Variaciones isotópicas (210Pb, 137Cs) antropogénicas en el
registro estratigráfico de un lago de la cordillera
de Nahuelbuta, Chile
Marco Cisternas
Alberto Araneda
Centro EULA-Chile, Universidad de Concepción,
Casilla 160-C, Concepción, Chile
mcisterv@udec.cl
RESUMEN
La actividad y distribución de 210Pb y 137Cs en el registro sedimentario de un lago de la cordillera de Nahuelbuta están influenciadas por la actividad antrópica. Análisis isotópicos, de rayos X, susceptibilidad magnética, polen y granulometría muestran que tanto las variaciones en las tasas de erosión, generadas por cambios en el uso del suelo de la cuenca, como las inyecciones atmosféricas del 137Cs han operado sobre el comportamiento de dichos isótopos en la columna estratigráfica. Se discute, también, el papel desempeñado por algunas variables naturales, como la proporción entre continentes y océanos en el hemisferio sur y la localización de la cordillera de Nahuelbuta.
Palabras claves: Registro sedimentario lacustre, 210Pb, 137Cs, Cordillera de Nahuelbuta, Chile central.
ABSTRACT
Anthropogenic isotope (210Pb, 137Cs) variations in the sedimentary record from a lake in the Nahuelbuta mountain range, Chile. The activity and distribution of 210Pb and 137Cs through the sedimentary record of a lake, which is located in the Nahuelbuta mountain range, are influenced by anthropic activity. Isotope analyses, X-rays, magnetic susceptibility, pollen and grain size analyses show both erosion rates variations-produced by land use changes within the watershed-and the 137Cs atmospheric inputs have affected on the behavior of those isotopes in the record. The role of some natural variables -as the low ratio of land to ocean in southern latitudes, and the Nahuelbuta mountain range locations are also discussed.
Key words: Lacustrine sedimentary record, 210Pb, 137Cs, Nahuelbuta mountain range, Central Chile.
INTRODUCCION
Los sedimentos lacustres contienen isótopos naturales y artificiales. Los primeros, son generados por el bombardeo de rayos cósmicos de la atmósfera terrestre (e.g.,14C y 7Be) y a través de las secuencias del decaimiento de radionúcleos primordiales (238U, 235U y 232Th). En cambio, los radioisótopos artificiales han sido introducidos al ambiente como resultado de las pruebas de armas y accidentes nucleares (134Cs, 137Cs, 239, 240Pu y 241Am; Appleby y Oldfield, 1992, 1997).
Uno de los radioisótopos más utilizado para realizar la geocronología de la sedimentación reciente es el 210Pb. Este isótopo se encuentra en forma natural, en los sedimentos lacustres, como resultado del decaimiento del 238U. Su período de semidesintegración (22, 26 años), lo hace especialmente adecuado para fechar sedimentos depositados durante los dos últimos siglos (Crickmore et al., 1990).
A diferencia del 210Pb, el 137Cs es uno de los principales componentes de la precipitación radioactiva antropogénica. Ambientalmente, se clasifica dentro del grupo de contaminantes inorgánicos producidos por fisión nuclear (Olsen et al., 1982). El 137Cs fue generado como un subproducto de las pruebas de armas y accidentes nucleares, estando presente en el ambiente desde los primeros ensayos nucleares de 1945 (Whicker et al., 1994). Su distribución global ha estado controlada tanto por las inyecciones estratosféricas del isótopo, como por los patrones de circulación atmosférica (Walling y Bradley, 1990). Ambientalmente, las características del 137Cs (i.e., alta energía, comportamiento geoquímico, afinidad con el K, movilidad en los niveles tróficos y bioacumulación), lo convierten en uno de los radioisótopos más peligrosos para los seres vivos, generando lesiones celulares (i.e,. cáncer) y modificaciones genéticas (Eyman y Kevern, 1975; Francis y Brinkley, 1976; Unscear, 1993).
La presente investigación informa y discute, respecto a la influencia antropogénica, la distribución de un isótopo natural (210Pb) y uno artificial (137Cs) en el registro sedimentario de un lago sometido históricamente a fuerte presión de uso.
