Etimología
por Neven Kresic (Agua en Karst, Mc Graw Hill, 2013, p. xiii)
» Karst es un término científico llamado así por el distrito geográfico entre Eslovenia y Trieste, Italia, que tiene un paisaje muy distinto. Es una palabra germanizada para «carso» (en italiano) y «kras» en (esloveno); las tres palabras se derivan de la palabra indoeuropea » kar » o «karra», que significa roca Some Algunas palabras comunes de las lenguas eslavas de la región kárstica se han convertido en términos científicos internacionales que describen características kársticas, principalmente gracias al geomorfólogo serbio Jovan Cvijić, que fue el primero en defender una tesis doctoral y publicar una monografía científica dedicada exclusivamente al kárstico (Cvijić, 1893).»(Figuras 1,2)
Paisaje
por Derek Ford & Paul Williams (Hidrogeología y Geomorfología Karst, Wiley, 2007, p. 1)
» Podemos definir el karst como un terreno que comprende hidrología distintiva y accidentes geográficos que surgen de una combinación de alta solubilidad rocosa y porosidad secundaria (fractura) bien desarrollada. Tales áreas se caracterizan por arroyos que se hunden, cuevas, depresiones cerradas, afloramientos rocosos estriados y grandes manantiales. La solubilidad considerable de la roca por sí sola es insuficiente para producir karst. La estructura de roca y la litología también son importantes: las rocas densas, masivas, puras y toscamente fracturadas desarrollan el mejor kárstico Experience La experiencia muestra que muchos hidrogeólogos asumen erróneamente que si los accidentes geográficos kársticos están ausentes o no son obvios en la superficie, entonces el sistema de aguas subterráneas no será kárstico. Esta suposición puede conducir a errores graves en la gestión de las aguas subterráneas y la evaluación del impacto ambiental, porque la circulación de las aguas subterráneas puede desarrollarse a pesar de que el karst de superficie no es aparente.»
Características
La lista de características kársticas resultantes de procesos de disolución y karstificación erosiva es larga e incluye una variedad de objetos micro y macro superficiales y subterráneos. Entre ellos se encuentran karrens o lapies, dolinas o sumideros, uvalas, poljes, valles ciegos y colgantes, arroyos que se hunden, cavernas (Figura 3), ponores o agujeros de golondrina (Figura 4), baches, cuevas (Figura 5).
Glosario para estos y muchos otros términos utilizados en karstología está disponible AQUÍ (mantenido por Alexander Klimchouk et al.)
Clasificación de acuíferos kársticos
por Zoran Stevanović (Caracterización e ingeniería de acuíferos Kársticos, Springer, 2015, p. 25-29, 49)
«Las rocas cársticas sedimentarias se pueden clasificar generalmente en los dos grupos principales:
- rocas carbonatadas
- rocas de evaporita
Las rocas carbonatadas se forman a partir de minerales de calcio y magnesio: calcita, dolomita, aragonita y magnesita, e incluyen los dos grupos principales:
- calizas (CaCO3), y
- dolomitas (CaCO3 x MgCO3)
con una amplia gama de variedades.
Al grupo de la evaporita pertenecen rocas y minerales que contienen SO4 o Cl aniones:
- anhidrita (CaSO4),
- yeso (CaSO4 x 2H2O)
- halita (NaCl), y
- sylvita (KCl).
La disolución de calcita (1) dolomita (2) y yeso (3) se expresa mediante las ecuaciones siguientes:
CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca2+ + 2HCO3 (1)
CaMg(CO3)2 + 2H2O + 2CO2 ↔ Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3 (2)
CaSO4 x 2H2O → Ca2+ + SO4 2- + 2H2O (3)
According to the dominant type of rocks of which karstic aquifer consists the following classification can be made:
- Carbonate karst aquifer,
- Dolomitic karst aquifer,
- Marble karst aquifer,
- Chalky karst aquifer,
- Anhydritic karst aquifer,
- Gypsum karst aquifer,
- Halitic karst aquifer.
Teniendo en cuenta las estructuras y las propiedades hidrodinámicas, hay:
- Acuífero kárstico no confinado (Figura 6),
- Acuífero kárstico confinado,
- Acuífero kárstico semi confinado.»
Características hidrogeológicas de acuíferos cársticos
por Nico Goldscheider (sitio web de KC, 2009-2013)
«Evolución: Los acuíferos cársticos se forman por agua corriente que contiene dióxido de carbono (CO2) que disuelve las rocas carbonatadas. Por lo tanto, existe una estrecha relación entre la evolución de los acuíferos, la formación de cuevas (espeleogénesis) y el flujo de aguas subterráneas.
