Aguas subterraneasAguas subterraneas

GEOL 4017: Cap. 7Prof. Lizzette Rodríguez

Ciclo hidrologicoCiclo hidrologico

Aguas subterranesAguas subterranes

• Precipitacion que no es interceptada y no se va en runoff, infiltra el subsuelo por espacios porosos entre granos minerales, grietas, cavidades o vesiculas

• Propiedades de material del subsuelo que controlan el volumen y movimiento de aguas subterraneas: porosidad y permeabilidad

PorosidadPorosidad• % de roca o suelo que consiste de

espacio vacio

• Naturaleza del espacio vacio varia de un tipo de material a otro:1. Espacios vacios entre granos minerales2. Fracturas3. Cavidades en solucion4. Vesiculas

100*)

(

totalvolumen

vacioespaciodevolumenporosidad

Porosidad en sedimentos no Porosidad en sedimentos no consolidadosconsolidados

• Depende de la distribucion de tamanos de granos y el empaquetamiento– Sedimento de grano fino (arcilla y limo)

contiene mas espacio poroso que material granular (arena y grava): ~80% vs. 12-45%

– Sedimentos bien sorteados > porosidad que los poco sorteados

– Porosidad reduce: si los espacios se llenan de material que cementa, si se compacta el sedimento por peso de material suprayacente

Porosidad de rocaPorosidad de roca

• Todas las rocas estan cortadas por fracturas: si estan interconectadas y son muchas, la roca puede contener un volumen alto de H2O– Calizas: alta porosidad - solucion por

H2O a lo largo de diaclasas y estratos, H2O remueve material soluble y expande conductos (formacion de cuevas)

– Vesiculas en rocas volcanicas

Porosidad de rocas Porosidad de rocas sedimentariassedimentarias

• Aguas subterraneas se encuentran en poros entre granos (primaria) y en fracturas (secundaria)

• Porosidad: 3-30% en rocas clasticas, 1-30% en calizas y dolomias

• Alta porosidad secundaria en calizas, dolomias, yeso y evaporitas (formadas por precipitacion quimica o acumulacion bioquimica de CaCO3, CaMg(CO3)2, CaSO4 y NaCl)

Porosidad de rocas Porosidad de rocas cristalinas plutonicas y cristalinas plutonicas y

rocas metamorficasrocas metamorficas

• Porosidad primaria baja: por cristales muy unidos (interlocking) en rocas plutonicas y metamorficas

• Porosidad secundaria por interseccion de fracturas (principalmente en zonas de fallas)

• Meteorizacion puede aumentar porosidad 30-60%

Porosidad de rocas Porosidad de rocas volcanicasvolcanicas

• > porosidad que plutonicas• Coladas de lava se enfrian rapidamente

en la superficie: gases que escapan producen vesiculas, ej. pumita - porosidad de hasta 87%

• Diaclasas columnares (formadas por encojimiento de la lava al enfriarse): alta porosidad y permeabilidad

• Depositos piroclasticos ocurren en depositos sueltos no consolidados: porosidades 15-50% (puede aumentar por meteorizacion a 60%)

PermeabilidadPermeabilidad

• Facilidad con la cual un material transmite un fluido: varia con viscosidad y P hidraulica del fluido, tamaño de poros y grado de interconeccion de poros

• Arcilla: alta porosidad (50-80%), baja permeabilidad

• Arenizca: porosidad mas baja (30-40%), pero mas permeable

• Velocidad de flujo de aguas subterraneas: 1 m/dia a 1 m/año (H2O en cuevas - v puede alcanzar la de corrientes superficiales)

Rendimiento especifico (specific Rendimiento especifico (specific yield)yield)

• Razon del VH2O que drenara bajo la influencia de la gravedad (de sedimento o roca saturado) al Vtotal de material

• Tension de superficie de moleculas de H2O las hace adherirse a superficies de granos

• Fg en una pelicula de H2O hara que parte se separe, a pesar de tension de superficie, y gotee

• H2O higroscopica: humedad adherida a granos minerales por tension de superficie

