divendres, 25 de febrer de 2011

Tomografia elèctrica i permafrost a l'Aiguille du Midi.

Per a la realització d'un treball que estic fent en una assignatura de la carrera he hagut de buscar un grup de recerca consolidat de la universitat on estudio, per tal de descriure des de dins un projecte, les tècniques que utilitzen, l'equip humà i tècnic, els resultats científics...
En el meu cas vaig adreçar-me a Philip Deline, professor de geografia de la Université de Savoie i membre del laboratori (de la mateixa universitat) EDYTEM, especialitzat en l'estudi de l'ambient i l'evolució dels territoris de muntanya. Un dels treballs principals d'en Philip és l'estudi i la modelització del permafrost en parets d'alta muntanya, i més concretament a l'Aiguille du Midi (massís del Mont Blanc).
Per aquest fí, els dies 21 i 22 d'Octubre vaig anar amb l'equip a l'Aiguille du Midi, on havien de recollir la sèrie de temperatures registrades amb les dues xarxes de sensors tèrmics directes que tenen instal.lades, i realitzar unes mesures amb tomografia elèctrica, una nova tècnica que modelitza la temperatura interna de la roca (així com d'altres paràmetres) mesurant la seva conductivitat elèctrica.
Quina relació té això amb els riscos naturals i geològics?? Doncs encara que no sigui gaire evident, en té, i bastanta: el gel contingut dins les fractures és un element cohesionador de la roca, doncs actua com una espècie de cola. Un augment prolongat de la temperatura pot arribar a fondre aquest gel, deixant més material disponible als versants rocosos i afavorint per tant el risc de despreniments. El causant d'aquest augment de temperatures que ens preocupa no és el gel-desgel, que tot i que és el causant d'una certa gelifracció (o crioclàstia) no passa de ser un fenòmen periòdic i per tant normal en la dinàmica dels versants, sinó que ens referim al canvi climàtic, que fa augmentar la temperatura mitjana no només de l'aire sinó també de la roca, i alterant el comportament habitual d'aquesta, que passa així a ser més fràgil.

Per començar explicaré un parell de coses sobre el permafrost, i principalment sobre el permafrost en parets de muntanya (o vertical), diferent del permafrost en sòls (o horitzontal).
Es considera permafrost tot aquell sòl o paret quina mitjana diària de temperatures se situa per sota del punt de congelació (0ºC) com a mínim durant un any seguit. La zona de referència per a determinar la temperatura no és la seva superfície (anomenada capa activa: la compresa entre la mateixa superfície del sòl o paret, i el sostre del permafrost), quina temperatura oscil.la periódicament al ritme de les estacions, sinó una capa més profunda, allà on les variacions meteorològiques de la temperatura no l'afecten directament, i on l'amplitud de temperatures anuals no supera els 0,1ºC. Podem dir doncs que el permafrost és una capa molt estable tèrmicament, ja que calen diversos anys consecutius de variació tèrmica del clima per a fer-lo reaccionar amb un augment (o disminució) de la seva temperatura.

Model general del permafrost, amb la seva capa activa, el cos del permafrost, i la roca no gelada (més afectada pel flux geotèrmic que pel clima).
Font: MAGNIN (2010).

Però no totes les superfícies reaccionen de la mateixa manera, ja que podem distingir bàsicament entre dos grans tipus de permafrost: el permafrost en sòl (o horitzontal, o polar) i el permafrost en parets rocoses (o vertical, o alpí).
En el permafrost en sòl el gradient tèrmic és fàcil de modelitzar, ja que depen únicament de la profunditat (o distància a la superfície), i s'hi engloben generalment tots aquells sòls o territoris a menys de 0ºC de temperatura o situats a més de 60º de latitud N o S. Els verdaders especialistes en l'estudi d'aquest permafrost son els països nòrdics, Canadà i Rússia, doncs posa problemes principalment a la construcció d'estructures (edificis, ponts, ancoratges...), i el principal perill que presenta és la desestabilització del terreny quan aquesta capa gelada de sòl es fon (amb el contacte amb aquestes estructures, que a la llarga actuen com conductores del calor que contenen o produeixen), deixant de proveïr a l'estructura del sustent que necessita.
El permafrost de paret és molt més dificil de modelitzar, ja que els principals factors que afecten el gradient tèrmic son tres: la profunditat, l'altitud i l'orientació. A més d'aquests, podem citar (encara que de moment no es tenen en compte en els models geofísics): el tipus de litologia, la continuïtat o discontinuïtat litològica de la roca, la possible presència de límits d'estrat, l'estructura interna de la roca, la presència de fisures, fractures i/o falles, la presència o no de gel a les fisures, la proporció d'aigua en estat líquid a les fisures (del total d'aigua present), la circulació d'aigua, la presència de buits (forats, grutes)...



