10 Actividad kárstica



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NOMBRE: Actividad kárstica

(con contribuciones de A.H. Cooper, A.R. Farrant and A.N. Palmer. Revisada Enero 2007)

BREVE 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. El karst en rocas carbonatadas se forma por su disolución por agua ácida. La mayor disolución tiene lugar cuando el agua de lluvia toma dióxido de carbono del aire y disminuye la materia orgánica en el suelo tornándose más acido y luego percola a trávés de las grietas disolviendo la roca. Cuando el substrato se satura de agua, la disolución continúa cuando el agua se mueve hacia los lados a lo largo de los planos de estratificación (grietas horizontales entre estratos rocosos) y diaclasas (o fracturas) en la misma roca. Estos conductos se agrandan con el tiempo y el agua se mueve, por una combinación de gravedad y presión hidráulica, agrandando además los conductos por una combinación de disolución y abrasión de la roca circundante.

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 grandes manantiales son el resultado de la acción disolvente de la circulación de aguas subterráneas las cuales podrían salir por corrientes efluentes encauzadas. Inicialmente 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. Una vez que es superado cierto límite de tamaño del conducto, típicamente 10-20 mm, 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.

El karst carbonatado 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.

Aunque son más abundantes en las regiones húmedas, el karst también se puede encontrar en terrenos áridos,ya sea como relicto formado durante períodos más húmedos o donde el H2S contenido en las aguas subterráneas provenientes de zonas reductoras profundas se oxida para producir ácido sulfúrico. Dichos procesos pueden 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

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 del modelado y los depósitos de las cavernas. Este registro puede ser interpretado a escala anual, en el caso de ciertas espeleoformas de crecimiento rápido. [Ver: Corales: química y patrones de crecimiento].

El karst es importante para la sociedad debido a su distribución global (20 millones de km2, casi el 12% de la superficie terrestre y los recursos que contiene. Un cuarto de la población mundial es abastecida por agua obtenida de acuíferos kársticos. Las regiones kársticas alojan muchos depósitos minerales (incluyendo yacimientos significativos de plomo, zinc y estaño en placeres, y forma reservorios importantes de hidrocarburos. Las regiones kársticas también son importantes atracciones escénicas y pueden contribuir significativamente con la economía local, por ejemplo la Tower Karst alrededor del Guilin and Mammoth Cave National Park, en Kentucky. El sistema karst es sensible a muchos factores ambientales y puede constituir un riesgo geológico significativo. Los riesgos kársticos incluyen inundación de los sumideros, colapso repentino de la cubierta, diques alrededor de filtraciones, colapso de lagos dando por resultado el derrame de deshechos e infiltración de radón en las casas. 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 calidad del 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 [Ver: Subsidencia superficial]. Los niveles de radón en las aguas subterráneas kársticas 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 del modelado y los depósitos de las cavernas. Este registro puede ser interpretado a escala anual, en el caso de ciertas espeleoformas de crecimiento rápido. [Ver: Corales: química y patrones de crecimiento].




CAUSA HUMANA O NATURAL

Los procesos kársticos ocurren naturalmente. Pueden estar influenciados por actividades humanas tales como modificaciones en el uso del suelo (por ejemplo la deforestación), modificación del drenaje natural, disposición de residuos y apertura o bloqueo de entradas a cavernas, todo lo cual 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. El colapso de sumideros también puede ser producido por la concentración del escurrimiento de agua superficial especialmente alrededor de emprendimientos urbanos e industriales o a lo largo de caminos. Inviernos más cálidos y períodos de precipitaciones activos más prolongados están produciendo el incremento en el flujo de agua superficial, que alimenta el agua subterránea y acelera el desarrollo de karst.




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. El karst de evaporitas en regiones húmedas está caracterizado por tasas muy superiores de desarrollo subsuperficial, principalmente. El karst de evaporitas está presente, principalmente, en superficie en climas relativamente áridos.



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 de agua 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. No obstante las cavernas son lugares difíciles de acceder y el monitoreo podría resultar problemático. Los pozos, perforaciones y canteras son menos útiles como sitios de monitoreo, debido a que sólo proporcionan puntos discontinuos de información. También pueden ser útiles las redes hidrográficas que controlan la dinámica y la composición química de agua que fluye desde y hacia el terreno kárstico.




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: geología, química, ingeniería, edafología, biología, meteorología y, especialmente, hidrología; todas éstas áreas deben estar incluidas al estudiar los karst. Un punto de partida esencial a cualquier monitoreo es el inventario hidrogeológico y de karst. Esto puede ser almacenado tanto en el formato de base de datos o de SIG (Sistema de Información Geográfico). Se deben registrar manantiales, depresiones kársticas, dolinas, sistemas de cavernas, trazos coloreados y otra información relacionada. Esto proporciona un esquema al que se puede relacionar un trabajo detallado. Gran parte de esta información se puede obtener de mapas, fotografías aéreas, publicaciones e informes.

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. La denudación del yeso puede ser medida por la cantidad de Ca SO4 2H2O (m3 a 1 km2 por año) transportado por escurrimiento secundario. La disolución de sal puede ser estimada de un modo similar. En algunas áreas kársticas de evaporitas la cantidad de subsidencia superficial puede dar un buen indicio de la velocidad de disolución subsuperficial.