Retencion especificaRetencion especifica

• Razon del VH2O que una muestra puede retener (contra el drenaje gravitacional) al Vtotal de la roca; parte que es retenida a modo de pelicula sobre las superficies de las particulas y las rocas y en diminutas aperturas

• Porosidad = Sy + Sr, Sy = rend especifico, Sr = reten espec

• Maximo rendimiento especifico – en sedimentos de tamanos de arena mediano-grueso (0.5-1.0 mm)

Bajo ---

Permeabilidad de Permeabilidad de sedimentossedimentos

• Factores que cotrolan la relacion entre permeabilidad y tamano de granos:– Perm. aumenta con aumento en la mediana

del tamano de grano (aperturas grandes)– Perm. disminuye en material poco sorteado

(efecto mas marcado en material grueso que fino)

– Sedimentos con distribucion unimodal de tamanos de particulas tienen mas alta perm.

Permeabilidad de rocasPermeabilidad de rocas

• Permeabilidad primaria puede aumentar con estructuras sedimentarias

• Alta perm. en conglomerados, arenizcas y algunas calizas (secundaria)

• Baja perm. en lutitas (shales; pequenos poros)

• Rocas igneas, metamorficas y sedimentarias cristalinas tienen baja perm. primaria

Nivel freatico (Water table)Nivel freatico (Water table)

• H2O infiltrando el suelo se mueve verticalmente por gravedad a traves de espacios porosos

• Cuando se llenan termina la percolacion vertical y el material esta saturado, produciendo la zona de saturacion

• Nivel freatico: limite superior de zona de saturacion, no es horizontal (mas alto debajo de colinas), pendiente en direccion de valles donde el agua subterranea se descarga a corrientes

Cont. Nivel freaticoCont. Nivel freatico

• Cuando el H2O alcanza el nivel freatico se mueve lateralmente en la direccion de su pendiente

• Se “mapea” usando nivel del H2O observado en pozos y por movimiento de H2O (inyeccion de tintas, etc.).

• ~1 m bajo superficie en llanuras de inundacion en regiones humedas, cientos de metros bajo superficie en desiertos, en la superficie en areas pantanosas

Distribucion Distribucion de agua de agua

subterraneasubterranea

*Zona de aireacion: poros del suelo, el

sedimento y la roca no estan saturados de

H2O, sino llenos de aire

Mapa de nivel Mapa de nivel freatico, freatico,

usando el nivel usando el nivel de Hde H22O de los O de los

pozospozos

AcuiferosAcuiferos• Unidad geologica que puede almacenar

y transmitir H2O

• Ejemplos tipicos: arenas y gravas no consolidadas, arenizcas, calizas, coladas de lava y rocas cristalinas plutonicas y metamorficas que estan fracturadas

• Pueden ser: confinados o no confinados

• En PR, acuiferos son depositos aluviales de arena y grava, y calizas karsticas

Ley de DarcyLey de Darcy

• Ecuacion que expresa que el caudal (Q) de aguas subterraneas depende del gradiente hidraulico (I, pendiente del nivel freatico), la conductividad hidraulica (P, coeficiente que tiene en cuenta la permeabilidad del acuifero y la viscosidad del fluido) y el area de la seccion transversal de un acuifero (A)

Q = P· I· AI = altura/longitud, inclinacion depende de permeabilidad del material y rapidez en que el H2O se anade a zona de saturacion

Gradiente hidraulicoGradiente hidraulico

Acuiferos no confinadosAcuiferos no confinados

• Se extienden continuamente de la superficie terrestre hacia abajo a traves de material de alta permeabilidad

• Se recargan por: percolacion a traves de zona de aireacion, flujo lateral de aguas subterraneas, filtracion hacia arriba a traves de material subyacente

• Transmisividad – medida de cantidad de H2O que se puede transmitir horizontalmente por el grosor completo y saturado del acuifero, bajo un gradiente hidraulico de 1

T = t/Kt=grosor saturado, K=conductividad

hidraulica

Acuiferos confinadosAcuiferos confinados

• Material del subsuelo a veces contiene capas de confinamiento, de baja permeabilidad

