PROCESOS KARSTICOS

5/11/2018 PROCESOS KARSTICOS - slidepdf.com

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GEOLOGIA

PROCESOS KARSTICOS

DESCRIPCIÓN

El karst es un tipo de paisaje que se encuentra en rocas carbonatadas (caliza, dolomita,

mármol) o evaporíticas (yeso, anhidrita, sal de roca o halita) y que se caracteriza por una

amplia gama de depresiones superficiales cerradas, un bien desarrollado sistema

subterráneo de drenaje y escasez de corrientes superficiales. Las muy variadas

interacciones entre procesos químicos, físicos y biológicos tienen un amplio abanico de

efectos geológicos, que incluyen la disolución, precipitación, sedimentación y subsidencia

del terreno. Los rasgos característicos tales como dolinas, sumideros, cavernas y grandesmanantiales son el resultado de la acción disolvente de la circulación de aguas

subterráneas las cuales podrían salir por corrientes efluentes encauzadas. La mayoría de

esta agua subterránea escurre con flujo laminar por estrechas fisuras, las cuales pueden

ensancharse por encima, en o por debajo del nivel freático, para formar cavernas

subsuperficiales, en las cuales el flujo deviene turbulento. Las cavernas contienen una

gran variedad de formas de disolución, sedimentos y espeleoformas (depósitos de forma y

mineralogía variadas, principalmente calcita); todas las cuales pueden preservar un

registro de la historia geológica y climática del área. Los depósitos y paisajes kársticos

pueden persistir por períodos de tiempo extraordinariamente largos en cavernas relicto y

paleokarst.

El karst puede ser sumidero o fuente de CO2, puesto que el proceso kárstico es parte del

ciclo global del carbono en el cual el carbono es intercambiado entre la atmósfera, el agua

superficial y subterránea y los minerales carbonatados. La disolución de carbonatos, que

se puede incrementar por la presencia de ácidos en el agua, descompone el carbono

derivado de la roca y del CO2 disuelto como HCO3- acuoso. La precipitación de minerales

carbonatados disueltos es acompañada –y usualmente desencadenada– por la liberación

de parte del carbono como CO2. En muchos sitios kársticos, la emisión de CO2 está

asociada con la precipitación de toba calcárea (tufas, travertino) a la salida de

manantiales fríos o calientes.

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GEOLOGIA

Aunque son más abundantes en las regiones húmedas, el karst también se puede

encontrar en terrenos áridos, donde el H2S contenido en las aguas subterráneas

provenientes de zonas reductoras profundas se oxida para producir ácido sulfúrico, el cual

puede formar amplias cavernas, tales como las Carlsbad Caverns de Nuevo México.

También ocurren procesos similares en regiones húmedas, pero tienden a ser

enmascarados por la reacción del CO2. Los sulfatos y la sal de roca rara vez están

expuestos en climas húmedos. Ellos son susceptibles a una rápida disolución durante las

lluvias periódicas cuando se encuentran en la superficie de terrenos más secos.

SIGNIFICADO

EI término carst es la castellanización del vocablo alemán karst (de uso generalizado

internacionalmente), trasliteración a su vez del topónimo Kras, que designa una región

esloveno-croata. En principio lo aplicaron únicamente a fisonomías desarrolladas en

materiales carbonáticos (calizas y dolomías), para extenderlo posteriormente a formas

similares, pero sobre otras litologías: sulfatos (yeso, anhidrita y epsomita); haluros (halita,

silvina y carnalita); rocas sedimentarias detríticas con cemento carbonático o sulfatado,

caso de areniscas y conglomerados calcáreos; y rocas metamórficas carbonatadas,

fundamentalmente mármoles; entre otros.

Algunos procesos específicos, entre los que destacan la meteorización por hidrólisis,

vulcanismo, periglaciarismo y glaciarismo, pueden hacer que materiales muy diferentes alos anteriores originen fisonomías similares a las características de un paisaje kárstico.