MATERIALES Y METODOS
AREA DE ESTUDIO
Laguna Chica se localiza en la comuna de San Pedro de la Paz, Chile central (Fig. 1A y B), entre las estribaciones septentrionales de la Cordillera de Nahuelbuta y la planicie sedimentaria del río Biobío (Fig. 1C y D). Su cuenca de drenaje, que cubre 4,5 km2 de una quebrada que alcanza los 400 m de altitud, no cuenta con ríos ni tributarios de orden mayor (Fig. 2A). Geológicamente, la cuenca se encuentra sobre la serie oriental del basamento metamórfico paleozoico, limitada al norte por una planicie sedimentaria, compuesta por arenas cuaternarias de origen volcánico, que embalsa las aguas del lago (Aguirre et al., 1972; Hervé, 1977; Cecioni y Quezada, 1994). El cuerpo lacustre, con un espejo de agua de 0,87 km2 y una profundidad máxima de 17 m (Fig. 2B), presenta un efluente temporal sólo en invierno (Parra, 1989). Las aguas del lago provienen, principalmente, de la precipitación interceptada por la cuenca. Durante el último siglo, la precipitación anual fluctuó entre 1 y 2 m a-1, con una media de 1,3 m a-1. En general, el registro de lluvia durante el período no presenta tendencias al incremento o disminución de los montos (Fig. 2C). Históricamente, diversas actividades antrópicas han afectado intensamente al lago y su cuenca: tala del bosque nativo, cultivo intensivo de trigo, plantaciones forestales y urbanización (Cisternas et al., 1999, 2000).
OBTENCION DEL REGISTRO SEDIMENTARIO
Utilizando un ecógrafo se determinó el punto de mayor profundidad del lago (Fig. 2B). Una vez estabilizada la embarcación, mediante buceo autónomo se recolectaron, evitándose la resuspensión, dos núcleos vecinos. Verticalmente, se introdujeron 2 tubos de plexiglass de 5 cm de diámetro por 1 m de longitud en el fondo del lago. Los testigos obtenidos se denominaron LCH-1 y LCH-2.
RAYOS X
Con el objetivo de determinar la calidad del registro sedimentario, esto es, evaluar si la estratigrafía ha sufrido mezcla biológica o física, se procedió a radiografiar el núcleo LCH-1, a una intensidad de 50 kV, con el método propuesto por Axelsson (1983).
FIG. 1. Localización continental (A), regional (B), y comunal (C y D) del área de estudio.
MEDICIONES ISOTOPICAS
FUNDAMENTO METODOLOGICO DEL ANALISIS DE 210Pb
La actividad total del 210Pb en los sedimentos tiene dos componentes. El 210Pb 'sostenido' ('supported') o 'propio' (210Pbs), que es producto del decaimiento in situ del isótopo padre 226Ra en las partÍculas de roca (Crickmore et al., 1990). El segundo componente, llamado 210Pb 'no sostenido' (`unsupported') o en exceso (210Pbex), proviene de la precipitación atmosférica. El 222Rn, formado por el decaimiento del 226Ra en el suelo, escapa por los intersticios hacia la atmósfera, donde decae a 210Pb. Este precipita, por deposición seca y húmeda, sobre la superficie terrestre. El 210Pbex que cae dentro de los lagos, sea por precipitación directa o a través de la escorrentía de la cuenca, es removido desde la columna de agua y depositado junto a los sedimentos. En el registro sedimentario, el 210Pbs está en equilibrio radioactivo con el 226Ra, y asÍ el 210Pbex se puede conocer por la diferencia entre el 210Pb en un determinado estrato, y el valor más bajo y constante de 210Pb en los estratos profundos; asumiendo la ausencia de 210Pbex debido a su decaimiento natural. De este modo, teóricamente, el 210Pbex en cada estrato debiese declinar con su profundidad y edad de acuerdo con la ley de decaimiento radioactivo; a menos que existan variaciones en el proceso sedimentario (Eakins, 1983; Crickmore et al., 1990).
FIG. 2. Modelo digital de elevación de la cuenca de Laguna Chica (A); batimetría del lago con la localización de la estación de muestreo (B), y registro de precipitación media anual del área durante el último siglo.
