Mediciones rudimentarias en investigaciones de campo: área de las geociencias

MEDICIONES RUDIMENTARIAS EN INVESTIGACIONES DE CAMPO, ÁREA DE LAS GEOCIENCIAS

Por: Jesús E. Santiago ©

INTRODUCCIÓN

Las mediciones rudimentarias, es decir, aquellas que adolecen de cierto margen de error porque no son realizadas con herramientas sofisticadas, son de suma importancia en los estudios de campo relacionados con las geociencias o ciencias de la tierra (geología, geomorfología, hidrología, edafología, etc.), debido a que le dan cierto grado de objetividad a los análisis recabados, de particular interés en aquellos casos de localidades recónditas de escasa información.

Por otra parte, no siempre el científico o geocientista posee en sus manos aparatos o herramientas de alta tecnología que le permitan salvar distintos escollos, de allí que las mediciones elementales le permiten cuantificar, aunque con algún margen de error, distintas variables con la finalidad de no caer en lo que los investigadores denominan juicios de valor o afirmaciones meramente cualitativas y/o subjetivas. Por ejemplo, no es lo mismo decir: “la colina mide 15 m de altura” que en su lugar se diga: “se trata de una colina baja”, puesto que con la primera frase se obtiene una idea más precisa.

En los tiempos modernos la existencia de aparatos elaborados con tecnología de punta, buena parte de ellos livianos, de fácil transportación, quizá lleve a muchos investigadores a dejar de lado las mediciones que bien puedan realizarse de forma rudimentaria o elemental, remitiéndose solo a determinar algunos parámetros, pero dejando escapar ciertas informaciones que le pudieran enriquecer los análisis descriptivos de las zonas investigadas.

Algunos geocientistas como geólogos, geógrafos y edafólogos pueden contar en sus mochilas con instrumentos básicos como: cinta métrica, cuentapasos y brújula, incluso con una cámara fotográfica, con los cuales pueden determinar múltiples mediciones de gran utilidad en los estudios involucrados. De ahí que el objetivo del presente escrito es dar a conocer algunos métodos de medición simples y sencillos en los trabajos in situ, particularmente en las áreas de geomorfología, geología y un tanto en la edafología e hidrología.

DETERMINACIÓN DE LA ALTURA O DEL ESPESOR

Para el caso de la determinación de la altura, por ejemplo, de una roca o de una aglomeración de rocas (tors) que esté expuesta en el horizonte, uno de los métodos más sencillos es trepar el afloramiento y, una vez que alcancemos la cima, lanzamos hacia el fondo una roca u otro objeto atado al extremo de una cuerda,  tensamos y hacemos un nudo justo donde esté la cima. Posteriormente medimos la longitud de la cuerda que se tendió desde el tope a la base. Esto podría funcionar en afloramientos de poca altura, aunque uno de los problemas aquí podría ser la irregularidad del talud, que podría dar lugar a una medición imprecisa.

El mismo método también podría funcionar sobre un escarpe o acantilado  de configuración vertical.

Un método más fácil, considerando que hoy en día la mayoría de los teléfonos móviles cuentan con cámara digital, es tomar una fotografía colocando en la base de la elevación una persona de pie y erguida, para luego establecer una relación (regla de tres) tomando en cuenta la estatura de la persona fotografiada y la distancia vertical (DV) medida en la foto con una regla (Figura 1).

Figura 1. La estimación de la altura (incluso del ancho) de este afloramiento puede calcularse tomando en cuenta la estatura de la persona en la imagen. Si la persona mide en la foto 1,7 cm y sabemos que su tamaño real es de 1,80 m, medimos con la regla la DV de la roca, que en nuestro caso es 6,8 cm; entonces, haciendo una regla de tres simple se tiene que la DV = 7,20 m. 

En caso de que no se cuente con una persona que ayude en la tarea,  otro método puede ser medir la distancia horizontal (DH) desde el punto de ubicación del observador hasta la base de dicha elevación. Esto puede hacerse con la ayuda de una cinta métrica o con una cuerda, como se explicó al principio, a diferencia que acá la distancia es en la horizontal. También puede echarse mano del instrumento conocido como cuentapasos. En caso de no tenerse el cuentapasos, el investigador deberá contar en voz alta sus pasos teniendo cuidado de no distraerse. Para ello deberá poseer, previa práctica, un valor promedio de sus pasos. Una persona de mediana estatura puede poseer pasos de unos 0,70 m en promedio. Si, por ejemplo, llega a contar 100 pasos desde su punto de observación, eso significa que la distancia horizontal es de 70 m (Figura 2).

