mismas. Las evaluaciones del entramado o red de fracturas permiten estimar la conectividad y la permeabilidad. A partir de las evaluaciones individuales, es posible estimar la orientación preferencial de las fallas y fracturas, 300° o N60W. Por otro lado, los análisis de la red de fracturas permiten las estimaciones de densidad e intensidad de fracturas. Tales estimaciones arrojan resultados que indican la presencia de dos zonas de alta densidad e intensidad de fracturas, los cuales se interpretan como zonas de recarga fluvial en la Sierra de Pachuca y en el subsuelo, como las zonas de concentración de la mineralización. Estas zonas de alta concentración y densidad de fracturas se ubican en la porción norte oeste y otra en la porción norte oriente de la zona de estudio. Las concentraciones altas corresponden a la ubicación de la Mina el Bordo, al occidente y al oriente al Distrito Minero de Real del Monte. El desarrollo del método abre las vías para evaluar la interconectividad de las fracturas en el área de estudio. Adicionalmente, el método puede ser aplicado en el análisis de diversos ambientes y escalas, como pudieran ser las láminas delgadas para petrografía o las imágenes satelitales de zonas o terrenos de mayores dimensiones, incluso en imágenes como las que se han obtenido de la superficie de Marte. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Dr. Dave Haley, de la Universidad de Aberdeen, Reino Unido, por sus comentarios y ayuda en los cambios que se efectuaron a la colección de programas. También se agradece al Comité Organizador del X Encuentro de Investigación del AACTyM por la atención prestada a la presente contribución. Cabe destacar que el desarrollo del trabajo fue posible, en parte, por el apoyo derivado del financiamiento PAI del proyecto UAEH-DI-17-ICBI-CTM-CF-102.

BIBLIOGRAFÍA [1] A.R. Geyne, C. Jr. Fries, K. Segerstrom, R.F. Black, I.F. Wilson. Geology and Mineral Deposits of the Pachuca-Real del Monte District, State of Hidalgo, Mexico, Publication 5E, Consejo de Recursos Naturales no Renovables, México, D.F., 1963, 220 pp. [2] D. Healy, R. E. Rizzo, D. G. Cornwell, N.J.C. Farrell, H. Watkins, N. E., Timms, E. Gómez-Rivas, M. Smith: Journal of Structural Geology, 2017, vol. 95, pp. 1-16. [3] W. Gander: Learning Matlab, A Problem-Solving Approach, first edition, Springer, Switzerland, 2015, pp. 43-55. [4] D. Hanselman, B. Littlefield: Mastering Matlab 7, 1st edition, Pearson-Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 2005, pp 450-520. [5] M. Oda: Mechanics of Materials, 1983, vol. 2, No. 2, pp.163-171. [6] B. Berkowitz, H. Hadad: Journal of Geophysical Research, 2000, 102(B6), pp. 12,205-12,218. [7] N. E. Odling: Pure and Applied Geophysics, 1992, vol. 138, No. 1, pp. 95-115. [8] C. E. Renshaw: Water Resources Research, 1999, vol. 35, No. 9, pp. 2661-2670. [9] M. Mauldon, W. M: Dunne, M. B., Rohrbaugh: Journal of Structural Geology, 2002, vol. 23, No. 2, pp. 247-258.



EMPLEO DE JAL COMO CEMENTANTE EN LA ELABORACIÓN DE UN CONCRETO PERMEABLE

L. Lizárraga-Mendiola1, C. A. Bigurra-Alzati2, *, D. F. Paz-Casas3, S. Montiel-Palma1, M. R. González-

Sandoval1, I. E. Castañeda-Robles1, L. D. López-León1, F. J. Olguín-Coca1, F. O. Lagarda-García2

1CA de Ingeniería Civil Sustentable y Tecnología de Materiales, UAEH, Mineral de la Reforma, Hgo [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected];

[email protected]; [email protected] 2Grupo de Investigación Arquitectura, Tecnología y Habitabilidad, UAEH, Mineral de la Reforma, Hgo

[email protected]; [email protected] 3Licenciatura en Ingeniería Civil, UAEH, Mineral de la Reforma, Hidalgo

[email protected] * Autor de correspondencia: [email protected]

RESUMEN El concreto permeable es buen sustituto del pavimento en vialidades de tránsito ligero. En este trabajo se empleó residuo minero (jal) como sustituto de arena (25%) y cemento (20%) en el diseño de mezcla para obtener un material con resistencia a la compresión, permeabilidad y porosidad adecuadas. Se compararon las mezclas con un concreto permeable normal piloto (arena-grava-cemento-agua). Se elaboraron los especímenes por triplicado conforme a normas nacionales. A las 24 horas de su elaboración, se desmoldaron los especímenes y se sometieron al proceso de curado convencional (28 días sumergidos en agua templada) y curado acelerado (24 horas en agua hirviendo). Se midió su resistencia a la compresión simple (14 y 28 días), así como su permeabilidad y porosidad. Se alcanzó la máxima resistencia a los 28 días a) en el concreto permeable (88.32 kg/cm2), b) con 20% de jal como cementante (103.35 kg/cm2) y c) 25% de jal como arena (86 kg/cm2). La permeabilidad y porosidad más altas se obtuvieron en el concreto con 20% de jal como cementante (118.49 L/min/m2 y 19.63%, respectivamente). De lo anterior se concluye que el concreto permeable con 20% de jal como cementante es adecuado para utilizarse en andadores, ciclovías y vialidades. Palabras Clave: concreto permeable, jal, cementante, tránsito ligero.