Individualidad: Aunque hay muchas similitudes entre diferentes sistemas kársticos, cada sistema kárstico también es un caso especial y la generalización es difícil. La Figura 7 presenta un modelo simplista de un acuífero cárstico típico.
Heterogeneidad: Las propiedades de los acuíferos cársticos varían mucho en el espacio. Puede haber grandes cantidades de agua en una cueva, pero un pozo a pocos metros de distancia puede estar completamente seco.
Anisotropía: Las propiedades hidráulicas del acuífero dependen de la orientación de los elementos de tejido geológico; por ejemplo, la conductividad hidráulica es típicamente alta en la dirección de grandes fracturas y conductos, pero puede ser baja en otras direcciones.
Dualidad de recarga: El agua de recarga puede originarse en el área kárstica en sí (recarga autogénica) o en áreas adyacentes no cársticas (recarga alogénica).
Dualidad de infiltración: La infiltración se produce a través del suelo y la zona insaturada (infiltración difusa), y también puede concentrarse a través de agujeros de golondrina/sumideros (infiltración puntual).
Dualidad de porosidad y flujo: Hay dos o incluso tres tipos de porosidad en los acuíferos kársticos: poros intergranulares en la matriz de roca, discontinuidades comunes de roca como fracturas (fisuras) y planos de lecho, y vacíos aumentados por solución, como canales y conductos desarrollados a partir de las discontinuidades iniciales. Mientras que el flujo de agua subterránea en la matriz y las pequeñas fisuras es típicamente lento y laminar, el flujo en conductos cársticos (cuevas) es a menudo rápido y turbulento.
Variabilidad: La capa freática de los acuíferos kársticos a veces puede fluctuar entre 10 y 100 metros en períodos cortos de tiempo, y los manantiales kársticos suelen mostrar variaciones rápidas de descarga y calidad del agua.»
Karst within the context of regional flow systems
by Judit Mádl-Szőnyi (White, 1969; Mádl-Szőnyi and Tóth 2015, Palmer 1991, 1995, Klimchouk 2000, 2007; Goldscheider et al. 2010)
Karst de epígenos: es el producto del efecto corrosivo de la infiltración de aguas subterráneas en acuíferos carbonatados. Puede evolucionar en carbonatos poco profundos, básicamente no confinados, y está relacionado con los efectos de disolución del agua fría en los sistemas de flujo local. Estas son las áreas kársticas típicas con características características de superficie y subsuelo.
Karst profundo: Karst donde se extiende a profundidades considerables por debajo del nivel de la base.
Karst hipógeno: Generado por fuentes profundas de energía, fluidos y gases, incluida la solubilidad de calcita retrógrada, la corrosión de mezcla por diferentes fluidos inducidos por flujo formacional cruzado y la disolución por ácidos geogénicos. Puede evolucionar en áreas kársticas confinadas profundas asociadas con agua tibia y termal de sistemas de flujo regionales o intermedios sin ninguna característica superficial significativa.
Referencias recomendadas para lectura adicional:
Goldscheider N, Mádl-Szőnyi J, Erőss A, Schill E (2010) Thermal water resources in carbonate rock aquifers. Hidrogeol J 18 (6): 1303-1318
Klimchouk A (2007) Hypogene speleogenesis: hydrogeological and morphogenetic perspective. Papel especial no. 1, National Cave and Karst Research Institute, Carlsbad, NM
Mádl-Szőnyi J Tóth Á (2015) Modelo conceptual de flujo de agua subterránea a escala de cuenca para una región de carbonatos gruesos confinados y no confinados. Hidrogeol J 23 (7): 1359-1380
Métodos para estudiar los sistemas acuíferos cársticos
por Nico Goldscheider (sitio web de KC, 2009-2013)
«Debido a las características descritas anteriormente, los métodos hidrológicos e hidrogeológicos convencionales a menudo fallan cuando se aplican al kárstico; por lo tanto, se requieren sus adaptaciones y métodos específicos del kárstico.
Métodos geológicos: La litología, la estratigrafía, la fractura, el patrón de fallas y las estructuras plegables son cruciales para comprender el flujo de aguas subterráneas en los acuíferos cársticos.
Espeleología: Los conductos y canales subterráneos son cruciales para el flujo de agua subterránea en acuíferos cársticos. Las cuevas permiten ingresar al acuífero y observar y estudiar directamente una parte de la red de conductos.
Métodos hidrológicos: Debido a la alta variabilidad de los caudales de arroyos de hundimiento, arroyos cavernosos y manantiales kársticos, el monitoreo continuo de la cantidad y calidad del agua es crucial en los estudios hidrogeológicos kársticos.
Métodos hidráulicos: Los mapas potenciométricos y las pruebas hidráulicas en pozos y pozos se aplican ampliamente en hidrogeología, pero requieren adaptaciones específicas cuando se aplican al karst.
