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1 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE CIENCIAS Análisis de paleofuegos durante periodos de actividad volcánica en el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México T E S I S PARA OBTENER EL TÍTULO DE: LICENCIADO EN CIENCIAS DE LA TIERRA P R E S E N T A : MARTÍNEZ ABARCA LUIS RODRIGO DIRECTOR DE TESIS: DRA. MARIA DEL SOCORRO LOZANO GARCÍA 2017 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. 2 Martínez-Abarca, 2017 Información general Datos de la Tesis Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica en el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el Lago de Chalco, México. 97 pp 2017 Datos del alumno Martínez Abarca Luis Rodrigo (55) 62692926 Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ciencias Ciencias de la Tierra 310187422 Datos del Tutor Dra. María del Socorro Lozano García Secretaria Instituto de Geología UNAM Datos del Sinodal 1 Dra. Beatriz Ortega Guerrero Presidente Instituto de Geofísica UNAM Datos del Sinodal 2 Dr. Claus Siebe Grabach Vocal Instituto de Geofísica UNAM Datos del Sinodal 3 Dra. Margarita Erna Caballero Miranda Suplente Instituto de Geofísica UNAM Datos del Sinodal 4 Dra. Ana María Lizeth Caballero García Suplente Facultad de Ciencias UNAM 3 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México El científico no estudia la naturaleza por la utilidad que le pueda reportar; la estudia por el gozo que le proporciona, y este gozo se debe a la belleza que hay en ella. Henri Poincaré Fotografía: S. Lozano, 2016 4 Martínez-Abarca, 2017 Agradecimientos El término de una de las más importantes etapas de mi vida académica concluye con este trabajo de investigación, donde he aprendido a aprender, a hacer y amar a la ciencia, esto no hubiera sido posible sin el apoyo de muchas personas que apoyaron cada decisión y paso que tome en búsqueda de este objetivo. Comienzo por agradecer a la Dra. Socorro Lozano, por ser más que mi tutora y directora de tesis, una de las personas más honestas y empáticas que han estado en mi vida. Por darme la oportunidad de formar parte de su equipo de trabajo, por todo su apoyo y comprensión. Por enseñarme no solo el método científico y rasgos de paleo-clima, sino también a valorar cada esfuerzo en búsqueda de los secretos de nuestro planeta y amar cada letra, artículo y observación que crean las diversas percepciones de la ciencia, finalmente por hacerme mejor estudiante, científico y persona. A la Dra. Susana Sosa quien no solo me esperaba a que me retirara del laboratorio para cerrar, sino que siempre intento apoyarnos en todos los aspectos tanto académicos como personales, por cuidarme a mí y a mis compañeros y siempre dar lo mejor de sí para nuestro bienestar. A las doctoras Margarita Caballero, Liseth Pérez, Beatriz Ortega, Bárbara Moguel, Elsa Arellano y a la M. en C. Itzel Sígala por ser parte de mi formación académica de una manera excepcional y divertida en ocasiones, por enseñarme que la ciencia no es fácil, pero las satisfacciones que se logran al entenderla son asombrosas. De igual forma al Dr. Claus Siebe y Lizeth Caballero por su tiempo y consejos durante la revisión de este trabajo, ya que cada pregunta que realizaron y observación sugerida abrió un panorama nuevo a la investigación. A mis compañeros de laboratorio, con los cuales aprendí, reí, llore, me estrese y logre este propósito; Antonio Ramírez, Carmen Acosta, Vianey Viridiana, Fernanda Celis, Paula Galindo, Anais Cisneros, Pablo Ruiz, Karla Zurisadae. A mis compañeros de la licenciatura quienes por supuesto durante 4 años compartieron conmigo los trabajos, exámenes y desvelos; Tannya Valadez, Diana Carrillo, Mitzi Campos, Estefanía Cárdenas, Adán Ortiz, Eduardo Polo, Samantha Valdés, Iván Martínez, Sergio Laurrabaquio, Eduardo Pineda, Angélica Sánchez, David Villegas, entre otros. Un agradecimiento muy especial a Diana Angélica Avendaño, por no solo ser mi compañera de titulación (casi nos titulamos el mismo día) y soportar todo mi estrés, sino por enseñarme que en la vida todo es posible con dedicación y esfuerzo. Finalmente y no menos importante, a toda mi familia, a mis padres José Luis Martínez y María Elena Abarca porque desde pequeño me inculcaron los valores, el gusto por la escuela y ser mis fieles compañeros en toda mi formación, este logro es de y para nosotros. A mis hermanos Diego, Daniel y Oscar por apoyarme y tolerarme en mi peores días. A mis tíos, abuelos, primos, primas y sobrinos. Investigación realizada gracias al Programa de Apoyo a Proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica (PAPIIT) de la UNAM con clave PAPIIT-IV00215-RV100215. Agradezco a la DGAPA- UNAM la beca recibida. Rodrigo Martínez 5 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México Dedicada a mis abuelos José Cornelio Martínez Consuelo García María de la Luz Vieyra Jesus Abarca Andrade Y a mis padres María Elena Abarca José Luis Martínez “Porque cada día es una oportunidad para crecer” 6 Martínez-Abarca, 2017 Índice Información general .......................................................................................................................... 2 Agradecimientos ............................................................................................................................... 4 Resumen ........................................................................................................................................... 8 Introducción ................................................................................................................................... 10 1.1. Los lagos: Reflejo del medio que los rodea ..................................................................................... 10 1.2. Incendios forestales ......................................................................................................................... 11 1.2.1. Regímenes de incendio ........................................................................................................... 11 1.2.2. Forzantes de incendios ............................................................................................................ 12 1.3. Material carbonizado ...................................................................................................................... 13 1.3.1 Formación ................................................................................................................................ 13 1.3.2 Tafonomía del material carbonizado.......................................................................................14 1.4 Importancia de la actividad volcánica en la generación de incendios ............................................ 15 Planteamiento del problema ........................................................................................................... 18 2.1 Antecedentes................................................................................................................................... 18 2.2 Justificación ..................................................................................................................................... 20 2.3 Objetivos .......................................................................................................................................... 21 2.4. Hipótesis .......................................................................................................................................... 21 Sitio de estudio: Lago de Chalco ....................................................................................................... 23 3.1 Localización ..................................................................................................................................... 23 3.2 Fisiografía ........................................................................................................................................ 23 3.3. Climatología ..................................................................................................................................... 26 3.3.1. Forzantes y clima actual .......................................................................................................... 26 3.3.1.1. Clima en México .................................................................................................................. 26 3.3.1.2. Clima en la cuenca de México y lago de Chalco .................................................................. 27 3.3.2. Variación climática durante el Cuaternario ............................................................................. 30 3.4. Vegetación ....................................................................................................................................... 31 3.5. Actividad volcánica y reconstrucciones paleoambientales en Chalco ............................................ 31 Materiales, métodos y trabajo previo .............................................................................................. 37 4.1 Trabajo en campo ............................................................................................................................ 37 4.2 Trabajos previos: Núcleo CHA11-VII ................................................................................................ 