1. INTRODUCCIÓN El constante crecimiento urbano actual conlleva una reducción de las zonas permeables, las cuales anteriormente facilitaban la infiltración del agua de escorrentía superficial hacia el subsuelo. Hoy en día estas superficies están cubiertas por edificaciones, estacionamientos y vialidades, principalmente. La construcción de estas superficies impermeables causa diversos impactos a través del ciclo hidrológico urbano: encharcamientos e inundaciones, canalización y conducción del agua de lluvia hacia el drenaje público, transporte de basura y erosión de suelo, así como el transporte de contaminantes (hidrocarburos y metales pesados) provenientes principalmente de los vehículos. La sustitución del pavimento convencional por concreto o pavimento permeable ofrece una alternativa para ayudar a disminuir los impactos negativos al ciclo hidrológico urbano. Entre las ventajas que pueden obtenerse están: reducción de los volúmenes de escorrentía superficial, infiltración hacia el subsuelo y recarga de acuíferos, así como una reducción en las concentraciones de contaminantes que

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son transportados superficialmente debido a las actividades antropogénicas antes descritas. Además, éstos tienen buenas propiedades acústicas y de absorción de calor [1, 2]. Algunas de sus principales aplicaciones son: vialidades para tránsito ligero, ciclovías, estacionamientos, banquetas, control de erosión y estabilización de taludes. Su función básica consiste en recolectar el agua de escorrentía superficial, filtrar las sustancias contenidas en esta e infiltrar el agua hacia el subsuelo o recolectar el agua tratada para uso municipal, principalmente. Un concreto permeable se compone básicamente de agua, agregados gruesos y cemento Portland, con una mínima cantidad de agregados finos que proporcionan su porosidad. Las relaciones promedio de agua: cemento varían entre 0.25-0.35, cemento: agregado entre 18.0 y 23.0, con un contenido de vacíos entre 11%-35% [2, 3]; aunque otros autores mencionan que una porosidad óptima debe ser superior al 25% [1]. El tamaño de sus poros se ve afectado por la granulometría de la mezcla, la cantidad de agua y cemento, así como su nivel de compactación. Su vida media suele ser menor a la de un pavimento convencional, debido al deterioro que sufren por la escorrentía superficial, infiltración de aire y la subsecuente oxidación de sus componentes químicos. Sin embargo, con un buen plan de mantenimiento, su vida útil puede extenderse. Drake et al. [4] determinaron que el concreto permeable es capaz de mejorar la calidad del agua infiltrada con buenos resultados en la reducción de hidrocarburos, metales pesados y nutrientes. Existen diversos estudios que han buscado mejorar sus propiedades mecánicas e hidráulicas con el fin de proporcionar una opción para sustituir al asfalto. Tal es el caso de Brattebo y Booth [5], quienes diseñaron un concreto permeable estructuralmente duradero, capaz de reducir la cantidad de materia particulada y grasas a través de su medio filtrante. Las propiedades comúnmente estudiadas son el esfuerzo a la compresión, la permeabilidad, la densidad y su volumen de vacíos. Algunos estudios han empleado distintas técnicas ASTM para mejorar la relación porosidad: permeabilidad del concreto [6]. En cuanto a la distribución y el tamaño de partículas en el diseño de mezcla, éstos parámetros juegan un papel importante en las propiedades hidráulicas del material (evaporación, drenaje y retención del agua de escorrentía superficial) [7]. Nguyen et al. [8] diseñaron un concreto controlando la cantidad de cementante, con lo que consiguieron mejorar su permeabilidad hasta 1 mm/s. Otros autores señalan que la adición de pequeñas cantidades de finos (5%-7% del total de agregados) pueden ayudar a mejorar la resistencia a la compresión sin disminuir considerablemente su relación porosidad: permeabilidad [2]. En otros estudios se sustituyeron agregados por residuos de llanta, obteniendo capacidades de infiltración similares a las de un concreto permeable normal (cercanas a 15%) [9]. En general, en estos estudios se ha demostrado que este tipo de pavimentos permeables tienen buena capacidad de absorción, pudiendo reducir escorrentías pico hasta en un 42% [10]. Por otra parte, el uso de materiales adicionales para mejorar sus propiedades mecánicas e hidráulicas se ha vuelto muy común. Por ejemplo, se empleó el uso de un geotextil en la base de un pavimento permeable para prevenir la migración de agregados finos, que suelen reducir su vida útil [10]. También desde hace algunos años, se ha recomendado el uso de aditivos para mejorar sus propiedades mecánicas tales como el humo de sílice, súper-plastificantes, así como algunos polímeros [2, 11]. En general, los estudios sobre el concreto permeable se enfocan en mejorar tanto sus propiedades mecánicas como hidráulicas, ya que es importante conservar su capacidad como medio de infiltración en zonas urbanas, buscando mantener una resistencia mínima necesaria o aumentarla para generalizar su utilización.



En las ciudades de Pachuca de Soto y Mineral de la Reforma existen diversos depósitos de jal (residuo minero) depositados al aire libre, que fueron tomados en cuenta en este trabajo como una opción para su reutilización en el diseño de mezclas de un concreto permeable. Debido a la importancia de buscar mejorar sus propiedades mecánicas e hidráulicas, el objetivo de este trabajo consiste en incorporar residuo minero como sustituto de cementante (20%) y de arena (25%) en el diseño de mezcla de un concreto permeable normal, con resistencia a la compresión y permeabilidad adecuadas para utilizarse en andadores, ciclovías y vialidades con tránsito ligero.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Trabajo de campo Para este estudio se eligió el depósito de jal Dos Carlos, localizado en el municipio de Mineral de la Reforma, Hidalgo, para extraer la muestra de residuo minero. Este sitio se seleccionó con base en un estudio previo, que lo define como material con bajo riesgo ambiental, ya que en un análisis de sus lixiviados, sólo el cadmio tuvo concentración cercana al límite permisible para agua potable [12]. Después de retirar los primeros 50 cm de su superficie (para retirar la capa intemperizada), la muestra de jal se extrajo manualmente a lo largo de un perfil vertical, con la ayuda de palas, una charola de acero inoxidable y bolsa de polietileno previamente etiquetada [13]. El peso de la muestra fue de aproximadamente cinco kilogramos y se transportó al laboratorio de Resistencia de Materiales de la UAEH, donde fue almacenada a temperatura ambiente hasta ser analizada. 2.2 Trabajo de laboratorio Para seleccionar los distintos tamaños de agregados gruesos y finos necesarios para elaborar los especímenes de concreto, se determinó su granulometría utilizando los tamices con diámetros de 1⁄2” (12.5 mm), 3⁄8” (10 mm), 1⁄4” (6.3 mm) y #4 (5 mm) [14]. El criterio utilizado para el diseño de los especímenes por triplicado, con una relación agua: cemento de 0.5 y agregados: cemento de 3.9 fue el siguiente [15]: 1) espécimen piloto (concreto permeable con arena, grava, cemento y agua), 2) espécimen sustituyendo el 25% de arena con jal y 3) espécimen sustituyendo el 20% de cemento con jal. Para determinar las cantidades de material a utilizar en la elaboración de las mezclas de concreto permeable, se utilizaron cilindros con diámetro de 15 cm x 30 cm de altura (volumen = 0.005 m3). En la Tabla 1 se enlistan las cantidades de material utilizado para elaborar los distintos especímenes:

