Hidrogeología del karst

7/28/2019 Hidrogeologa del karst

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HIDROGEOLOGIA DEL KARSTNoviembre, 2012Ronald Mayta

Cajamarca, Peru


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1. Que es Karst y como identificarlo en el campo?.

2. Procesos de desarrollo del Karst.

3. Distribucin de Karst en Per y ubicaciones de minas con

respecto a Formaciones Carbonatadas.

4. Movimiento del agua subterrnea en acuferos crsticos

5. Mtodos de investigacin en rocas carbonatadas.

Resumen de la Presentacin


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Karst


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Que es Karst?

Un tipo de terreno, usualmente

formado en una roca carbonatada

donde el agua subterrnea tiene

aperturas para formar un sistema

de drenaje subsuperficial.

Cmo se forma?

Disolucin a lo largo de los planos

de fractura debido principalmente a

un acido carbnico acido producidode un dixido de carbono en laatmsfera, particularmente la capa

del suelo. Tpicamente transcurren

millones de aos para formar Karst

a larga escala.

Qu es el Karst? Cmo se forma?


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DISOLUCIN KRSTICA EN ROCAS CARBONTICAS

http://www.nationalatlas.gov/articles/geology/a_karst.html.
http://www.nationalatlas.gov/articles/geology/a_karst.htmlhttp://www.nationalatlas.gov/articles/geology/a_karst.html


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El desarrollo de karst en regiones

tropicales es mayor y tiene una

alta evapotranspiracin.

El Per est dentro de una zona

de clima temperado as que el

desarrollo de karst se considera

moderado.

La atmosfera incluye 380 ppm de

CO2 mientras que la actividad

biolgica en suelos puede causar

niveles CO2 que llegue a 50,000

ppm (5%).

Proceso de disolucin

Dixido de carbono en el suelo


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Composicin de Tetrahedron para rocas sedimentarias

Calizas puras: forman mejoressistemas de conductodesarrollado

Clizas arenosas: altas dearena de cuarzo no pareceninhibir el desarrollo del conducto.

Dolomitas: Los conductospueden ocurrir en dolomitaspero por lo general son menos

desarrolladas. Acuiferos defractura son comunes en lasdolomitas.

Shaley Limestones : rara vezforman conductos; generalmentese comportan como acuitardos.

Lime-CementedDolomite

CALCITE

DOLOMITE

QUARTZ

CLAY

sandstone

Shale and siltstone

Limey shale

Marl

Shaley limestones

Limestones

Sandylimestone


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FACTORES CONDICIONANTES

Factor Litolgico : Que existan rocas favorables.

Factor Estructural : Que la estructura geolgica sea la adecuada.

Factor Climtico : Que hayan existido precipitaciones o aportes hdricos.

Factor Temporal : Que el proceso se desarrollase durante el tiempo

suficiente.


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Factor Litolgico


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Epikarst Zone

Transmission Zon

Extremely well-drained !!

Rock with low

recharge

Rock with low

recharge

Factor Estructural


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Factor Climtico


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Factor Temporal


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Rocas sedimentarias cuyo contenido en

carbonatos es superior al 50 %, son

susceptibles de sufrir procesos de karstificacin.

KARST EN EL MUNDO

El 12 % de la superficie de la tierra.


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KARST EN PERU

Cerca del 13% de los Andes Peruanossubyacen en terrenos carbonatadossusceptibles a la Karstificacin.

Mas del 50% de las minas de metales

preciosos y metales base seencuentran en estos terrenoscarbonatados que se presentan comodepositos de tipo porphyry, skarn, veinand replacement-type deposits.

En Per, un Karst bien desarrollo sepuede encontrar en las siguientesformaciones geolgicas: (1) Jumasha,(2) Yumagual, (3) Aramachay (GrupoPucara), (4) Chambar (Grupo Pucara), (5) Arcurquina, (6) Santa, (7) Chontay (8) Socosani.Carbonate terrain

Mining project


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PROYECTOS EN ROCAS CARBONATADOS(algunos ejemplos)


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PROYECTOS EN ROCAS CARBONATADOS(algunos ejemplos)


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ANIFESTACIONES EXOKARSTICASFormas de Absorcin

Formas Cerradas:

Lapiaz

Dolina

Uvala

Poljes

Valles Ciegos

FormasAbiertas:

Simas

Ponors (Sumideros)

Cuevas

Surgencias

Exurgencias

MANIFESTACIONES ENDOKARSTICA Estalactitas

Estalacmitas

Cascada

Lago

Pozo

Galera


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Karren = Lapiaz= Lenar

Formas CerradasCampo de Karren


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Grietas

Puntos dedisolucinPavimentos Karsticos


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Dolina


21/75

vala


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Polje

Spring

Swallow hole

Dam at karst spring

Polje

Polje


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Chimeneas KarsticasSimas

Formas Abiertas


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Caverna

Cuevas ~ Grutas ~ Cavernas


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Surgencias

Ej l


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1. Karst (simas)2. Disolucin a los Largo de las las

fracturas y fallas .