Corresponde a una convergencia de formas, y según cada caso suelen aludirse como:

pseudokarst en rocas volcánicas (conductos lávicos), plutónicas (determinadas formas

menores) o silíceas (cuarcitas karstificadas); g!aciokarst, cuando se producen en hielo

glaciar; y termokarst o criokarst, en zonas de permafrost.




GEOLOGIA

Respecto a los últimos términos citados, debe precisarse que muchos autores utilizan

«glaciokarst» para referir un karst (s.s.) desarrollado sobre rocas solubles del lecho

subglaciar y que, por tanto, presenta morfología mixta; ejemplo son los jous en Picos de

Europa, depresiones mixtas por sobreexcavacián glaciar y disolución con participación de

aguas fluvioglaciares. En estos casos, el sistema de conductos sobre el hielo lo aluden

como “crio o termokarst”.

El conjunto de procesos que desarrollan modelados kársticos propiamente dichos, recibe

el nombre de karstificación; es una meteorización mezcla de acciones químicas

(disolución, hidratación, sustitución iónica y óxido-reducción) y físicas (transferencia de

masa y difusión).

En sales (yeso, halita o anhidrita), el proceso es una simple disolución en medio acuoso, y

tan sólo depende de la concentración (actividad) iónica en el agua y su variación con la

temperatura.

Las rocas carbonatadas (calizas, dolomías y mármoles) tienen muy baja solubilidad

intrínseca, por lo cual su karstificación encierra reacciones químicas y fenómenos físicos

complejos en las interfases atmósfera-suelo-agua-roca.




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De manera simplificada, el proceso tiene lugar en cuatro fases.

1) Disolución escasa en agua pura (bajos contenidos de anión bicarbonato), disociándose

en anión carbonato y catión metálico. La tasa de disolución es alta pero muy limitada en el

tiempo, generando formas superficiales con desarrollo rápido.

2) Formación de ácido carbónico disociado (anión bicarbonato + protón) en bajas

proporciones, a partir de la oxidación del anión carbonato (pH < 8,5). La tasa de disolución

es alta-media, dando lugar a formas mas incisivas también superficiales.

3) Intervención del dióxido de carbono atmosférico o edáfico, que está físicamente

disuelto en el agua. Una pequeña proporción será hidratada y químicamente disuelta

dando ácido carbónico disociado, y retroalimentando el proceso al formarse más ácido

carbónico a partir de aniones carbonato procedentes de la roca; la disponibilidad del

mismo (fuerte y agresivo) hace que esta fase. aun con tasas de disolución medias, sea la

más importante en la karstificación superficial.

4) Fase con total interacción atmósfera-agua-roca. E1 desequilibrio entre el contenido en

dióxido de carbono del aire y el agua, llega a suplirse disolviendo físicamente grandes

cantidades de aquél (en función de su disponibilidad y la temperatura del agua). Así

aparecen numerosas reacciones reversibles hasta llegar a un cierto equilibrio que puede

ser alterado según: el flujo del agua. superficie de roca expuesta, variaciones del nivel

freático. temperatura, etc. Las tasas de disolución disminuyen progresivamente, aunque la

duración de esta etapa llega a generar karstificaciones importantes.

El conjunto de reacciones puede simplificarse para los carbonatos de las calizas y

dolomías, respectivamente, del modo que sigue:

CaCO3 + CO2 + H2O

2 (HCO3)

-

+ Ca

2+

CaMg(CO3)2 + 2 CO2 + 2 H2O 4 (HCO3)- + Ca2- + Mg2-

Reacciones similares son las descritas para compuestos orgánicos (ácidos húmicos) que

intervienen en la disolución de los carbonatos; esta vez favorecida por aumentos en la

temperatura:---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------FACULTAD DE INGENIERIA CIVILIV CICLO - NOCHE



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CaCO3 + 2R-COOH Ca(R-COOH)2 + H2O + CO2

Estas reacciones físico-químicas son tanto más efectivas cuanto mayor sea la agresividad

y movilidad del agua: la primera depende del grado de disociación iónica, directamente

relacionado con su disponibilidad en dióxido de carbono; la segunda está controlada por

la red de circulación o flujo.