ANALISIS DE 210Pb
Después de radiografiado, el núcleo LCH-1 fue seccionado a intervalos de 1 cm. La determinación de la concentración del 210Pbex en cada sección se realizó en el Laboratoire de Glaciologie et Geophysique de l' Environnement (CNRS), en la Universidad Joseph-Fourier, Grenoble, Francia, siguiendo las metodologías propuestas por Hasanen (1977), Eakins y Morrison (1978); Binford et al. (1991) y Radakovitch (1995). La cronología, tasas de sedimentación y flujo del isótopo se obtuvieron alimentando el modelo CRS ('Constant Rate Supply'; Appleby y Oldfield, 1978, 1992).
FUNDAMENTO METODOLOGICO DEL ANALISIS DE 137Cs
El 137Cs inyectado a la estratosfera desciende a la troposfera principalmente en las latitudes medias y polares (Longmore et al., 1983). Posteriormente, precipita, en forma húmeda y seca, sobre la superficie terrestre (Olsen et al., 1982; Agudo, 1998). A los lagos, el 137Cs llega por precipitación directa sobre el espejo de agua y a través de la escorrentía de la cuenca, la cual erosiona y transporta las partÍculas de suelo contaminado (Whicker et al., 1994). Así, en la columna de agua, las partículas con 137Cs, deberían decantar siguiendo un patrón de distribución similar a la precipitación radioactiva (Pennington et al., 1973; Crickmore et al., 1990).
ANALISIS DE 137Cs
Las mediciones de 137Cs en cada sección de LCH-1 se realizaron en el Laboratorio de Radioactividad Ambiental de la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN), mediante un detector de Ge hiperpuro, con 25% de eficiencia relativa y 1,9 keV de resolución. La actividad del radioisótopo se cuantificó mediante el método propuesto por Piñones y Tomicic (1995).
SUSCEPTIBILIDAD MAGNETICA
La susceptibilidad reversible del sedimento a un campo magnético de baja frecuencia (de ahora en adelante 'susceptibilidad magnética') es una razón que está en dependencia directa del volumen de minerales ferromagnéticos en el sedimento (e.g., magnetita, titanomagnetita). Este parámetro es utilizado como indicador de variaciones en la fuente sedimentaria y de la energía cinética involucrada en el proceso (Dearing y Flower, 1982; Oldfield et al., 1983; Rummery, 1983; Yu y Oldfield, 1989). La susceptibilidad magnética de LCH-2 se cuantificó en el Labor für Geomorfologie und Geoökologie, en la Universidad de Heidelberg, Alemania, mediante la utilización de un instrumento modificado de Molyneux y Thompson (1973). Dicho sistema mide, con un campo magnético de 0.47 kHz, en forma continua al núcleo completo (sin rebanar). Los resultados se expresan en unidades arbitrarias y adimensionales.
ANALISIS GRANULOMETRICO
El análisis granulométrico del sedimento se realizó, previa disgregación con ultrasonido, mediante un Analizador Electrónico de Micropartículas ELZONE-282PC. El diámetro medio (tamaño medio) se calculó mediante la Media Gráfica según Folk (1980). Los datos son representados en escala logarÍtmica phi (f) con el propósito de realizar la descripción del sedimento mediante numeración entera (Folk, 1980).
ANALISIS PALINOLOGICO
El polen de Pinus radiata fue analizado para obtener una comprobación de la cronología del 210Pb. Chile carecía de árboles de P. radiata hasta que fueron introducidos hacia finales del siglo XIX. En la comuna de San Pedro, la compañía Carbonífera de Lota estableció las primeras plantaciones comerciales de esta especie en 1885 (Aztorquiza, 1929; Contesse, 1987). Posteriormente, durante los años treinta, se propagaron ampliamente en el centro sur de Chile debido al incentivo estatal (Contesse, 1987; Donoso y Lara, 1996). Considerando lo anterior, el polen de P. radiata en Laguna Chica no puede ser más antiguo que 1880, así los depósitos de aquella época debiesen contener el polen más profundo. Por consiguiente, se buscó polen de P. radiata en 1 g de sedimento seco de cada estrato de LCH-1. Para separar el polen de la matriz se utilizaron técnicas palinológicas estándar (Faegri y Iversen, 1975; Dupré, 1992) y para su cuantificación, en granos por gramo de sedimento, se usaron los métodos de Anderson (1974) y Kempt et al. (1974).