• Aguas subterraneas se mueven lentamente a traves de las capas de baja permeabilidad

• Se dividen en:– Acuitardos (aquitards) – capa agujereada de baja

perm. que puede almacenar agua subterranea y transmitirla de un acuifero a otro

– Acuicludo (aquiclude) – baja perm., pero situado en posicion para formar el borde superior o inferior de un sistema de flujo de agua subterranea

– Aquifuge – cuerpo de roca o material no consolidado que es casi totalmente impermeable

Acuicludo encima del nivel freatico Acuicludo encima del nivel freatico principal – se produce zona de saturacion principal – se produce zona de saturacion

localizada:localizada:En la interseccion de un nivel freatico En la interseccion de un nivel freatico colgado y una ladera de valle, fluye un colgado y una ladera de valle, fluye un

manantialmanantial

Acuicludo

Cont. Acuiferos confinadosCont. Acuiferos confinados

• Agua artesiana – agua subterranea en confinamiento que esta bajo alta P hidrostatica

• Condiciones de area donde se forma: acuifero permeable entre capas impermeables (acuicludos), infiltracion superficial para recargar el acuifero, precipitacion e infiltracion adecuadas para llenar el acuifero

Cont. Acuiferos confinadosCont. Acuiferos confinados

• Acuifero artesiano: el H2O subira al tope del acuifero, donde interseca un pozo u otro conducto– Nivel al que el H2O subira en un pozo –

superficie potenciometrica o piezometrica (de P)

– Superficie potenciometrica esta inclinada desde el area de recarga, y si esta encima de la superficie, un pozo artesiano se desarrolla, en el cual H2O puede fluir del pozo sin bombear

Sistemas Sistemas artesianos artesianos

se producen se producen cuando un cuando un acuifero acuifero inclinado inclinado

esta esta confinado confinado

entre entre estratos estratos

impermeablimpermeableses

Sistema de abastecimiento de HSistema de abastecimiento de H22O en O en ciudades puede considerarse un sistema ciudades puede considerarse un sistema

artesiano artificial:artesiano artificial:(1) deposito de H(1) deposito de H22O - area de recargaO - area de recarga

(2) tuberias - acuifero confinado(2) tuberias - acuifero confinado(3) grifos de las casas - pozos artesianos(3) grifos de las casas - pozos artesianos

PozosPozos

• Descenso de nivel: se extrae H2O de un pozo y nivel freatico alrededor del pozo se reduce

• El descenso de nivel resulta en una depresion en el nivel freatico, llamada cono de depresion– Aumenta el gradiente hidraulico cerca del pozo

– Cuando se bombea el H2O con mucha intensidad, se crea un cono de depresion muy ancho y empinado, lo cual lleva a reducir el nivel freatico y secar los pozos profundos alrededor

Cono de depresion alrededor de pozo de Cono de depresion alrededor de pozo de bombeo: si el bombeo reduce nivel freatico, bombeo: si el bombeo reduce nivel freatico,

pueden secarse los pozos somerospueden secarse los pozos someros

Fuentes termales y geysersFuentes termales y geysers

• Regiones con gradiente geotermico alto (ej. actividad volcanica reciente): aguas subterraneas son calentadas a altas T, creando fuentes termales y geysers cuando el H2O sale a la superficie

• H2O bien caliente produce geysers – el H2O se convierte en vapor cerca de la superficie y sube (liberacion de presion)

• Condiciones: T alta de rocas cerca de superficie, aguas subterraneas tienen acceso a las rocas calientes mediante fracturas

Diagrama idealizado de un

geiser

Distribucion de fuentes termales y Distribucion de fuentes termales y geysers en EU – mayoria en el oestegeysers en EU – mayoria en el oeste

(actividad ignea mas reciente)(actividad ignea mas reciente)

Parque Parque YellowstoneYellowstone

Geysers del Tatio,Geysers del Tatio,Desierto de Atacama, Desierto de Atacama, ChileChile

