Resumen de Método de predicción de las direcciones principales de drenaje en el karst
- español
La organización del drenaje en los acuíferos kársticos es muy diferente de la de los acuíferos clásicos. En el karst la permeabilidad se establece gracias a la interconexión de fisuras, y la circulación del agua a su través provoca la disolución de la roca. Esta última circunstancia los hace cualitativamente diferentes.
En el karst, la disolución motivada por la circulación del agua, amplía los huecos o fisuras interconectadas, disminuyendo por consiguiente su pérdida de carga. En consecuencia, su gradiente hidráulico aumenta, incrementándose con ello la circulación y, por consiguiente, la disolución y así sucesivamente.
Mediante un efecto de feed-back, solamente las fisuras que están sometidas a mayor circulación son las que se amplían, en detrimento de las otras.
El resultado es el establecimiento de la red de conductos tridimensional, responsable tanto de las altas transmisívidades como del carácter direccional y discreto de los acuíferos kársticos.
Cuando las condiciones exteriores hacen disminuir el gradiente hidráulico, el sistema evoluciona hacia el paleokarst. Este se caracteriza por una tendencia general a la colmatación de conductos. En el caso particular del karst hidrotermal, muchos yacimientos minerales tienen este origen, entre los que se encuentran gran número de los de Europa Central.
La construcción de presas en regiones kársticas, donde las condiciones de las cerradas bajo el punto de vista del ingeniero civil son excelentes, ha presentado frecuentemente serios problemas de filtraciones cuya corrección cuando se ha logrado ha resultado tan costosa como imprevisible.
La elevada vulnerabilidad de estos acuíferos frente a la polución, frecuentemente utilizados como suministro de agua a poblaciones, los drenajes endorréícos de algunos acuíferos kársticos costeros que descargan directamente en el mar …, etc., etc., demuestran el notable peso socioeconómico que el hombre debe pagar al transformar esta parcela de la naturaleza en su beneficio.
Por todo ello, cualquier contribución que represente un avance en el conocimiento del karst, proporcionará una mejora de soluciones en la aplicación y en la práctica. El método que aquí presentamos, tras varias décadas de observación y 5 años de contraste y comprobación creemos que representa un avance en el conocimiento del karst, razón por la cual procedemos a su difusión.
El Método se apoya en dos hipótesis de trabajo, la primera cualitativa y la segunda cuantitativa.
1. Existe una preparación tectónica del karst que prefigura la disposición de la red tridimensional de conductos de drenaje en función de su historia geológica.
2. Las direcciones más probables de drenaje se organizan dentro de los planos que contienen a las componentes máxima (n1) e intermedia (o2) de cada elipsoide de esfuerzos. Son por consiguiente, ortogonales a ta componente mínima (o) de cada elipsoide en cuestión.
Los trabajos de campo se circunscriben en aplicar las técnicas de geología estructural y definir los esfuerzos sufridos por el macizo mediante la definición de sus correspondientes elipsoides.
El análisis microtectónico nos resuelve el problema sin más que inventariar las conjunciones de tectoglifos capaces de definirnos los elipsoides buscados.
Dichas conjunciones son principalmente:
-Estilolito - Vena (E-V) -Estilolito - Falla (E-Fl -Vena - Falla (V-F) -Fallas conjugadas (F-F) y aplicando la proyección estereográfica, resolveremos en la red de WULFF para cada caso el elipsoide en cuestión.
El plano de drenaje vendrá definido automáticamente sin más que aplicar la segunda hipótesis de trabajo.
En la práctica interesa trabajar con el mayor número posible de conjunciones, para poder definir el grado de probabilidad de cada .una de las modas que aparezcan. Para &u representación, aplicaremos la proyección estereográfica pero en este caso trabajando sobre red de SCHMIDT.
El resultado es una polimodal en tres dimensiones con el porcentaje de probabilidad cuantificado para cada una de sus modas, que indican las direcciones principales del drenaje subterráneo. Dicho resultado es válido para las predicciones.
Para facilitar el tratamiento de los datos de campo el Método dispone de tres programas informáticos:
-GEORED: que dibuja las redes estereográficas de WULFF (equiangular) y SCHMIDT (equiareal) para cualquier ángulo de inclinación y densidad de paralelos y meridianos.
