Resumen de Caracterización hidrogeológica de humedales y manantiales salinos asociados a acuíferos kársticos evaporíticos del sector central del subbético
- español
La presente Tesis Doctoral trata sobre la investigación hidrogeológica en las formaciones arcilloso-evaporíticas del Trías Keuper en distintas áreas de la zona central del Subbético (Zona Externa de la Cordillera Bética) y en los humedales asociados a ellas.
Al sur de la depresión del Guadalquivir existen amplios afloramientos de los denominados Complejos Caóticos Subbéticos (CCS), mayoritariamente formados por arcillas versicolores y evaporitas de edad Trías Superior (Keuper), así como bloques y olistolitos de diverso tamaño de calizas, dolomías, areniscas y otros materiales postriásicos. La estructura interna de estos materiales es desorganizada y caótica, como consecuencia del movimiento de la Zona Externa de la Cordillera Bética hacia la cuenca del Guadalquivir durante el Mioceno medio-superior. Los procesos de disolución/karstificación que tienen lugar en las evaporitas originan formas kársticas, superficiales y subterráneas. Así, son abundantes las zonas endorreicas, que en ocasiones cuentan con algún humedal en la parte más deprimida de su cuenca. También existen manantiales asociados a los CCS, muchos de los cuales drenan aguas de elevada salinidad, con gran contenido en cloruro sódico.
Los principales objetivos de este trabajo son: investigar la hidrogeología de los materiales arcilloso-evaporíticos triásicos, poco estudiados en comparación con los acuíferos kársticos carbonáticos; caracterizar el contexto geológico e hidrológico funcional de los humedales de origen kárstico-evaporítico, lo cual es fundamental para mejorar su gestión y proponer medidas de restauración y protección hídrica; y precisar el balance hídrico de los humedales estudiados. Para ello, se han considerado tres áreas piloto: Jarales, en Lucena (Córdoba); Brujuelo, en Jaén; y Los Hoyos, entre Archidona (Málaga) y Loja (Granada). En todas ellas se ha efectuado un control climático (precipitación, temperatura y evaporación) e hidrológico. Este último ha consistido en el registro horario, mediante equipos de registro continuo, de las respuestas naturales (hidrodinámica, hidrotermia, hidroquímica) de los principales manantiales y humedales considerados. Además, se han realizado medidas puntuales de caudal, de parámetros físico-químicos del agua y de niveles piezométricos, y se han tomado muestras de agua, para su posterior análisis químico e isotópico. También, se ha llevado a cabo un ensayo con trazadores artificiales y se han hecho campañas de muestreo para la datación de aguas subterráneas.
Los resultados derivados de la presente investigación evidencian la complejidad hidrogeológica de los CCS, con un carácter predominantemente acuitardo, debido a la abundancia de materiales poco permeables (arcillas, areniscas, margas), pero con un funcionamiento kárstico localizado en los enclaves evaporíticos de mayores dimensiones. De forma general, la recarga de los sistemas estudiados ocurre tanto de forma difusa como concentrada (a través de sumideros kársticos) y en el vaso de las lagunas. La descarga tiene lugar a través de manantiales, pero también de humedales. El análisis hidrogeoquímico realizado pone de manifiesto el aumento de mineralización que se produce, desde los puntos de agua situados a mayor altitud hacia los puntos de descarga ubicados a menor cota, acompañado de una transición progresiva de facies hidroquímicas: de bicarbonatada cálcica a clorurada sódica, pasando por sulfatada cálcica. Todo ello, unido al ligero de termalismo determinado en algunas de las surgencias más salinas, sugiere que el grado de evolución geoquímico de las aguas está parcialmente ligado al tiempo de residencia en el medio y, en algunos casos, al ascenso de flujos profundos.
El uso combinado de distintas técnicas de datación (3H, 3H/3He, 4He, 14C, CFC, SF6) ha permitido constatar la existencia de aportes, al drenaje de las principales surgencias hipersalinas, de flujos de agua subterránea de gran tiempo de permanencia en el medio, además de estimar su porcentaje de participación en el caudal de descarga. Por otro lado, se ha calculado la edad media de los flujos de infiltración reciente (posteriores a 1953), a partir de los trazadores de agua más jóvenes (³H y CFC), lo que ha permitido profundizar en el conocimiento hidrogeológico de los sistemas estudiados.
También se han realizado simulaciones limnimétricas de los humedales más importantes de cada una de las áreas de estudio. Para ello se han estimado las entradas por precipitación y escorrentía y las salidas por evaporación, a partir del registro meteorológico llevado a cabo, así como de la caracterización morfológica de sus cubetas y de la delimitación de sus cuencas vertientes, realizadas mediante el uso de modelos digitales del terreno de alta precisión basados en datos LiDAR. La consideración de distintas metodologías para el cálculo de la evaporación (Penman, Penman-Monteith, Vardavas y Fountoulakis) y la escorrentía (SCS, balance de agua en el suelo) ha permitido precisar el balance hídrico de las distintas lagunas estudiadas, valorar el grado de relación con las aguas subterráneas, así como el sentido de la misma, y contrastar las diferentes técnicas consideradas. La utilización del método de cálculo de escorrentía del SCS, combinado con la ecuación de Penman, o Vardavas y Fountoulakis en el caso de las lagunas más profundas, ha proporcionado los mejores resultados, en un medio de baja permeabilidad y bajo unas condiciones hidroclimáticas secas.