3. Cavernas

1 1 1 2

3

3

Ejemplos


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Sinkholes (dolina) - Florida


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Formacion de Sinkholes


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Sinkholes (dolina) Guatemala


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Movimiento del agua subterrneaen acuferos crsticos1. Recarga alogenica

concentrada de arroyo.2. Recarga alogenica difusa a

traves de roca superficial

permeable.3. Recarga autognicaconcentrada dedepresiones cerradas.

4. Recarga autognica difusa5. Flujos integrados

6. Arroyo de percolacin.

12

34

Roca superficial

56


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El Epikarst es la capa superior de la roca

carbonatada con una concetracin alta de

Karstificacion tambien conocido como Zona

subcutnea.

Usualmente tiene una cobertura de suelo escasa

o limitada por eso incrementa el potencial deinfiltracion y la vulnerabilidad del acuifeor a

contamiancion.

Permite una infiltracion rapida y un

almacenamiento de corto plazo de una gran

cantidad de recarga.

Tipicamente seco durante temporadas secas

extremadamente importante durante la zona de

lluvias para transportar aguas de lluvia.

Bajo la capa de epikarst, los ragos de solucion

son menos frecuentes.

La capa de Epikarst en Peru es de 1 a 10m de

espesor.


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Filtracin difusa de los drenajes del

epikarst a zonas mas profundas

Transporte rpido de agua

profunda, drenaje de

epikarst

Movimiento de agua subterrnea en Karst


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Movimiento de agua subterrnea en Karst

Extrema Complejidad

Que es lo que causa la complejidad?El Karst es heterogneo y anisotrpico

La ubicacin de las grietas del Karst y conductos estn

generalmente bajo superficie

Fuerte interaccin entre los sistemas de agua superficial y aguasubterrnea; produce oscilaciones altas y rpidas del agua

subterrnea

Un transporte de agua subterrnea turbulento, muy rpido

comparado a otros tipos de acufero

Las reas de captacin del agua subterrnea a manantiales

crsticos pueden ser muy diferentes a las captaciones del agua

superficial.


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Movimiento de las aguas subterrneas

MAIN

SPRING

Direccin del

agua

subterrnea

Boyle County

Kentucky, USA

Ro


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INVESTIGACIONES

KARSTICAS

HIDROGEOLOGICAS


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Paso 1: Revisin de mapas geolgicos e imgenes satelitales y visita de reconocimiento

Paso 2: Monitoreo de agua superficial y manantiales.

Paso 3: Mapeo geolgico y de estructuras krsticas.

Paso 4: Espeleologa.

Paso 5:Elaborar un modelo conceptual preliminar de acuferos krsticos.

Paso 6: Geofsica.

Paso 7: Perforacin de pozos, ensayos de permeabilidad y

instalacin de piezmetros.

Paso 8: Pruebas de trazadores. Concepto final

INVESTIGACIONES KARSTICAS


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Paso 1: Revisin de mapas geolgicos eimgenes satelitales y visita de reconocimiento

R i i d C


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Reconocimiento de Campo


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Orthophoto para identificar estructuras karsticas

EJEMPLO: Google Earth Karstificacin relacionada


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g con la geologia


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Paso 2: Monitoreo de agua superficial ymanantiales.

Ti d M ti l 1 D j Lib


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Tipo de Manantiales: 1. Drenaje Libre

Hanging typically occurring along a bedding plane feature above the water table

Contact where the spring occurs at the contact of a less impermeable unit

Ti d M ti l 2 (R i )D d


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Tipo de Manantial : 2. (Reservorio)Dammed

Dammed Cuando una

unidad ya sea

impermeable, valle aluvial omasa de agua superficial

acta como una barrera o

represa subsuperficial

forzando el agua hasta la

superficie.