Tabla 1. Proporciones de materiales utilizados para elaborar mezclas de concreto permeable. Material Espécimen

piloto Espécimen

sustitución 25% arena con jal

Espécimen sustitución 20% cemento con jal

Claves* E3CC, E4CC E3CC%A, E4CC%A, E4CC%C, E5CC%C E1CV, E2CV E1CV%A, E2CV%A E1CV%C, E2CV%C

Jal (kg/m3) 0 0.2 0.4 Arena (kg/m3) 0.8 0.6 0.8 Grava (kg/m3) 7.0 7.0 7.0

Cemento (kg/m3) 2.0 2.0 1.6 Agua (kg/m3) 0.001 0.001 0.001

* E: Espécimen 1: Número de espécimen CC: Curado convencional CV: Curado en agua hirviendo %C: Sustitución de cemento por un 20% de jal

%A: Sustitución de arena por un 25% de jal



2.2.1 Elaboración de los especímenes de concreto Se siguió la metodología sugerida por la norma mexicana para la elaboración y ensayo de especímenes de concreto [16]. Se utilizó una revolvedora mecánica para elaborar la mezcla, agregando primero el agregado fino (arena para el concreto normal, jal para los especímenes con sustitución de arena y cemento, respectivamente); enseguida el agregado grueso (gravas); posteriormente el cemento, hasta obtener una mezcla homogénea. Se agregó el agua y se revolvió la mezcla durante un minuto y medio. El relleno de los cilindros con mezcla se realizó en tres capas diferentes, aplicando en cada una de ellas 25 golpes con ayuda de una varilla punta de bala (16 mm de diámetro y 600 mm de longitud), para una distribución uniforme de la mezcla. Los especímenes se dejaron reposar durante 24 horas en el laboratorio de Resistencia de Materiales. 2.2.2 Curado de cilindros de concreto El curado del concreto es el proceso que se realiza durante su fraguado para asegurar su adecuada humedad. El período de curado debe durar 28 días para no tener problemas en la resistencia proyectada del concreto. Sin embargo, se determinó su resistencia a la compresión a los 14 y 28 días para medir su resistencia intermedia. El curado debe durar hasta que, como mínimo, el concreto haya alcanzado el 70% de la resistencia esperada. En este trabajo se utilizó el método convencional para el curado de muestras (los especímenes sumergidos en agua durante 28 días), y como medio de comparación se empleó también el método de curado en agua hirviendo, que tiene como finalidad acelerar el proceso de curado del concreto de 28 días a sólo 24 horas. Curado convencional: Después de desmoldar los cilindros de concreto permeable 24 horas posteriores a su elaboración, se introdujeron en un bote con agua a temperatura ambiente, para mantener una temperatura y un contenido de humedad promedio durante los 14 y 28 días después de su elaboración [16]. Curado acelerado: El método de curado acelerado o curado en agua hirviendo se aplicó con agua a temperatura de 94 °C [15]. Se retiraron los cilindros de los moldes en las siguientes 24 horas posteriores a su elaboración. Éstos se introdujeron en la cámara de curado (Marca Controls, temperatura máxima 100 °C), llenada con agua previamente hasta una altura suficiente para que los especímenes quedaran sumergidos. A continuación, se puso a hervir el agua durante 7 horas llegando a la temperatura máxima de 94 °C. Pasado ese tiempo se apagó y se dejó enfriar durante 24 horas, manteniendo la cámara de curado sellada con las muestras en su interior. 24 horas después se extrajeron los cilindros de la cámara y, después de enfriarlas durante 1 hora en el exterior, se etiquetaron y se almacenaron a temperatura ambiente. 2.2.3 Resistencia a la compresión simple Para obtener la resistencia a la compresión, se realizó la prueba a los 14 y 28 días de tiempo de curado de los especímenes. El procedimiento consistió en retirar los especímenes de su almacenamiento húmedo y realizar el ensaye inmediatamente, para prevenir la pérdida excesiva de humedad. Para su ensaye, se colocaron los cilindros en una máquina universal marca Controls (rango de temperatura y resistencia hasta 1,100 °C y 10,000 kg, respectivamente) mediante la aplicación de presión hasta llegar a la falla del espécimen. Para ello, se limpiaron las superficies de las placas superior e inferior y las cabezas del espécimen de prueba. Se colocó este último sobre la placa inferior, alineando su eje cuidadosamente con el centro de la placa de carga con asiento esférico; mientras tanto, la placa superior se bajó hacia el espécimen asegurándose que se tenga un contacto suave y uniforme. Se aplicó la carga



con una velocidad uniforme y continua sin producir impacto ni pérdida de carga. La velocidad de carga debe estar dentro del intervalo de 84 kg/cm2/min a 210 kg/cm2/min. Esta es equivalente para un diámetro estándar de 15 cm [17]. 2.2.4 Determinación de la porosidad de los especímenes Se midió el volumen del espécimen de concreto permeable y se introdujo en una cubeta (volumen inicial, Vt). Enseguida, se llenó un recipiente con agua y se registró su peso. Este volumen se vertió en la cubeta hasta cubrir el espécimen de concreto. Se volvió a medir el volumen de agua sobrante. La diferencia entre el volumen inicial de agua y el volumen restante se registró como Vv. El contenido de poros del espécimen de concreto permeable se calculó mediante la siguiente ecuación 1:

(ec. 1) 2.2.5 Determinación de la permeabilidad de los especímenes La prueba de permeabilidad se realizó recubriendo el espécimen con una película de plástico muy delgado, que no dejara escurrir el agua por sus lados. Luego, éste se colocó en la parte superior de una cubeta sobre una base de dos varillas. Enseguida, se vertieron 15 L de agua, midiendo el tiempo que tardó este volumen en atravesar el espécimen y escurrir en la cubeta. La prueba se repitió cinco veces en cada espécimen para promediar el valor [18].