Campo geotermico mas grande del hemisferio sur, y tercero en

el mundo (8% de los geysers del mundo), despues de

Yellowstone y Dolina Giezerov (Rusia)

Subsidencia del terreno por Subsidencia del terreno por remocion de fluidosremocion de fluidos

• Remocion de grandes cantidades ej. aguas subterraneas, petroleo - disminuye P de poro fluida entre granos– Permite contacto grano-grano y conduce a

compactacion de sedimentos y subsidencia de superficie

– Ejs. (1) Ciudad de Mexico: construida en sedimentos no consolidados, saturados, aluviales y lacustrinos; 1891-1959: subsidencia maxima de 7.5 m (25’)

– (2) Long Beach, CA: 9 m (27’) por 40 años de produccion petrolera

– (3) New Orleans: partes estan 4 m (13’) bajo nivel del mar por bombeo de aguas subt.; Rio Mississippi fluye 5 m (16’) sobre partes, causando que se tenga que bombear el H2O de lluvia

Valle de San Joaquin, CAValle de San Joaquin, CA

Carso (Karst)Carso (Karst)

• El agua subterranea tiene un efecto significativo en la topografia, por la disolucion de rocas solubles y la transportacion de material disuelto en solucion.

• El agua subterranea es un poco acida y reacciona quimicamente con rocas en el subsuelo, especialmente las solubles como los carbonatos (calizas y marmol), dolomias, yeso y evaporitas.

• De esta disolucion surge la topografia karstica.

Influencia del climaInfluencia del clima• Disolucion de caliza requiere agua abundante y

CO2 disuelto -- formacion de terrenos karsticos es afectada por el clima y sobre todo la distribucion de lluvia– Climas aridos: nivel freatico profundo y no hay casi

actividad de disolucion. A veces se encuentran rasgos formados en tiempos en que el clima era mas humedo.

– Regiones frias en latitudes altas: agua esta a menudo congelada, retardando la circulacion y actividad microbiologica -- topografia karstica es rara en regiones articas y antarticas

– Climas tropicales humedos: combinacion optima de T, precipitacion y cantidad de vegetacion para facilitar procesos de disolucion. Generacion de CO2 biogenico - aspecto principal de regiones tropicales para aumentar la disolucion.

Controles karsticosControles karsticos

• Litologia y estructura: – No todos los carbonatos poseen la

combinacion de propiedades quimicas y fisicas que llevan al desarrollo de topografia karstica

– Mayoria de regiones karsticas se desarrollan en calizas, sobretodo calizas mas puras

– Sustitucion de Mg por Ca en estructura mineral forma dolomita. Si mas del 50% de la roca es dolomita - dolomia. Formacion de top. karstica menor (menor permeabilidad)

– Yeso + sal de roca: muy solubles pero no bien distribuidas

Cont. Controles karsticosCont. Controles karsticos• Cont. Litologia y estructura:

– Porosidad y permeabilidad son muy importante: tipo y distribucion de aberturas secundarias (fracturas, planos de estratificacion) son de los factores mas importantes

– Diaclasas: rasgo estructural mas importante – sirven de conductos para circulacion de agua subterranea; tambien es importante el espacio entre conjuntos de diaclasas (no muy separadas que impidan circulacion, no muy juntas que hagan que la roca sea debil)

– Condiciones litologicas y estructurales optimas son:•Calizas gruesas, cristalinas, de calcita pura, sin

interrupcion de estratos insolubles•Conjuntos de diaclasas que intersequen para permitir

circulacion libre de aguas subterraneas con suficiente caudal para crear y aumentar aberturas de disolucion

Cont. Controles karsticosCont. Controles karsticos• Proceso de disolucion - Pasos:

1) Aguas subterraneas y de lluvia contienen CO2, que reacciona con el agua para formar acido carbonico (H2CO3). CO2 disuelto aumenta con aumento en presion parcial de CO2 del aire (P que tendra el gas disuelto o en una mezcla de gases si este ocupara el volumen solo) y disminucion de T del agua. Se encuentra gran cantidad de CO2 disuelto en el agua en el suelo. H2CO3 se disocia a su estado ionico (H+ + HCO3

