El 21 de octubre y el 26 de noviembre de 2022 el volcán Cotopaxi produjo dos caídas de ceniza, la primera restringida en la zona cercana al volcán y la segunda, mucho más amplia afectando incluso a la parte sur de Quito.

La ceniza de ambos eventos fue recolectada por personal del Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (IG-EPN) lo más pronto posible después de las caídas y se inició el proceso de preparación de las muestras para su análisis y posterior interpretación. Este es un procedimiento estandarizado en el que se siguen una serie de pasos para asegurar la calidad de los resultados. Aquí les presentamos cómo trabajamos con la ceniza volcánica.

¿Cómo se recolecta la ceniza volcánica?

Tenemos al menos dos posibilidades:

1.- Toma de muestras directamente sobre las superficies afectadas: Lo ideal es recoger la ceniza depositada sobre una superficie previamente limpia. Por ejemplo, sobre un techo limpio, sobre el capó o el parabrisas de un vehículo limpio, u otro. Es importante medir el área de recolección para calcular la carga (masa de ceniza por unidad de área, típicamente expresado en kg/m² o g/m²). Si el depósito tiene más de 1 mm de espesor, también se puede medir este parámetro (Figura 1).

Figura 1.- Fotos de los depósitos asociados a la caída de ceniza del 21/10/2022. A: Refugio del Cotopaxi (foto: Benjamin Bernard, IG-EPN); B: Carro cubierto de ceniza (foto: Cristian Rivera, ASEGUIM); C: panel solar de una estación del INAMHI (foto: Marco Solís/ IG-EPN).

2.- Toma de muestras en cenizómetros: El personal del IG-EPN ha diseñado recolectores especiales de ceniza llamados cenizómetros (Bernard, 2013). Se han instalado cenizómetros en zonas cercanas a volcanes activos y también en todo el territorio ecuatoriano gracias a la Red de Observadores Volcánicos del Ecuador (ROVE). Estos dispositivos ayudan a la medición (espesor, carga y densidad) y recolección de la caída de ceniza y también se utilizan en otros países como Perú, Colombia, Chile, Costa Rica, Nicaragua y Guatemala. Una vez que cae la ceniza, se mide el espesor (hasta 0,1 mm según el modelo) y se recoge el material. Luego se limpia el cenizómetro y queda listo para una siguiente caída. Estos cenizómetros tienen la gran ventaja de permitir el muestreo de la ceniza (aún en caso de eventos con muy poca ceniza emitida) y proteger la ceniza del viento o la lluvia, de tal manera que la muestra que se obtiene es prácticamente inalterada (Figura 2).

Figura 2.- Fotos de cenizómetros instalados por personal del IG-EPN. A: Machachi, provincia de Pichincha (foto: B. Bernard, IG-EPN); B: Palmira, provincia de Chimborazo (foto: B. Bernard/ IG-EPN).

Independientemente del método de recolección, la muestra es sellada en una funda plástica y etiquetada para su posterior análisis. La información clave que debe tener la etiqueta es el nombre del lugar de muestreo con las coordenadas GPS (latitud, longitud y altitud), la fecha de recolección y el área de muestreo. Se puede añadir información sobre la humedad, la masa in situ, indicios de alteración o contaminación de la muestra, etc. (Figura 3).

Figura 3.- Filtros de cenizómetros y muestras de ceniza colectados cerca del volcán Cotopaxi el 29/11/2022 (fotos: B. Bernard/ IG-EPN).

¿Cómo se analiza la ceniza volcánica?

Secado de las muestras: El primer paso del análisis de la ceniza es secar las muestras en una mufla (horno especial de laboratorio) a una temperatura de 40 a 60 °C por 24 a 48 horas dependiendo de su humedad (Figura 4).

Figura 4.- Mufla de secado de muestras (foto: S. Hidalgo, IG-EPN).