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En numerosos estudios recientes se ha comprobado que la sustitución de alguno de los agregados o cementante en los componentes del concreto permeable contribuye a mejorar o, al menos, igualar sus propiedades mecánicas (resistencia a la compresión) e hidráulicas (permeabilidad, porosidad, conductividad hidráulica), aportando un valor agregado principalmente de tipo ambiental [7, 11, 19, 20]. A continuación, se presentan los resultados producto de la caracterización mecánica e hidráulica de un concreto permeable con adición de jal como sustituto de arena (25%) y de cemento (20%). 3.1 Resistencia a la compresión En el análisis de los tres especímenes de concreto permeable curados por el método convencional y por el método acelerado o en agua hirviendo, los valores promedio de la resistencia a la compresión a los 14 y 28 días fueron los siguientes (figura 1): Se observa que los especímenes de concreto permeable curado por el método acelerado (E1CV) tuvieron una resistencia 15% mayor que aquellos curados por el método convencional (E3CC); mientras que a los 28 días de curado, nuevamente aquellos curados en agua hirviendo (E2CV) tuvieron una resistencia 31% superior a los curados por el método convencional (E4CC). En el caso de los especímenes donde se sustituyó un 20% de cemento con jal, indican resultados promedio muy variados a 14 y 28 días de curado. Se observa que, a los 14 días, el espécimen E1CV%C presentó una disminución del 66% en su resistencia con relación al que fue curado por el método convencional (E4CC%C), mientras que a los 28 días, los especímenes E2CV%C y E5CC%C tuvieron una disminución de 31.5%, también en aquellos curados por el método convencional. El comportamiento de la resistencia a la compresión en los valores promedio de los especímenes elaborados con un 25% de sustitución de arena con jal fue muy similar a las experimentaciones anteriores (figura 1). Para los especímenes curados en agua hirviendo, las resistencias fueron más altas a 14 y 28 días, mostrando una diferencia de 20% a los 14 días y de 15% a los 28 días.



Figura 1. Comparación de resistencias a la compresión (kg/cm2) en especímenes: a) Concreto permeable normal (E1CV, E3CC, E2CV y E4CC), b) Sustitución 20% cemento con jal (E1CV%C,

E4CC%C, E2CV%C y E5CC%C), c) Sustitución 25% arena con jal (E1CV%A, E3CC%A, E2CV%A y E4CC%A).

De los tres experimentos realizados, puede resaltarse que el comportamiento de la resistencia a la compresión fue muy similar en el diseño del concreto permeable normal y el concreto permeable con sustitución de un 25% de arena con jal. En el caso del concreto permeable donde se sustituyó un 20% de cemento con jal, su comportamiento fue muy irregular, con valores muy bajos (21.85 kg/cm2) y muy altos (103.35 kg/cm2). 3.2 Permeabilidad del concreto De la misma manera que se analizó la resistencia a la compresión en especímenes con concreto permeable normal, con sustitución de jal por cemento y arena, así como en ambos métodos de curado, se realizó la determinación de su permeabilidad. A continuación, se presentan los resultados promedio obtenidos (figura 2): A los 14 días, el concreto permeable curado por el método convencional obtuvo una permeabilidad 1.18% superior a los especímenes curados en agua hirviendo. Sin embargo, a los 28 días el comportamiento fue inverso, ya que la permeabilidad fue 9.18% superior en los especímenes curados en agua hirviendo que en aquellos curados por el método convencional. La permeabilidad de los especímenes (con sustitución del contenido de cemento con 20% de jal) fue mayor en aquellos curados en agua hirviendo con respecto a los que fueron curados por el método convencional (1.92% a los 14 días y 10.78% a los 28 días). Los especímenes con 25% de jal como sustituto de arena curados en agua hirviendo también tuvieron mayor permeabilidad (0.10% a los 14 días y 12.60% a los 28 días).



Figura 2. Comparación de la permeabilidad en especímenes: a) Concreto permeable normal (E1CV, E3CC, E2CV y E4CC), b) Sustitución 20% cemento con jal (E1CV%C, E4CC%C, E2CV%C y

E5CC%C), c) Sustitución 25% arena con jal (E1CV%A, E3CC%A, E2CV%A y E4CC%A). En general, en el concreto elaborado con 25% de sustitución de arena con jal, la permeabilidad aumentaba con el tiempo de curado (a los 28 días), mientras que este valor disminuía a los 28 días del curado, tanto en el concreto permeable normal como en aquel con 20% de sustitución de cemento con jal. Sin embargo, la mayor capacidad de infiltración la obtuvo el concreto permeable elaborado con 20% de jal en sustitución de cemento. 3.3 Porosidad del concreto La porosidad, al igual que la resistencia a la compresión y la permeabilidad, tuvo un comportamiento muy homogéneo, donde se pudo apreciar que en aquellos especímenes curados en agua hirviendo, sus valores fueron superiores a los especímenes curados por el método convencional (figura 3). La porosidad fue mayor a los 28 días que a los 14 días. Con relación a los tipos de curado, los especímenes curados en agua hirviendo a 14 días tuvieron una porosidad 7.11% superior a los curados por el método convencional. A los 28 días, los primeros fueron 3.96% superiores a los curados por el método convencional. Los especímenes donde se sustituyó el jal con cemento en un 20%, tuvieron una porosidad 2.19% superior en los que fueron curados en agua hirviendo; mientras tanto a los 28 días, la relación fue inversa, ya que los especímenes curados por el método convencional tuvieron una porosidad 1.13% superior a los especímenes curados en agua hirviendo. En el caso del concreto permeable con sustitución del 25% de jal por arena, tanto a los 14 como a los 28 días, la porosidad fue superior en aquellos especímenes curados en agua hirviendo. A los 14 días, su porosidad fue 1.8% mayor en los especímenes curados en agua hirviendo, mientras que a los 28 días, la porosidad fue 7.27% superior que en los especímenes curados por el método convencional.