38 4.3 Trabajo en laboratorio ..................................................................................................................... 42 4.4 Análisis de partículas carbonizadas ................................................................................................. 43 7 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México 4.5. Detección de picos .......................................................................................................................... 45 4.6 Modelo de edad .............................................................................................................................. 46 Resultados ...................................................................................................................................... 47 5.1 Modelo de edad CHA11-VII ............................................................................................................. 47 5.2 Tefra Tláhuac ................................................................................................................................... 49 5.3 Tefra 9.12m ..................................................................................................................................... 52 5.4 Pómez Tutti Frutti ............................................................................................................................ 52 5.5 Pómez Toluca Superior .................................................................................................................... 55 Discusión ........................................................................................................................................ 60 6.1 Tefra Tláhuac ................................................................................................................................... 61 6.2 Tefra 9.12 m .................................................................................................................................... 64 6.3 Pómez Tutti Frutti ............................................................................................................................ 68 6.4 Pómez Toluca Superior .................................................................................................................... 75 6.5 Comparación de eventos volcánicos y regímenes de incendio ....................................................... 78 6.5.1 Sección 1: Incendios y variabilidad climática .......................................................................... 78 6.5.2. Sección 2: Dinámica de los incendios en relación a la distancia del aparato volcánico .......... 82 6.5.3 Sección 3: Incendios y señal secundaria .................................................................................. 84 Conclusiones ................................................................................................................................... 86 Referencias ..................................................................................................................................... 89 8 Martínez-Abarca, 2017 Resumen Los incendios forestales, definidos como la propagación libre de fuego, liberan a la atmósfera material carbonizado resultado de la quema de la vegetación. La diferenciación de señales primaria/secundaria en las partículas de carbón depositadas en los sedimentos lacustres, puede permitir la reconstrucción de los regímenes de incendio de origen local (cercanos al lago), extra- local (límites de la cuenca) y regional (originados en otra cuenca). La cuenca de México, en particular el lago de Chalco, han sido testigos de importantes cambios ambientales durante el Pleistoceno tardío y el Holoceno. Los periodos de glaciaciones e interglaciares, en conjunto con la intensa actividad volcánica, han sido los forzantes que han modelado a la vegetación, y que han determinaron el régimen de incendios en la zona. El objetivo del presente estudio es el análisis de partículas de material carbonizado en sedimentos lacustres del lago de Chalco, antes y después de dos eventos de actividad volcánica explosiva y efusiva bajo diferentes contextos climáticos en el marco de los últimos 30 mil años. Estos son la tefra Teuhtli o también nombrada Gran Ceniza Basáltica (~28,500 años, posible origen del volcán Teuhtli); la tefra 9.12 m (~27,000 años, con posible origen del campo monogenético del Chichinautzin); la Pómez Tutti Frutti o también conocida como Pómez con Andesita (~17,600 años, del volcán Popocatépetl) con su asociada Pómez Gris (posible fase temprana de la erupción del Popocatépetl o actividad volcánica de Dos Cerros) y la Pómez Toluca Superior (~12,000 años, del volcán Nevado de Toluca) con una capa de ceniza previa asociada. Se analiza si los incendios producidos se relacionan con la composición vegetal al momento del evento volcánico, el contexto climático, la dinámica particular de cada erupción o bien la interacción de todos estos factores. Se estimaron las concentraciones de material carbonizado en las muestrasy fue calculado el valor de flujo de carbón (CHAR). A partir de los datos de área en cada partícula, se hizo la diferenciación entre la señal primaria (incendios cercanos) y la secundaria (posible aporte regional y posterior depósito al lago) y mediante una regresión de loess se analizaron los valores de CHAR que estén indicando incendios cercanos al lago. El CHAR fue comparado con datos de insolación de primavera para los 20°N, valores de δ18O del NGRIP de Groenlandia y datos de paleovegetación y porcentaje de titanio de los sedimentos del lago de Chalco. 9 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México Los resultados indican que el contexto climático es importante en la generación de incendios previo al depósito volcánico. En general, condiciones de humedad baja y alta insolación de primavera presentaron incendios de mayor intensidad y mayor severidad que los periodos con condiciones opuestas. Lo anterior está asociado con una alta densidad de comunidades boscosas las cuales funcionaron como fuente de combustible. Por otro lado, dada la alta resolución de los datos fue posible asociar las distintas etapas o fases descritas para el Popocatépetl y el Nevado de Toluca con incrementos en los valores de CHAR. De esta manera se infirió que el tipo de vulcanismo y las fases que comprendieron a cada erupción volcánica fue determinante en la generación de incendios. Se observó que la proximidad de la fuente de emisión volcánica no necesariamente conlleva un alto depósito de material carbonizado, sino condiciones como la dirección dominante del viento, la cobertura arbórea y el tipo de erupción son variables importante. Es el caso de la PTS donde prevalecieron condiciones adecuadas para un gran depósito de carbón primario regional; la TTH donde el material carbonizado primario fue de origen local, la T912 con valores de CHAR intermedios asumiendo un origen local y por último la PTF con valores bajos de carbón de origen extra-local asociados con el establecimiento de glaciares en las zonas altas de la cuenca de México y poca biomasa vegetal. El posterior re-depósito en los sedimentos lacustres de las partículas de carbón remanentes en la cuenca una vez ocurrida la actividad volcánica, dependerá principalmente de los agentes de transporte en el momento que se generan, permitiendo el arrastre de las partículas al cuerpo de agua. Se ha concluido que en zonas tectónico-volcánicas activas la interacción de variables como el contexto climático que a su vez conlleva al tipo de vegetación establecida, así como la dinámica y tipo de erupción volcánica, son factores importantes para el estudio de los incendios y los modelos de transporte y depósito de material carbonizado en los sedimentos lacustres. 10 Martínez-Abarca, 2017 Capítulo 1 Introducción 1.1. Los lagos: Reflejo del medio que los rodea En zonas continentales, algunos de los registros de cambios ambientales y climáticos se encuentran en los sedimentos depositados en el fondo de los lagos. Los sistemas lacustres funcionan como trampas, en donde se deposita de manera más o menos continua, material proveniente de la erosión como arenas y arcillas, depósitos de productos piroclásticos; así como material formado dentro del mismo sistema como materia orgánica en descomposición o restos de organismos (Bradley, 1999). La cantidad y tipo de material depositado dependerá de los procesos que intervengan en su formación, como las condiciones climáticas, limnológicas, geológicas o alguna perturbación en el medio, por lo que el análisis de su contenido en una secuencia sedimentaria es una forma de conocer el pasado del medio terrestre y acuático donde se originaron. El uso de indicadores o proxies contenidos en los sedimentos depositados en el fondo de los lagos, es la herramienta utilizada para reconstruir las condiciones pasadas. Entre ellos encontramos diversos indicadores como los biológicos: polen, diatomeas, ostrácodos y cladóceros, que, al desarrollar su ciclo de vida en rangos de tolerancia definidos, se convierten en herramientas fundamentales en la descripción de los cambios o perturbaciones ocurridas en su medio (Birks, 1980). Otros indicadores son los geoquímicos: como la concentración de ciertos elementos mayores y traza (calcio, titanio, hierro, etc.) los cuales modifican su concentración dependiendo de las características del medio en el momento que ocurrió su depósito. Si bien, el entorno en general es resultado de cambios graduales a lo largo del tiempo, también se pueden presentar perturbaciones relativamente rápidas dadas por eventos volcánicos o meteorológicos, los cuales, al alcanzar un grado de severidad importante en el sistema, se registran en los sedimentos lacustres por medio de cenizas volcánicas y material carbonizado, por mencionar algunos. 