Técnicas isotópicas: Los isótopos estables y radiactivos pueden ayudar a identificar el origen del agua, determinar los tiempos de tránsito y caracterizar los procesos de mezcla.
Pruebas de rastreo: Las pruebas de trazador (Figura 8) son el método más potente para identificar conexiones punto a punto (típicamente entre orificios de golondrina/sumideros y resortes), para delinear las captaciones de resortes kársticos y para caracterizar el flujo y el transporte en las redes de conductos.
Métodos geofísicos: La geofísica puede ayudar a identificar lugares para la perforación de pozos, investigar cavidades subterráneas (posibles sumideros) y obtener otra información sobre la estructura del acuífero.
Modelización :Los modelos matemáticos pueden ayudar a comprender mejor la espeleogénesis, el flujo y el transporte en acuíferos cársticos. Sin embargo, hay ejemplos (por ejemplo, la Figura 9) en los que la aplicación de modelos convencionales de flujo de aguas subterráneas en entornos kársticos produjo resultados catastróficamente erróneos y dio lugar a la delimitación de zonas de protección de fuentes extremadamente inadecuadas, lo que llevó a brotes de enfermedades, todo porque se ignoró la naturaleza específica del kárstico.»
Utilización de aguas subterráneas cársticas
por Zoran Stevanović (Caracterización e ingeniería de acuíferos Cársticos, Springer, 2015, p. 111-112, 116-119, 299, 109-111)
Calidad del agua
» La disolución de las rocas y la duración del contacto directo agua – roca dan como resultado una calidad variable de las aguas subterráneas en los puntos de descarga. Los componentes minerales de las aguas cársticas dependen de la composición de las rocas a través de las cuales se filtra el agua: El tipo de agua de hidrocarbonato (HCO3) – calcio Ca) se crea a partir de la disolución del carbonato de calcio, que es un tipo dominante de agua en la piedra caliza, mientras que el tipo de agua subterránea de hidrocarbonato (HCO3) – magnesio (Mg) está presente en menor medida y está conectado regularmente a rocas dolomíticas.
Langmuir (Physical and chemical characteristics of carbonate water, 1984) enumeró los procesos que controlan e influyen en la calidad de las aguas subterráneas antes de que lleguen al manantial o a la cabecera del pozo. Estos procesos son los siguientes:
- La composición de la precipitación atmosférica infiltrada;
- Las pérdidas de evapotranspiración de la recarga de aguas subterráneas y aguas subterráneas poco profundas;
- La acidez y el grado de infrasaturación de la recarga de aguas subterráneas;
- La disponibilidad y solubilidad de carbonatos y rocas asociadas, incluidas la halita, el yeso y la anhidrita;
- Tasas de solución de las rocas y tiempo de contacto;
- Procesos hidrológicos tales como dilución por recarga de agua dulce y mezcla de aguas subterráneas diferentes;
- Procesos antropogénicos, incluida la contaminación de las aguas subterráneas por desechos y lixiviados de desechos sólidos.
Es casi una regla que el agua subterránea en estructuras cársticas abiertas está baja mineralizada, lo que es resultado del intercambio intensivo de agua y la filtración rápida. En las partes más profundas del acuífero, la filtración más lenta resulta en un aumento de la mineralización. Esta variación suele ser mínima, pero sin embargo indica una cierta diferenciación que puede ser importante en circunstancias específicas (por ejemplo, cuando se trata de contaminación).
Por lo tanto, en el caso del cárstico carbonatado, la calidad de las aguas cársticas naturales es excelente casi por definición: se confirma en muchos lugares del mundo que el agua que sale de áreas de captación despobladas en macizos montañosos es sanitaria y pura, mientras que solo excepcionalmente podría haber una pequeña cantidad de bacterias presentes. Pero si las fuentes de contaminación están presentes en la cuenca de captación de un acuífero cárstico no confinado, se producen graves peligros.
Aprovechar las aguas kársticas
Aprovechar las aguas subterráneas nunca es una tarea fácil, en gran parte porque estamos tratando con un «recurso invisible». Sin embargo, la situación es aún más complicada cuando se trata de un acuífero no homogéneo y anisotrópico como el kárstico: a menudo es necesario alcanzar, capturar y capturar aguas subterráneas que circulan a través de vacíos o bloques porosos aislados del resto de la masa rocosa.
Podemos distinguir los dos tipos principales de extracción de agua subterránea en karst:
- Aprovechar el flujo de agua subterránea cárstica en los puntos de descarga – manantiales (Figura 10).
- Aprovechar el flujo de agua subterránea cárstica dentro de la cuenca de captación del acuífero: estructuras artificiales como pozos, galerías u otras estructuras similares (figura 11).