Pesado de las muestras: En el segundo paso se pesa la ceniza seca con una balanza electrónica. Esto permite calcular con precisión la carga de ceniza seca en los diferentes sitios de muestreo y determinar si la caída de ceniza es muy leve (<10 g/m²), leve (10-100 g/m²), moderada (100-1000 g/m²), fuerte (1-10 kg/m²) o muy fuerte (>10 kg/m²). El nivel de impacto de la caída de ceniza sobre la agricultura, la ganadería y las infraestructuras depende en gran medida de la carga. Por ejemplo, una caída muy leve no provoca daños significativos en cultivos como la papa y el maíz, mientras que una caída muy fuerte puede provocar su destrucción total (Figura 5).

Figura 5.- Pesado de la ceniza en balanza electrónica (foto: S. Hidalgo/ IG-EPN).

Tamizado de las muestras: Este ensayo utiliza tamices con aperturas de diferentes diámetros y tiene dos propósitos. En primer lugar, permite obtener la distribución de tamaño de las partículas desde 45 mm hasta 63 µm (0,063 mm). El IG-EPN completa el análisis granulométrico utilizando un analizador de partículas que mide con un láser el tamaño de las partículas entre 5 mm y 30 nm (0,00003 mm). Así se puede clasificar y determinar si la ceniza puede tener afectación a la salud, ya que cuanto más fina es la ceniza, más profundo ingresa en nuestro sistema respiratorio. En segundo lugar, el tamizado separa la ceniza por tamaño, lo cual es necesario para comprender los dinamismos eruptivos, en particular el grado de fragmentación del magma (Figura 6).

Figura 6.- Distribución granulométrica de la muestra recolectada en el refugio del Cotopaxi el 22/10/2022 (tamizaje: Anaís Vásconez y Edwin Telenchana; difracción láser: Benjamin Bernard; síntesis y deconvolución: Benjamin Bernard; software deconvolución DECOLOG 6.0).

Clasificación de la ceniza: Se selecciona una o más fracciones de un tamaño representativo de la muestra de ceniza para observarlas con un microscopio binocular (Figura 7). Para facilitar el análisis primero se lava las fracciones deseadas en un baño de ultrasonido para que los granos estén perfectamente limpios. El análisis con el microscopio binocular permite identificar los componentes de la ceniza. La ceniza volcánica puede tener material juvenil (el cual representa directamente al magma que está generando la actividad volcánica), material accidental (que proviene típicamente del conducto volcánico y se ha acumulado durante erupciones pasadas), material híbrido (proveniente de la interacción del magma con el sistema hidrotermal del edificio volcánico), entre otros (Figura 8).

Figura 7.- Microscopio binocular equipado con cámara para observación y clasificación componentes (foto: S. Hidalgo, IG-EPN).

Figura 8.- Componentes de la ceniza recolectada en el refugio del Cotopaxi el 22/10/2022 visto en microscopio binocular (fotos: Benjamin Bernard, IG-EPN). A1: fragmento accidental gris; A2: fragmento accidental hidrotermal con pirita; A3: fragmento accidental rojizo oxidado; J1: fragmento juvenil oscuro; J2: fragmento juvenil gris; J3: fragmento juvenil miel.

Separación de la ceniza: Se escoge bajo el microscopio binocular los granos de material juvenil con el fin de identificar las características del magma que está produciendo la actividad volcánica. El material juvenil tiene un aspecto fresco (sin ningún tipo de alteración), brillo vítreo, es angular y generalmente presenta vesículas (estructuras redondeadas que se forman debido a la presencia de burbujas de gas en el magma; Figura 9).

Figura 9.- Selección individual de los granos bajo microscopio binocular (foto: S. Hidalgo/ IG-EPN).

Análisis textural de la ceniza: Los granos seleccionados se pueden analizar en un microscopio electrónico de barrido (SEM=Scanning Electron Microscope) o, para mayor precisión, pueden ser pegados con una resina especial sobre un soporte que permitirá su análisis en un instrumento llamado microsonda electrónica (EMP= Electron microprobe). Como no existe este tipo de instrumento en el Ecuador, el IG-EPN envía los granos seleccionados al Laboratorio Magmas y Volcanes en Clermont-Ferrand, Francia, donde nuestros colegas y colaboradores preparan las muestras en los soportes, las pulen y las cubren con una capa de carbono para que se pueda realizar el análisis puntual por bombardeo de electrones a la muestra. Este instrumento permite tomar imágenes de altísima resolución de los granos de ceniza analizados y comprobar su carácter juvenil (Figura 10).