11 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México Es así que los sedimentos que se acumulan en el fondo de los lagos son un reservorio de indicadores que pueden ser útiles para la reconstrucción pasada, no sólo de su historia natural, sino también de las perturbaciones naturales o las alteraciones recientes causadas por la actividad antrópica. 1.2. Incendios forestales Un incendio forestal es la propagación libre y no programada de fuego sobre la vegetación en bosques, selvas, zonas áridas y semiáridas (CONAFOR, 2015). Cada año, los incendios forestales destruyen millones de hectáreas de bosques y otros tipos de vegetación, incrementando la erosión de los suelos, así como la liberación a la atmosfera de una parte del carbono y nutrientes acumulados previamente en el ecosistema (FAO, 2007). A lo largo de la historia previa a los asentamientos humanos, han ocurrido incendios derivados de eventos meteorológicos, como descargas eléctricas o sequías, y en zonas volcánicas activas por emisión de productos volcánicos (Lloret, 2004). Los incendios representan desde el punto de vista ecológico, una perturbación o disturbio, una pérdida de individuos o biomasa que se produce de forma súbita o episódica. Después de la perturbación, se produce un proceso de recuperación del ecosistema, el cual se mide en términos de resiliencia o velocidad a la que el ecosistema alcanza los parámetros anteriores a la perturbación (Lloret, 2004). 1.2.1. Regímenes de incendio El concepto de regímenes de incendios se refiere a la caracterización de las perturbaciones que afectan a un espacio determinado a lo largo del tiempo. Incluye parámetros como: Intensidad: mide la magnitud física de la perturbación, por ejemplo, las temperaturas alcanzadas en el incendio. Severidad: mide el grado de afectación de la perturbación en los organismos o en las propiedades del sistema, por ejemplo, el porcentaje de árboles muertos por el fuego. Extensión: hace referencia a la superficie afectada Frecuencia: medida como número de perturbaciones que se producen en un área concreta, a lo largo de un periodo o tiempo determinado. 12 Martínez-Abarca, 2017 Periodo de recurrencia: medido como el tiempo necesario para que un área vuelva a ser afectada por la misma perturbación. Estacionalidad: época del año en que se producen las perturbaciones. Un evento de incendio individual considera cuatro variables: ignición, combustible, oxígeno y una reacción en cadena que propague la quema. A escala global, la frecuencia de las igniciones, la abundancia de combustible, distribución y condiciones tales como la concentración de oxigeno atmosférico, tienen variaciones a escala geológicas y afecta a los regímenes de incendios (Courtney, 2013). Existen diferentes métodospara determinar los regímenes de incendios. La aplicación científica de éstos, pueden ayudar a la reconstrucción histórica de dichas perturbaciones (CFS, 2014). Entre estos encontramos documentos históricos y fotografías, dendrocronología (datos de incendios, edad del árbol, datos de la muerte y crecimiento de la vegetación), datos de la estructura de la vegetación, y material carbonizado (Whitlock & Larsen, 2001). 1.2.2. Forzantes de incendios Las complejas interacciones entre los controles que operan los incendios a múltiples escalas temporales y espaciales, alteran la ocurrencia de las perturbaciones (Whitlock & Larsen, 2001). Estos controles son los llamados “top-down” (climáticos) y “bottom-up” (locales). Los controles top-down incluyen las condiciones climáticas y meteorológicas que pueden homogeneizar los regímenes de incendios a lo largo de regiones. La variabilidad climática, controla de manera directa a los incendios en escalas temporales cortas (anuales) y largas (milenales) y de manera indirecta la composición, abundancia y densidad de la vegetación, la cual funciona como un almacén de combustible disponible para la propagación de incendios (Courtney, 2013). Figura 1. Variación temporal y espacial de los eventos de fuego. Al realizar un trabajo en aras de los regímenes de incendio debemos valorar escalas grandes tanto en espacio-tiempo. Tomado de Whitlock (2001). 13 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México Por otro lado, los controles bottom-up son aquellos considerados locales, como el tipo, la cobertura y la densidad de la vegetación (Courtney, 2013). Dado lo anterior, el régimen de incendio puede variar en cualquier punto del espacio y tiempo de acuerdo a la variabilidad en la insolación recibida, las dinámicas climáticas, y el cambio en la composición de la vegetación (Figura 1) (Lloret, 2004). Es por esto que el concepto de régimen de incendios se explica al expandir las escalas espaciales y temporales (Higuera, 2006) y es adecuado investigar el papel del clima y la vegetación como controles en los regímenes de incendio. 1.3. Material carbonizado 1.3.1 Formación Cuando ocurren los incendios forestales, se generan partículas de material carbonizado o carbón vegetal. Éste es un producto sólido, frágil y poroso, con un alto contenido de carbono (del orden del 80%). Se produce por un proceso de calentamiento en materiales orgánicos como madera y otros residuos vegetales en ausencia de aire (hasta temperaturas de 400 a 700°C) llamado pirólisis o carbonización (Scott, 2010). La naturaleza de la carbonización varía en función de la cantidad de oxigeno presente, cuando éste está ausente se trata de una pirólisis (Whitlock & Scott, 1992). Durante la carbonización de la madera se producen una serie de cambios químicos y pueden distinguirse tres fases claramente diferenciadas. Figura 2. Quema de madera, zona de pirólisis y material carbonizado resultante después de la perturbación (Fotografía propia) En una primera etapa, hasta alcanzar los 170°C, se produce fundamentalmente la deshidratación y degradación de la madera. En una segunda etapa, hasta los 270°C hay un abundante desprendimiento de gases (CO2 y CO principalmente) y de líquidos. En la tercer y última etapa hasta 14 Martínez-Abarca, 2017 alcanzar la temperatura final en torno a los 600°C, se produce la pirólisis propiamente dicha; la emisión de sustancias volátiles es máxima. El residuo sólido resultante es el material carbonizado (Figura 2). El rendimiento en carbón del proceso puede variar dentro de límites muy amplios, dependiendo del tipo de madera, de su contenido en agua y de las condiciones en que se haya operado la carbonización (tiempo de calentamiento y temperatura alcanzada). La tasa con la cual el material carbonizado se acumula en los lagos depende de las características del incendio y los procesos que lo transportan (Whitlock & Scott, 1992). 1.3.2 Tafonomía del material carbonizado Durante la generación del material carbonizado o en un periodo de tiempo muy corto a la perturbación se da un primer depósito produciendo el carbón conocido como primario. De manera subsecuente, factores de transporte como el viento y el agua trasladan partículas almacenadas en el suelo y las depositan en los lagos aun en momentos en los que no ocurren incendios, dando lugar al material carbonizado secundario (Whitlock & Larsen, 2001). La relación entre el diámetro del material carbonizado y las velocidades a las que viajan muestran diferencias aerodinámicas fundamentales (Clark, 1988). Una sección delgada del carbón (<100 µm) se levanta a velocidades relativamente bajas de viento, mientras que partículas macroscópicas (>100 µm) se depositarían entre 10 y 100 metros del lugar (Figura 3) (Higuera et al., 2010) Los productos de combustión por incendios pueden ser transportados a grandes alturas y largas distancias, por lo que la fuente del carbón puede provenir de fuentes locales en la cuenca de depósito, extra-locales (cercanas, pero fuera de la cuenca) o regionales (fuera de la cuenca). Figura 3. Tafonomía del material carbonizado. De manera principal existen dos tipos de depósito: un primario y secundario. Tomado de Whitlock, 2001. 