Figura 3. Comparación de la porosidad (%) en especímenes: a) Concreto permeable normal (E1CV,

E3CC, E2CV y E4CC), b) Sustitución 20% cemento con jal (E1CV%C, E4CC%C, E2CV%C y E5CC%C), c) Sustitución 25% arena con jal (E1CV%A, E3CC%A, E2CV%A y E4CC%A).

La porosidad determinada en todos los especímenes tuvo un comportamiento similar a la permeabilidad, donde se observó un aumento en su porcentaje con relación al tiempo de curado (28 días). En ambos experimentos donde se sustituyó jal por 20% de cemento y 25% de arena, la porosidad fue superior que en el concreto permeable normal, siendo mayor en el concreto con 20% de jal como sustituto de cemento. 3.4 Discusión Al comparar los resultados obtenidos con respecto a un concreto permeable normal con las mismas relaciones agua: cemento (0.5) y agregados: cemento (3.9), se observaron algunas diferencias importantes: a) en el concreto permeable con sustitución del 25% de arena con jal, la resistencia fue mayor que en el concreto permeable con sustitución del 20% de arena con cemento. Sin embargo, sus propiedades hidráulicas (permeabilidad y porosidad) indicaron lo contrario: a mayor resistencia a la compresión, se obtuvo menor porosidad y permeabilidad. Esto puede deberse al porcentaje de poros, ya que, como se menciona en algunos estudios [7, 19], concretos permeables con porosidad baja (<15%) suelen tener resistencias mayores. Además, la relación agua: cemento y agregados: cemento influye en su capacidad para permitir el paso del agua a través de sus poros, ya que, a mayor relación agua: cemento, los poros pueden bloquearse con agregados finos [19]. Por otro lado, Bonicelli et al. [2] mencionan que cuando se aplican diferentes energías de compactación, o los tiempos entre el curado y la medición de la resistencia a la compresión varían, las propiedades mecánicas de un concreto permeable pueden variar también. Esto podría explicar las diferencias tan grandes que se encontraron en los especímenes entre un experimento y otro (Figuras 1, 2 y 3), ya que, en ocasiones, no era posible utilizar el laboratorio en los horarios programados para realizar las pruebas. Debido a lo anterior, puede establecerse que un concreto permeable con sustitución de un 20% de cemento con jal es apto para instalarse en superficies como andadores, ciclovías y estacionamientos de tránsito ligero (resistencias mínimas de 20.4 kg/cm2), siempre y cuando se tenga en cuenta que una baja resistencia a la compresión y la posibilidad de que sus poros se saturen con material fino, representan la



necesidad de un mantenimiento continuo para preservar su vida útil [21]. Además, Kamali et al. [20] mencionan que, una vez que el concreto permeable se instala, la conductividad hidráulica se ve disminuida naturalmente por su uso continuo en corto tiempo (alrededor de 3 años), lo que corrobora la necesidad de un mantenimiento continuo (al menos una vez al año). 4. CONCLUSIONES En este estudio se analizó la posibilidad de reutilizar un residuo minero como parte de un concreto permeable. Se determinó que es factible reutilizar el jal como sustituto de un porcentaje (20%) de cemento y (25%) de arena en la mezcla para un concreto permeable, con relación agua:cemento (0.5) y agregados:cemento (3.9). De estas dos combinaciones, la sustitución de jal como cementante representa la mejor posibilidad de obtener un material constructivo con un valor agregado adicional, ya que se incorpora un residuo minero. El método de curado en agua hirviendo empleado en los especímenes de concreto influyó para que sus propiedades mecánicas (resistencia a la compresión simple) e hidráulicas (permeabilidad y porosidad) fueran superiores con respecto al método de curado convencional. Sin embargo, cabe señalar que el curado en agua hirviendo sólo es posible realizarse en un laboratorio, lo que dificultaría curar un concreto permeable para su colocación inmediata in situ. Los resultados de este estudio experimental dan pauta para desarrollar nuevas combinaciones de mezclas (jal, ceniza volante, residuos de la construcción y la demolición, plásticos, residuos de llanta, residuos agroindustriales, entre otros), así como la búsqueda de la mejora en sus propiedades hidráulicas, que ayuden a elaborar un nuevo material constructivo como el concreto permeable, cuyas propiedades hidráulicas pueden ayudar a reducir la escorrentía superficial urbana y reincorporarla al ciclo hidrológico urbano de una forma más equilibrada.

AGRADECIMIENTOS Los integrantes del Cuerpo Académico Ingeniería Civil Sustentable y Tecnología de Materiales agradecen a la Dirección de Superación Académica, PRODEP, por el financiamiento para la consolidación de Cuerpos Académicos (2016-2017).