Figura 2. En este gráfico hay implícitas varias maneras de medir la altura de un afloramiento rocoso: Una de ellas es, si la persona en la imagen mide con un clinómetro el ángulo que existe entre el horizonte y el punto más alto del relieve, tendrá que medir también la distancia entre sus pies y la base  (b b') para así poder usar la fórmula de la tangente. No hay que dejar de lado que la altura obtenida es solo desde la altura de los ojos del observador (a b), por lo que a lo último debe sumarse la estatura restante (b c). El otro modo para calcular la DV es similar al de la Figura 1. Además puede dibujarse un triángulo como el trazado en rojo (a c c'), y medir los lados con la regla. Si no, aunque es más largo, puede usarse el teorema de Pitágoras.

Ahora bien, una vez obtenida la DH, se procede a calcular la DV mediante la fórmula de la tangente:

 Tan ά = Cat Opuesto / Cat Adyacente

En nuestro caso, como el cateto opuesto es la DV y el cateto adyacente es la DH, entonces:

DV  = Tang ά  . DH

Pero según la fórmula debemos hallar también el valor del ángulo ά. Para ello, lo más lógico es utilizar el clinómetro que viene incorporado en las brújulas de geólogos (marca Brunton) o en las brújulas menos complejas (marca Suunto o Silva). (Figura 3).

Figura 3. A la izquierda de la imagen se observa una brújula de espejo marca Suunto con clinómetro incorporado, el cual consta de una aguja oscura con punta de lanza. Mientras que en el lado derecho se observa exclusivamente un clinómetro de la misma marca.

En caso de que el investigador no cuente con el clinómetro, puede elaborarlo de forma casera, utilizando un transportador al que se le adhiere un hilo que sujeta una plomada, tal como se muestra en la Figura 4. Pero debe tenerse cuidado con la graduación de este instrumento para no confundirse. Otra método es dibujar sobre un cartón el arco del transportador calcando las graduaciones con una punta fina de grafito, y adhiriendo con cinta pegante o con un chinche el cordel. De plomada puede servir un tornillo o una tuerca.

Figura 4. Clinómetro casero hecho con un transportador y materiales sencillos. La letra M significa “mira”; es decir que a lo largo de esa línea deberá apuntarse la mirada. La posición del hilo da la lectura en grados. En este ejemplo, en el punto donde están los 90° corresponderá al 0°. La pendiente que está señalando el hilo es igual a 22°.

Es importante señalar que al obtenerse el valor de la DV es necesario sumar a ese valor la altura desde los pies hasta los ojos de la persona que hace la medida. Es decir que de la estatura debe omitirse lo correspondiente desde los ojos hasta el tope de la cabeza.

Hoy en día se cuenta con instrumentos hechos con tecnología de punta que permiten determinar las dimensiones de un objeto ubicado a equis distancia sin invertir mayor esfuerzo físico, tales como los distanciómetros láser. Con un dispositivo de esta naturaleza, del tamaño de un teléfono móvil, no es necesario caminar mucho porque lo que se hace es apuntar el rayo y tomar las lecturas correspondientes. La limitante en este caso es el costo de los aparatos, que quizás solo vale la pena comprarlos en circunstancias en que el trabajo de las mediciones sea de cierta magnitud o signifique rentabilidad para el técnico. Otros de tales instrumentos sofisticados pueden ser los altímetros de precisión o los mismos GPS.

Por otra parte es bueno saber cómo se mide el espesor de capas visibles, por ejemplo, si sobre un escarpe divisamos una secuencia sedimentaria con diferentes litologías como: arcillas, arenas, gravas, conglomerados y turberas; en consecuencia, de contar con alguien que nos ayude, lo podemos colocar erguido frente a dicha secuencia; se toma la fotografía y se aplica el método anteriormente descrito (utilizando la estatura del ayudante). Todo lo cual puede ser útil en taludes de difícil acceso.