-GEODRE: que calcula y dibuja la posición de los componentes del elipsoide (n1, o2, drenaje para cada conjunción.
así como los planos de -GEOPOL: que calcula y dibuja para una determinada población de planos o polos, las zonas de igual concentración para cada porcentaje de área que se desee.
El Método ha sido probado con éxito en diez ejemplos, los cuales se sitúan, bajo condiciones geológicas muy diferentes, en zonas kársticas de la Península Ibérica.
Su grado de acierto es muy elevado, superior al 95 % en los casos en que ha podido ser cuantificado.
Los ejemplos estudiados en España se aplican a diversos cometidos, entre los que destacan: el propio contraste del Método cuando existen redes de grandes cavernas cuya topografía es realizable; la predicción de fugas en la construcción de presas; la progresión de la contaminación ante vertidos industriales; la progresión de la polución en acuíferos; la descarga subterránea de agua dulce al mar. Su distribución es variada por elección expresa. Se desarrollan en el Macizo Pirenaico, Cornisa Cantábrica, Paleozoico Asturiano, Sistema Central, Cadena Ibérica, Cordillera Bética y se distribuyen en los afloramientos calcáreos más diversos, desde el Cámbrico hasta el Terciario.
La predicción dada por el Método, ha sido confirmada la mayor parte de las veces mediante coloraciones con fluoresceina, habiendo servido en algunos casos para modificar los primitivos proyectos, los cuales ha sido necesario adecuarlos a la situación objetiva evidenciada.
El contraste del Método cuando se dispone de la topografía de grandes redes subterráneas, se puede realizar mediante las polimodales que se presentan, en este caso en dos dimensiones. Sí en ellas aplicamos el test de KOLMOGOROV a la curva acumulada, podremos cuantificar de manera estadísticamente ortodoxa la validez del Método descrito.
El Método descrito es aplicable en principio a los siguientes campos:
-Conocimiento de la red de drenaje kárstica.
-Estudio y explotación de acuíferos kársticos.
-Progresión de la polución y contaminación en acuíferos kársticos.
-Predicción de fugas en presas emplazadas en zonas kársticas.
-Construcción de pantallas de impermeabilización en obras civiles realizadas en regiones kársticas.
-Detección de pérdidas de agua dulce en acuíferos kársticos costeros y surgencías submarinas.
-Intrusión salina en acuíferos kársticos costeros sometidos a sobreexplotación.
-Predicción de las direcciones de mineralización de paragénesis ligada a paleokarst.
-Intrusiones de agua en explotaciones mineras realizadas en regiones kársticas.
-Excavaciones bajo capa freática en acuíferos kársticos.
Y, en general, para la estimación cuantitativa, en el aspecto direccional, del potencial de karstíficación, de validez en los estudios teóricos del karst.
Esto último cobra gran importancia sí tenemos en cuenta que el proceso de la karstifícación, como tal proceso, no se remite exclusivamente a las rocas carbonáticas. Tampoco es exclusivo de las rocas solubles como yeso, sal. . ., etc., ya que en las cuarcitas precámbricas de Sarisarinama de la amazonia venezolana el proceso también se manifíesta. Aquí podríamos pensar como hipótesis de trabajo que la naturaleza ha tenido tiempo suficiente en 1.600 millones de años para grarlo.
Todavía si, como hipótesis de trabajo, ampliamos el concepto de disolución como el de pérdida de material por vgr.: dispersión coloidal o cambio de estado por fusión, podríamos abordar bajo idénticos planteamientos temas como los siguientes:
-La tubifícación de las arcillas en los núcleos de presas.
-Los tubos lávicos generados en ciertas rocas volcánicas.
-La karstifícación del hielo en los glaciares subpolares y su consecuencia práctica, el suministro de agua dulce a las bases circumantárticas.
De los cuales este último tema, ha sido ensayado con éxito en el círculo polar ártico.
- English
The drainage in karstíc and classical aquifers is very different. In karst, permeability occurs because there is a fissures interconnection whose water circulation involves rock dissolution.
For that reason, both are qualitatively different.
In karst, the dissolution resulting from water circulatíon brings about an enlargement of holes or interconnected fissures, decreasing consequently, íts pressure drop. So, ín consequence, the hydraulic gradient of water flow grows, icreasing the water circulation and so, successively.
By means of a feed-back effect, only the fissures which receive a stronger water circulatíon flow, get larger, to the detriment of the others.
