La karstificación y el flujo subterráneo

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Uno de los principales fines de la hidrogeología es proponer una adecuada reconstrucción, en tiempo y espacio, del campo de las aguas subterráneas.

El problema de estimar el flujo subterráneo de acuíferos fracturados y kársticos se aborda con la realización de un modelo conceptual que muestre la relación entre el flujo, parámetros hidráulicos (propiedades del acuífero y condiciones de borde), distribución de fallas y aspectos geológicos.

 

Relación  entre el flujo subterráneo, parámetros hidráulicos y factores geológicos

En hidrogeología no se estudia la karstificación por sí misma, sólo hay interés en ella mientras ejerza algún tipo de influencia en el agua subterránea. La representación de un sistema de aguas subterráneas, que sea consistente con los valores de conductividad hidráulica y las condiciones de borde dadas requiere casi siempre del uso de modelos numéricos, los cuales utilizan diferentes ecuaciones con este fin.

Se tiene actualmente una amplia variedad de ecuaciones que describen el movimiento de aguas subterráneas en diferentes dominios (ej. flujo saturado/ no saturado y la interacción entre el agua subterránea / superficial. Estas ecuaciones se pueden resolver adecuadamente por medio de los modelos numéricos si se conoce, en la región de interés, los parámetros hidráulicos (conductividad hidráulica, coeficiente de almacenamiento, porosidad efectiva, etc.), así como las condiciones iniciales y de borde (infiltración y cargas constantes).

Con el uso de los modelos numéricos aparece un aspecto importante a considerar. Ya que el flujo subterráneo depende sólo de los parámetros hidráulicos y de  las condiciones de borde, los factores geológicos, geomorfológicos y climáticos ejercerán su influencia en el movimiento del flujo subterráneo solamente a través de los parámetros hidráulicos y las condiciones de borde. 

Si pudiéramos medir, por ejemplo, el valor de los parámetros hidráulicos en toda la corteza terrestre, no nos deberíamos preocupar por fracturas, fallas, canales kársticos, litologías y otros factores geológicos. En este caso, se podría simular y predecir el comportamiento de los sistemas de flujo subterráneo sin la geología. Es decir, si se le da un significado hidrogeológico a los factores geológicos / geomorfológicos / climáticos,  y se examina su influencia en el campo de las aguas subterráneas, estos tendrían que ser “traducidos” (explícitamente, de ser posible) a condiciones de borde y propiedades del acuífero.

Es evidente que la geología influenciará la conductividad hidráulica y la porosidad a través de la distribución de fallas: aumento de la densidad, abertura y conectividad de las fallas aumentará la conductividad hidráulica y la porosidad. Si las fracturas muestran una orientación preferencial, la conductividad hidráulica se convertiría en anisotrópica, conduciendo el flujo preferentemente en una dirección más que en otra. En este punto, la sedimentación, diagénesis y deformaciones tectónicas son los principales procesos influenciando la distribución de las fallas en rocas sedimentarias.

 

El caso de las rocas carbonatadas

Las complicaciones aparecerían en las rocas carbonatadas, las cuales son solubles en agua. El agua subterránea en movimiento podría disolver la caliza alrededor de las fallas, aumentando su abertura y la conductividad hidráulica del acuífero.

La cantidad de caliza disuelta y el aumento del tamaño de las fracturas dependen de la composición química de la roca y la del agua, pero la karstificación relativa de las fracturas dependerá principalmente de la dirección y magnitud del vector densidad del flujo de agua subterránea:

q = − [K] grad h

Este se encuentra dado por la ley de Darcy, donde [K] es el tensor de conductividad hidráulica y h es la carga hidráulica.

 

Los procesos kársticos

Entonces, considerando que:

1.    q depende de la conductividad hidráulica y el gradiente hidráulico,

2.    La conductividad hidráulica depende del tamaño de poros y las fracturas,

3.    La abertura de los poros kársticos y fracturas se encuentra altamente influenciado por la dirección y magnitud de q,

Con esto es posible llegar a una característica importante del proceso de karstificación. Se observa que en los acuíferos kársticos, la conductividad hidráulica y la distribución de fallas resulta no solo de la historia geológica de las rocas, sino de la historia completa desde la evolución de los sistemas de agua subterránea: el actual estado del agua subterránea y la conductividad hidráulica es el resultado de autorregulaciones sucesivas, a corto y largo  plazo, entre los campos q, K y grad h con las condiciones de borde. 

Se debe enfatizar que la ubicación geográfica de las áreas de recarga y descarga representan condiciones de borde para el campo de flujo q, y que su evolución en el tiempo (paleo-geografía, geomorfología) podría influenciar karstificación y la conductividad hidráulica tanto como otros factores geológicos (facies, estructura, etc.)
 
Todas estas relaciones conceptuales entre los sistemas de flujo subterráneo, parámetros hidráulicos, distribución de fallas y factores geológicos se muestran a continuación.

 

 

El feedback del campo de flujo en la conductividad hidráulica produciría su efecto sólo luego de “cierto tiempo”, dando un importante rol a la “duración”, es decir, a la “historia” en el proceso de karstificación. Esto significa que entender la karstificación en un acuífero dado requiere el conocimiento de las condiciones “paleo-hidráulicas”.


Fuente:
Karstification and Groundwater Flow
L. Kiraly (2002)
Centre d'Hydrogéologie, University of Neuchâtel

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Posted on February 5, 2016 .