Models bàsics d'un permafrost de sòl (polar) i un permafrost de paret (alpí).
Font: MAGNIN (2010).

L'estudi d'aquest permafrost i sobretot de la seva degradació, com ja he dit abans, té l'interés en comprendre l'evolució del comportament de la roca, en vistes a poder estudiar, i a la llarga predir, l'augment de material disponible que pugui ser susceptible de despendre's, posant en perill territoris situats en menor altitud.
L'exposició a la superfície de parets abans situades dins els flancs de les glaceres és un bon exemple de parets susceptibles d'aquests despreniments. En part degut als fenòmens de descompressió, el conegut postglacial rebound, en part a l'acció del gel-desgel principalment en la seva capa superficial (gelifracció), i en part a la degradació del permafrost intern. D'exemples d'aquest tipus d'esllavissades en tenim per totes les valls de muntanya (als Alps, als Pirineus...), i definir exactament les seves causes no és fàcil, ja que sovint es produeixen per la combinació de dos o tres d'aquests factors.

Exemple de despreniment lligat principalment a la descompressió postglacial (o postglacial rebound): els moviments de massa que experimenta la paret oriental de l'Eiger a partir del 2006.
Font: RAVANEL (2009).

Però un exemple de despreniments que sembla bastant clar que és degut a la degradació del permafrost és l'augment de despreniments i esllavissades que va tenir lloc al massís del Mont Blanc l'estiu del 2003: 135 en total. Aquest any no està caracteritzat per cap augment de l'activitat sísmica, i la majoria d'episodis van ser produïts en absència de precipitacions. La degradació del permafrost sembla ser doncs, una de les causes més probables. Tot i que en els darrers anys s'ha constatat un augment d'aquests fenòmens encara no es pot afirmar que sigui degut al canvi climàtic (caldrien series de dades molt més llargues per poder fer tal afirmació), tot i que sembla ser que si es manté la tendència aquest fet podrà ser comfirmat més endavant.

L'estiu del 2003, marcat per un augment de despreniments al massís del Mont Blanc, observacions paral.leles realitzades a les galeries de l'Aiguille du Midi (a 3777m) i de la Jungfraujoch (a 3500m) van posar de manifest diversos fluxos de circulació d'aigua en fisures habitualment "seques".
Font: GRUBER (2009).

L'estudi del permafrost en paret és un element clau per la comprensió d'aquests fenòmens i per la prevenció dels riscos associats. Però tot i l'evidència de la presència d'aquest element a les parets alpines, fa relativament poc que s'ha començat a estudiar. La primera mesura de temperatura d'una paret amb permafrost data del 1988 a Suïssa, actualment ja complimentada per una extensa xarxa de seguiment: la xarxa PERMOS (Swiss Permafrost Monitoring Network) compta actualment amb 14 estacions de sondatge tèrmic de temperatures subsuperficials a profunditats de 15 a 100m, 5 de les quals equipades igualment amb electrodes per a l'estudi de la roca amb tomografia per resistivitat elèctrica (ERT). També compta amb una xarxa d'estacions que registren la temperatura superficial, i amb 10 indrets que s'estudien sistemàticament per fotografia aèria en blanc i negre i en infrarroig. Els dos resultats més destacables son la confecció (a escala nacional) d'un mapa que mostra l'extensió del permafrost a Suïssa, i la confecció de diversos models de la distribució i evolució del permafrost en les parets de muntanya.

Mapa del permafrost de Suïssa, elaborat (i actualitzat periòdicament) per la xarxa PERMOS.
Font:
www.permos.ch
Model general de permafrost en una paret alpina. Pot veure's la influència dels factors altitud i versant i la distribució del gradient tèrmic.
Font: NOETZI (2008).