El progreso de la disolución hacia zonas subsuperficiales y profundas tiene lugar

mediante percolación de aguas agresivas a través de discontinuidades, es decir,

diaclasas, fracturas y planos de estratificación: al penetrar dichas aguas en el subsuelo,

se alejan del ambiente atmosférico y edáfico que les proporciona CO2, a la vez que se

cargan de carbonato; así pierden agresividad y aumenta la fase saturada con bajacapacidad de disolución. Por ello, aún se discute cómo puede producirse la ampliación de

esas discontinuidades llegando a formar conductos para la libre circulación hídrica

subterránea.

Al proceso anterior sólo parece oponerse otro que, en principio, sería el responsable de la

karstificación en zonas profundas; es la disolución por mezcla (mischungekorrosion): dos

aguas saturadas generan al mezcíarse una fase no saturada, transformándose así en

aguas agresivas con capacidad para ampliar los conductos subterráneos (Bögli, 1964, ref.

1980).

Debido al carácter reversible, a las reacciones de disolución pueden sucederle las de

precipitación: evaporación de agua (sobre todo en zonas tropicales), disminución del

contenido en CO2(importante en zonas templadas por descompresión o acción biótica), y

acción de bacterias (sólo a escala local, como modificadora del pH), son los fenómenos

más comunes que generan esa precipitación.

Aunque aparezcan términos intermedios, las formas desarrolladas por estos procesos se

dividen según su condición subaérea o subterránea (endo- y exokársticas) y, dentro de

ellas, de precipitación o acumulación y erosión o denudación (constructivas y

destructivas); a veces suele aludirse también a formas mayores y menores, en base a su

tamaño.




GEOLOGIA

Realizada la conexión "libre" o "semilibre" entre aguas superficiales y subterráneas, puede

decirse que ha tenido lugar el desarrollo completo de un paisaje kárstico; luego

evolucionará hacia su degradación en diferentes fases o quedará estancado en cualquiera

de ellas, dependiendo de las condiciones ambientales y los controles físicos, como son:

tipo de materiales, estructura geológica, oscilaciones en el nivel de base local o regional y

cambios climáticos (básicamente precipitación y temperatura).

En la evolución del karst tiene gran importancia el contexto hidrológico e hidrogeológico

regional, ya que la red hidrográfica profundiza cn el macizo karstificado degradando

algunas morfologías, ampliando otras, conectando formas externas e internas (exo y

endokársticas), y variando el nivel freático; este último fenómeno, puede dejar “colgados”

o “fósiles”, en realidad inactivos o poco activos, conductos originados por fases anteriores.

Para formas subterráneas, el funcionamiento hidrológico permite establecer cuatro

zonas: vadosa o de aireación, en la cual los conductos generalmente están rellenos de

aire, salvo en momentos con alimentación directa a partir de lluvias o similar;

de fluctuación o epifreática presentando un funcionamiento mixto, pues en ocasiones

está saturada de agua y en otras actúa como zona vadosa;freática, con cavidades

rellenas por agua permanentemente y karstificación activa; y freática profunda, en

realidad una subzona de la anterior, tipificada por codos o loops.

Hidrológicamente el karst se caracteriza por la existencia de bajas escorrentías

superficiales y altas infiltraciones, que circulan subterráneamente en una red jerarqúizada.

Los conductos con mayor gradiente hidráulico (más grandes) tendrán más capacidad de

caudales, y por tanto alto poder de karstifieación creando una red selectiva. El resultado

final es un acuífero anisótropo direccional y de alta transmisividad, es decir, con

circulación rápida y según líneas preferentes.

El control que ejercen sobre la karstificación tanto la disponibilidad de agua como el

régimen térmico, hace del ambiente climático un factor básico para el proceso; por ello se

definen tres tipos de karst a nivel zonal o regional; éstos son:

- Karst tropical. Denominación generalmente asociada a regiones húmedo-cálidas y no a

las tropicales secas. Hay abundante actividad biológica en el subsuelo, lo que provoca




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alta acidificación subcutánea; también gran provisión de agua en superficie, originando

disoluciones diferenciales (torretas y pinacles).