-)2) Calcita (CaCO3) se disocia a su estado ionico (Ca++

+ CO3--)

3) H+ se combina con el ion carbonato (CO3--) para

formar otro ion bicarbonato (HCO3-)

• Proceso neto:CaCO3 + H2O + CO2 (disuelto) Ca++ + 2HCO3

-

Cont. Controles karsticosCont. Controles karsticos• Efecto del clima y vegetacion en la

disolucion

• Hidrologia de aguas subterraneas karsticas– 2 escuelas de pensamiento sobre la naturaleza

de los acuiferos karsticos:•Aguas subterraneas en zonas karsticas se

consideran similares a las encontradas en terrenos de no caliza, con movimiento hacia abajo a traves de la zona de aireacion a un nivel freatico debajo.

•Aguas subterraneas en zonas karsticas se cree estan confinadas a cavidades interconectadas sin un nivel freatico definido.

Terrenos karsticos (Karst landforms)Terrenos karsticos (Karst landforms)

• Sumideros o dolinas:– Depresiones cerradas, pequenas, someras,

circulares u ovaladas, ocurren en terrenos karsticos en decenas de miles.

– Tamano: 10-100 m en diametro y de 2-100 m en profundidad (pueden tener >1000 m en diametro y 100s m en profundidad)

– Formas principales:• Forma de envase (bowl-shaped), muy

someros relativo al diametro, pendientes 10o-12o

• Forma de cono (funnel-shaped), diametros 2-3 veces la profundidad, pendientes 30o-45o

• Forma cilindrica, profundidad mayor que diametro, pendientes empinadas a verticales. Menos comunes.

Cont. Sumideros o dolinasCont. Sumideros o dolinas

• Se forman de 2 maneras: 1)Sumideros de disolucion: se forman de manera

gradual a lo largo de muchos años sin alteracion fisica de la roca – caliza situada justo debajo del suelo se disuelve por el agua de lluvia, que esta recien cargada de CO2. •Con el tiempo la superficie rocosa se va reduciendo y las

fracturas (diaclasas y fisuras) por donde entra el agua van creciendo.

• Suelo se hunde en las aperturas ensanchadas: forma cono/envase

• Suelen ser superficiales y de pendientes suaves.• Formas mas comunes: circulares• Factores importantes: pendiente, litologia y fracturas,

suelo y vegetacion

Cont. Sumideros o dolinasCont. Sumideros o dolinas

2) Sumideros de colapso: se forman de manera abrupta y sin aviso cuando el techo de una caverna (disolucion bajo la superficie y crecimiento de cavidades) se desploma por peso• En areas donde la caliza tiene encima arcillas

residuales u otros sedimentos no consolidados• Suelen ser profundos y de laderas empinadas• Riesgo geologico grave• Colapsos sin aviso tambien sugieren que los

colapsos pueden suceder por un nivel freatico que baja. Ej. despues de periodos de mucha sequia, baja el nivel freatico permitiendo que la arena cerca de la superficie se colapse en cavidades de disolucion

Desarrollo de Desarrollo de paisajepaisaje

karstico:karstico: (A) agua (A) aguasubterranea percola asubterranea percola a

traves de caliza portraves de caliza porfracturas. Actividad defracturas. Actividad de

disolucion crea disolucion crea cavernas encavernas en

y debajo de nivel y debajo de nivel freatico.freatico.

(B) Dolinas bien (B) Dolinas biendesarrolladas y corrientesdesarrolladas y corrientes

superficiales sonsuperficiales soncanalizadas por debajo delcanalizadas por debajo del

terreno. (C) Cavernasterreno. (C) Cavernascrecen y aumenta crecen y aumenta

elelnumero y tamano de numero y tamano de

dolinas. Hundimiento de cavernas y union de dolinas forman dolinas. Hundimiento de cavernas y union de dolinas forman depresiones de suelo plano mas grandes. Finalmente la depresiones de suelo plano mas grandes. Finalmente la

actividad de disolucion puede remobilizar la mayor parte de actividad de disolucion puede remobilizar la mayor parte de la caliza de la zona, dejando solo restos aislados.la caliza de la zona, dejando solo restos aislados.