The result of that phenomenon is a tridimensional conducts net which explains the high transmissivitíes as well as both directional and discrete characteristic of karstic aquifers.
When, the externa! conditions involve an hydraulic gradient decrease, the system evolves towards paleokarst which is characterized by a general tendency of conducts fillings. In the case of hydrothermal karst, a lot of ore minerals have the same origin, between them, we find a great number ín Central Europe.
Dam building in karstic regions, where dam site offers excellent conditions, in civil engineer's point of view, presents frequently, serious likeage problems. Their corrections are resulting so expensive as unforeseeable.
The aquifers, highly vulnerable to pollution and frequently, used as water supply for towns as well as endorreic drainages of sorne coastal karstic aquifers díscharging directly into the sea etc., explain the high socioeconomic costs involved for usíng this bit of nature, into man's benefíts.
For all these reasons, sorne contribution which is an advance in the karst knowledge, will bring an improvement of solutions in its practica! application.
After a lot of decades and 5 years of contrasting and testing, we think that this method gives an advance in the knowledge of karst, for this motive, we proceed to its diffusion.
The method is based on two hypotheses, the first one is qualitative and the second one is·quantitative.
1) Karst is predetermined by tectoníc conditions suffered by the rock massif. So, it determines the disposítion of the tridimensional net of drainage conducts, according to its geological history.
2) · The most probable drainage directions are organized inside plans whích have the maximum component (n1 ) and the intermediate component (n2 ) of each stress ellipsoid. In consequence, they are perpendicular to the minor component of each respective ellipsoid.
Work field investigations were limited to the application of structural geological techniques and also to the definition of stresses suffered by the massif, givin the definition of their respective ellipsoids.
A better solution is the microtectonic analysis. So, it's only necessary, to classify tectoglyphs conjuctions which, we shall use to define the searched ellipsoids.
These conjunctions are principally:
-Stylolite - Veine (E-V).
-Stylolite Fault (E-F).
-Veine - Fault (V-F).
-Conjugated Faults (F-F).
By applying the stereographic projection, we shall resolve for each case, the ellipsoid in Wulff's net.
By applying the second work hypothesis, we shall determine the drainage plan.
In practice, it's more interesting to work with the greatest number possible of tectoglyphs conjunctions to determine the probability degree of each defined mode.
For representing them, we shall apply the stereographic projection, but in this case, using Schmidt's net.
The result is a tridimensional polimodal with a quantified probability percentage for each of its modes giving the principal directions of the subterranean drainage. This result is valid for predictions.
To make easier field data processing, the method is available with three computer programs:
-GEORED: In which, we see Wulff's stereographic net (equiangular) as well as Schmidt's net (equiareal) for sorne angle of inclination and also for severa! parallels and meridians densities.
-GEODRE: In which, the position of the ellipsoid component (o1, o2, o3) as well as the drainage plans for each respective conjunction are calculated and drawn by plotter.
-GEOPOL: In which, for a determined plans or pales family, the areas of equal concentration, for each wished area percentage, are calculated and drawn by plotter.
The method was successfully applied in eleven examples, ten were carried out in very different geological conditions of Spain karstic regions and the eleventh was carried out into ice karst of the Svalvard Archipelago Glaciers.
lts accuracy degree is very high, superior to 95 % in the cases, in which, it was possible to quantify.
The purposes of the study of the Spanish examples were: The method contrast in the case of large caverns nets whose topography were possible to carry out; the leaks prediction in dam building; the pollution progression in aquifers; the subterranean discharge of fresh water into the sea etc ...
The examples were chosen in order to bring a great variety into the sampling. They were carried out into the «Macizo Pirenaico», the «Cornisa Cantábrica», the «Paleozoico Asturiano», the «Sistema Central», the «Cadena Ibérica», the «Cordillera Bética» and they were located in the most various calcareous outcrops from the Cambrian to the Tertiary.
The prediction given by the method has been confirmed in the majority of cases by means of coloration with fluoresceine, which has been used in sorne cases to modify the original engineering projects, in arder, to adapt them to the actual situation.
The method contrast in the case of having available the topography of large subterranean nets, can be carried out by mea ns of the polimodals shown, in this particular case; in two dimensions.
lf we apply Kolmogorov's test to the accumulated curve, we shall be able to quantify statistically, the validity of the described method.