- Karst frío. Sus aguas presentan notable agresividad por las altas tasas de disolución del

CO2 a bajas temperaturas. Corresponde a regiones en las cuales los procesos kársticos

están asociados a glaciares y nivales: normalmente altas latitudes y altitudes. En estas

condiciones resulta difícil la saturación, y por tanto son raras las formas de precipitación o

constructivas.




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- Karst templado. Mixto entre los anteriores, con niveles de saturación variables y

agresividades intermedias, que condicionan una gran abundancia de formas: tanto

endokársticas como exokársticas y de disolución o precipitación; incluso asociadas a

formaciones residuales (decalcificaciones y similares) y aportes alóctonos

fundamentalmente aluviales.

En “zonas áridas”, cálidas o frías, la karstificación queda ralentizada por falta de agua;

mientras, en climas algo más húmedos como los semiáridos pero de fuerte evaporación,

son frecuentes precipitaciones de carbonatos al saturarse las aguas, dando lugar a

calcretas y cementaciones (duricalcretas).

La karstificación suele iniciarse sobre macizos rocosos que llegan a aflorar en el terreno,pues necesita mantener un flujo de agua conectado a la red superficial. Sin embargo,

también se produce en algunas formaciones yacentes bajo otras no karstificables, pero

con suficiente permeabilidad como para no dejarlas aisladas respecto a esa red

hidrológica: esta tipología corresponde a un karst cubierto, bien porque se inició así, o

porque fue fosilizado después.

Un karst cubierto suele detectarse en superficie por movimientos reflejos, es decir,

adaptación que realizan los materiales suprayacentes como respuesta a determinados

fenómenos que ocurren en los subyacentes (colapsos, depresiones con fisonomía similar

a las dolinas, etc.). El mejor ejemplo y más abundante de estos relieves, son aquéllos

fosilizados por materiales detríticos de origen fluvial o karst aluvial.

Frente al proceso anterior, a veces los sedimentos que recubren formaciones karstificadas

son impermeables y las desconectan del flujo superficial dejándolas inactivas. También

puede ocurrir que un mismo karst sufra procesos discontinuos en el tiempo, sucediéndose

etapas de inactividad y reactivación, generando complejas superposiciones de

morfologías y depósitos; un ejemplo es elkarst relicto: formas expuestas a los agentes

meteóricos, pero sin estar en equilibrio con esas condiciones.

Finalmente, si un karst deja de ser funcional y queda progresivamente cubierto por

sedimentos más recientes, pasa a integrar el registro geológico: corresponde a




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un paleokarst y aporta datos acerca de las condiciones climáticas reinantes en ese lugar

durante la karstificación.

Se estima que los paisajes kársticos ocupan hasta el 10% de la superficie emergida

terrestre y que aproximadamente un cuarto de la población mundial se abastece de aguas

kársticas. Los sistemas kársticos son sensibles a muchos factores ambientales. La

presencia y desarrollo de cavernas pueden causar problemas a corto plazo, tales como

colapso del substrato rocoso, desproporciones en el rendimiento de pozos, mala calidaddel agua subterránea por falta de acción filtrante, inestabilidad de los suelos

suprayacentes y dificultades para diseñar sistemas efectivos de monitoreo alrededor de

los sitios de disposición de residuos. Sólo en Norteamérica la inestabilidad de las

superficies kársticas insume anualmente millones de dólares en daños a carreteras,

edificios y otras estructuras. Los niveles de radón en las aguas subterráneas kársticas




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tienden a ser altos en algunas regiones y los conductos subterráneos de disolución

pueden distribuir desigualmente el radón a través de una región particular.

Debido a que la gran variedad de huecos y depósitos subsuperficiales están protegidos

del intemperismo y la perturbación superficial, los karst preservan un registro de los

cambios ambientales más fielmente que muchos otros indicadores geológicos. La

temperatura, las lluvias, la naturaleza del suelo y de la cubierta vegetal, la glaciación, la

erosión y sedimentación fluvial y los patrones de flujo de las aguas subterráneas pueden

usualmente ser leídos a partir los modelados y los depósitos de las cavernas. Este

registro puede ser interpretado a escala anual, en el caso de ciertas espeleoformas de

crecimiento rápido.

