INTRODUCCIÓN: Este artículo se trata de intentar de explicar una hipótesis personal acerca del desarrollo inicial de la...
Hipótesis del desarrollo inicial de grandes simas. Marius van Heiningen e-mail:
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INTRODUCCIÓN Este artículo se trata de intentar de explicar una hipótesis personal acerca del desarrollo inicial de las grandes simas verticales. Hasta ahora solo existen unas pocas simulaciones, hechas por ordenador (Dreybrodt, Kaufmann), tratando el aspecto vertical de la espeleogénesis (al contrario de los muchos modelos tratando sistemas horizontales). Estas simulaciones están basadas en un diámetro de las fracturas relativamente grande y además lo suponen constante por todo el dominio tratado tratado por los modelos. Sin embargo, en en realidad estas fisuras relativamente anchas solo se encuentran en los primeros 100 metros bajo la superficie, y son el resultado de liberación de presión (stress release). La gran mayoría de las fracturas que se encuentran por debajo de esta profundidad tienen un diámetro mucho menor. Esta hipótesis describe como primero se desarrolla un conducto principal, lo cual a gran profundidad está conectado con una zona de alta permeabilidad, seguido por el desarrollo de un sistema de desagüe rápido. Finalmente, este sistema canaliza todos los flujos hacia la cabecera de un gran pozo, justo a la base de la zona de liberación de presión. Empezamos con un breve resumen de unos mecanismos necesarios para un buen entendimiento de la hipótesis. Se recomienda haber leído antes los artículos “ Mecanismos que influyen en la formación de una estrecha fisura hasta un proto-conducto” y “Ensanchamiento de una estrecha fisura hasta un proto conducto ”, aunque no es necesario.
LOS MECANISMOS MÁS IMPORTANTES En el desarrollo de una estrecha fractura hasta un proto conducto y luego hasta una sima, hay varios mecanismos que juegan un papel. En primer lugar, la precipitación que cae sobre la superficie tiene que ser concentrada y canalizada. En segundo lugar, tiene que haber un mecanismo capaz de forzar un flujo por unas fisuras muy estrechas. En tercer lugar tiene que haber un modo de ensanchar las estrechas grietas (un modo que resulta al principio muy lento ,pero después es mucho más rápido). Y además es muy importante la distribución de las fracturas más anchas y más estrechas, porque determina el patrón del desagüe subterránea.
CARACTERÍSTICAS ESPECIFICAS DEL EPIKARST El epikarst es la zona de fisuras y grietas anchas que pisamos cuando andamos sobre un terreno kárstico. La base de esta zona de anchas grietas suele estar entre los 5 y los 15 metros bajo la superficie. Dentro del epikarst los aguas de lluvia y nieve son acumulados y concentrados hacia las anchas fracturas que penetran profundamente en la roca que se encuentra por debajo del epikarst. Pues: el epikarst concentra los aguas de precipitación hacia las fracturas más anchas y más profundas.
GRADIENTE HIDRAÚLICO La presión dentro de una columna de agua es generado por el peso del agua que se encuentra por encima. Por esta razón aumenta con con la profundidad y se puede medir medir en metros (h). Esta presión se llama presión hidrostática. Diferencias en presión hidrostática causa que agua fluye de sitios de alta presión hacia sitios de baja presión. Sin embargo, la velocidad de este flujo no
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solo depende de la diferencia en presión hidrostática ( ∆h), pero también de la distancia entre los puntos de alta y baja presión (L). Si dividimos la diferencia en presión hidrostática por la distancia obtenemos el gradiente hidráulico (i). En fórmula: i = ∆h/L Como indica la fórmula, el gradiente hidráulico hidráulico es muy grande cuando la diferencia diferencia en presión hidrostática es grande grande y la distancia distancia corta. Cuanto Cuanto más grande es el gradiente hidráulico, cuanto más rápido fluye el agua, favoreciendo un evento de ruptura rápido. Pues: el gradiente hidráulico es una medida que indica la “fuerza” con que la presión hidrostática “empuja” al agua desde sitios de alta presión hacia sitios de baja presión. Un gradiente hidráulico grande favorece un evento de ruptura rápido.
RELACIÓN ENTRE EL CAUDAL Y LA VELOCIDAD DE ENSANCHAMIENTO La relación entre el caudal (la cantidad del agua que pasa por una fisura) y la velocidad de ensanchamiento de una fisura es la siguiente: Una cierta cantidad de agua es capaz de disolver una cierta cantidad de roca caliza. Cuando se disuelve una parte de la pared de una fisura, esta se ensancha y deja pasar más agua. Más agua puede disolver más roca caliza, lo que ensancha todavía más la fisura. De este modo entramos en un “bucle positivo”, resultando en una velocidad de ensanchamiento cada vez mayor. Pues: cuanto más agua pasa por una fisura, más rápido aumenta su diámetro y todavía más agua puede pasar, entrando así en un bucle positivo .
