Importancia de los sedimentos

El deterioro de las funciones de las cuencas hidrológicas tiene importantes consecuencias negativas, ya que podría provocar la erosión y la reducción de la productividad del suelo (^{Food and Agriculture Organization [FAO], 2023}). En las cuencas hidrológicas existe movilización de los materiales del suelo que llegan a zonas de acumulación.

Un escenario deseable para incrementar el tiempo de vida útil de una presa es desazolvar; sin embargo, es un tema que no está contemplado por los organismos reguladores del agua. La utilización de los materiales en los sedimentos de presas, y la eventual movilización para desazolvar la presa, podría ser viable si se conoce el potencial económico de los sedimentos y sus posibles usos. Por ejemplo, los sedimentos de los cuerpos de agua tienen aparentemente las propiedades necesarias para producir ladrillo.

En todas las cuencas hidrológicas se encuentran sedimentos depositados principalmente en las partes bajas donde la energía de movimiento es mínima debido a las bajas pendientes. En función de la ubicación del ambiente sedimentario, los tamaños de partícula varían desde muy gruesos a muy finos (^{Corbí & Martínez-Martínez, 2015}). Los depósitos sedimentarios normalmente son materiales porosos. Esta porosidad es fundamental, pues permite el almacenamiento y la circulación de agua. Los sedimentos expuestos a la atmósfera pueden evolucionar como suelos con el paso del tiempo.

Un tipo particular de sedimentos son los que se retienen en las estructuras construidas para almacenar agua como presas y bordos. La cantidad de sedimentos que podrían encontrarse depende de las condiciones climáticas, del relieve y del grado de deforestación. En estos sitios no es deseable que se acumulen los sedimentos debido a que disminuye la capacidad de almacenamiento de los embalses.

En el estado de Guanajuato se encuentran 169 presas y bordos que representan un potencial de almacenamiento de 1780 millones de metros cúbicos (Mm³) (https://presas.conagua.gob.mx/inventario/hnombre_presa.aspx). Estas presas se han construido con diversos propósitos: control de avenidas, abasto a poblaciones, riego, agostadero o infiltración. En el municipio de Guanajuato las presas más importantes son: Manuel Gonzalez (La Esperanza), La Soledad, La Purísima y Mata. Este trabajo se refiere a los sedimentos acumulados en la presa La Esperanza (su ubicación geográfica se muestra en la Figura 1).

Fuente: Elaboración propia con información del INEGI y Conagua (consultado en 2023).

Figura 1 Ubicación de la presa La Esperanza, Guanajuato, Gto. 

La cuenca La Esperanza es un área natural protegida, tiene una extensión de 1832 ha y una diferencia de elevación de 2259 a 2748 metros sobre el nivel del mar (m. s. n. m.) (^{Martínez-Arredondo et al., 2015}). La temperatura media anual varía entre 19 ºC en las partes altas y 23 ºC en la cortina. Administrativamente, esta subcuenca es parte de la cuenca del río Guanajuato, de la cuenca Lerma-Salamanca RH12Bd, de la región hidrológica 12 Lerma-Santiago. Se encuentra anidada dentro de la cuenca Lerma-Chapala, en la región hidrológica 12 Lerma-Santiago. Está situada entre los 21° 02' 52" y los 21° 03' 48" de latitud norte y los 101° 16' 10" y 101° 12' 43" de longitud oeste. La vegetación predominante es bosque de encino (Quercus sp.), cubriendo 13.67 km² aproximadamente, le sigue vegetación secundaria arbustiva de bosque de encino con 2.55 km², pastizal inducido con 1.22 km² y vegetación secundaria herbácea de bosque de encino con 0.68 km². Los tipos de suelo predominantes en la cuenca son luvisoles y litosoles, que cubren 12.27 km² del total de la cuenca y los del tipo feozem con 5.08 km². Por su área, la cuenca se clasifica como microcuenca, es de tipo alta por presentar zonas montañosas. La precipitación media de la zona está entre los 650 mm y los 800 mm anuales, con mínimas de 400 mm y máximas de 1000 mm.