Si se trata de una secuencia cuyos estratos tengan una fuerte inclinación (o buzamiento) y si no contamos con el ayudante, no es mala idea fotografiar el corte colocando una vara de longitud conocida a manera de escala. A la vez, si se logra que la foto se tome lo más horizontal posible, sobre la misma, con la ayuda de un transportador se pueden medir las inclinaciones de los estratos (Figura 5).

Figura 5. Igual que en la Figura 1, la estatura de una persona puede ser útil para calcular el espesor de estratos individuales, tan solo que la línea del espesor, en este ejemplo, debe colocarse perpendicular a los planos de estratificación, como se indica en el segmento AA’. Sobre una foto con una situación similar se nos hace fácil, además, medir con un transportador el ángulo de buzamiento de las capas.

De hecho, en los trabajos geológicos en muchas fotografías sobre fenómenos de campo se observan personas u objetos que sirven de escala o nos dan una idea acerca de las dimensiones. Dentro de esos objetos se encuentran: lapiceros, gafas, martillos, sombreros, etc. En otras circunstancias los autores dejan que el lector se guíe gracias a que en el paisaje aparecen cosas como árboles y viviendas.

MEDICIÓN DE LA PENDIENTE CON UN CLINÓMETRO

La pendiente no es más que el grado de inclinación de las vertientes. Se puede expresar de distintas maneras, una de las más comunes es en grados sexagesimales; también puede expresarse en porcentaje y en relaciones entre unidades como m/km y pies/milla. Los ingenieros civiles muchas veces hablan, por ejemplo, en términos como: 1Vertical/2Horizontal, que es lo mismo que ½.

Como antes se indicó, las brújulas más sofisticadas traen incorporado un clinómetro, el cual da valores fundamentalmente en grados; pero también existen en el mercado  los clinómetros por sí solos. Veamos entonces cómo se hace para medir la pendiente sobre el terreno utilizando cualquier tipo de clinómetro.

Lo ideal es que participen dos personas, en caso de que las dos sean de estaturas distintas, la que se encargue de tomar la medida, persona A (operador), deberá apuntar a un punto de la persona B, teniendo cuidado que dicho punto tenga la misma altura de los ojos del operador. Para ello será necesario hacer una marca en el cuerpo de B; si no, lo más conveniente es que ambas sean de la misma estatura. En caso de que el investigador se encuentre en solitario podría optarse por una marca en un árbol; si no, podría utilizar una vara con una marca que esté a la altura de los ojos (Figura 6).

Figura 6. Medición de la pendiente entre dos personas con la misma estatura. De no contarse con la ayuda de otra persona pudiera colocarse una marca en el tronco de un árbol.

La medición de pendientes se hace en sentido perpendicular al declive; dicho de otra manera, perpendicular a las curvas de nivel. Con el clinómetro casero se obtienen solo valores en grados que a su vez se pueden convertir en porcentajes. Por ejemplo, si en determinada vertiente se obtiene un valor de 45°, luego:

P = (Tang 45°). 100 = 100%

El resultado significa que por cada 100 m que se avance en sentido horizontal se subirán igualmente 100 m, en caso de que alguien vaya subiendo. La explicación sobre el cálculo y utilidad de las pendientes puede estudiarse con más detalle en otra entrada del presente blog (“Cálculos elementales en planos topográficos”).  

MIDIENDO LAS PENDIENTES A LO LARGO DE UNA VERTIENTE

Muchas elevaciones, bien sea colinas, lomas, cerros o montañas, poseen vertientes irregulares, unas más irregulares que otras. Supongamos un ejemplo donde la irregularidad del perfil no sea tan acusada. Se procede de la siguiente forma: Si se avanza subiendo por la vertiente, lo más conveniente es medir cuando haya cambios en la inclinación. Al mismo tiempo es necesario tomar nota de las distancias recorridas con la ayuda de un cuentapasos o con una cuerda; eso sería medir la longitud de la vertiente (Figura 7). A lo último, cuando se tengan todas las medidas se saca un promedio representativo de esa faceta del relieve. Algunas veces los valores que se obtienen in situ varían un tanto de los que se calculan indirectamente sobre un mapa topográfico. En estos casos optamos por preferir lo que detectamos en el mundo real.

Figura 7. Para medir las pendientes a lo largo de una vertiente, lo ideal (en caso de que se avance subiendo) es tomar la medida en aquellos planos donde ocurran cambios de inclinación; a la vez es necesario ir tomando nota de las distancias recorridas.