15 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México En general, las partículas de carbón macroscópicas proporcionan un registro de la actividad local. Un estudio de la acumulación de carbón posterior a incendios de 1988 en el Parque Nacional de Yellowstone, indica que las partículas macroscópicas de carbón (>125 µm de diámetro) eran abundantes en zonas comprendidas dentro de un radio de 7 km del sitio del incendio (Whitlock & Millspaugh, 1996), más allá de esa distancia la acumulación de las partículas disminuye notablemente. Los estudios sobre la dinámica de incendios actuales en el Cinturón Volcánico Transmexicano reportan que partículas mayores a 70 µm indican incendios ocurridos alrededor de los cuerpos de agua con un radio de influencia de 5 km (López, 2014) Por el contrario, se considera que las partículas microscópicas son evidencia de incendios regionales o extra-locales, pero de igual forma, si las condiciones de transporte son óptimas, partículas macroscópicas pueden ser arrastradas hasta su depósito en el lago. (Whitlock & Scott, 1992). Los estudios de la acumulación de carbón después de los incendios modernos, indican que la deposición de carbón en los lagos puede continuar varios años después del evento real. Whitlock y Millspaugh (1996) observaron que los lagos en cuencas quemadas y no quemadas de Yellowstone recibieron carbón vegetal durante los incendios de 1988, pero las cantidades de carbón continuaron aumentando significativamente durante 15 años en cuencas quemadas. También señalan que las partículas aledañas al lago durante el incendio fueron transportadas y depositadas en la zona litoral y años posteriores al incendio, este material fue re-depositado a zonas profundas. La tasa con la cual el material carbonizado se acumula en los sedimentos lacustres depende de la cantidad de carbón producida en el incendio, que a su vez depende de la cantidad de combustible disponible y de la severidad del incendio, de los procesos atmosféricos y fluviales que transportan el carbón al cuerpo de agua, así como los procesos sedimentológicos que operan en el lago (Long et al., 1998). 1.4 Importancia de la actividad volcánica en la generación de incendios En ambientes volcánicos – tectónicos activos, la actividad volcánica puede ejercer un control en la sedimentación lacustre al modificar la forma y estructura dela cuenca por emplazamiento de edificios volcánicos y sus productos asociados (coladas de lava y depósitos piroclásticos), por el colapso de los mismos y por el tectonismo (Ortega et al., 2015). 16 Martínez-Abarca, 2017 Cuando un volcán entra en erupción puede llegar a expulsar material como fragmentos de roca a la atmosfera, que posteriormente por transporte de arrastre o eólico se deposita en los cuerpos de agua cercanos, a este material se le conoce como tefra. Se tiene registro que la mayoría de las partículas mayores de un milímetro de tamaño caen al cabo de 30 minutos del tiempo que fueron expulsadas (De la Cruz, 2014). Las partículas más pequeñas que son menores a 0.01 mm pueden permanecer en la atmosfera durante dos o tres años después de una erupción volcánica. Hay básicamente dos tipos de erupciones; efusivas y explosivas. Las primeras ocurren cuando la presión dentro del magma se libera a una tasa similar a la que se acumula, esto es, cuando el magma puede salir a la superficie sin explotar (De la Cruz, 2014). Las erupciones efusivas tienen como máximo riesgo la emisión de fuentes y coladas fluidas de lava, que pueden afectar a la vegetación de forma puntual por el paso directo de lava sobre ella y los incendios forestales derivados de las altas temperaturas que se irradian desde los flujos lávicos. Salvo en tasas muy altas de emisión de lava, las coladas afectan a extensiones de terreno de unos centenares de metros de anchura y algunos miles de longitud (De la Cruz, 2014). En una erupción explosiva el magma acumula mayor presión de la que puede liberar, las burbujas en su interior crecen hasta tocarse y el magma se fragmenta violentamente. En erupciones explosivas, la emisión de flujos piroclásticos, el desencadenamiento de avalanchas, lahares y la caída de tefras son los eventos que causan un mayor daño en la cobertura vegetal (Ávila, 2006). Cerca del cráter, la caída de piroclastos calientes puede quemar directamente la vegetación. La temperatura de los flujos piroclásticos puede mantener en combustión la madera arrastrada durante varios días a considerable distancia del punto de emisión. Moore y Sisson (1981) constataron la presencia de fuegos a 15 kilómetros del cráter en las laderas norte, noroeste y noreste del monte Santa Helena, once días después de la gran explosión de 1980. Además, madera intensamente carbonizada se encontró entre las diferentes capas de los depósitos de esta explosión. Los efectos de las erupciones van a depender tanto de su dinámica, así como de circunstancias locales que pueden disminuir o incrementar dichos efectos (Tabla 1). Las propiedades de cada erupción, el clima, la distancia al punto de emisión y las propias características de la vegetación afectan a la capacidad de las plantas para sobrevivir a un evento de este tipo. 17 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México Si en una erupción se emiten lavas y gases muy calientes, cualquier organismo vivo perece sin excepción. Los gases asociados a las erupciones (dióxido y monóxido de carbono, hidrogeno, compuestos de azufre, cloro, amoniaco, etc.) causan la muerte o graves daños en la vegetación (Ávila, 2006). Tabla 1. Impacto de peligros volcánicos sobre la vegetación. Tomado de Ávila. (2006) Peligro volcánico Área afectada Intensidad daño Daño causado Duración efectos Coladas lávicas Pequeña-media Alta Enterramiento/quema Centurias Caída piroclástica Grande (>15 km2) Alta Enterramiento/quema Décadas/Años Flujos piroclásticos Pequeña Alta Enterramiento Centurias/Décadas Avalanchas Media Moderado – Bajo Enterramiento Centurias/Décadas Lahares Media Moderado – Bajo Enterramiento Años La vegetación empieza a recuperarse transcurrido un tiempo después una erupción. La sucesión primaria se inicia sobre el nuevo sustrato geológico y edáfico que carece de plantas. En este nuevo sustrato, la capacidad de retener agua, el intercambio de nutrientes y el tamaño de las partículas que lo integran es fundamental. La tasa de recuperación es lenta, sobre todo en coladas de lava poco meteorizadas (Ávila, 2006). 18 Martínez-Abarca, 2017 Capítulo 2 Planteamiento del problema 2.1 Antecedentes El uso de material carbonizado en reconstrucciones pasadas se ha orientado en su mayor parte a la clasificación taxonómica de los restos, con el objetivo de reconocer los taxones presentes y los cambios a lo largo del tiempo (Pique, 2006). Durante las últimas dos décadas, se han realizado estudios empíricos y teóricos que han ayudado a identificar claves acerca de los procesos tafonómicos que afectan a los registros de sedimentos de carbón (Clark, 1988; Higuera et al., 2010). Esto proporciona un fundamento teórico para el desarrollo de marcos analíticos que interpreten la ocurrencia de incendios de los registros continuos de carbón vegetal macroscópico (Clark, 1988; Mohr & Whitlock, 2000). La evaluación del análisis de carbón y desarrollo de técnicas analíticas apropiadas, se mantienen con dos objetivos de investigación importantes, uno es la interpretación de las características y el segundo la variabilidad de los regímenes de incendios pasados. Estudios previos usan metodologías satelitales y registros de material carbonizado en sedimentos lacustres en la zona sur y centro de México, estableciendo a este proxy como un buen indicador en los regímenes de incendios y propone a su vez el área de distribución de 5 km y umbrales del tamaño de las partículas de carbón de 70 micras en dicha área de estudio (López , 2014). En estudios actuales, se ha identificado que la morfología del carbón influye en la interpretación del proxy, las partículas esféricas de carbón sugieren la quema de combustibles fósiles y otros elementos propios del petróleo, mientras que las formas alargadas provienen de la quema de madera (Thevenon & Flavio, 2007). De igual forma existen nuevos métodos automatizados ópticos que muestran la completa y reproducible cuantificación de las partículas de carbón. Los recientes avances en técnicas cuantitativas usadas en la reconstrucción de incendios incluyen mediciones de la biomasa (Marlon & Whitlock, 2006; Seppa et al., 2009); compilaciones de los datos globales de paleofuegos (Power et al., 2007; Power et al., 2010), evaluaciones estadísticas y esquemas de detección de picos en los datos de flujo de carbón (Higuera et al., 2010), comparación de proxies usando registros históricos, anillos de crecimiento de árboles y sedimentos lacustres 19 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México (Higuera et al., 2005; Higuera et al., 2011); modelos de dispersión de material carbonizado (Higuera et al., 2007) así como protocolos en la selección de sitios, muestreo y técnicas de laboratorio (Ali et al., 2009). Las investigaciones antropológicas en el mundo, han tomado el material carbonizado como un trazador arqueológico. Por mencionar algunos, se cuenta con estudios en yacimientos arqueológicos en Roma (Itaxo, 2005) y la Sierra de Alar, España (Ruiz, 2003). En México se han utilizado las partículas de material carbonizado como indicadores de incendio para conocer las dinámicas de la vegetación a través del tiempo. Tal es el caso del Lago Verde en Los Tuxtlas (Lozano et al., 2007; Lozano-García et al., 2010), Laguna Atezca en Hidalgo (Conserva, 2002) y el Lago Zirahuén en Michoacán (Torres-Rodríguez, 2010). Por otra parte el estudio sobre episodios de incendios y su relación con el clima y el vulcanismo en la cuenca de México relaciona la actividad volcánica con la dinámica de fuego. Los estudios de la actividad volcánica en la cuencade México han evaluado la dinámica particular de los eventos eruptivos en diferentes edificios volcánicos (Siebe & Macias, 2004; Macias, 2007). Estudios particulares de la región han hecho referencia a depósitos del Popocatépetl (Robín, 1984; Espinasa & Martin del Pozzo, 2006; Sosa et al., 2012), Nevado de Toluca (Newton & Metcalfe, 1999; Arce et al., 2003; Lozano et al., 2005; Macías, 2007; D’Antonio, 2008) y Teuhtli (Mooser, 1967; Siebe et al., 2005; Ortega et al., 2015). En particular en el Lago de Chalco, hay estudios previos enfocados en la historia volcánica, climática y de incendios. Tal es el caso de descripciones estratigráficas y cronológicas en las secuencias lacustres de Chalco (Herrera, 2011), registros geoquímicos a lo largo de los últimos 40,000 años en el lago, con lo que se infieren condiciones ambientales y climáticas (Leigh, 2012), proxies biológicos como diatomeas y polen desde el MIS 3 así como la datación de eventos volcánicos (Lozano-García et al., 2015), paleoclimatología y paleolimnología general de la cuenca de Chalco (Caballero, 1997; Caballero y Ortega, 1998; Caballero et al., 2010), datación de sedimentos, tefracronología e historia deposicional en el lago de Chalco (Ortega et al., 2015) y finalmente la historia general de los paleofuegos ocurridos desde hace 85 mil años asociados a actividad volcánica y sequías (Torres et al., 2015). 