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Tipo de Manantial: 3. Confinado

Confined : el agua fluye a lo largo de un lecho permeable confinado por unidades

inpermeables y sube a la superficie debido fuerzas hidrulicas del lado descendente

en comparacin con el lado de recarga.


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Paso 3: Mapeo geolgico y de estructuras krsticas.


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R K ti F C d


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(b)(a)

(c) (d)

a) Lenar

(karren).

b) Cavidades de

disolucin(disolution

pits).

c) Grietas y

fracturas (Klint

y Grikes).d) Disolucin a lo

largo de

fracturas.

Rasgos Krsticos: Formas Cerradas

R K ti F Abi t


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a) caverna

b) Sumidero

c) Dolina

d) Manantial

Rasgos Krsticos: Formas Abiertas

Los ejes de karst responsable del drenaje profundo del


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j p j pacufero krstico


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1. Karst (simas)

2. Disolucin a los Largo de las

fracturas y fallas .

3. Cavernas

1 1 1 2

3

3


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Paso 4: Espeleologa.

Sima Pumacocha


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Sistema de caverna carbonatada mas

profundo de Sudamrica

Ubicado cerca a la mina Yauricocha, Per

Sima (chimenea)tiene una profundidad de

82m y est conectada con sistemas de

caverna no saturados extendiendose a un

total de 638m Columnas de agua acida (Laguna

Pumacocha)

Sump (638m)

Entrance (0m)

Sima Pumacocha

DistritoYauyos , Peru


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9.1m Fault direction


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11.2m

~15m

6m

~25m


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Paso 5: Elaborar un modelo conceptualpreliminar de acuferos krsticos.

Ejemplo: vertedero de residuos en formaciones krsticas


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Celendin

(non-karstic)

Pariahuanca

Formation

MINE

WASTE

DUMP

Middle and Lower

Jumasha (karstic)

conduitsShafts &

Sinkholes

Potential

conduits

along fault

SW NE

Upper

Jumasha

(non to semi-

karstic)

HC-1

relativeelevation of

Ayash spring

(M-5)

4200

4300

4100

4500

4400

4000

3900

3800

3700

HC-3HC-2

Fractured

Limestone Aquifer

filled conduits

Epikarst Layer

Evans and Letient, 2005




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Final tailings elevation

6 L/sec

7 L/secUnit 4

Unit 3

Unit 1

Unit 5

2 times vertical exaggeration

PlantPotential perched water

table

3600

3700

3800

3900

4000

3500

3400

3300

W E?

Unit 2

Karst shafts (unknown depths)

Shaley layers

?

? ?

?

EJEMPLO: Mina de cobre, Per


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Paso 6: Geofsica


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Sondeo de radar (GPR)


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Cavidades

potenciales en

planos paralelos al

perfile ()Courtesy of Geoline S.A.

Courtesy of Geoline S.A.

La mayora de los mtodos geofsicos superficiales puede

aplicarse con xito a detectar fracturas y cavidades.

Normalmente se necesita una combinacin de mtodos

para evaluar adecuadamente los terrenos crsticos.

Sondeo de radar (GPR)

EM and Gravity Surveys


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25400

Gravity(mGal)

PinnaclePinnacle

Depression

-95.90

-96.00

-96.10

-95.90

26400 26200 26000 25800 25600

Microgravity Data

PinnaclePinnacle

Depression

Conductivity(mS/m)

0

20

60

40

Dissolution Cavity

Zone

Residual Clay Soil (0-20

m thick)Weathered Limestone

Unweathered Limestone

Geology Perched water table

EM-31 Data

EM-31

EM and Gravity Surveys

Ejemplos de ssmica y resistividad


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Seismic Refraction 2D Resistivity Tomography

Ambos mtodos tuvieron resultados satisfactorios con un alto grado de precisin, pero debemos mencionar

resistividad tuvo mejores resultados en cavernas saturados.

Ejemplos de ssmica y resistividad

cave

cave

cave

cave

http://www.geofisicos.com
http://www.geofisicos.com/http://www.geofisicos.com/


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Paso 7: Perforacin de pozos, ensayos depermeabilidad y instalacin de piezmetros.