A partir de todos los resultados obtenidos se ha propuesto un modelo de funcionamiento hidrogeológico de los CCS, que incluye una clasificación genético-funcional de humedales (y surgencias), inspirado en el modelo regional de flujo subterráneo regional de Tóth. El esquema propuesto relaciona la hidrodiversidad del medio (mineralización, hiproperiodo, termalismo) con la existencia de un sistema jerarquizado de flujos con distinto tiempo de permanencia en el medio. La posición de los humedales respecto del nivel piezométrico determina su tipología (recarga, tránsito o descarga). Así mismo, el grado de aportación de los flujos de agua subterránea de más edad aumenta cuanto menor es la cota de surgencia de manantiales y humedales, lo que repercute en una mayor mineralización de sus aguas. El modelo propuesto debe servir de base para futuros trabajos en los que se planteen medidas concretas para la gestión, protección y, en su caso, restauración de estas áreas naturales de gran valor ambiental y patrimonial.
- English
This PhD Thesis deal with the hydrogeological research in the Triassic (Kepuer) clayey-evaporite formations of several areas of the central part of the Subbetic (External Zone of the Betic Cordillera), and related wetlands.
South of the Guadalquivir foreland basin, wide outcrops of the so called Chaotic Subbetic Complexes (CSC) exist, mainly formed by multicolored marls and evaporite rocks from the Upper Triassic (Keuper), as well as blocks and olistoliths of diverse size made up of limestone, dolostone, sandstone and other Post-triassic material. The internal structure of those rocks is disrupted and chaotic, as a consequence of the gravitational collapse and movement of the External Zone of the Betic Cordillera towards the Guadalquivir basin, during the Middle to Late-Miocene. Dissolution/karstification processes taking place in the evaporites occasion surficial and underground karst forms. Thus, endorheic areas are abundant, and wetlands are occasionally place at the bottom of their basins. Furthermore, there are also springs related to the CSC, draining high contents of sodium chloride.
The main objectives of this work are: to investigate the hydrogeology of clayey-evaporite materials, little studied in comparison to carbonate karst aquifers; to characterize the functional geological and hydrological context of wetlands with an evaporite-karst origin, which is basic to improve their management and to propose hydric protection and restoration measures; and to precise the water budget of the studied wetlands. To that end, three pilot areas have been selected: Jarales, in Lucena (Córdoba); Brujuelo, in Jaén; and Los Hoyos, among Archidona (Málaga) and Loja (Granada). In all of them, climatic (rainfall, temperature and evaporation) and hydrological controls have been carried out. The latter has consisted of the hourly record of spring and wetland natural responses (hydrodinamics, hydrochemistry and water temperature), by mean of data logger devices. Besides, punctual measurements of discharge rate, potentiometric levels and water physic-chemical parameters have been performed, and water samples have been taken for later chemical and isotopic determination. Additionally, an artificial tracer test has been conducted and several groundwater dating sampling campaigns have been made.
Results derived from the present research evince the hydrogeological complexity of the CSC, with a predominantly aquitard nature due to the abundance of low permeability materials (marls, clays, sandstones), but with a karst functioning localized to the greater dimension evaporite outcrops. In general terms, recharge of the studied systems takes place in a diffusive way, but also concentrated (through karst swallow holes) and in wetland beds. Discharge occurs through spring as well as towards wetlands. The hydrogeochemical analysis carried out reveals the increase of mineralization from the higher water points towards the lowest discharge features, which is accompanied by a progressive transition of water chemical facies: from calcium bicarbonate to sodium chloride type, by way of calcium sulfated ones. All that, together with the slight hydrothermalism registered in some of the brine outlets, suggests that the degree of geochemical evolution is partially linked to residence time within the system and, as the case may be, the rise of deep groundwater flows.
The joint application of different groundwater techniques (3H, 3H/3He, 4He, 14C, CFC, SF6) has allowed to confirm the contribution, to the drainage of the main brine springs, of groundwater flows of long residence time within the system, as well as to estimate their percentage of participation in the discharge rate. Besides, the average ages of the most recently infiltrated flows (prior to 1953) have been calculated, based on the natural tracers of younger waters (³H y CFC), which has permitted to delve into the hydrogeological knowledge of the studied areas.
Additionaly, numerical simulations of the limnimetric evolution of the most important wetlands of each study area have been carried out. To that end, precipitation and runoff and outputs due to evaporation have been estimated, based on the meteorological record, and the morphology of the wetland basins has been characterized by means of digital terrain models created from LiDAR data. The use of different methodologies for the calculation of evaporation (Penman, Penman-Monteith, Vardavas and Fountoulakis) and runoff (SCS, soil water budget) helped to precise the water budget of the considered wetlands, to assess the degree of wetland-groundwater relation, as well as their direction, and to compare the applied techniques. The SCS method, combined with Penman equation (or Vardavas and Fountoulakis for deeper wetlands) has provided better results in a low permeability medium, and under dry climatic conditions.
Based on all the obtained results, a hydrogeological functioning model of the CSC has been posed, which includes a genetic-functional classification of wetlands (and outlets), inspired by Tòth’s regional gravity-driven groundwater flow model. The proposed sketch relates the hydrodiversity of the medium (hydrochemistry, water temperature, hydroperior) with the existence of a hierarchized system of groundwater flows with different residence time within the system. Wetland position regarding groundwater table determines its typology (recharge, transit, discharge). Furthermore, the contribution degree of older groundwater flows increases towards lower spring and wetlands heights, which leads to higher mineralization of their waters. The proposed model should provide the basis for future works dealing with specific measures for the management, protection and, when applicable, restoration of wetlands, which are natural areas of great environmental and heritage value.