20 Martínez-Abarca, 2017 2.2 Justificación La presencia frecuente de cenizas volcánicas en los sedimentos lacustres del lago de Chalco, así como la preservación de partículas de carbón en los mismos, abre la posibilidad para evaluar el impacto de la actividad volcánica en los regímenes de incendio de la cuenca. La materia carbonizada en sedimentos lacustres asociada con eventos volcánicos ha sido poco estudiada. El enfoque principal en las investigaciones de este proxy paleoambiental, ha estado dirigido a su vinculación con eventos meteorológicos como sequías dadas las anomalías climáticas globales en el pasado, así como al efecto antropogénico en los ecosistemas. Establecer las relaciones entre la actividad volcánica y el régimen de incendios es un tema de investigación novedoso que abre la discusión sobre la dinámica de los incendios en una región volcánicamente activa. La cuenca, localizada geográficamente dentro de una zona térmica tropical, conjuga la dinámica climática regional y global con los eventos volcánicos los cuales ocurrieron durante periodos de cambio climático. Los estudios de paleofuegos realizados en México, en particular en la cuenca de México, son escasos. Los pocos que se han realizado abarcan escalas temporales amplias, a pesar de manejar largos periodos no permiten entender como la actividad volcánica afectó las comunidades vegetales ya que no son continuos. Este trabajo pretende enfocarse en cuatro momentos puntuales dentro del registro sedimentario de Chalco para los últimos 30 mil años, mediante un muestreo continuo que permita entender el régimen de incendios en escalas de decenas de años. Además, dentro del contexto de la variabilidad climática que se ha documentado para la cuenca durante el Pleistoceno tardío, el presente estudio aportará información sobre el impacto de los eventos de incendio en la vegetación. Con esta investigación se propone responder a las siguientes preguntas: ¿Es el clima el forzante principal en los eventos de fuego durante los periodos analizados en la cuenca de Chalco?, ¿Es la actividad volcánica el factor determinante en la dinámica de incendios en la cuenca? La importancia de la resolución a las preguntas anteriores se basa en la frecuente actividad volcánica de la región, pues dos de los complejos volcánicos estudiados son considerados activos (Nevado de Toluca y Popocatépetl). Por otra parte, anualmente en la cuenca de México se registran cerca de 21 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México 450 incendios abarcando un área de 840 hectáreas (CONAFOR, 2016). El entendimiento del desarrollo de los incendios en la Cuenca de México desde un contexto climático y volcánico, podría funcionar como motor de nuevas ideas en la evaluación del riesgo, medidas de vulnerabilidad e impacto ambiental para los asentamientos cercanos a dichos volcanes. De aquí la importancia de establecer a las partículas de carbón como un proxy alterno o complementario a los estudios previos realizados dentro del mismo lago con diferentes indicadores. 2.3 Objetivos El presente estudio tiene como objetivo definir los regímenes de incendio a partir del análisis del material carbonizado en la secuencia de sedimentos lacustres CHA11-VII del lago de Chalco, antes y después de cuatro eventos volcánicos: tefra Tláhuac, tefra 9.12 m, Pómez Tutti Frutti y Pómez Toluca Superior. Los objetivos particulares son: Estimar las concentraciones y flujos de carbón (CHAR) antes y después de cada evento volcánico analizado. Establecer las diferencias entre el CHAR primario y secundario para cada evento volcánico. Evaluar a través de los valores de CHAR si la proximidad del evento volcánico al sitio de depósito tiene una señal característica. Inferir sí los incendios fueron influenciados por las condiciones climáticas globales al momento de la perturbación. Evaluar si los incendios de origen volcánico están influenciados por la dinámica e intensidad de cada erupción. Establecer si la severidad de los incendios está asociada a las características de la vegetación, la distancia al edificio volcánico, el clima, el tipo de erupción o una combinación de estos factores durante cada tefra analizada. 2.4. Hipótesis El lago de Chalco responde al clima global, y dado que las erupciones volcánicas ocurrieron en periodos con distintos climas (p.ej. glaciar e interglaciar), la intensidad de incendios fue modificada dependiendo del clima prevalente en ese momento, teniendo así un régimen de incendio mayor en periodos secos con alta insolación de primavera y regímenes de incendios menores durante periodos húmedos. 22 Martínez-Abarca, 2017 Dado que el clima modifica la vegetación en la región, durante los periodos con condiciones húmedas se establecerán comunidades vegetales distintas a las de climas secos. Así, las comunidades vegetales funcionan como combustible para los incendios. Bajo condiciones de mayor humedad se favorece el desarrollo de bosques, lo que implica mayor biomasa con posibilidades de ser quemada, aunque con mayor contenido de agua en sus estructuras lo cual limitaría esta perturbación. Un segundo escenario de condiciones secas promoverá el desarrollo de pastizales, teniendo una mayor posibilidad de ser quemada dada la temperatura ambiental y su bajo contenido de agua. La actividad volcánica tiene una fuerte influencia en las comunidades al quemar la vegetación aledaña al edificio volcánico. Al ocurrir el evento eruptivo las partículas de material carbonizado primarias podrían ser transportadas con mayor facilidad hacia el lago de Chalco debido a su forma aerodinámica. Sin embargo, vulcanismo efusivo tendría un radio de afectación menor que erupciones explosivas, en el primer caso por la quema directa de flujos de lava y en el segundo por el desarrollo de flujos piroclásticos que logren quemar la vegetación en un radio mayor, el efecto de la quema se incrementara de acuerdo a las condiciones de humedad y el combustible disponible para quemar (vegetación). Posterior al evento volcánico, la severidad e intensidad de los incendios será menor y por lo tanto el material carbonizado disminuirá. El transporte y posterior depósito de partículas de carbón secundarias de origen volcánico difiere de acuerdo a la proximidad del edificio volcánico al lago. Cuanto más cercanasea la erupción volcánica, mayor será la cantidad de carbón depositado en el lago en comparación con eventos lejanos. Lo anterior se detecta en los sedimentos de acuerdo con el tamaño de partícula de material carbonizado, con valores mayores de partículas secundarias en erupciones lejanas y valores altos de partículas primarias en las erupciones cercanas al lago. Aunque el registro de éstas señales podría cambiar de acuerdo a las condiciones climáticas y a la dinámica eruptiva en términos de la intensidad, severidad y extensión que tuvieron los incendios. La generación de incendios y su régimen dependerán de varios forzantes, cada evento volcánico presenta características particulares en su dinámica eruptiva, comunidades vegetales determinadas circundantes al volcán al momento de su ocurrencia y bajo condiciones climáticas específicas. 