RESULTADOS
RAYOS X
La radiografía de LCH-1 muestra que el registro es adecuado para realizar estudios estratigráficos (Fig. 3A). No hay signos obvios de mezcla física o biológica (e.g., restos de organismos bentónicos o galerías de origen biológico) que pudieran haber redistribuido el 210Pb, 137Cs, o polen después de su deposición. Por el contrario, LCH-1 muestra estratos horizontales que varían en espesor a través de la columna.
210Pb
El inventario total de 210Pbex en la columna sedimentaria es de 757 Bq m-2, lo que implica un flujo de 210Pb hacia los sedimentos de 23,57 Bq m-2 a-1. Dicho flujo resulta ser bastante bajo, en comparación con otros lagos del hemisferio norte, como se discute más adelante.
En condiciones simples, donde la precipitación del 210Pb y la sedimentación son constantes a través del tiempo, la actividad del 210Pb en el registro sedimentario declina constantemente con la profundidad desde un máximo, en el primer centímetro, hasta un valor constante en equilibrio con el 226Ra (Goldberg, 1963; Applebly y Oldfield, 1978). Así, el decrecimiento de la actividad del 210Pbex estaría determinado sólo por la edad del depósito, la que controla su progresivo decaimiento.
En LCH-1 la actividad de 210Pbex muestra una tendencia general a declinar con la profundidad (Fig. 3B). Sin embargo, el perfil presenta algunas fluctuaciones que se sobreponen a este patrón. El 'peak' de máxima actividad no se encuentra en la parte más alta de la columna, sino a 3 centímetros por debajo de la interface agua-sedimento. Si la llegada del isótopo es asumida como constante, esta tendencia sugiere que el lago ha experimentado cambios en las tasas de sedimentación. La concentración mínima relativa de 210Pbex implica una máxima relativa en la tasa de sedimentación. Si se considera que una precipitación atmosférica constante de 210Pb produce un flujo constante hacia el fondo del lago, el aumento de la tasa de sedimentación diluirá la actividad del isótopo en el registro sedimentario (Crickmore et al., 1990).
Al interpretar los datos de 210Pbex con el modelo CRS, que considera una precipitación constante del isótopo, los primeros 15 centímetros de LCH-1 abarcan un poco más de un siglo (Fig. 3C). La fecha más antigua inferida desde el modelo, para los sedimentos a 15 cm de profundidad, es 1883. Mientras que el centímetro superficial se ajustó al año de 1996 (el año de muestreo), con la obtención de las fechas intermedias cada 1 cm. Esta serie cronológica es consistente con los datos de137Cs y polen, como se expone abajo.
137Cs
El inventario de 137Cs en el registro sedimentario LCH-1 es de 461 Bq m-2 (corregido a 1996). Este valor reflejaría que Laguna Chica ha estado expuesta a niveles medios-altos de precipitación radioactiva para el hemisferio sur (Appleby et al., 1995).
El perfil de actividad de 137Cs (Fig. 3D) es dominado por un amplio 'peak' que concuerda con la cronología de 210Pb. La probable fecha de la cúspide es 1963, cuando el 137Cs alcanzó su máximo en la atmósfera. El 'peak' de 137Cs se corresponde con el período 1961-1968 de la cronología de 210Pb. La actividad declina por arriba del centímetro 6, probablemente debido a que muy poco 137Cs ha sido inyectado a la atmósfera después de la firma del 'Nuclear Test-ban Treaty', en 1963 (Wan et al., 1987; Robbins et al., 1990).
Sin embargo, la sección inferior del perfil de 137Cs no se ajusta a la cronología del 210Pb. El 137Cs permanece detectable a profundidades que corresponden, según el 210Pb, a los años treinta. Estas fechas están al menos 15 años desfasadas; debido a que las pruebas de armamento nuclear produjeron muy poco 137Cs antes de los años cincuenta. Una posibilidad es que el 137Cs haya migrado algunos centímetros hacia abajo por difusión después de la deposición (Crusius y Anderson, 1995). Esta difusión pudo haber también ampliado el 'peak' que es asignado a 1963; sin embargo, es poco probable que la difusión hubiese movido este máximo hacia arriba o abajo.