Las aguas subterráneas se explotan no solo con fines de consumo, industriales, extracción de calor o riego, sino también para la deshidratación en el caso de pozos mineros, zonas urbanas o tierras cultivadas que deben protegerse de una capa freática elevada.
Uso para diferentes propósitos
Los manantiales cársticos se utilizan ampliamente como fuente de suministro de agua potable. Muchos países utilizan manantiales cársticos simplemente porque no hay otras alternativas, pero en muchos otros países la conciencia de su importancia y la buena calidad del agua que proporcionan es un factor principal para tal decisión. Los acuíferos cársticos tienen una proporción significativa del suministro de agua en las siguientes regiones: Europa sudoriental (Alpes y Cárpatos), la cuenca mediterránea, el Cercano Oriente y Oriente Medio, la Península Arábiga y el Cuerno de África, el sudeste de Asia, el Norte de África, la cuenca del Caribe y América Central, y la parte sur de los Estados Unidos.
El drenaje natural de acuíferos a través de manantiales puede cubrir la demanda de agua a gran escala: desde el suministro a varios millones de ciudades a nivel regional, hasta el nivel muy local en lo que respecta al suministro a una o varias casas. Aunque este último no es un gran problema en términos de cantidad de agua, para el gran consumidor se requiere un acuífero muy grande y una descarga de manantial. Hay una amplia gama de usos de las aguas cársticas. En las regiones áridas del Cercano Oriente y Oriente Medio, por ejemplo, es muy común aprovechar manantiales cársticos y construir canales de gravedad para regar tierras cultivables. El agua de manantial también se usa ampliamente para regar animales, y el agua dulce de buena calidad proporciona seguridad para la salud y el crecimiento de los animales.
El uso de aguas cársticas en la generación de energía hidroeléctrica mediante la utilización de un alto cabezal hidráulico se limita principalmente a los Alpes (Austria, Suiza), mientras que las propiedades térmicas de las aguas cársticas y los manantiales se utilizan en otros lugares. Por último, el número de manantiales cársticos utilizados en la industria embotelladora de agua del mundo, que genera unos ingresos anuales de alrededor de 13.000 millones de dólares, es muy grande y los acuíferos cársticos probablemente encabezan la lista de acuíferos donde se originan tales fuentes».
Referencias recomendadas para lectura adicional:
Bakalowicz M (2005) Aguas subterráneas cársticas: Un desafío para Nuevos Recursos. Hidrogeol J, 13: 148-160
Bonacci O (1987) Karst Hydrology with Special Reference to the Dinaric Karst. Springer-Verlag, Berlín, 184 págs.
Burger A, Dubertret L (eds) (1984) Hydrogeology of karstic terrains. Historias de casos. International Contributions to Hydrogeology, IAH, vol 1, Verlag Heinz Heise, Hannover, 264 págs.
Drew D, Hötzl H (1999) Hidrogeología Kárstica y Actividades Humanas. Impactos, Consecuencias e Implicaciones. Balkema, Rotterdam, 322 pp.
Ford D, Williams P (2007) Hidrogeología y Geomorfología Karst. Wiley, 576 pp.
Goldscheider N, Drew D (Eds.) (2007) Methods in Karst Hydrogeology. Taylor & Francis, Londres, 264 pp.
Käss W (1998) Tracing Technique in Geohydrology. Balkema, Rotterdam, 581 pp.
Kresic N, Stevanović Z (Eds.) (2010) Groundwater Hydrology of Springs. Ingeniería, Teoría, Gestión y Sostenibilidad. Elsevier Inc. BH, Amsterdam, 573 pp.
Kresic N (2013) Agua en Karst. Gestión, Vulnerabilidad y Restauración. McGraw Hill, Nueva York, 708 pp.
Milanović P (2004) Ingeniería de Recursos Hídricos en Karst. CRC Press, Boca Raton, FL, 312 págs.
Palmer AN, Palmer MV, Sasowsky ID (Eds.) (1999) Modelado Kárstico. Special Publication 5, Karst Water Institute, Charles Town, WV, 256 págs.
Parise, M. & Gunn, J. (eds) 2007. Natural and Anthropogenic Hazards in Karst Areas: Recognition, Analysis and Mitigation. Geol. Soc. London, sp. publ., 279 pp.
Stevanović Z (Ed.) (2015) Acuíferos Cársticos – Caracterización e ingeniería. Serie: Práctica Profesional en Ciencias de la Tierra, Pasante de Springer. Publ., 692 pp.
White WB (1988) Geomorphology and Hydrology of Karst Terrains. Oxford University Press, Nueva York, NY, 464 págs.