Si logramos recorrer el relieve desde el tope hasta la base, estaremos en capacidad entonces de hallar el desnivel o altura del mismo, dibujando el perfil sobre un papel milimetrado, con la ayuda de un transportador, según la distancia recorrida y los valores de las pendientes. Luego, determinamos la DV a lo largo de la línea vertical que se intercepta con el tope del relieve. También puede trazarse una línea recta entre el punto más alto hasta la base (comienzo de la vertiente), a modo de la hipotenusa de un triángulo, con el fin de utilizar la fórmula del seno para calcular dicha DV. No necesariamente el valor del ángulo obtenido con esta fórmula tiene que coincidir con la pendiente promedio.

ESTIMANDO LA EROSIÓN A TRAVÉS DE PIRÁMIDES DE TIERRA

En muchas vertientes afectadas por deforestación es común observar la formación de pirámides de tierra, denominadas también pedestales de tierra.  Constan de una corona de roca o material duro que descansa sobre una columna de materiales sueltos o no consolidados como arena o limo. Se forman gracias a la salpicadura de las gotas de lluvia que remueven solo los materiales alrededor del fragmento duro, mientras los que están por debajo quedan protegidos y desarrollan un pedestal que puede medir desde unos centímetros hasta varios metros de altura.

Figura 8. Corte esquemático mostrando la estructura y configuración de un grupo de pirámides de tierra.

Para el estudio de la erosión o pérdida de suelo, un campo de pirámides de tierra puede ser útil a la hora de estimar el promedio de la profundidad o espesor de suelo perdido o inclusive, dicha información puede conllevar al cálculo del volumen de materiales perdidos. Para tal tarea debemos primeramente medir la altura de cada pedestal, por debajo del sombrero de roca. De haber miles de pedestales nos remitimos a hacer solo un muestreo representativo. Una vez que se obtenga dicho promedio lo multiplicamos por el área afectada por la erosión. La fórmula correspondiente será:

PS = A . e

 Donde:

PS: Pérdida de suelo expresada en metros cúbicos.

A: Área en metros cuadrados.

e: Espesor promedio del suelo perdido.

Este fenómeno de las pirámides de tierra puede ser emulado de forma artificial colocando chapas o tapas de refresco en el terreno. El método está ampliamente descrito en la referencia [1].

ESTIMANDO EL CAUDAL DE UN RÍO

Los cálculos más precisos del caudal de un río se logran por medio de un instrumento llamado correntímetro. Sin embargo, si se trata de un cuerpo de agua pequeño, podemos hacer un estimado de esta variable aplicando un método sencillo y al alcance de todos. Considerando la fórmula, se tiene:

Q = A .v

Donde:

Q: Caudal expresado en m³/seg.

A: Área de la sección del río en m².

V: Velocidad de la corriente en m/seg.

Para determinar el área de la sección de un río, primeramente, se miden varias profundidades con la ayuda de una varilla (Figura 9).

Figura 9. Método para definir la forma geométrica del corte o sección de un río pequeño (en azul oscuro), utilizando una varilla para medir distintas profundidades. Los datos recabados deben llevarse luego a un papel milimetrado con el fin de hallar el área.

Los datos colectados se plasman en un papel milimetrado para determinar la superficie de la forma geométrica de dicha sección (revisar en la entrada sobre cálculos elementales los distintos métodos para hallar áreas). Posteriormente, la velocidad de la corriente se estima colocando cualquier flotador liviano en el centro del río; por ejemplo, se elige un tramo de unos 5 m del río. Al momento de soltar el flotador, se activa el cronómetro; el mismo se detiene una vez que dicho objeto alcance justo la marca de los 5 m de distancia. Si, por ejemplo, se mide un tiempo de 10 seg, la velocidad aproximada de la corriente será:

V = 5 m / 10 seg;  V = 0,5 m/seg

Supongamos que el área de la sección dio un valor de 0,75  m², entonces:

Q = 0,75  m² . 0,5 m/seg

Q = 1,5 m³/seg

Por supuesto que este será un valor para un momento determinado, ya que los caudales varían según la época del año y según el comportamiento de las lluvias. La importancia de conocer los caudales de los ríos, según los distintos campos del quehacer humano, se explica en la referencia [1].