Sumidero de colapso, FloridaSumidero de colapso, Florida

Sumidero de colapso, FloridaSumidero de colapso, Florida

UvalasUvalas

• Sumideros compuestos formados por el agrandamiento y coalescencia de sumideros individuales, mas pequenos

• Someros y de forma irregular

• Tamano: algunos kilometros en area

• Profundidad: algunos metros – 200 m

Poljes o poliesPoljes o polies• Depresion cerrada grande con un piso plano

aluvial (fertil), rodeado de lados empinados• Tamano: 1-5 km de ancho, hasta 60 km de largo• Agua entra los poljes por manantiales, fluye a lo

largo de los pisos planos como corrientes superficiales, y luego desaparece en sumideros o cuevas

• Se pueden inundar por aumento de flujo en manantiales e incluso formar lagos

• Pueden tener origen karstico (procesos intensos de disolucion) o tectonico (fallas activas)

Polje en las Taurus Mtns., Polje en las Taurus Mtns., TurquiaTurquia

Sinkhole ponds y lagos Sinkhole ponds y lagos karsticoskarsticos

• Sumideros que han sido llenados con agua:– Drenaje central del sumidero ha sido tapado

con arcilla y limo, que ha llegado ahi por corrientes superficiales o ha quedado atras como residuo durantedisolucion

– El sumiderointerseca elnivel freatico, yel nivel del “pond”o del lago es eltope del nivelfreatico

sinkhole pond, FL

Lagos Lagos karsticoskarsticos

Lagos Lagos karsticos karsticos

en en sumideros, sumideros,

FloridaFlorida

Solution chimneys y vertical Solution chimneys y vertical shaftsshafts

• Solution chimneys: formadas por disolucion de paredes de caliza a lo largo de fisuras o planos de estratificacion, estructuralmente controlados

• Vertical shafts (pozos verticales): cilindros circulares con paredes verticales cortando a traves de estratos. Forma esta controlada por el movimiento de agua subterranea y es independiente de estructuras y estratos

Disolucion a lo largo de Disolucion a lo largo de fracturasfracturas

• Disolucion de carbonatos es incrementada a lo largo de planos de diaclasas a medida que el agua circula a traves de las fracturas, alterando quimicamente (“etching out”) las diaclasas.

• Cutters: cortes o ranuras planas (“notches”) de calizas formados por disolucion vertical a lo largo de planos de diaclasas. Tamano: cm-m ancho, 1 m-decenas de m profundo, decenas de m de largo

Cont. Disolucion - fracturasCont. Disolucion - fracturas• Cont. Cutters:

– Rasgos karsticos muy comunes, pero no tienen mucha expresion superficial porque disminuyen/adelgazan (“taper”) hacia abajo y estan mucha veces llenos de suelo.

– Luego de mucha disolucion, la caliza puede parecer queso suizo

– Gradualmente se convierten en rasgos mas grandes y profundos llamados (1) fisuras de disolucion (similar pero mas profundo y ancho), (2) corredores de disolucion (con anchos de decenas de metros), (3) cañones de disolucion (con anchos y profundidades de decenas a cientos de metros, y longitud de mas de 1 km)

Transicion entre drenaje fluvial y Transicion entre drenaje fluvial y karsticokarstico

• Interrupcion de drenaje superficial y desviacion al subsuelo a traves de cavidades de disolucion interconectadas.

• Corrientes/rios superficiales terminan abruptamente en sumideros (se llaman sinking creeks o disappearing streams), y emergen abruptamente de manantiales karsticos como corrientes de alto caudal (discharge).

• Punto en que un sinking stream desaparece al subsuelo: “swallow hole” o “swallet” (sumideros, pits (hoyos), shafts, fisuras de disolucion, entradas de cuevas, etc.)

• Drenaje en areas karsticas tiene componentes superficiales y en el subsuelo.