A França l'estudi del permafrost en parets d'altitud és encara bastant recent, i la Universitat de Savoia ha fet de l'Aiguille du Midi el seu laboratori. L'equip encarregat d'aquest estudi, que forma part de l'equip II del laboratori EDYTEM (Environnements, Dynamiques et Territoires de Montagne) està compost principalment pel Philip Deline, doctor en geografia, professor titular i responsable de l'equip, en Ludovic Ravanel, doctor en geografia i professor associat, la Florence Magnin, alumne de Master 2 STADDAD, i també d'altres tècnics que intervenen ocasionalment en treballs puntuals. L'objectiu d'aquests estudis és comprendre la relació entre la degradació del permafrost i un possible augment d'esllavissades en els versants d'alta muntanya.
Aquest equip també forma part del projecte europeu PERMANET i de la xarxa PERMAFRANCE, encarregats de l'estudi i monitorització del permafrost, i col.labora amb la Universitat Joseph Fourier (Grenoble), la Universitat de Zurich, la Universitat de Bonn, i l'ARPA (Agenzia Regionale per la Protezione dell'Ambiente, de la Vall d'Aosta).

Visió de la paret N de l'Aiguille du Midi des de l'estació intermitja del telefèric.
Font: imatge pròpia (a partir d'aquesta imatge, i si no s'especifica el contrari, les imatges que segueixen son pròpies).
El treball a l'Aiguille du midi es realitza normalment quan les condicions meteorològiques son favorables, i es compta amb l'ajut de la Compagnie du Mont Blanc, propietària del telefèric, que facilita l'accés. A canvi, tot i que la companyia no forma part de l'estudi, obté algunes dades per al seu propi interés.

Preparatius previs al desplegament per la cara N del pitó central (mitjançant un descens en ràpel) del cable (de color taronja) que connectarà al generador els electrodes que formen part de la xarxa d'estudi per tomografia elèctica.
Per a obtenir les dades per tomografia per resistivitat elèctrica, hi ha diverses xarxes d'electrodes, cadascuna formada per dues línies de 24 electrodes col.locats permanentment a la paret, i separats 1,5m entre sí. Les dues linies que formen cada xarxa estan col.locades, lògicament, a ambdós costats del pany de roca a estudiar. Per exemple, per l'estudi del pitó central, hi ha una xarxa N/S, amb una linia d'electrodes a la cara N i una segona línia a la cara S. Tots els electrodes d'una linia son connectats a la màquina central (generador d'impulsos elèctrics) mitjançant un cable elèctric que té 24 connectors.
Nota: al demanar si el cable té un nom específic, he obtingut la resposta que el nom específic del cable és "le cable", o sigui que per manca d'un nom millor, i ja que la seva utilitat ja ha estat definida, a partir d'ara em referiré a ell com el cable.

Connexió dels cables N i S a la màquina central.
La màquina central, connectada a l'ordinador i als electrodes i alimentada per una bateria de cotxe, és la que genera els impulsos elèctrics. L'ordinador és l'encarregat de definir la seqüència d'impulsos, i de recollir les dades i d'interpretar-les.
La xarxa de tomografia elèctrica, així com els estris necessaris per la seva realització, pertanyen a l'equip de la Universitat de Bonn, format per geomorfòlegs i geofísics. Aquest també s'encarrega de processar les dades. Actualment també realitza estudis per tomografia elèctica a la cara N del Zugspitze (2.962m), als Alps de Wetterstein (KRAUTBLATTER, 2010).

Xarxa d'electrodes de la cara S del pitó central, connectats al cable.
Detall d'un electrode de la cara S del pitó central, connectat al cable amb un dels connectors (petit cable vermell amb pinces als extrems).
Cada electrode consisteix en un simple cargol quin espàrrec és introduït una desena de centímetres a la roca. Per facilitar la conductivitat i evitar la pèrdua de contacte d'algunes parts de l'electrode amb possibles zones "fosques" (on hi hagi pols, microfractures o forats), abans de la seva introducció s'unta l'espàrrec amb una pasta que facilitarà el contacte amb la totalitat de les parets del forat.
Aquests electrodes queden instal.lats permanentment a les parets, i els podeu observar fàcilment sense necessitat de despenjar-vos si pugeu a l'Aiguille du Midi: al llarg de les galeries que hi ha a l'interior del pitó N (al costat dret del passadís a mida que baixeu des de l'estació del telefèric fins al pont) i del pitó central (des de la bifurcació on hi ha la prova dels ARVA i en les dues ramificacions: a la paret dreta en direcció a la sortida de l'aresta NW, i a la paret esquerra en direcció de l'ascensor que du al cim), i també a la paret E, al llarg de la paret situada al costat dret de la passarel.la que du a la terrassa Rebuffat.