POLEN
A pesar de la discordancia entre la cronología de 210Pb y la sección inferior del perfil de 137Cs, las fechas más antiguas del 210Pb son consistentes con la aparición del polen de P. radiata en el registro sedimentario (Fig. 3E). El polen, que aparece a una profundidad de 15-16 cm, podría provenir desde los árboles introducidos en 1885. De ser así, el registro polínico confirmaría la fecha de 1883 que se estimó, a partir de la data de 210Pb, para los 15 cm de profundidad de LCH-1.
TASAS DE SEDIMENTACION
De acuerdo al modelo CRS, la tasa neta de acumulación ha variado en un orden de magnitud, desde 50 g m-2 a-1 en 1883 a 600 g m-2 a-1 en 1968 (Fig. 3F). El perfil muestra tres pulsos de sedimentación durante el siglo XX. El primero comienza a finales del siglo XIX y alcanza su máximo hacia fines de los cuarenta (580 g m-2 a-1). Otro pulso comienza a inicios de los cincuenta (240 g m-2 a-1) y logra su máximo a fines de los sesenta (600 g m-2 a-1). El evento más reciente, comienza alrededor de 1978 (260 g m-2 a-1) y se mantiene durante los noventa (520 g m-2 a-1). Considerando los 15 cm de sedimento acumulado desde 1883 hasta 1996, la tasa media de sedimentación es de 1,33 mm a-1. Si se toma en cuenta la masa acumulada en igual período de tiempo, la tasa media de acumulación másica es de 300 g m-2 a-1.
FIG. 3. Radiografía (A), actividad de 210Pb en exceso (B), modelo cronológico (C), actividad de 137Cs (D), concentración de polen de P. radiata (E), tasas de sedimentación (F), susceptibilidad magnética (G) y tamaño medio de las partículas (H), del registro sedimentario de Laguna Chica.
SUSCEPTIBILIDAD MAGNETICA
El perfil de susceptibilidad magnética de LCH-2 (Fig. 3G) presenta un notorio incremento de los minerales ferromagnéticos en los sedimentos a partir de los años sesenta. Desde el siglo XIX hasta mediados del siglo XX estos minerales muestran una presencia relativamente constante, aunque con un amplio 'peak' hacia 1883. Sin embargo, a partir de fines de los sesenta, la tasa de sedimentación de partículas férricas presenta un incremento mucho más alto y constante que en el siglo anterior. Estos resultados indicarían que la cuenca del lago ha sufrido, durante el último medio siglo, un aumento de la energía erosional, que ha sido capaz de ir transportando con el tiempo partículas más densas.
CARACTERIZACION GRANULOMETRICA
El tamaño medio de las partículas que conforman al registro sedimentario ha sido bastante homogéneo a través del tiempo (Fig. 3H). Se trata de limos finos con diámetros medios que oscilan alrededor de 6,5 phi. A partir de los años setenta se aprecia una leve tendencia al aumento del tamaño, para disminuir nuevamente durante los noventa. A pesar de que el tamaño medio está relacionado indirectamente con la susceptibilidad magnética, las tendencias de ambos parámetros no parecieran tener comportamientos correlacionados.
DISCUSION Y CONCLUSIONES
La presencia y distribución del isótopo natural 210Pb y del artificial 137Cs en el registro sedimentario de Laguna Chica están influenciadas por el accionar antrópico.
Por una parte, las concentraciones de 210Pb en el registro sedimentario han sido afectadas por la tendencia general al incremento de las tasas de sedimentación durante el último medio siglo. El aumento en la producción de sedimentos desde la cuenca, que no ha sufrido grandes cambios en sus precipitaciones, podría ser explicado observando el progresivo aumento del polen de P. radiata. Del perfil polínico se infiere un fuerte y sostenido cambio de uso del suelo: el reemplazo de vegetación nativa por plantaciones forestales, las que habrían acelerado el proceso erosivo de la cuenca.