CAUSA HUMANA O NATURAL

Los procesos kársticos ocurren naturalmente. Pueden estar influenciados por actividades

humanas tales como modificaciones en el uso de la tierra (por ejemplo la deforestación),

basurales, apertura o bloqueo de entradas a cavernas. Todo esto puede afectar

substancialmente, y a corto plazo, la sedimentación, la deposición de espeleoformas y la

calidad del agua subterránea. El sobrepastoreo en Europa ocurrido hace varios siglos

causó erosión severa de suelos en muchas áreas kársticas, dejando sólo superficies

desnudas y fisuradas. Aun cuando muchos colapsos de dolinas se desencadenan debido

a la fuerte descarga de las corrientes subterráneas, el descenso de los niveles freáticos,

debido al bombeo excesivo en áreas subyacentes a suelos delgados o rocas débiles

puede inducir hundimientos del terreno y su colapso dentro de los vacíos subsuperficiales.

AMBIENTE DONDE ES APLICABLE

Los karst son más comunes en terrenos carbonatados de regiones húmedas de todo tipo

(templadas, tropicales, montañosas, polares), pero los procesos de disolución subterránea

profunda también pueden ocurrir en regiones áridas.




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SITIOS DE MONITOREO

Las cavernas proporcionan sitios únicos, productivos y amplios que permiten la

observación directa y el mapeo de los rasgos subterráneos y de sus relaciones con los

flujos superficiales y subterráneos. Sin embargo, el origen, morfología y distribución de

sus rasgos son los factores dominantes que controlan la naturaleza de la superficie del

terreno sobreyacente (por ejemplo: la distribución de sumideros) y las direcciones de

movimiento del agua subterránea. Los pozos, perforaciones y canteras son menos útiles

como sitios de monitoreo, debido a que sólo proporcionan puntos discontinuos de

información.

ESCALA ESPACIAL

De parcela / regional. La escala de los rasgos kársticos varía desde lo microscópico

(como la zonación en los precipitados químicos) hasta cuencas enteras de drenaje (con

cavernas que drenan cientos de kilómetros cuadrados) y amplias mesetas kársticas.

MÉTODOS DE MEDICIÓN

Se requiere un enfoque holístico para los estudios kársticos, que englobe toda la serie de

características y procesos interactuantes incluyendo geología, química, ingeniería,

edafología, biología, meteorología y, especialmente, hidrología. Las mediciones

hidrológicas y geoquímicas en manantiales, sumideros, aguas goteantes dentro de las

cavernas y las corrientes de caverna proporcionan registros de las variaciones a corto

plazo de la calidad del agua y de los procesos químicos. Las variables más importantes

incluyen: pH, temperatura, Ca, Mg, Na, Cl, HCO3 y SO4. Los ensayos de bombeo en

pozos son útiles para esclarecer la naturaleza de la porosidad y la permeabilidad de los

acuíferos kársticos, ya que son una forma sencilla de monitorear las variaciones naturales

de los niveles de agua en las corrientes de caverna. Los colorantes usados como

trazadores constituyen una técnica útil para demostrar los patrones de flujo subterráneo y

para delinear las divisorias de drenaje, las que pueden variar con el tiempo. Los estudios

sobre la mineralogía y la geoquímica de los precipitados de cavernas (usando difracción




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de rayos X, luminiscencia, relaciones de isótopos y elementos traza) pueden revelar

cambios pasados en la temperatura, humedad, tasas de infiltración y la química de las

aguas subterráneas. En áreas edificadas es importante localizar cavidades sepultadas y

monitorear su potencial de colapso, usando una combinación de prospecciones

geofísicas, perforaciones exploratorias y nivelaciones sucesivas.