23 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México Capítulo 3 Sitio de estudio: Lago de Chalco 3.1 Localización El presente estudio se realizó con muestras del núcleo CHA11-VII extraído en el antiguo lago de Chalco, en la actualidad está reducido a un lago perenne en forma de C invertida de 1 a 2 metros de profundidad (Figura 4) (Ortega et al., 2015). Este cuerpo de agua está ubicado en la subcuenca de Chalco (19°15’N, 98°58’W, 2240 msnm) la cual tiene un área aproximada de 1100 km2 de los cuales 240 km2 corresponden a la planicie lacustre, y se ubica al sureste de la cuenca de México en la porción centro-oriental del Cinturón Volcánico Transversal (CVT) (Ortega et al., 2015). La presencia casi ininterrumpida del cuerpo de agua principal durante el Cuaternario tardío, ha permitido que se conserve un registro paleoambiental continuo y con buena resolución temporal (Herrera, 2011). Figura 4. Fotografía del Lago de Chalco con vista a la Sierra Nevada. Tomada por Lozano (Marzo, 2016) 3.2 Fisiografía El Cinturón Volcánico Transversal es definido como un arco magmático continental (Gómez-Tuena et al., 2005) se extiende desde el estado de Nayarit hasta Veracruz con una longitud aproximada de 1000 km y dirección preferencial E-W (Mooser & Ramírez , 1987). Cuenta con más de 8,000 estructuras volcánicas (Robin, 1982) en las que se encuentran el Pico de Orizaba, Popocatépetl, Jorullo, Paricutín y Nevado de Toluca. El volcanismo relacionado al CVT puede ser dividido en tres episodios: un periodo con dominancia en elementos máficos (en su mayor parte elementos alcalinos), volcanismo entre los 11 y 8 millones de años (Ma), un intervalo de disminución en el vulcanismo entre los 8 y 5 Ma y un nuevo episodio 24 Martínez-Abarca, 2017 de volcanismo máfico y alcalino desde los 5 Ma al presente, asociado a la formación de la cuenca de México (Ferrari et al., 1999). En la parte central del CVT se encuentra el campo volcánico monogenético del Chichinautzin (CMC) el cual contiene cerca de 220 edificios volcánicos monogenéticos, entre los que se encuentran el Chichinautzin, Pelado, Tláloc, Tres Cruces, Teuhtli y Dos Cerros, cuyas geomorfologías indican actividad durante el Cuaternario en un área mayor a 6,000 km2 (Márquez et al., 1999). La actividad temprana del CMC comenzó en el Pleistoceno con volcanismo a lo largo de toda la sierra, posteriormente la actividad volcánica se concentró en la parte sur donde los flujos de lava cubrieron grandes extensiones (Martin del Pozzo, 1982). Figura 5. Ubicación geográfica del Cinturón Volcánico Transmexicano (CVT) en blanco y la Cuenca de México en amarillo Al este de la CMC se encuentra la Sierra de las Cruces, es una serie de estructuras volcánicas asociadas a flujos de lava, piroclastos y lahares los cuales forman un rango elongado orientado NW- SE (Mora-Álvarez et al., 1991) con actividad volcánica durante el Mioceno tardío (Mooser et al., 1974, Osete et al., 2000). La Sierra Nevada está localizada al oeste de la CMC, es una línea de volcanes poligenéticos orientados N-S con alturas promedio de 2250 msnm los cuales son el Tláloc, Telapón, Iztaccihuatl y el aun activo Popocatépetl. Los dos primeros son los más viejos de la sierra con edades mayores a los 1.8 Ma (Mooser et al., 1974). De acuerdo a la estratigrafía, el volcán Tláloc tiene edades cercanas 25 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México a los 12 millones de años (García-Palomo et al., 2002; Cadoux et al., 2011). La actividad proveniente del volcán Iztaccíhuatl ha sido reconocida en depósitos aledaños con fechamientos desde ~1.7 a <0.6 millones de años (Nixon , 1989) y el crecimiento del cono actual ha sido dividido en dos fases, ambas conformadas por rocas de composición andesítica y dacítica. Por último, el volcán Popocatépetl el cual es resultado del colapso del volcán Nexpayantla (Paleo-Popocatépetl) entre los 50 y 30 mil años, donde se construyó el edificio volcánico al sur hace 23 mil años (Siebe & Macias, 2004). En conjunto, la sierra de las Cruces al poniente, la sierra del Chichinautzin al sur, la sierra Nevada al oriente y la sierra de Pachuca al norte conforman los límites de la cuenca de México, una estructura geomorfológica cerrada de origen volcánico y tectónico con un área de 9,600 km2 y altitud media de 2240 msnm (Lugo et al., 1994). El arco volcánico moderno en la cuenca del México, está situado hacia el sur y el este de la Sierra de Las Cruces (CMC y Sierra Nevada). Figura 6. Fisiografía de la cuenca de México, cuenca de Lerma y el lago de Chalco. Se señalan las principales elevaciones mencionadas en el texto. Al sureste de la cuenca de México se localiza la subcuenca de Chalco. Esta última es limitada al norte por los conos volcánicos de la Sierra de Santa Catarina, al este por la Sierra Nevada, al sur por el campo monogenético del Chichinautzin y al oeste por el Cerro de la Estrella y el volcán Teuhtli, que la separan de la subcuenca de Xochimilco (Figura 6). Los domos que forman la sierra de Santa Catarina no cuentan con alguna edad determinada; Martin del Pozzo (1990), y Lugo-Hubp y colaboradores (1994), consideran que la actividad más joven de esta sierra puede ser cercana a 20,000 años. 26 Martínez-Abarca, 2017 3.3. Climatología 3.3.1. Forzantes y clima actual 3.3.1.1. Clima en México México alberga una variedad importante de climas, debido a su posición geográfica y fisiografía. Los cambios estacionales asociados a la posición de la zona intertropical de convergencia (ZITC), los vientos polares, así como los centros de baja presión de las latitudes medias y altas presiones de latitudes altas hacen que los tipos de clima cambien en el territorio, variando de tropical húmedo especialmente al sur, a semiárido y árido en algunas regiones del N y centro (Metcalfe et al., 2015). Figura 7. Mapa de los forzantes climáticos en México, entre los que destaca la migración estacional de la Zona Intertropical de Convergencia (ZITC). La ubicación del lago de Chalco ha sido señalada en la figura. La ZITC es una zona de bajas presiones atmosféricas dada por un calentamiento diferencial del ecuador respecto a latitudes medias donde los vientos alisios (aire que circula del este al oeste) convergen. El ascenso de aire el cual transporta humedad, propicia la generación de nubosidad lo que conlleva a eventos de precipitación en la zona (Waliser & Jiang, 2014). Existe una migración de la ZITC al hemisferio sur durante los meses de invierno y al norte en verano (Figura 7). Durante el verano, la radiación solar intercepta perpendicularmente a latitudes medias en el hemisferio norte, lo que provoca una migración de las celdas atmosféricas al norte y en consecuencia el desplazamiento de la ZITC hacia la misma dirección,trayendo consigo precipitación para la parte centro - sur de México y en consecuencia a la cuenca de México. Durante el invierno, la radiación solar intercepta perpendicularmente a latitudes medias del hemisferio sur, propiciando una migración de la ZITC en la misma dirección generando pocas lluvias para la parte centro – sur de México (Figura 7). 27 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México A pesar de que la migración de la ZITC es el factor principal para el incremento de la precipitación en toda la región durante la estación de lluvias, durante el primer pico pluviométrico de la región (mayo-junio) los vientos alisios usualmente no alcanzan su intensidad máxima (Oliver, 2005), permitiendo la formación de sistemas de mesoescala como lluvias orogénicas las cuales incrementan la precipitación (Alfaro, 2000). El segundo forzante climático para México son los frentes fríos provenientes del norte. Este ocurre durante los meses de invierno, dada la intensificación de los vientos contralisios en el hemisferio norte, provocando el desvío de masas de aire frio al sur que al mezclarse con masas de aire caliente disminuyen de manera abrupta la temperatura y presión; lo que por consecuencia propicia un ligero incremento en la precipitación la cual es registrada durante los meses de invierno. Otros fenómenos como El Niño Oscilación del Sur (ENSO), el monzón norteamericano y los huracanes, tienen influencia en las variaciones climáticas en México. 3.3.1.2. Clima en la cuenca de México y lago de Chalco El clima de la cuenca de México es templado subtropical de altura (Cw) en su porción centro y sur de acuerdo a la clasificación climática de Köppen (Figura 9), y seco tipo estepa (BS) en parte norte y oriente (Jáuregui , 2000). El clima de la región es modificado por grandes variación en relieve entre las llanuras de la cuenca y los volcanes (SEDESOL, 2011). Figura 8. Mapa de tipos de clima de la cuenca de México indicando el lago de Chalco de acuerdo a la clasificación climática de Köppen, Modificado de Jáuregui (2000) 28 Martínez-Abarca, 2017 El análisis del ciclo anual medio de precipitación para la cuenca de México permite distinguir dos estaciones. La estación de lluvias de junio a septiembre-octubre con un máximo pluviométrico en julio, y la estación seca, de noviembre a abril, donde la cantidad de incendios se incrementan (Figura 8) (CONAFOR, 2016). Figura 9. Climatograma del 2016 para la Ciudad de México con clima Templado Subhúmedo (Cwb) y una altitud de 2238 msnm. Las barras azules indican la cantidad de precipitación (mm) donde la promedio es de 625 mm/año y la línea roja representa la temperatura promedio mensual (°C) donde la promedio es de 15.9°C. Datos tomados del Servicio Meteorológico Nacional (SMN), (2017). El monitoreo de sequía para la cuenca de México reporta un incremento en el porcentaje de área afectada por incendios hasta 63% del territorio de la cuenca durante los meses de invierno y primavera (Enero-Abril). Las sequías aumentan con el incremento en las anomalías de temperatura, déficit de agua en suelo e incremento del grado de estrés de la vegetación a la insolación (Servicio Meteorológico Nacional, 2017). Figura 10. Monitor de sequía para la cuenca de México durante la primavera del 2016 y el verano de 2015, los periodos de mayor sequía ocurren durante los meses de primavera. Modificado de CONAGUA (2017). Por otro lado, durante los meses de verano (Junio-Septiembre) el 100% del territorio no tiene afectación. En este contexto, la alta frecuencia de huracanes o recurrencia de frentes fríos en los 29 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México meses de invierno pueden atenuar el impacto de las sequías y por ende la cantidad de incendios forestales. La circulación de los vientos locales en la cuenca de México son impulsados por los contrastes térmicos que se originan durante el día por el calentamiento diferencial entre las montañas y la planicie de la cuenca, lo que resulta en vientos que se