Las rocas que afloran en la cuenca La Esperanza son masivas; si presentan porosidad, es por fracturamiento (^{Randall et al., 1994}). La columna litológica varía desde un complejo volcánico-sedimentario del Mesozoico, como diorita, tonalita y lutita, esta última metamorfizada a filitas presentando algunos lentes de sulfuros masivos vulcanogénicos. En la cuenca se encuentran al menos dos yacimientos de sulfuros masivos que en conjunto representan un millón de toneladas de minerales altos en pirita (^{Miranda-Gasca, 2000}). Se encuentran también rocas volcánicas del Terciario. El contacto entre las rocas volcánicas del Terciario y las rocas del Mesozoico es una veta con mineralización epitermal del sistema de vetas de la Sierra. En el extremo noroeste (NW) se encuentra una zona de alteración hidrotermal que puede haber aportado elementos con importancia económica a las rocas en esta parte. La Figura 2 muestra a la cuenca La Esperanza con la geología de la zona y los principales afluentes.

Fuente: Elaboración propia con la plataforma Google Earth con información de INEGI y Conagua (consultado en 2023).

Figura 2 Delimitación de la cuenca La Esperanza y las subcuencas Llano Grande, Melchores y El Duraznillo, Guanajuato, Gto. 

En la cuenca hay tres subcuencas (de izquierda a derecha): Llano Grande, Melchores y El Duraznillo. La subcuenca Llano Grande tiene un canal principal de 3283 m, con una elevación mínima de 2280 m. s. n. m. y una máxima de 2477 m. s. n. m.; su extensión es de 1.962 km². La subcuenca Melchores tiene un canal principal de 6470 m, una elevación mínima a la cota del llenado de la presa de 2280 m. s. n. m. y una máxima de 2759 m. s. n. m. en el cerro “El Guapillo”. Drena un área de 8.071 km², tiene una pendiente media de 6.40%, el tiempo de concentración es de 45.55 minutos, y el orden de corriente es de 3. La subcuenca El Duraznillo tiene el cauce principal, con una elevación mínima de 2280 m. s. n. m., una elevación máxima de 2682 m. s. n. m y una elevación media de 2440 m. s. n. m. La longitud del cauce principal es aproximadamente de 7130 m, tiene una pendiente media de 5.28%, el tiempo de concentración es de 49.04 minutos, el orden de corriente es de 3 y el área drenada aproximada de la zona es de 7.26 Km². Esta información fue obtenida mediante un modelo digital de elevaciones (MDE) creado a partir de las cartas topográficas F14C43e y F14C43f a escala 1:20 000 publicadas en 2015 por el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) y con ayuda del software comercial Qgis 3.30 de código libre.

El embalse de la presa La Esperanza cubre aproximadamente 0.20 km² del total de la superficie de la cuenca. La cortina de esta presa empezó su construcción el 5 de mayo de 1887 y quedó terminada en abril de 1893. Tenía originalmente una capacidad de 1.8 millones de metros cúbicos (^{Borja-Pérez, 2021}); no obstante, debido al azolve producido durante cerca de 135 años, actualmente su capacidad es de menos del 50% de la original (^{Navarro, 2015}).

Por su parte, los ladrillos son pequeños bloques rectangulares de materiales finos cocidos (limo y arcilla). Los materiales utilizados para su fabricación varían mucho en composición de un lugar a otro; si se trata de sedimentos, varían según el tipo de roca en las cuencas. Las arcillas están compuestas principalmente por sílice, alúmina, calcio, hierro, manganeso, azufre y fosfatos, con diferentes proporciones. En una casa o en un edificio tradicional, la mayor parte de los muros se construyen con ladrillos unidos con concreto, por lo que la mayor parte del volumen de estas construcciones está formada por ladrillos. Esto hace a los ladrillos muy importantes en la industria de la construcción. Los ladrillos normalmente se fabrican usando sedimentos que se extraen de tierras de cultivo, lo que desde luego es un problema desde un punto de vista de sustentabilidad.