FRECUENCIA DE MEDICIÓN

Los rasgos superficiales y los suelos en terrenos kársticos son notoriamente inestables y

pueden cambiar muy rápido, comúnmente a velocidades catastróficas. En climas

húmedos, muchos colapsos superficiales ocurren durante o poco después de

inundaciones, cuando el suelo y los derrubios son erosionados desde abajo de las

incipientes sumideros. La química y la contaminación de las aguas subterráneas cambian

tan rápidamente durante las inundaciones que se hacen necesarias medidas continuas

para interpretar el sistema kárstico.

APLICACIONES AL PASADO Y AL FUTURO

Los karst responden con gran sensibilidad a los cambios ambientales, y las características

del mismo (especialmente las espeleoformas) proporcionan muchos indicios sobre

eventos y cambios climáticos e hidrológicos pasados en una variedad de escalas

temporales. Es incierto si las condiciones futuras se pueden interpretar a partir de las

características kársticas, debido a que muchos cambios tienden a ser abruptos y

discontinuos.




GEOLOGIA

POSIBLES UMBRALES

El lento y gradual movimiento del suelo tiende a rellenar las depresiones en la superficie

del substrato rocoso karstificado, siguiendo el ritmo del incremento de la disolución en los

sumideros. Sin embargo, en aquellos lugares donde este material se puede transportar

lejos de su sitio, por acción de corrientes subterráneas, se puede formar un arco de roca y

suelo sobre un hueco subterráneo, el cual puede inducir un colapso súbito. El umbral

entre la subsidencia gradual y la catastrófica es generalmente impredecible desde la

superficie. Existe, sin embargo, un importante umbral entre la disolución y la precipitación,

el cual está gobernado por el grado de saturación del agua kárstica con respecto a los

minerales, especialmente calcita. El umbral puede ser transpuesto por numerosas y

diferentes razones, debido al nivel de CO2 incrementado por procesos de descomposición

o reducido por aereación. La solubilidad de la calcita y del CO2 decrece con la

temperatura, pero las altas temperaturas generan una mayor producción de CO2, lo cual,

a su vez, repercute en la disminución de la solubilidad del CO2. Conductos de solución se

forman a lo largo de las trayectorias de las mayores descargas de agua subterránea, con

tasas de ampliación determinadas primero por los valores o tasas de descarga y de

concentración de la saturación. Una vez que el agua es capaz de pasar a través del

conducto sin exceder el umbral de solubilidad de la calcita (alrededor de 70% de

saturación), la tasa de ampliación se torna casi independiente de la descarga y es

determinada por la cinética de la disolución.

ASPECTOS AMBIENTALES Y GEOLÓGICOS RELACIONADOS

La inundación de cavernas en áreas altamente pobladas puede dispersar contaminantes

en amplias áreas. Por ejemplo, a mediados de los ´80, el anegamiento por inundación

inducida a alta presión de las cavernas situadas debajo de la ciudad de Bowling Green,

Kentucky, dispersaron hidrocarburos (provenientes de desechos industriales) a través de

muchas fisuras llevando sus concentraciones hasta cerca de niveles explosivos en

fundaciones situadas encima y en pozos cercanos. Bajo gradientes hidráulicos

pronunciados, las fisuras pueden ampliarse lo suficiente como para causar fugas muy

significativas a través del suelo en un lapso equivalente a una vida humana, como las que




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se dieron en el conjunto de presas de la Autoridad del Valle de Tennessee, Estados

Unidos, a mediados del siglo XX. En la actualidad, el problema más discutido respecto de

los karst es la falta de regulaciones racionales relacionadas al monitoreo de las aguas

subterráneas, una situación complicada por la muy común falta de comprensión de las

grandes diferencias entre el comportamiento del flujo en los acuíferos kársticos y no

kársticos (medios porosos).

EVALUACIÓN GENERAL

Los paisajes kársticos son particularmente dinámicos y están sujetos a cambios rápidos.

Preservan un registro valioso de los cambios ambientales y deberían ser monitoreados

muy de cerca, por sus efectos sobre los asentamientos humanos y las edificaciones.

Estalactitas, estalagmitas y columnas en la Cueva de los Enebralejos de Prádena


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