dirigen hacia las laderas, mientras que por las noches el flujo de aire es opuesto, el aire frío de las partes altas baja hacia el fondo de la planicie (Jáuregui , 2000). Esto se ve perturbado por las corrientes atmosféricas de escala regional que se establecen en la cuenca de México; durante el periodo de secas predominan los vientos secos del oeste, mientras que en el resto del año predominan los alisios que transportan humedad a la cuenca. La interacción de los vientos locales con los regionales determina la dirección y fuerza de los vientos observados, en el periodo de secas los vientos predominantes provienen del NW y con menor fuerza del SW y E, mientras que en periodos de lluvias los vientos predominantes alternan su origen entre el NE y NW (Jáuregui , 2000). La dirección y fuerza de los vientos modifica el patrón de distribución de aerosoles, partículas y cenizas volcánicas en la cuenca de México y regiones aledañas. Un ejemplo de ello, es la reciente actividad volcánica del Popocatépetl en época de secas, donde la dirección del viento favoreció el transporte eólico cenizas volcánicas al NE, llegando al centro del estado de Veracruz en un lapso de dos días (Bonasia & Capra, 2017). Figura 11. Modelo de dispersión de ceniza del volcán Popocatépetl durante la emanación del 26 de Enero del 2017, la dispersión mostrada es dos días posterior al inicio y muestra una clara distribución hacia el este de la cuenca de México la cual ha sido indicada en la imagen, lo colores azules representa menor densidad de partículas en la columna. Modificado del modelo FALL 3D, elaborado por Bonasia y Capria (2017). 30 Martínez-Abarca, 2017 El lago de Chalco pertenece al tipo climático Cw, con una temperatura media anual del rango de 12°C y 18°C, la temperatura del mes más frio es entre 3°C y 18°C mientras que la temperatura del mes más cálido es menor de 22°C. La precipitación anual promedio es de 1800 mm y la precipitación del mes más seco varia de los 0 a 40 mm. 3.3.2. Variación climática durante el Cuaternario En el marco del Cuaternario tardío, el motor que impulsó cambios en el clima fue la distribución de la radiación solar a lo largo del tiempo, lo que influenció la migración de la ZITC y los frentes polares. Desplazamientos latitudinales de la posición media de la ZITC tanto al sur como al norte, intensificó o disminuyó por una parte la intensidad de los vientos alisios y por otro lado las precipitaciones que alcanzaron el territorio del país (Peterson et al., 2000; Hodell et al., 2008). Los registros de menor precipitación coinciden con temperaturas más frías (p. ej. Dryas reciente, eventos Heinrich) lo que se atribuye a una disminución en la fuerza de los vientos alisios y el desplazamiento al sur de la posición media de la ZITC (Peterson et al., 2000; Peterson & Haug, 2006), condiciones más húmedas se asocian a temperaturas oceánicas más cálidas, el incremento de la fuerza de los alisios y el desplazamiento promedio al norte de la ZITC. A los periodos globales de variación en la temperatura a lo largo del Cuaternario son llamados estadios isotópicos marinos o MIS por sus siglas en inglés (marine isotopic stage). Estos han sido documentados principalmente mediante el δ18O de las testas de foraminíferos en los sedimentos marinos de diferentes latitudes y en núcleos de hielo de Groenlandia (Quiroz, 2012). Los periodos cálidos son identificados con números impares, mientras que los periodos fríos con números pares (Bradley, 1999). Se han establecido tres estadios isotópicos marinos en los registros de los últimos 40 mil años:MIS-1, MIS-2 y MIS-3, con inicio hace 11, 29 y 60 mil años respectivamente (Aitken & Stokes, 1997). Otro tipo de variabilidad climática durante el Cuaternario tardío son los eventos Heinrich. Estos eventos producen una disminución en la temperatura y salinidad del Atlántico norte afectando la circulación oceánica y el clima global al disminuir las temperaturas atmosféricas. Se han identificado tres eventos Heinrich durante los últimos 40 mil años, nombrados H1, H2 y H3, con edades de 16.8, 24 y 31 ka cal BP respectivamente, así como una anomalía más reciente conocida como el Younger Dryas con una edad de 12 ka cal BP (Heinrich, 1988). Otras oscilaciones que ocurren durante el 31 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México periodo glacial son los eventos Dansgaard-Oeschger (D/O) que se caracterizan por fluctuaciones rápidas en la temperatura con una duración aproximada de 1450 años. Para los últimos 30,000 años se han identificado los eventos D/O-1, D/O-2, D/O-3 y D/O-4 con edades de 14.5, 21.6, 25.5 y 28.3 ka cal BP. 3.4. Vegetación La vegetación de la cuenca de México, presenta una distribución altitudinal (Rzedowski y Calderón de Rzedowski, 2001). Las comunidades de bosques montanos están constituidas principalmente por los bosques de Pinus que se desarrollan de 2350 a 4000 msnm; los bosques de Abies entre los 2600 y 3500 msnm y los bosques de Quercus de 2300 a 2800 msnm. La distribución altitudinal de los bosques de Juniperus de 2500 y 2800 msnm que se distribuyen principalmente en las regiones norte y noreste de la cuenca. Los arbustos xerofíticos se establecen en las partes septentrionales de la cuenca entre 2250 y 2700 msnm. Los pastizales se extienden entre los 2250 y 4300 msnm, algunas comunidades pueden desarrollarse en áreas abiertas de los bosques de Abies o Pinus. Cerca al lago de Chalco los bosques de pino-encino son las comunidades características (Lozano & Ortega, 1994). En la cuenca de México, la evidencia paleobotánica (Espinosa & Rzedowski, 1966) y palinológica apunta hacia cambios en la distribución de otras comunidades, como los bosques o pastizales durante el Pleistoceno tardío. Pero hay datos que parecen indicar que una combinación de cambios climáticos y actividad volcánica redujo la diversidad de comunidades vegetales en la cuenca y aumentó la diversidad específica de los bosques de pinos y encinos, convirtiéndolos en la vegetación actual dominante (Lozano & Ortega, 1994). 3.5. Actividad volcánica y reconstrucciones paleoambientales en Chalco Torres-Rodríguez y col. (2015) reconstruyen episodios de fuegos para los últimos 85 mil años en la cuenca de Chalco, muestran 123 picos de partículas de carbón distribuidas en tres intervalos de frecuencia. Estos autores proponen que 97 episodios de fuego están relacionados con sequías asociados a valores altos de insolación de primavera y momentos de aridez en el lago de Chalco. Mientras que otros 26 episodios de fuego los asocian a la actividad volcánica por la presencia de tefras y altos valores de susceptibilidad magnética. La configuración geológica de la cuenca de México como una cuenca tectónica –volcánica hace que la importante actividad volcánica cuaternaria sugiera una relación entre las erupciones volcánicas y los eventos de fuego. El intenso 32 Martínez-Abarca, 2017 vulcanismo que ocurrió durante el Cuaternario tardío en la cuenca de México con un periodo de recurrencia menor a 1050 años (Ortega et al., 2015) probablemente favoreció los incendios. Recientemente, se han realizado descripciones de lo que pudo ser el depósito proveniente del volcán Teuhtli nombrado como la “Gran Ceniza Basáltica” o tefra Tláhuac (TTH). El origen de la TTH aún no se conoce con certeza, sin embargo, debido a la similitud de la composición geoquímica de las rocas del volcán y de los sedimentos lacustres se ha considerado que un probable punto de origen sea el volcán monogenético Teuhtli (Ortega et al., 2015), cuyo cráter se encuentra a 6.5 km del sitio de perforación del núcleo CHA11-VII con una edad entre los 30 y 28 ka cal BP (Ortega et al., 2015). La severidad que la erupción pudo haber tenido sobre las comunidades vegetales se observa en los altos valores de flujo de carbón en los sedimentos del lago de Chalco (Torres-Rodríguez et al., 2015). El Teuhtli es una estructura volcánica que posee un cono de ceniza por arriba de 460 metros sobre la planicie lacustre, en la cima de un escudo de lava (Siebe et al., 2005). Se le ha asociado un paleosuelo por debajo de los depósitos del Teuhtli el cual fue fechado en 34,020 años cal B.P (Guilbaud et al., 2005). Entre 30 y 28 ka, las reconstrucciones climáticas con base en distintos proxies indican condiciones húmedas y cálidas con alta insolación de primavera en Chalco (Tabla 2). Durante el fin del MIS-3 la intensidad de los vientos alisios se incrementó con la posición media latitudinal de la ZITC al norte, lo que aumentó la precipitación y la escorrentía hacia el cuerpo lacustre. Las condiciones de humedad permitieron el establecimiento de vegetación en su mayoría compuesta por bosques de pino y encino (Hodell et al., 2008; Lozano-García et al., 2015; Torres-Rodríguez et al., 2015). La secuencia de diatomeas presentadas en Caballero y Ortega (1998) indica que el lago de Chalco era profundo durante este periodo, sin embargo, se registra una tendencia hacia niveles más bajos al comienzo del MIS 2 cuando se estableció un lago salino y poco profundo (probablemente menor de 2 metros). La transición en los niveles lacustres está asociada con cambios en las comunidades vegetales de especies arbóreas a pastizales, incrementos en la cantidad de material carbonizado indicando la presencia de incendios, así como un cambio abrupto en la tasa de sedimentación de Chalco (Caballero y Ortega, 1998; Torres-Rodríguez