Los ladrillos se fabrican en diferentes colores, como rojo oscuro, violeta, marrón, gris, rosa o marrón opaco, dependiendo de la temperatura de cocción de la arcilla durante la fabricación. La temperatura de cocción varía de 900 °C a 1200 °C. Los ladrillos tienen una densidad promedio de 1500 kg/m³.

Los ladrillos de arcilla se utilizan para diferentes propósitos, incluida la construcción, el revestimiento, la estética, la fabricación de pisos y la pavimentación. Los ladrillos de construcción generalmente son fuertes y duraderos. Los ladrillos de revestimiento se utilizan con fines estéticos y están disponibles en diferentes tamaños, colores y texturas. Los ladrillos para pisos se utilizan en superficies de pisos terminados y generalmente son lisos y densos, con alta resistencia a la abrasión.

Los ladrillos de arcilla son muy duraderos y resistentes al fuego y requieren muy poco mantenimiento. Tienen propiedades aislantes moderadas que hacen que las casas de ladrillo sean más frescas en verano y más cálidas en invierno, en comparación con las casas construidas con otros materiales de construcción. Los ladrillos de arcilla también son conductores deficientes y no combustibles (^{Mamlouk & Zaniewski, 2017}).

En el estado de Guanajuato se han realizado muy pocos estudios para evaluar el potencial económico o posible uso en aplicaciones ambientales de los sedimentos en las presas. En este trabajo se evalúa el potencial uso de los sedimentos de la presa La Esperanza como materiales para la construcción de ladrillos o como fuente de tierras raras y metales preciosos, lo que puede ser una estrategia de desazolve de la presa.

Las tierras raras incluyen los elementos químicos: escandio, itrio, lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio y lutecio. El término “tierras raras” es engañoso, ya que no se refiere a su abundancia en la corteza terrestre, sino a la apariencia poco llamativa de los minerales de los que fueron aisladas originalmente. Casi todos los elementos de tierras raras (REE, por sus siglas en inglés) en la corteza terrestre son más abundantes que el oro, la plata o el platino, mientras que el cerio (Ce) es el más abundante de todos los REE y es más común en la corteza terrestre que el cobre o el plomo. Los metales de tierras raras son vitales para algunas de las industrias de más rápido crecimiento del mundo: catalizadores, imanes de Nd, cerámica, vidrio, metalurgia, aleaciones para baterías, electrónica y elementos fluorescentes (^{Charalampides et al., 2016}).

Los metales preciosos incluyen a los elementos oro (Au), plata (Ag), platino (Pt), paladio (Pd), iridio (IR), rodio (Rh) y rutenio (Ru). Todos, excepto la plata, son materiales resistentes a la corrosión, con altas densidades, altos puntos de fusión, elevada conductividad eléctrica y excelentes propiedades mecánicas. Con propiedades tan únicas, dichos metales son aplicados como materiales de contacto en electrónica, en sensores en la industria del acero, para revestimientos de vidrio e incluso en propulsores de satélites. Además, Au, Ag, Pt y Pd son usados comúnmente en joyería (^{Seehra & Bristow, 2018}).

En este trabajo se evalúa el potencial de uso de los sedimentos de la presa, Manuel Gonzalez (La Esperanza), teniendo como premisa que la composición química y las características físicas permitan su utilización como materiales para la construcción de ladrillos y como fuente de tierras raras y metales preciosos, lo que puede ser una estrategia para financiar los costos de desazolve de las presas.

Muestreo

En la Figura 3 se identifican específicamente para la presa de La Esperanza los seis puntos de muestreo tomados de los dos cauces principales correspondientes a las microcuencas 1 y 2. Se realizó un muestreó en tres puntos de cada microcuenca. La altitud de los puntos fue tomada a partir de la cota de 2280 m. s. n. m. con ayuda de un GPS de la marca Garmin y corroborado con el MDE realizado. En la Tabla 1 se muestran las coordenadas de los puntos de muestreo dentro del embalse de la cuenca La Esperanza.