At first, the described method is applicable to the following fields:
-Knowledge of the karstic drainage net.
-Study and operation of karstic aquifers.
-Pollution progression and contamination in karstic aquifers.
-Leakages prediction in dams located in karstic regions.
-Carrying out of diaphragm walls and grouting curtains for the impermeabilization in civil engineering jobs, in karstic regions.
-Detection of fresh water leakages in coastal karstic aquifers and submarine springs.
-Saline intrusion in coastal karstic aquifers due to overworking.
-Prediction of the mineralization directions interrelated with paleckarst.
-Water intrusion in open pit mines located in karstic regions.
-Excavation under the water table in karstic aquifers.
And is generally, also used for the quantitative estimation in the directional aspect of both karstification potential and validity, in the theorical studies of karst.
The karstification process is very important and is not exclusively limited to a specific type of rocks. lt has been observed not only, in carbonatic rocks but also in quarzites of the Sarisarinama region (South part of Venezuela). We should be able to use this nature phenomenon as work hypothesis, thinking that nature has had enough time, during 1.600 millions of years, to carry it out, but it's not enough ...
lf as work hypothesis, the concept of dissolution is amplified to the concept of salid likeage, for instance: colloidal dispersion or state change dueto fusion, then, it's possible to use the same posings for the following aspects.
-Piping in clays core of earth dams.
-Lavic tubes produced in sorne volcanic rocks.
-Ice karstification in Subpolar Glaciers and its practica! consequence, the fresh water supply, for bases located in the Antartic periphery.
lt has been tested with success in the Arctic Circle.
- euskara
«Karsten Hodiratze Norabide Berezien Aurresan Metodoak» lan hipotesi bitan oinarritzen da soilik:
-Lehenengoa, nolakotasunezkoa, ondoko hau diño: karsteko antolaketa tektoniko bat daga, lurazpiko hodiratze sare hirudimentsionalaren jarrera aurrefiguratzen duena.
-Bigarrena, zenbatasunezkoa, ondoko hau baieztatzen du: hodiratze norabide daitezkeenenak, ahalegin elipesoide bakoitzaren gehienezko (o1) eta bitarteko (o2) osagaiek edukitzen duten planoen barruan antolatzen dira. Elkartzutak dira beraz, elipesoide bakoitzaren gutxienezko (o3) osagaiarekiko.
Esandako Metodoa, iberika penintsulako zenbait karaitzekin banaturiko 10 adibideetan arrakastaz kontrastatua izan da, eta baita ere karstifikatzen diren artikoko izotzetan, kasu guztietan % 96'a baino altuago den igarpen gradu bat aurkituz. Metodoa, arloz irakurritako tektoglifoen konjuntzioen bidez lorturiko ahalegin elipesoideen definizioan oinarritzen dena, GEORED, GEODRE eta GEOPOL programei esker informatizatuta dago.
Behin betiko ondorioak, probabilitatea norabidean kuantifikatuta ematen duen polimodal hirudimentsional baten azaltzen dira. Zonan haitzuloak ezagutzen direnean, esandako polimodala, aipaturiko haitzuloen topografietatik ondorioztatua den polimodalarekin, dimentsio bitan kontrastatu ahal da.
Bere anizkun aplikazioak, ondorengoetan laburtu daitezke:
-Karstika hodiratze sarearen ezagutza.
-Karstiko urdunen ikasketa eta hurrupakuntza.
-Karstiko urdunetan satsudura eta kutsaduraren progresioa.
-Karstika aldeetan kokaturiko urtegietan ihesen aurresana.
-Karstika erregioetan egindako lan zibiletan, iragazkaitz pantailen eraiketa.
-Karstiko-kostako urdunetan eta itsaspeko irteeretan, ur goxoko galeren detektapena.
-Gain-hurrupakuntzara meneratuak dauden urdun karstikoen gazi sarketa.
- Paleokarsteri lo tu a dagoen paragenesi mineralizazio norabideen aurresana.
-Karstika erregioetan egindako meatokiétan, uraren sarketa.
-lndusketak freatika geruza azpian, karstiko urdunetan.
Eta orokorki, zenbatasunezko onerizpenerako, norabidezko aspektuan, karstifikazio potentzialekoa, karsten ikasketa teorikoetan baliogarria.