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[13] Diario Oficial de la Federación (DOF). NOM-141-SEMARNAT-2003: publicada el 13 de septiembre de 2004. http://dof.gob.mx/nota_detalle.php?codigo=661988&fecha=13/09/2004. [14] American Society for Testing and Materials (ASTM). ASTM D2487-11: publicada en 2011. https://www.astm.org/Standards/D2487.htm. [15] Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C. (IMCYC). Norma Mexicana NMX-C-160-ONNCCE- 2004: publicada en 2010. http://www.imcyc.com/revistacyt/pdfs/problemas39.pdf. [16] Diario Oficial de la Federación (DOF). NMX-C-159-ONNCCE-2016 y NMX-C-305-ONNCCE-2016: publicada el 22 de julio de 2016. http://dof.gob.mx/nota_detalle.php?codigo=5445530&fecha=22/07/2016. [17] Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C. (IMCYC). NMX-C-083-ONNCCE 2002: publicada en 2008. http://www.imcyc.com/ct2008/nov08/PROBLEMAS.pdf. [18] American Society for Testing and Materials (ASTM). ASTM C1701 / C1701M-17a: publicada en 2017. https://www.astm.org/Standards/C1701.htm. [19] A.K. Chandrappa and Krishna P. Biligiri: Con. and Build. Mat., 2016, vol. 123, pp. 627-637. [20] M. Kamali, Madjid Delkash and Massoud Tajrishy: J. Env. Man., 2017, vol. 187, pp. 43-53. [21] J. Li, Yi Zhang, Guanlan Liu and Xinghai Peng: Con. and Build. Mat., 2017, vol. 138, pp. 479-485.



IMPLEMENTACIÓN Y EVALUACIÓN DE LA METODOLOGÍA PARA LA INTERACCIÓN DE ÁCIDOS HÚMICOS EN PRESENCIA DE ARSÉNICO POR ELECTROFORESIS CAPILAR DE ZONA

S. Nieto-Velázquez1,*, D. Saldaña-Ramírez1

, M. E. Páez-Hernández1

1Área Académica de Química, UAEH, Mineral de la Reforma, Hidalgo

* Autor de correspondencia: [email protected] RESUMEN Los ácidos húmicos (AHs) se consideran los componentes principales de la materia orgánica del suelo, agua y sedimentos, son insolubles en medio acuoso bajo condiciones ácidas (pH < 2) pero son solubles a valores de pH mayores; tienen carga negativa y su color en solución es café. Todas las características que se acaban de mencionar se deben principalmente a los grupos carboxílicos e hidróxidos (-COOH y -OH) que poseen en su estructura. Es por ello que pueden interaccionar con todo tipo de iones metálicos, no metálicos, agroquímicos, elementos radioactivos, entre otros. Modificando la transferencia, fijación o biodisponibilidad de los iones en sistemas ambientales. En este trabajo de investigación se reporta la metodología desarrollada en un equipo de electroforesis capilar de zona para analizar de forma más detallada la interacción de los AHs en presencia de arsénico (As), metaloide altamente tóxico. No obstante, realizando los diferentes experimentos se obtuvieron las siguientes condiciones de separación: tiempo de inyección: 5 s (hidrodinámica), presión de inyección: 2 psi, temperatura de separación: 25°C, voltaje aplicado: 20 kV y tipo de capilar: sílice fundida con polaridad normal (Lt= 34.8 cm, Ld= 25.43 cm, d.i.= 50 μm). En la separación se utilizó un buffer ác. bórico / Tris / EDTA pH = 8.5. Bajo estas condiciones se pudo demostrar la interacción de los AHs con el As más específicamente con el orto-arsenito, sal del ácido ortoarsenioso (H2AsO3

-) observando las modificaciones que presentan los electroferogramas. No obstante, obteniendo como resultado la formación de complejos (interacciones entre el ión con la macromolécula del húmico) y repercutiendo en la importancia de la movilidad del As en sistemas como suelo y/o agua. Palabras Clave: Ácidos Húmicos, Arsénico, Interacción, Parámetros Electroforéticos, Electroforesis Capilar de Zona. 1. INTRODUCCIÓN El suelo es un sistema vivo y dinámico, heterogéneo en su estructura y funciones biológicas, aunque homogéneo en su equilibrio [1]. En muchos lugares el suelo es el principal recurso natural del que dependen la agricultura, la ganadería y, por tanto, la alimentación. El concepto calidad del suelo está relacionado con diferentes funciones (producción de biomasa, regulación ambiental, reciclaje de materias primas, hábitat para organismos, reserva genética, sustento físico para la actividad, entre otros) que pueden definirse como la capacidad del suelo para funcionar dentro de los límites de su ecosistema, con el fin de mantener la productividad biológica, calidad ambiental y promover la salud de los seres vivos [2]. Los suelos son sistemas complejos formados principalmente por materia inorgánica y materia orgánica (MO), así como organismos que en él viven (biomasa animal y vegetal), agua y gases. La principal composición de la MO son moléculas pequeñas (aminoácidos, carbohidratos, proteínas, péptidos,