Por otro lado, tanto la presencia como la distribución del 137Cs en los sedimentos de la laguna Chica de San Pedro, han estado controladas por las inyecciones del radioisótopo en la atmósfera terrestre. La columna sedimentaria registró la precipitación atmosférica global del 137Cs; identificándose claramente el comienzo de las inyecciones, su incremento, su máxima presencia en la atmósfera ('peak' de 1963), y su progresiva declinación después de la firma del 'Nuclear Test-ban Treaty'. Debido a que se detectaron variaciones en las tasas de sedimentación del lago, es necesario considerar, que el 'peak' de 137Cs, asignado a 1963, podría responder más bien al fenómeno erosivo. La erosión de la cuenca pudo haber transportado una mayor proporción de suelo con 137Cs al fondo del lago. No obstante, dos factores discrepan con la anterior hipótesis: i- las tendencias generales de las tasas de sedimentación y del polen de pino presentan un aumento sostenido, por lo que no pueden explicar la presencia de un simple valor máximo de 137Cs edáfico, y ii- si el 'peak' de 137Cs fue producto de la erosión, el registro debería presentar en realidad dos 'peaks', uno producido por el máximo de precipitación atmosférica y otro generado por la erosión; a menos que ambos procesos hayan sido simultáneos.
Como se mencionó en los resultados, Laguna Chica presenta un bajo flujo de 210Pb (24 Bq m-2 a-1) en comparación con lagos del hemisferio norte, que tienen tasas por sobre los 150 Bq m-2 a-1 (Preiss et al., 1996). Esta diferencia podría resultar de la baja proporción entre continentes y océanos en el hemisferio sur. El 210Pb atmosférico se genera por el decaimiento del 222Rn, que a su vez es producto del 226Ra presente en las rocas continentales (Appleby y Oldfield, 1992). Para Laguna Chica, y probablemente también para otras partes de la costa occidental de Sudamérica, el bajo flujo de 210Pb estaría controlado por las masas de aire del Pacífico. Este aire oceánico, que produce la lluvia en el área, transporta cantidades más bajas de 210Pb que las masas del hemisferio norte, donde los continentes cubren una mayor proporción de la superficie terrestre.
Inversamente, estas mismas condiciones geográficas favorecerían la precipitación del 137Cs en Laguna Chica. Las masas del Pacífico, después de recorrer gran parte del océano, se encuentran, en su viaje hacia el este, con las estribaciones cordilleranas occidentales de Chile, en este caso Nahuelbuta, donde se genera un aumento de las precipitaciones debido a la convección de dichas masas de aire. De este modo, el 137Cs, cuya precipitación es controlada a escala local por la lluvia, precipita sobre el continente después de haber sido acumulado en la cuenca del Océano Pacífico. Así, el inventario de 137Cs reconocido para Laguna Chica (461 Bq m-2) resulta ser relativamente alto, en comparación con otros estudios realizados en el hemisferio sur, que reportan concentraciones inferiores a los 400 Bq m-2 en la Antártica y Australia (Longmore et al., 1983; Appleby et al., 1995). Sin embargo, si la comparación es hecha con lagos del hemisferio norte, con inventarios por sobre los 1.000 Bq m-2 (Pennington et al., 1973), el inventario de Laguna Chica es bajo. Esto lógicamente responde a la localización de las inyecciones del radioisótopo, generadas principalmente en el hemisferio norte.
AGRADECIMIENTOS
Investigación financiada por los proyectos Fondecyt No. 1980529, 1010640 y DIUC No. 96.310.021.-1.1. Los autores agradecen al Dr. M. Pourchet (Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l' Environnement (Centro National de la Recherche Scientifique), Grenoble, Francia), al Dr. H. Brueckner (Universidad de Marburg, Alemania) y a I. Tomicic y O. Piñones (Comisión Chilena de Energía Nuclear) por la infraestructura facilitada. Especiales agradecimientos, por sus comentarios y sugerencias científicas a los Dres. J.A. Morales, R. García (Universidad de Huelva, España), E. Piovano (Universidad Nacional de Córdoba) y S. Ribeiro (Comisión Nacional de Energía Atómica, Argentina).
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Manuscrito recibido: Agosto 22, 1999; aceptado: Junio 8, 2001.
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