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 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. Estos cambios pueden se ubicados en un contexto temporal mediante la datación de depósitos usando métodos U -Th, paleomagnetismo y Electron Spin Resonance.

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. Los factores que amenazan la integridad de cavernas y sistemas de karst incluyen grandes cambios de terreno o hidrológicos, polución del agua subterránea e impacto humano directo.


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, o lavados desde arriba. 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. Los valores de hidroquímica and escurrimiento del agua que fluye hacia y desde el terreno kárstico debe ser medida una vez por mes o al menos una vez por estación.




LIMITACIONES DE LOS DATOS Y DEL MONITOREO

Los estudios superficiales de los karst están dificultados por el hecho que sus rasgos superficiales están controlados por el movimiento de las aguas subterráneas, sin conocimiento del cual es imposible interpretar apropiadamente los rasgos superficiales. Los cambios en los karst son a menudo tan súbitos que es difícil diseñar una estrategia válida de monitoreo. Las cavernas también son ambientes difíciles para trabajar y requieren especialistas y equipos expertos.




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. Los depósitos de karst y las formas del relieve pueden pèrsisitir durante períodos extraordinariamente largos en relictos de cavernas y paleokarst.


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, merced a corrientes subterráneas, se puede formar un arco de roca y suelo sobre un hueco subterráneo, el mismo que 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.




REFERENCIAS CLAVES



Beck, B. F., 1989. Engineering and environmental implications of sinkholes and karst. Rotterdam: Balkema.

Drew, D. & Hotzl, H. 1999. Karst hydrogeology and human activities. Balkema.

Ford, D. C. & P. W. Williams, 1989. Karst geomorphology and hydrology. London: Unwin Hyman.

Klimchouk, A., Lowe, D., Cooper, A. and Sauro, U. (Eds). 1997. Gypsum karst of the world. International Journal of Speleology. Vol. 5 (3-4) for 1996, 307pp

Jennings, J. N., 1985. Karst geomorphology Oxford: Basil Blackwell.

Alexander B. Klimchouk, Derek C. Ford, Arthur N. Palmer, and Wolfgang Dreybrodt (eds) 2000. Speleogenesis: Evolution of Karst Aquifers. National Speleological Society, Huntsville, Alabama.

Kuniansky, E. L. (ed) 2001. U.S. Geological Survey Karst Interest Group Proceedings. St. Petersburg, Florida. February 13-16, 2001. U.S. Geological Survey, Water-Resources Investigations Report 01-4011.

White, W. B., 1988. Geomorphology and hydrology of karst terrains. Oxford: Oxford University Press.


OTRAS FUENTES DE INFORMACIÓN

Agencias hidrológicas y de recursos hídricos, servicios geológicos, IAH, IGA, IGCP (Proyecto 379 – Procesos kársticos y ciclo del carbono), Instituto Karst Waters, INQUA, International Speleological Union. Comisión IAH-Karst, Proyectos IGCP: 299 (1990-1994): Geología, Clima, Hidrología y Formación de karst, 379 (1995-1999): Procesos kársticos y ciclo del carbono, 448 (2000-2004): Correlación Mundial de Geología del Karst y sus Ecosistemas relevantes.



ASPECTOS AMBIENTALES Y GEOLÓGICOS RELACIONADOS

Algunos paisajes kársticos son muy sensibles a los cambios externos, parcialmente debido a la permeabilidad extrema y los suelos finos como resultado de una karstificación intensiva. Esta sensibilidad, junto con las presiones de la población y las malas prácticas han dado por resultado erosión de suelos, deterioro en el abastecimiento de agua y polución del agua subterránea en muchas áreas. La inundación de cavernas en áreas densamente pobladas puede dispersar los 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, dispersó 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 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).

El karst es muy vulnerable a la polución del agua subterránea, debido a la descarga de agua: la filtración natural es casi inexistente. El uso de conductos tal como cañerías de cloaca y sumideros como vertederos de rsiduos en pequeñas ciudades y áreas rurales coloca el abastecimiento de agua potable en riesgo. La expansion urbana en aéreas kársticas a menudo genera la construcción de casas en terrenos que físicamente no pueden soportarlas y surgen problemas con cámaras sépticas, rotura de cañerías subterráneas y rellenos sanitarios.


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.




Terreno calizo con cavernas, sumideros y conductos de disolución. (Geoscience Australia)

La química de los cursos drenando el karst pueden proporcionar tasas actuales de disolución del substrato rocoso. Las bandas de crecimiento en espeleotemas pueden indicar datos sobre antiguos cambios en temperatura, humedad, velocidades de infiltración y química del agua subterránea. Swift Cave in Yunnan, China. (Zuo & Xing 1992)


Cavernas marinas y estalactitas en terreno kárstico calizo. Isla Langkawi, Malaysia. (A.R. Berger)





Esta casa en el norte de Lithuania colapso repentinamente debido a la disolución del substrato de yeso. (V.Mikulënas)

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