Fuente: Elaboración propia con información de INEGI y Conagua.

Figura 3 Ubicación de los puntos de muestreo dentro de la presa La Esperanza.  

Dimensiones y peso

En relación con las dimensiones y peso de los ladrillos elaborados con materiales de tres localidades (comunidad “Lo de Juárez”, en Irapuato; comunidad El Encinal en Abasolo; y sedimentos de la presa La Esperanza, en Guanajuato), las Tablas 2, 3 y 4 muestran las características físicas de los ladrillos. Para elaborar cada ladrillo se utiliza un volumen aproximado de 2744 cm³; es decir, por metro cúbico de sedimento se pueden obtener 364 ladrillos, sin contar pérdidas de producción, evaluadas éstas de tres ladrillos por cada 1000. El costo promedio de elaboración de cada ladrillo es de $2.00 pesos mexicanos y su valor en el mercado es de $2.50 pesos mexicanos, promedio, precio que varía según la oferta y la demanda hasta $3.00 pesos mexicanos.

Los ladrillos sinterizados tienen la apariencia mostrada en la Figura 4. El color rojo más oscuro de los ladrillos elaborados con arcillas de la presa La Esperanza se debe al alto contenido de minerales de hierro (Fe), como se reporta en la sección de análisis por florescencia de rayos X.

Fuente: Elaboración Propia.

Figura 4 Ladrillos sinterizados con sedimentos provenientes de a) comunidad de El Encinal, b) comunidad Irapuato, y c) Presa La Esperanza, Guanajuato. 

De acuerdo con la norma NMX-C441-ONNCCE-2005, los ladrillos deben tener dimensiones de alto hasta 15 cm, de largo hasta 30 cm y de ancho de 10 cm a 30 cm. Todos los ladrillos reportados en las Tablas 2 a 4 cumplen con esta parte de la norma.

Resistencia a la compresión y absorción

Considerando la resistencia a la compresión y absorción, en las Tablas 5, 6 y 7 se muestran las propiedades de esas variables.

Fluorescencia de rayos X

Considerando el análisis de la fluorescencia de rayos X, la Tabla 8 muestra los datos de los componentes químicos de los sedimentos.

El color rojo de los ladrillos producidos en este trabajo se debe a los altos contenidos de Fe, reportados en la Tabla 8. Los contenidos de tierras raras reportados en la Tabla 8 concuerdan, en lo general, con lo reportado para las rocas volcánicas de la cuenca La Esperanza (^{Mengelle-López, 2013}).

Difracción de rayos X

La Figura 5 muestra los patrones de difracción de las muestras. En los patrones de difracción de rayos X se pudo identificar las fases minerales Montmorrillonita, Anortita, Cuarzo y Maghemita. La cuantificación de las fases se realizó mediante el método de las proporciones de las intensidades relativas (RIR), incluido en el software Match! versión 1.11K. Los resultados se muestran en la Tabla 9. El máximo contenido de la fase Maghemita fue de 14.9%. Esta fase tiene un 40% de Fe, por lo que se podría pensar que debe haber bajas concentraciones de este elemento en las muestras. Sin embargo, en la Tabla 8 se observan contenidos de Fe de hasta 58%. Esta diferencia se debe a que la difracción se hizo con radiación de Cu, lo que produce fluorescencia del Fe, en el fondo de los patrones, y disminuye la intensidad de los picos de la Maghemita, haciendo parecer que hay menos de esta fase de lo que en realidad contienen las muestras.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 5 Patrones de difracción de rayos X de los sedimentos obtenidos de la presa de La Esperanza, Guanajuato. 

Las tierras raras reportadas en la Tabla 8 podrían estar asociadas a este óxido de Fe, como se ha reportado previamente (^{Cook et al., 2022}). Los contenidos de cuarzo entre 28% y 52% son, en general, más bajos que los reportados para las rocas volcánicas submarinas de la cuenca La Esperanza, entre 56% y 76% (^{Mengelle-López, 2013}).