Figura 10.- Imágenes con microscopio binocular (izquierda) e imágenes con microsonda electrónica (derecha) de granos de ceniza de la fracción 250-355 µm de diámetro. Se observa claramente las vesículas en los granos y el vidrio volcánico inalterado. La partícula gris es la más cristalina y masiva mientras que la partícula miel es la más vidriosa y vesiculada. Imágenes y análisis: Jean-Luc Devidal (LMV, Clermont Ferrand).

Análisis químicos de la ceniza: la microsonda electrónica permite además obtener la composición química del vidrio volcánico y de los minerales de la ceniza. Estos resultados se grafican en diferentes diagramas para clasificar al magma en función de su composición química, y para compararla con composiciones del mismo volcán u otros volcanes de similar comportamiento. Esto permite determinar la naturaleza del magma y aporta a la generación de los escenarios eruptivos (Figura 11).

Figura 11.-Ejemplo de diagrama CaO (óxido de calcio) vs. SiO₂ (sílice), en porcentaje en peso (wt. %). Se ha graficado los análisis de las cenizas del Cotopaxi del 2015 para comparación (Gaunt el al., 2016 e Hidalgo et al., 2018). Se observa que los granos del 2022 son más máficos (menor contenido de sílice) que los del 2015. Esto indica la participación de un magma juvenil más máfico como responsable de la actividad actual del Cotopaxi.

Condiciones pre-eruptivas del magma: Con las composiciones del vidrio de la matriz y de los minerales se puede aplicar geotermómetros y geobarómetros especializados (Putirka, 2008) que permiten calcular la temperatura y otros parámetros, a los cuales se encontraría el magma en el reservorio o cámara magmática. En este caso las temperaturas calculadas en base a estas composiciones están entre 850 y 1050 °C.

El IG-EPN seguirá recolectando la ceniza proveniente del Cotopaxi con el fin de entender de mejor manera el origen del magma responsable de la actividad volcánica actual y de generar escenarios eruptivos acordes con sus características.

Estos análisis de alta precisión son posibles gracias a la colaboración que el IG-EPN mantiene con el Instituto Francés de Investigación para el Desarrollo (IRD), el Laboratorio Magmas y Volcanes de Clermont-Ferrand y el Departamento de Geología de la EPN.

Referencias

• Gaunt, H. E., Bernard, B., Hidalgo, S., Proaño, A., Wright, H., Mothes, P., et al. (2016). Juvenile magma recognition and eruptive dynamics inferred from the analysis of ash time series: The 2015 reawakening of Cotopaxi volcano. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 328, 134–146. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2016.10.013
• Hidalgo, S., Battaglia, J., Arellano, S., Sierra, D., Bernard, B., Parra, R., et al. (2018). Evolution of the 2015 Cotopaxi eruption revealed by combined geo- chemical and seismic observations. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 19. https://doi.org/10.1029/ 2018GC007514
• Putirka, K. D. (2008). Thermometers and barometers for volcanic systems. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 69(1), 61–120. https://doi. org/10.2138/rmg.2008.69.3

P. Samaniego, J.L. Devidal, F. Schiavi
Centre national de la recherche scientifique
Institut de Recherche pour le Développement
Laboratoire Magmas et Volcans
Université Clermont – Auvergne
Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand

D. Narváez
Departamento de Geología
Escuela Politécnica Nacional

S. Hidalgo, B. Bernard, A. Vasconez, E. Telenchana, M. Almeida, M. Córdova, M. Encalada, F.J. Vásconez, D. Sierra.
Instituto Geofísico
Escuela Politécnica Nacional