Adrián Flores-Orozco (geofísic, Universitat de Bonn) i Anja Drenkelfuss (estudiant màster de geografia, Universitat de Bonn) preparant la seqüència d'impulsos elèctrics de la Tomografia per Resistivitat Elèctrica (ERT).
Xavier Gallach (estudiant de geografia, Universitat de Barcelona i Universitat de Savoia) a la cara S del pitó central, recuperant el cable un cop finalitzada la tomografia.
Umberto Morra di Cella, tècnic de l'ARPA recollint les dades de la xarxa de sensors tèrmics superficials (a 10, 30 i 55 cm de profunditat) de la cara S del pitó central.
A part de la xarxa d'estudi per tomografia elèctrica, l'equip té dues xarxes complementaries de sensors tèrmics que mesuren i emmagatzemen periòdicament la temperatura de la roca.
La Universitat de Savoia té 3 sensors tèrmics de profunditat, que col.locats a les cares NE, NW i S, mesuren 15 punts de medició cadascun, a profunditats de fins a 10m des de la superfície: 30cm, 50cm, 70cm, 90cm, 1,10m, 1,40m, 1,70m, 2m, 2,5m, 3m, 4m, 5m, 7m, 9m i 10m.
L'ARPA (Agenzia Regionale per la Protezione dell'Ambiente, de la Vall d'Aosta), pel seu costat, té una xarxa de sensors tèrmics a poca profunditat, que mesuren 3 punts de medició cadascun, a 10cm, 30cm i 55cm. L'ARPA també fa un estudi similar a les parets del Matterhorn (Cerví).
Aquests aparells (i les seves bateries) estan dissenyats per treballar i resistir condicions extremes de temperatura (fins -50ºC), i acumulen les dades al llarg de tot l'any. L'equip fa excursions periòdiques per tal de recollir la sèrie de dades produïda per cada sensor tèrmic, per al seu posterior enmagatzematge i tractament.

Col.locació per tècnics de l'ARPA d'un sensor tèrmic superficial a la cara W (aresta Cosmiques) del pitó central.
Actualment s'està ampliant la xarxa de sensors tèrmics, amb la col.locació de nous sensors. El procediment (a part de l'acurada selecció del punt precís) és relativament senzill, ja que es tracta de despenjar-se per la paret, fer un forat de 55 cm de profunditat, col.locar el sensor, configurar-lo i posar-lo en marxa. Un període de proves precedeix l'inici de la recopilació de dades.

Exemple de sensor tèrmic superficial (amb medicions a 10, 30 i 55 cm de profunditat) a punt de ser col.locat a la cara W del pitó central.
Els sensors col.locats originalment registren les temperatures, i son accessibles mitjançant un connector per cable a l'ordinador, de manera que per la recol.lecció de les dades cal despenjar-se per la paret i connectar l'ordinador al sensor. Els sensors que es col.loquen actualment, però, son accesibles mitjançant un receptor wifi, així que permeten recollir les dades des de la plataforma superior del pitó central, estalviant la maniobra de ràpel. L'inconvenient és que el sistema wifi, al no fer-se directament amb un cable, pot posar problemes de recepció, segons les condicions meteorològiques, l'estat de la bateria, etc.

Fotografia de part de l'equip internacional d'estudi (d'esquerra a dreta): Florence Magnin (estudiant de Màster de geografia a la Universitat de Savoia), Anja Drenkelfuss (estudiant de Màster de geografia de la Universitat de Bonn), Michael Krautblatter (professor de geografia a la Universitat de Bonn), Umberto Morra di Cella (enginyer forestal, tècnic de l'ARPA, Vall d'Aosta), Philip Deline (professor titular de geografia de la Universitat de Savoia), Andreas Kemna (geofísic, professor titular de la Universitat de Bonn).

A més de la xarxa de tomografia elèctrica i les dues xarxes de sensors tèrmics directes, l'equip té accés a les dades (temperatura, vent, precipitacions, intensitat de la radiació solar, nivologia, etc) de l'estació meteorològica que hi ha a l'Aiguille du Midi.
L'objectiu concret de l'estudi per tomografia elèctrica és aparellar, si és possible, les dades geofísiques amb les dades tèrmiques i climàtiques, per veure si pot obtenir-se una fòrmula que serveixi per modelitzar la temperatura interna de la roca a partir de la realització periòdica de tomografies elèctriques.
L'objectiu global de tots els equips (Universitat de Savoia, Universitat de Bonn i ARPA), però, és de crear una gran base de dades comuna que permeti estudiar i comprendre l'estat i l'evolució del permafrost de l'Aiguille du Midi.