et al., 2015; Lozano-García et al., 2015). Lo anterior es contemporáneo al emplazamiento de la tefra 9.12 m (T912), estudios previos han propuesto que el evento volcánico que la depositó fue la causa del cambio de salinidad del lago, 33 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México pasando de ser salino a dulce después del bloqueo de uno de los tributarios que descargaba agua al cuerpo lacustre y que probablemente de alguna manera modifico la composición arbórea y la tasa de sedimentación (Caballero y Ortega, 1998). El volcán Popocatépetl situado al sureste de Chalco ha tenido al menos siete erupciones plinianas, produciendo extensos depósitos de pómez y caída de ceniza. Una de estas erupciones a los 17 ka cal B.P está representada por la tefra Pómez Tutti Frutti o Pómez con Andesita. Las primeras descripciones de la Pómez Tutti Frutti fueron realizadas por Mooser (1967) en donde propuso una composición en mayor proporción por líticos de andesita, aunque estudios posteriores reportaron que la composición de esta tefra no contiene fragmentos de andesita en realidad, sino diferentes líticos como granodiorita, skarn, mármol entre otros, de aquí su nombre como Pómez Tutti Frutti (PTF) (Siebe, comunicación personal, 2017). Sosa (2012) propone dos fases en las que pudieron ocurrir el evento volcánico; durante la primera fase se produjeron una serie de pequeñas explosiones sub-plinianas de intensidad variable, cuyo material se deslizó mediante un flujo piroclástico (P01), el cual solo alcanzó a depositarse en los 15 km circundantes al Popocatépetl. La actividad volcánica disminuyó y dio paso a la segunda fase, la cual se refiere a una explosión mayor de tipo pliniana, donde la columna eruptiva alcanzó los 37 km de altura, la cual generó un segundo flujo piroclástico (P02).Los materiales fueron dispersados por el viento hacia el noroeste, hacia el área donde actualmente se asienta la ciudad de México (Macias, 2007). Las reconstrucciones climáticas para este periodo (Tabla 2) proponen condiciones frías y secas, asociado al termino del UMG (~23,000-19,000 años) durante el cual se redujo la temperatura media global a 6 o 8°C (Petit et al., 2001). Se ha propuesto un debilitamiento de los vientos alisios ya que la posición latitudinal media de la ZITC se encontraba al sur (Hodell et al., 2008), también se reporta un incremento en los frentes polares y en las precipitaciones de invierno (Caballero, 2010) que transportaron terrígenos al cuerpo lacustre. Las comunidades vegetales reconstruidas para este periodo (Lozano-García et al., 2015) son bosques abiertos de coníferas con pastizales, el registro de polen de Picea indican condiciones frías. El impacto de la actividad volcánica en el registro de diatomeas está marcado por alternancias de condiciones de agua dulce a ácidas (Caballero & Ortega, 1998). Con el debilitamiento de los vientos 34 Martínez-Abarca, 2017 alisios las condiciones eran secas por lo que de esta manera Chalco redujo su nivel disminuyendo la cantidad de macrófitas (Caballero et al., 2010; Leigh, 2012). En general, los cambios en las condiciones del lago posteriores al depósito de la PTF parecen estar controlados por condiciones climáticas asociados al final del UMG y no a consecuencia del emplazamiento de esta tefra (Caballero y Ortega, 1998). Por otro lado, se ha reportado la presencia de glaciares en el cono del Popocatépetl durante el periodo frio Heinrich 1 (16,800 años) (Lozano, 1993; Peterson et al., 2000; Leigh, 2012; Quiroz, 2012; Lozano-García et al., 2015). Vázquez-Selem (2004) ha descrito un avance glaciar denominado Hueyatlaco-1 en el Iztaccíhuatl, con la línea de equilibrio de los glaciares a los 3390 msnm. Posiblemente había poca vegetación en los flancos de las montañas de la cuenca lo que es consistente con la ausencia de material carbonizado en el depósito PTF en las regiones cercanas al volcán (Siebe et al., 1997). Tres importantes erupciones sub-plinianas y plinianas del volcán Nevado de Toluca (sur-oeste de Chalco) están representados por la Pómez Toluca Inferior, Pómez Toluca Media y la Pómez Toluca Superior hace 12.3 ka cal BP (D'Antonio, 2008). Los primeros estudios realizados a estos depósitos fueron realizados por Bloomfield y Valastro (1974) quien estableció la edad del volcán en el Pleistoceno tardío y refirió a sus diferentes erupciones como tipo Vulcaniano y Vesubiano. Posteriormente, Arce (2003) describe a la última actividad volcánica del Nevado de Toluca descrita como Pómez Toluca Superior (PTS). La PTS fue depositada por un evento volcánico que consistió en cuatro erupciones del tipo plinianas; PC0, PC1, PC2 y PC3 alcanzando alturas de 25, 39, 42, y 28 km por encima del cráter, respectivamente. Las últimas tres columnas fueron interrumpidas por explosiones en el cráter que dispersó oleadas piroclásticas produciendo el colapso de las columnas, formando flujos piroclásticos de pómez, los cuales alcanzaron temperaturas hasta de 300°C (Arce et al., 2003; Macías, 2007). Los flujos piroclásticos quemaron la vegetación a lo largo de su trayectoria, incorporando troncos y ramas pequeñas. Las cenizas volcánicas fueron dispersadas hacia el noreste por los vientos dominantes. La caída de ceniza de la PC1 y PC2 cubrió una superficie mínima de 2000 km2, un área que actualmente está ocupada por las ciudades de Toluca y México, generando un volumen de 14 km3 de material volcánico (Arce et al., 2003). 35 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México La actividad volcánica del Nevado de Toluca que deposito la PTS coincide con el final del Pleistoceno e inicio del Holoceno correspondiente a la transición del MIS 2/MIS 1. Los registros de diatomeas reportados en Caballero y Ortega (1998) proponen un incremento en los niveles lacustres de Chalco, asociado a condiciones húmedas durante el término del Pleistoceno, ocasionando incrementos en las escorrentías por el probable aumento de la precipitación y en consecuencia el incremento de comunidades boscosas en la cuenca de México y Lerma (Lozano, 2005; Caballero et al., 2010; Lozano-García, 2015). La actividad volcánica del Nevado es contemporánea al Younger Dryas con disminución en la temperatura y avances glaciares, limitando el establecimiento de vegetación a altitudes superiores a los 4240 msnm, lo que puede explicar la ausencia de fragmentos de carbón vegetal y troncos de madera en los depósitos volcánicos por encima de esa altitud (Arce et al., 2003; Vázquez & Heine, 2004). Las comunidades vegetales que estaban constituidas por bosques abiertos con gran cantidad de pastizales, cambian a comunidades boscosas cerradas (Lozano-García et al., 2015). La estructura más joven en la Sierra Chichinautzin, “El Xitle” tiene un registro de hace 1670 años en su actividad volcánica (Siebe, 2000) y finalmente una de las estructuras volcánicas circundantes al lago es el anillo de toba del Xico, emplazado en la parte central de la planicie lacustre. Sobre él ha sido reconocida la PTF (Siebe et al., 2005). 36 Martínez-Abarca, 2017 Tabla 2. Síntesis de las condiciones paleoambientales, con base en diversos autores en los cuatro periodos estudiados. Deposito Reconstrucción Referencias Pómez Toluca Superior 12,300 años BP Incremento de nivel lacustre Condiciones húmedas Incremento de escorrentías ZITC al norte Vegetación boscosa en las cuencas de México y Lerma Insolación de primavera alta Inicio del Younger Dryas Avance glaciar Caballero y Ortega, 1998 Leigh, 2012 Haug et al., 2001 Lozano-García et al., 2015 Lozano et al., 2005 Torres-Rodríguez et al., 2015 Peterson et al., 2000 Haug et al., 2001 Vázquez-Selem, 2004 Pómez Tutti Frutti 17,600 años BP ZITC al sur Debilitamiento de alisios Termino UMG Frio y seco Intensificación lluvias invernales Vegetación: bosques abiertos con pastizales Sistema lacustre de dulce a salada y somero Heinrich 1 Avance glaciar Hueyatlaco-1 Baja insolación de primavera Hodell et al., 2008 Petit et al., 2001 Caballero, 2010 Lozano-García et al., 2015 Caballero y Ortega, 1998 Leigh, 2012 Lozano-García et al., 2015 Peterson et al., 2000 Lozano, 1993 Quiroz, 2012 Vázquez-Selem, 2004 Torres-Rodríguez et al., 2015 Tefra 9.12 m 27,370 años BP Transición MIS3-MIS2 Vegetación: cambio de arbóreo a pastizal Incremento en incendios Alta insolación de primavera Inicio del UMG Sistema lacustre somero Transición dulce a salino Lozano-García et al., 2015 Torres-Rodríguez et al., 2015 Caballero y Ortega, 1998 Tefra Tláhuac 28,690 años BP MIS3: Húmedo y cálido Intensificación alisios Vegetación: bosque pino y encino Alta Insolación de primavera ZITC al norte Incremento precipitación Incremento escorrentías Sistema lacustre profundo Lozano-García et al., 2015 Torres-Rodríguez et al., 2015 Hodell et al., 2008 Roy et al., 2009 Caballero y Ortega, 1998 37 Análisis de paleofuegos, durante periodos de actividad volcánica durante el Cuaternario tardío y su relación con el paleo-clima en el lago de Chalco, México Capítulo 4 Materiales, métodos y trabajo previo 4.1 Trabajo en campo Se colectó el núcleo CHA11-VII (19°25’N, 98°96’W) del 9 al 12 de julio en 2011 (Figura 12), dentro de la porción seca de la planicie lacustre con el manejo del sistema Livingston modificado, obteniendo de esta manera núcleos con recuperación casi continua de sedimentos. Figura 12. Sitio de Perforación del núcleo
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