Swallow hole

Sinking stream:

usando tintas para rastrear

el agua subterranea

• Cuando el drenaje es totalmente karstico (raro, calizas gruesas son expuestas sobre drenajes extensivos) – holokarst

• Cuando hay rasgos karsticos y fluviales – fluviokarst

• Proceso: corrientes fluviales desaparecen en las calizas subyacentes, el drenaje subterraneo se hace dominante hasta que el drenaje fluvial desaparece por completo. Con el tiempo, la disolucion y erosion siguen consumiendo las calizas hasta que la topografia vuelve a ser de un sistema fluvial normal

Cont. Transicion drenaje fluvial y Cont. Transicion drenaje fluvial y karsticokarstico

Valles karsticosValles karsticos

• A medida que desaparece el drenaje superficial y se desarrolla un drenaje subterraneo en las calizas, se desarrollan valles karsticos.

• Retienen las caracteristicas fluviales (forma, gradiente, canal superficial) hasta que toda la corriente desaparece al subsuelo -- el valle se convierte en un valle seco o de disolucion (solution valley)

• Solo ocurren flujos superficiales cuando el caudal es muy alto

Cont. Valles karsticosCont. Valles karsticos• Los canales superficiales van cambiando por

disolucion, meteorizacion y procesos gravitacionales. Se desarrollan muchos sumideros.

• Sinking creeks (arroyos/quebradas) que descargan en sumideros por mucho tiempo erosionan los suelos de valles debajo del nivel original de los sumideros, dejando al valle terminar de forma abrupta contra las paredes empinadas del lado distal del sumidero – forma un valle ciego (blind valley)

• Cuando las corrientes que emergen de manantiales comienzan a cortar (incise) valles, producen lo opuesto a un valle ciego: pocket valley, que tienen headwalls empinadas.

CuevasCuevas• Cavidades elongadas en calizas,

producidas por disolucion y ayudadas por erosion mecanica del agua subterranea fluyendo

• Formacion de cuevas requiere red de aperturas a lo largo de las cuales el agua pueda fluir de areas de recarga a areas de descarga

• La mayoria alcanza tamaños grandes como para que humanos las exploren en ~105 años

Cont. CuevasCont. Cuevas

•Morfologia es controlada por:–Distribucion espacial de los carbonatos–Posicion de puntos de recarga y

descarga–Estructura geologica–Distribucion de flujo vadoso (de la

zona de aireacion) y freatico (zona de saturacion)

–Historia geomorfica del area

Cont. CuevasCont. Cuevas

• Componentes de un sistema de cuevas: – entradas: mas comunes se encuentran en

swallow holes, spring mouths, colapsos de sumideros. La mayoria de las cuevas no tienen entradas naturales y permanecen sin detectar.

– terminaciones: terminan por colapso del techo (causando que se llene de derrubios), o por disminucion de conductos a tamanos menores

– pasajes y cuartos: cuevas son sistemas complejos con multiples niveles, etc.

Entradas Entradas naturalesnaturales

Cavernas Rio CamuyCavernas Rio Camuy

Cont. CuevasCont. Cuevas• Pasajes: segmentos de cuevas que son mas

largos que anchos y altos.– pasajes de conducto sencillo: incluye pasajes

lineales, angulate (angulosos) y sinuosos– maze passages (laberinto): incluye network,

anastomosing y spongework mazes• Tipo de maze depende en la naturaleza de sistemas de

fractura en la caliza y en la recarga de aguas subterraneas

• Cuartos: conductos engrandecidos de varios tamanos, causados por interseccion de varios pasajes, coalescencia de cavidades por disolucion vigorosa localizada y por el colapso de varias cavidades

Ej. de pasajesEj. de pasajes

Patrones de cuevasPatrones de cuevas

• Dependen principalmente del tipo de recarga de aguas subterraneas

• Branchwork caves– Consisten de pasajes que se unen corriente

abajo como tributarios. Similar a patrones dendriticos.

– La recarga de aguas subterraneas es por sumideros.

– Tipo mas comun. – Ramas (branches) convergen en canales de

orden mas alto corriente abajo.