I per acabar, a continuació incloc algunes fotografies del treball del 22 d'Octubre, per tal d'ensenyar únicament el procediment a la cara W del pitó central, on la situació de la línia en condicions diferents a la resta de línies del conjunt (ni està en una galeria de fàcil accés ni en una paret ben vertical sense neu) posen certs problemes sobretot pel que fa a l'accés.

Un dels avantatges que té treballar en aquests indrets extrems és la increïble vista que gaudim des del nostre lloc de treball. A part de la vista al Mont Blanc (des de la terrassa superior), quan treballem a la cara W ens acompanya un paisatge fenomenal, la visió de la pointe Hellbronner, les Grandes Jorasses i del Glacier du Géant.

La localització dels electrodes no és del tot evident, ja que aquesta paret no és tant vertical com les parets N i S del pitó central, i per tant ens cal treure la neu, i eventualment el gel, per accedir a la roca i als electrodes.

Alguns dels electrodes estan situats al costat de la passarel.la directament al buit, de manera que ens hem d'encordar per tal d'accedir-hi amb uns mínims de seguretat. Fa poc que la Compagnie du Mont Blanc ha instal.lat aquesta xarxa de protecció de caiguda de blocs, que ara ens facilita l'accés a la paret.

L'accés a la majoria d'electrodes és bastant còmode, ja que es tracta de fer servir els forats de la xarxa a mode de graons, caminant lateralment al llarg de la paret. Tot i això, cal avançar sempre encordat, i col.locant cada certa distància un mosquetó per on passarem la corda que ens protegeix.

Si la xarxa ens ha facilitat l'accés a la majoria d'electrodes, ens ha obstaculitzat l'accés a un d'ells, que ara queda massa luny per col.locar-hi el cable amb comoditat (gairebé un metre!). Això ens obliga a esmunyir-nos per dins d'un forat de la xarxa, i tot i així hi arribem molt justament. Aconseguiré posar el connector al segon intent: al primer intent el connector no queda prou ben agafat i cau al buit.

Per solucionar aquest problema i fer l'accés més fàcil en les següents ocasions, en Michael fa un forat en un lloc més accessible, i col.loca un electrode que substituïrà el que hem fet servir fins ara.

En Philip ens assegura des de la plataforma que voreja la cara W, assegurat ell mateix a un parabolt situat a la roca.

REFERÈNCIES BIBLIOGRÀFIQUES:


-GRUBER, Stephan (2009): Le permafrost de haute montagne. Cahiers de géographie. Numéro 8. Année 2009. Collection EDYTEM. Université de Savoie.


-KRAUTBLATTER, Michael, VERLEYSDONK, Sarah, FLORES-OROZCO, Adrián, KEMNA, Andreas (2010): "Temperature-calibrated imaging of seasonal changes in permafrost rock walls by quantitative electrical resistivity tomography (Zugspitze, German/Austrian Alps). Journal of Geophysics Research, vol. 115.


-MAGNIN, Florence (2010): "Modelisation des temperatures des parois à l'Aiguille du Midi. Un état de l'art des connaissances et methodes d'investigation du pergelisol des parois raids de haute altitude. Travail d'etude et de recherche Master 1 STADDAD". Université de Savoie.


-NOETZLI, Jeannette (2008): Modelling transient three-dimensional fields in mountain permafrost.


-RAVANEL, Ludovic (2009): Évolution géomorphologique de la haute montagne alpine dans le contexte actuel de réchauffement climatique. Cahiers de géographie. Numéro 8. Année 2009. Collection EDYTEM. Université de Savoie.


-SWISS PERMAFROST MONITORING NETWORK (PERMOS). Sur internet: www.permos.ch. Consulta realitzada el 7 de Gener de 2010.

1 comentari:

  1. Hola, estuve visitando tu blog y esta genial, me encantaria intercambiar un enlace hacia mi web de mineria, noticias y educacion. Si estas de acuerdo no dudes en contactarme a: enlacemineria@gmail.com

    Saludos!

    ResponElimina