lípidos, ácidos orgánicos de bajo peso molecular, entre otros) y las sustancias húmicas (SHs), también conocidas con el nombre de humus [3]. Las SHs están formadas por huminas (Hs), ácidos fúlvicos (AFs) y ácidos húmicos (AHs), que logran extraerse de forma separada de acuerdo a la solubilidad que presentan en diferentes disolventes [4-5]. Sin embargo, como ya se mencionó los AHs son los componentes principales y más abundantes de la MO, no obstante, debido a su gran cantidad y variedad de grupos funcionales que poseen en su macromolécula sobre todo grupos carboxílicos e hidróxidos (-COOH y -OH) pueden interaccionar principalmente con cationes por el carácter ácido que presentan, sin embargo, estos AHs pueden reaccionar con todo tipo de iones. Es por ello que en este trabajo de investigación nos enfocamos a desarrollar una metodología sencilla, fácil de manipular y económica por electroforesis capilar (EC) para el análisis de los AHs y como interaccionan con As, siendo un metaloide altamente tóxico. A partir de este análisis podemos simular el comportamiento del metaloide en sistemas ambientales como suelo y agua [6-7], modificando concentraciones (0.15 ppm, 0.5 ppm y 1.0 ppm) y el pH (4 y 8.5), así como se presenta en múltiples factores edáficos que afectan su disponibilidad, tanto para plantas como para organismos: parámetros químicos (pH, Eh, en presencia de: óxidos de Fe, fósforo, materia orgánica, entre otros), físicos (compactación, porosidad, textura, color, entre otros), ambientales (clima, relieve, altitud, topografía, entre otros) y biológicos (cambios en la especiación). Todos estos factores van a condicionar el dinamismo y la complejidad del ciclo biogeoquímico del As [2]. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Los experimentos se realizaron en un equipo Beckman MDQ, equipado con un sistema de detector UV/Vis a una longitud de onda (λ) de 214 nm e inyector automático. Para el estudio por EC se utilizó un ácido húmico comercial CHEMAPEX (AH-CH) obtenido del carbón y debido a su alta pureza (11.7 % de cenizas) se trajo para desarrollar inicialmente todo el método electroforético [8-9], posteriormente se analizaron tres AHs extraídos de suelos de Atotonilco (AH-A), Tulancingo (AH-T) y Chapantongo (AH-C) del estado de Hidalgo. El buffer que se utilizó para el desarrollo de la metodología y separación fue de ác. bórico / Tris / EDTA a pH= 8.5 [10-11]. Adicionalmente, también se utilizará un buffer de acetatos a pH de 4.0 para el estudio de la interacción de los AHs con As [12]. Preparación de Soluciones: a). Solución madre de AH (1000 ppm): se disolvieron 10 mg de AH sólido en 360 μL de NaOH 1.0 M y se aforó con agua desionizada a10 mL [11]. b). Solución del trióxido de arsénico: para la preparación de las diluciones de As (0.15 ppm, 0.5 ppm y 1.0 ppm), se utilizó una solución de As2O3 a una concentración 0.001M (1.0 mM) y se aforó con agua desionizada a 50 mL. c). Solucion buffer: Preparado con 9 x 10-2 M de ác. bórico + 11.5 x 10-2 M Tris + 7.5 x 10-4M EDTA a pH = 8.5. Cabe mencionar que todas las soluciones preparadas se pasaron a través de filtros Millipore de 0.45 μm y se ultrasonificaron por 10 min con la finalidad de eliminar burbujas y evitar bloqueos dentro del capilar y falsas señales. 2.1. Desarrollo del método de separación por EC Se utilizó un capilar de sílice fundida (capilar negativo), con las siguientes medidas: Lt= 34.8 cm, Ld= 25.43 cm, d.i.= 50 μm, antes de iniciar con el desarrollo del método se acondicionó el capilar con



NaOH 0.1 y 1 N, con H2O y buffer (ác. bórico / Tris / EDTA) a una temperatura de 25°C, voltaje de 20 kV y con diferentes tiempos, con la finalidad de activar los grupos silanol (Si-OH) del capilar. El parámetro que se modificó inicialmente fue el tiempo de inyección dejando constante la presión, temperatura y voltaje (3 psi, 25°C y 20 kV) de separación de la muestra de AH-CH (100 ppm), posteriormente se fueron modificando cada uno de los parámetros, tal y como se presenta en la tabla 1. Con la finalidad de encontrar las condiciones adecuadas y reproducibles en la separación e interacción de los AHs por EC.

Tabla 1. Parámetros físicos utilizados en el desarrollo del método electroforético. Tiempo de inyección

(s)

Presión (psi)

Temperatura (°C)

Voltaje (kV)

Modificación del tiempo 5 3 25 20 7 3 25 20 10 3 25 20 15 3 25 20

Modificación de la presión 5 0.5 25 20 5 1 25 20 5 1.5 25 20 5 2 25 20 5 2.5 25 20 5 3 25 20 5 4 25 20 5 5 25 20

Modificación de la temperatura 5 2 15 20 5 2 20 20 5 2 25 20 5 2 30 20 5 2 35 20 5 2 40 20

Modificación del voltaje 5 2 25 10 5 2 25 15 5 2 25 20 5 2 25 25 5 2 25 30



2.2. Interacción de los AHs con As por EC Como se mencionó en el apartado anterior, se desarrolló un método por EC reproducible, el cual nos permitió comparar a los AHs extraídos de diferentes suelos (AH-A, AH-T y AH-C) y un AH comercial (AH-CH); para ello se evaluó el tiempo de inyección, presión de inyección, temperatura de separación, voltaje de separación y concentración con la finalidad de lograr mejores separaciones de las muestras y con este mismo método se logró analizar a los AHs en presencia de As, como a continuación se describe: Experimento 1: en un matraz volumétrico de 10 mL se adicionó 1.0 mL de la solución madre de AH de 1000 ppm y se aforó. Se realizó el mismo procedimiento con los cuatro AHs (AH-CH, AH-A, AH-T y AH-C). Experimento 2: en tres matraces volumétricos de 10 mL se adicionó a cada uno 1.0 mL de la solución madre de AH de 1000 ppm, posteriormente se adicionó al primer matraz 10 µL, al segundo 33. 5 µL y 67 µL al tercero de la solución de As2O3 0.1 mM y se aforaron, logrando obtener concentraciones de 0.15 ppm, 0.5 ppm y 1.0 ppm de As. Se realizó el mismo procedimiento con los cuatro AHs (AH-CH, AH-A, AH-T y AH-C). Todos los experimentos se realizaron por triplicado por EC con el método desarrollado en el apartado anterior, con la finalidad de observar los cambios en los electroferogramas. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Desarrollo del método de separación por EC En el desarrollo del método se comenzó con la variación del tiempo de inyección y con la presión de inyección de muestra, ya que, al realizar algunas pruebas preliminares, se observó que ambos parámetros son los que influyen significativamente en la separación y resolución de las señales de la muestra. En la figura 1 se presentan los electroferogramas del AH-CH a 5, 7 y 10 s de tiempos de inyección. Como se puede observar el tiempo de inyección adecuado es a 5 s, a tiempos de inyección menores las señales mostraron intensidades muy pequeñas y con muy poca resolución. Sin embargo, a tiempos mayores de 5 s toda la macromolécula de AH migra sin separarse, observándose una sola señal con gran intensidad.

Figura 1. Electroferogramas AH-CH. Buffer ác. bórico / Tris / EDTA a pH = 8.5, inyección

hidrodinámica a 5, 7 y 10 s, capilar de sílice fundida y polaridad normal.