Investigaciones de campo: programas de perforacin


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Perforacin es el nico verdaderomedio de determinar:

Profundidad de la superficie freticay piezomtrica,

Profundidad del epikarst

Presencia de cavernas

Existe dificultad para determinar laprofundidad ultima del Karst perforando

debido al pequeo radio de vaco conrespecto a la roca y por su extremacomplejidad (es como encontrar unaaguja en un pajar)

Investigaciones de campo: programas de perforacin

Field Investigations


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Instalar tuberias de tipo vertical unicasda una superficie fretica falsa

Superficie fretica verdaderaSuperficie piezomtrica

Dual Flow Concept and drilling techniques

Piezmetros multi-level son esenciales para proveer gradientes verticales

Geophysics

Anomaly

Geophysics

Anomaly

EXAMPLE: Copper Mine, Hydraulic Containment Drillingpiezometric levels within plant site saddle


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piezometric levels within plant site saddle

3950

3900

3850

3800

3750

3700

4000

2418

56

Garrita Fault

Zone

1

Max.tailings limit 3800m

0 200m 400m

? ?

3760

Phreatic surface

??

Cerro Candelaria

Intense Faulting

27 14 15

3760

3777

3789

3762

3772

3814 perched

Dry

3766 3760

Dry

Dry

37613777

Dry

3760

Dry

3813

3822 3829 3830

High Recharge High RechargeLow RechargeA B

Tails


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Paso 8: Pruebas de trazadores.


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Mtodo de investigacin mas rentable

Determina: Extension probable de la zona de captura;

Las areas de descarga y recarga principales;

La ubicacin y conectividad de conductos

subsuperficiales (o ruta del flujo de agua

subterranea);

La respuesta del flujo subsuperficial/tiempo de

trnsito.

Tipo de trazadores utilizados:

Sodio fluorecente, eosina, rhodamina WT,

sulforhodamina B, amidorhodamina G, pyranina,

naptoniato de sodio y tinopal.

Sales y otro tipo de trazadores tambin se usan.

Esta prueba debe realizarse por personal capacitado

y experimentado

Trazador Colorante

Trazador Colorante - Inyeccin


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Trazador Colorante Inyeccin

Generalmente, para sistemas de karst la sustancia trazadora

es inyectada directamente en un sumidero o un arroyo quese cree esta conectado con el sistema de conductos

crsticos.

Los sumideros y arroyos de inyeccion estan directamente

conectados al sistema de tuberias subsuperficiales de un

acuifero crstico. Las perforaciones y pozos, en general, rara

vez estn conectados con el sistema de flujo subsuperficial. Antes de inyectar el trazador se debe introducir una cantidad

substancial de agua dentro del sumidero o pozo de

monitoreo (esto no es aplicable en caso de arroyo de

inyeccin). Este flujo de agua ayuda limpiar cualquier residuo

en las cavidades y a lubricar el sistema.

La mezcla trazador/agua es echada en el punto deinyeccin.

Una gran cantidad de agua adicional (ej:, 1000 LIT.) es

inyectada luego de inyectar el trazador para que el trazador

fluya. El agua adicional ayuda a prevenir que el trazador se

quede estancado en `poros y otras obstrucciones.

Trazador Colorante - Monitoreo


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Trazador Colorante Monitoreo

Field

fluorometer data

logger

Cmo se monitorea?

Fluorometros de campo con registrador automatico de

niveles de agua (muestreo contnuo proveyendo curvas y

analisis cuantitativos.

El muestreo de agua y subsecuente analisis de laboratorio

(muestreo discreto) proporciona un BTC menos detallado

pero mas confiable y mas apropiado para pruebas de

trazadores multiples.

Carbon activo (muestreo integrado): es una muestraeconomica y practica para monitorear multiples puntos de

descarga.

Estos mustreadores absorben y retienen los trazadores

con colorante utilizados en la investigacion, y por lo tanto

servir como muestreadores continuos.

Es mas apropiado para ubicaciones remotas y poco

accesibles donde el equipo no puede ser tan facilmente

movido.

Colectado generalmente en intervalos semanales o

mensuales o diariamente en sistemas muy rpidos

Cualitativo proporciona una respuesta positiva o

negativa si el trazador viaja a una ubicacion o no.

Permite medir 3 trazadores en forma

simultnea y turbidez

Colocando un

muestreador de

carbon en el

arroyo

Ejemplo: Trazador en una Mina de Cobre


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Fluorescein Breaththrough Curve for Spring SP7

0

10

20

30

40

5060

70

80

0 10 20 30 40 50

hours

ppb

Estimated

extension of

breakthrough

curve


75/75

Nada hay en el mundo ms blando y dbil que el agua.

Sin embargo, slo ella puede moldear la roca ms dura y

fuerte.

En eso es irremplazable.

Del Tao Te Ching

Lao Tse

Gracias

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