LA MEDICIÓN DEL RETROCESO DE ESCARPES

Se puede medir el avance de la erosión con relativa facilidad en aquellos escarpes inestables susceptibles de retroceder en las épocas o tiempos lluviosos. El método recomendado es bastante simple, y consiste en colocar marcas como estacas o varas metálicas numeradas y registradas sus distancias hasta el borde del escarpe. El investigador deberá estar atento entonces en visitar la zona de estudio cada vez que haya finalizado un aguacero, por lo cual, tendrá que medir nuevamente las distancias desde las marcas hasta el borde, tal como se observa en la Figura 10.

Figura 10. La colocación de estacas numeradas cerca de un escarpe activo puede resultar un método excelente para monitorear el retroceso. Nótese que detrás de cada marca puede haber otra de refuerzo. Las distancias de cada una de las marcas deben quedar registradas desde el inicio de la investigación.

Este método es de gran utilidad para dilucidar el ritmo de crecimiento de sistemas de cárcavas. Para saber más detalles al respecto se recomienda revisar la referencia [2].

MEDICIÓN DE MOVIMIENTO DE PARTÍCULAS

Un truco sencillo para determinar la velocidad de partículas de arena o grava, por ejemplo, al borde de una playa a través del proceso conocido como deriva, puede llevarse a cabo tiñendo un puñado o una muestra de las mismas utilizando colores contrastantes que no se confundan con su color natural. Por ejemplo, en caso de que las arenas sean muy claras será preciso teñirlas de negro o de rojo; para eso es menester usar tintes o pinturas que no agreguen mayor tamaño o peso a dichas partículas. La idea es colocarlas en algún punto y desde allí se va midiendo tanto la distancia como el tiempo.

Algo similar puede hacerse en el caso de sitios afectados por erosión eólica, como son los campos de dunas, donde podría hacerse un estudio comparativo acerca de cuáles posiciones favorecen o no el traslado de las partículas, por ejemplo, cuando trepan por una vertiente o cuando simplemente avanzan por pendientes suaves.

PROBLEMAS PROPUESTOS

1.    Si se usa un altímetro de precisión y se mide en el tope de un cerro una altitud de 1073 m, y en la base del mismo una altitud de 985 m; ¿cuál será la altura o DV de dicho relieve?

2.    Si usted mide en el terreno la longitud de una vertiente rectilínea y obtiene un valor de 809 m, entre la base y la cima, y determina con la ayuda de un altímetro una DV de 203 m, ¿cuál será entonces la DH entre los extremos recorridos?

3.    Si se toma una foto y se tiene un acantilado cuya altura en la imagen es de 8,5 cm; y en la base se observa una casa de 0,5 cm de altura, ¿cuál será la DV de ese relieve sabiendo que la altura real de la casa es de 3,2 m?

4.     Si se observa caer un rayo en el tope de una loma y se detecta que el sonido del relámpago llega a los oídos en un tiempo de 5 seg. ¿Cuál será la DV de ese relieve si el observador mide desde su posición un ángulo de 22° con respecto a la cima?

5.    Imprimir la Figura 7 y medir con el transportador cada una de las pendientes señaladas en la vertiente; convertir las pendientes en valores porcentuales (%) y sacar un promedio.

6.    Imprimir la Figura 9 y hallar el área (m²) de la sección del río mediante el método de la cuadrícula considerando que el ancho del río es de 1,65 m.

7.    Utilizando el resultado anterior, se pide hallar el caudal de ese río sabiendo que allí un flotador recorrió una distancia de 10 m en un lapso de 30 seg.

8.    Si se determina que el espesor promedio de un campo de pirámides de tierra es de 4,5 cm, sobre un área de 2500 m², calcular el volumen de suelo perdido (m³).

9.    Para el resultado anterior, si la densidad del suelo es de 900 gr/litro, calcular la pérdida de suelo expresada en kg y en toneladas.

Para aclarar dudas al respecto, escriba a: enrisanti9@gmail.com

REFERENCIAS

[1]  Santiago, J. 2010. Escorrentía y erosión del suelo. Disponible en: escorrentiayerosion.blogspot.com

[2] Santiago, J. 2007. Metodología de campo aplicada al monitoreo de cárcavas. Disponible en: www.monografias.com