0 2 4 6 8 10 12 14-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

A

tmigración(min)

5 s

7 s

10 sFEO



En la figura 2 se muestran los electroferogramas a diferentes presiones de inyección (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 y 3 psi), observando que a 2 psi se obtiene una mejor separación y resolución de las señales en comparación con los electroferogramas de 2.5 y 3 psi. Con la presión 1.5 psi se observa una mejor separación, aunque tampoco están completamente resueltos los picos, la intensidad de la señal disminuye y el tiempo de análisis se incrementa. Por lo tanto, a mayor presión observamos una menor separación, mayor intensidad y las señales se obtienen más definidas. Esto quiere decir que entre mayor sea el tiempo y la presión de inyección habrá una menor separación de la muestra esto se debe a que el capilar se satura y no se lleva a cabo una adecuada separación.


hidrodinámica 5 s, presión de inyección 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 y 3 psi, capilar de sílice fundida y polaridad normal.

En la figura 3 y 4 se muestran los electroferogramas a diferentes temperaturas (15, 20, 25, 30, 35 y 40 °C) y voltajes de separación (10, 15, 20, 25 y 30 kV). En los electroferogramas de la variación de temperatura (figura 3) se puede observar como al ir aumentado este parámetro la separación de la muestra es menor, esto se debe a que la muestra tiende a ser menos viscosa dentro del capilar y el AH se aglutina o polimeriza más fácilmente, por lo que la temperatura adecuada es de 25 °C.


hidrodinámica 5 s, presión de inyección 2 psi, a 15, 20, 25, 30, 35 y 40 °C, capilar de sílice fundida y polaridad normal.

3 psi

2.5 psi

2 psi 1.5 psi 1 psi

0.5 psi

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0.0

0.5

1.0

1.5

A

tmigración(min)

15 °C20 °C

25 °C

30 °C35 °C

40 °C




hidrodinámica 5 s, presión de inyección 2 psi, a 25 °C, voltaje de separación a 10, 15, 20, 25 y 30 kV, capilar de sílice fundida y polaridad normal.

Por otro lado, en los electroferogramas de la figura 4 se observa una menor separación de la muestra al aplicar una mayor cantidad de voltaje, no obstante, se decidió por el valor adecuado de 20 kV. Con base a los electroferogramas obtenidos y analizados (figuras 3 y 4), nuevamente se corroboró que a diferentes temperaturas y voltajes se obtienen resultados muy parecidos no muy modificados comparados con la gran variación que presentan los electroferogramas con el cambio de tiempo y presión de inyección o al menos no se observaron cambios muy relevantes en la modificación. Finalmente, se llegaron a las condiciones óptimas de separación de los AHs, las cuales son: tiempo de inyección: 5 s (hidrodinámica), presión de inyección: 2 psi, temperatura de separación: 25°C voltaje aplicado: 20 kV y tipo de capilar: sílice fundida con polaridad normal. 3.2. Interacción de los AHs con As por EC

Con el método desarrollado por EC nos permitió analizar y comparar a los AHs (AH-CH, AH-A, AH-T y AH-C) extraídos del estado de Hidalgo y el AH comercial, así como evaluar su interacción con As. En las figuras 5 y 6 se presentan los electroferogramas con las condiciones adecuadas, como se puede observar los electroferogramas de los AH-CH, AH-A y AH-T son muy parecidos y reproducibles, con intensidades mayores comparadas con el AH-C que presenta señales con intensidades muy bajas y con una menor resolución, pero más definidas en lo que respecta a la separación y con un desplazamiento en el tiempo de migración.

0 5 10 15 20 25 300.0

0.5

1.0

A

t migración(min)

10 kV15 kV20 kV

25 kV

30 kV



Figura 5. Electroferogramas AH-CH, AH-A, AH-T y AH-C. Buffer ác. bórico / Tris / EDTA a pH = 8.5, inyección hidrodinámica 5 s, presión de inyección 2 psi, a 25 °C, voltaje de separación 20 kV,

capilar de sílice fundida y polaridad normal.

Figura 6. Electroferogramas AH-CH, AH-A, AH-T y AH-C con AS (a) 0.15 ppm, (b) 0.5 ppm y (c)

1.0 ppm. Buffer ác. bórico / Tris / EDTA a pH = 8.5, inyección hidrodinámica 5 s, presión de inyección 2 psi, a 25 °C, voltaje de separación 20 kV, capilar de sílice fundida y polaridad normal.

AH-T

AH-A

AH-CH

0 2 4 6 8 10-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

A (mU

)

t migración (min)

0 2 4 6 8 10-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

A (mU

)

t migración (min)

AH-C



En las familias de electroferogramas (figura 6) se van modificando las señales respecto a su intensidad y separación, así como el tiempo de migración con respecto a las diferentes concentraciones de As (0.15 ppm, 0.5 ppm y 1.0 ppm). No obstante, se observaron dos señales características aproximadamente en el tiempo de migración de 8 min en los cuatro electroferogramas de los AHs (AH-CH, AH-A, AH-T y AH-C) y con la concentración 1.0 ppm de As, más específicamente con el H2AsO3

-(orto-arsenito, sal del ácido ortoarsenioso) a las condiciones del pH = 8.5. Obteniendo como resultado la formación de complejos (interacciones entre el ión con la macromolécula del húmico). 4. CONCLUSIONES De acuerdo al estudio realizado (evaluando diferentes condiciones) para el desarrollo e implementación de un método de análisis de los AHs e interacción con As por EC, se concluye con las condiciones adecuadas de trabajo, obteniendo electroferogramas muy aceptables comparados con la literatura. Con el análisis realizado por EC se observó que la interacción del As es diferente en cada uno de los AHs (extraídos en el laboratorio y un AH comercial) y selectiva. Se pudo corroborar con los electroferogramas. Se concluye con una nueva metodología adecuada y reproducible para el posterior cálculo de las constantes de equilibrio: AH-As por EC, la cual una técnica muy rápida, fácil de manipular y económica. AGRADECIMIENTOS Silvia Nieto Velázquez agradece el financiamiento PROMEP con no. de oficio de liberación: DSA/103.5/14/10566.

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http://www.humicsubstances.org/soilhafa.html

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