Branchwork caveBranchwork cave

Cont. Patrones de cuevasCont. Patrones de cuevas• Angular network caves

– Se desarrollan de sistemas angulares de fisuras que intersecan, formadas por el ensanchamiento por disolucion de rasgos principales en el carbonato

– Pasajes son relativamente derechos, altos y estrechos, con vueltas cerradas (closed loops)

• Anastomotic caves– Consisten de patrones curveados que

coalescen y se separan. Similar al patron de corriente ramificada, con muchas vueltas cerradas.

– Se forman paralelas a planos de estratificacion o fracturas de angulos bajos

Angular network caveAngular network cave

Cont. Patrones de cuevasCont. Patrones de cuevas

• Spongework caves– Consisten de cavidades de disolucion

tridimensionales y unidas, de diversos tamanos, en un patron parecido a una esponja

• Ramiform caves– Consisten de pasajes, cuartos y galerias

irregulares y tridimensionales, con forma de “splotches” (manchas) desnivelados en plano

– Ramas interconectadas se esparcen hacia afuera desde las cavidades de solucion principales

PatronePatrones de s de

cuevascuevas

Ventanas karsticas (karst Ventanas karsticas (karst windows)windows)

• Colapso (caving in) de porciones del techo de corrientes subterraneas crea ventanas karsticas a traves de las cuales se puede ver parte de la corriente subterranea desde la superficie

• Puentes naturales (natural bridges)– Porciones remanentes del techo de cuevas,

luego de que la mayor parte del techo ha colapsado

Puente Puente natural en natural en SloveniaSlovenia

Origen de sistemas de cueva Origen de sistemas de cueva karsticoskarsticos

• Teorias principales de evolucion de cuevas se centran en la relacion del agua subterranea que circula y el nivel freatico

1) Cuevas se forman sobre el nivel frearico por disolucion del agua vadosa (de zona de aireacion)

2) Cuevas se forman debajo del nivel freatico por circulacion profunda de agua freatica

3) Cuevas se forman en el nivel freatico o en la zona freatica somera, a veces asociado con fluctuaciones del nivel freatico (por temporadas)

• Desarrollo de cuevas sucede en las zonas vadosas y freaticas al mismo tiempo.

Depositos de cuevasDepositos de cuevas

• CaCO3 disuelto por aguas subterraneas se puede precipitar en cuevas como travertino o dripstone

• A medida que el agua entra la cueva por el techo y gotea al piso, parte del agua se evapora, aumentando la concentracion de CaCO3 y cambiando la P parcial del CO2

• Ocurre sobresaturacion de CaCO3 y una porcion se precipita

Goterones – Goterones – formacion de formacion de estalactitasestalactitas

Cont. Depositos de cuevasCont. Depositos de cuevas

• Goterones crean estalactitas, colgando del techo

• Gotas que caen en el piso de la cueva precipitan CaCO3 adicional, formando estalagmitas

• Estalactitas y estalagmitas eventualmente se unen y crecen juntos para formar columnas

• Estanques (pools) de agua en el piso se evaporan, depositando CaCO3 como terrazas de travertino

Columnas, estalactitas y estalagmitasColumnas, estalactitas y estalagmitas

Carso tropicalCarso tropical• Topografia dominada por colinas residuales (no

sumideros) en forma de cono, con lados empinados a verticales y separadas por cockpits: cone karst y tower karst (cientos de metros sobre el terreno alrededor)

• Cockpit karst: topografia dominada por cockpits – sumideros grandes en forma de envase de hasta 1 km de diametro que ocurren en calizas gruesas.– Tan grandes que sistemas de canales secundarios se

desarrollan en las paredes, dandole forma de estrella, contrario a la forma circular o eliptica de la mayoria de los sumideros

• PR, Cuba, Rep. Dom.: cone karst y tower karst se caracteriza por colinas bajas y anchas (stubby) - mogotes

Tower karst, China

Tower karst, VietnamTower karst, Vietnam

Cockpit karst en Puerto Rico

CockpiCockpit t

karst, karst, JamaicJamaic

aa