RELACIÓN ENTRE LA VELOCIDAD VELOCIDAD DEL FLUJO Y LA VELOCIDAD VELOCIDAD DE ENSANCHAMIENTO La relación entre la velocidad del flujo que pasa por una fisura y la velocidad de ensanchamiento de la misma fisura es la siguiente: Cuando aumenta la velocidad del flujo, el agua permanece menos tiempo dentro de la fisura y por eso el porcentaje de saturación se disminuye. Como consecuencia la velocidad de disolución aumenta mucho. Este proceso es especialmente importante en la parte más estrecha de la fractura. Más disolución aumenta el diámetro y por lo tanto la velocidad del flujo, también t ambién este proceso entra en un bucle positivo. Pues: cuanto más rápido pasa el agua por la l a fisura, más rápido aumenta su diámetro y todavía más rápido puede pasar el agua, entrando así en un bucle positivo .
EVENTO DE RUPTURA
Los procesos descritos anteriormente (relación caudal - velocidad de ensanchamiento y relación velocidad del flujo - velocidad de ensanchamiento ) siguen siendo unos procesos relativamente lentos hasta que todo el flujo en la fisura ha llegado al régimen de disolución rápida. A partir de este momento la velocidad de ensanchamiento llega a ser máxima (hasta unos 0,1 mm por año). El rápido aumento del diámetro de la fisura causa un repentino y enorme aumento del caudal. Este proceso se llama “evento de ruptura”. Una consecuencia del evento de ruptura es que puede pasar tanto agua por la fisura que frecuentemente esta fisura evacua directamente todo el agua que recibe y por lo tanto la fisura se queda vacía. Pues: a partir del evento de ruptura el potencial del desagüe de la fisura es tan grande que la fisura se quedará vacía durante gran parte del año.
LIBERACIÓN DE PRESIÓN (STRESS RELEASE)
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formación de nuevas grietas. Este proceso es significativo hasta una profundidad de aproximadamente 100 metros. Pues: la liberación de presión (stress release) causa que las grietas que se encuentran en los primeros 100 metros bajo la superficie son mucho más anchas que las grietas que están más abajo.
LA HIPÓTESIS DEL DESARROLLO INICIAL DE GRANDES SIMAS. SITUACIÓN INICIAL La figura 1 muestra un altiplano, tapado por una roca impermeable, situado entre dos ríos. Como existe un desnivel considerable entre ambos, se ha establecido un flujo subterráneo desde el río más alto hacia el más bajo, “empujado” por la presión hidrostática. Muchas de las fracturas que conectan los ríos se han ensanchada por disolución y por eso poseen una permeabilidad muy aumentada , con otras palabras: se ha establecido una zona de alta permeabilidad por debajo del altiplano. Como la roca impermeable impide la penetración de la precipitación, toda la caliza que se encuentra por debajo de este, pero por encima de la zona de alta permeabilidad, se ha quedado libre de karstificación. Sin embargo, la caliza está fracturada tectónicamente y las fisuras más anchas las llamamos “fracturas principales”. Las fracturas se conectan entre ellas y algunas de estas llegan hasta la zona de alta permeabilidad. La figura 2 muestra la situación inicial de la hipótesis, después de que la roca impermeable se ha desaparecido por la erosión. También se ha formado una zona de epikarst que concentra los aguas de precipitación hacia las fracturas principales. Como sobre la superficie del altiplano cae más agua (recarga) que las fracturas fracturas pueden evacuar evacuar hacia la zona de alta permeabilidad permeabilidad (descarga), todas las fracturas están llenas de agua (en este momento todavía no existe una zona vadosa). En la zona de alta permeabilidad se ha formado una cueva, representando una muy alta permeabilidad.
La figura 1 muestra un altiplano limitado por dos ríos y tapado por una roca impermeable.
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La figura 2 muestra el mismo altiplano después de la desaparición de la roca impermeable. Se ha formado una zona de epikarst y las fracturas principales están llenas de agua. Esta figura representa la situación inicial, de donde parte la hipótesis.
FORMACIÓN DEL CONDUCTO PRINCIPAL Cuando baja el agua por las fracturas, estas se ensanchan lentamente por la disolución de la caliza de las paredes. Cuanto más agua pasa por una fractura, fr actura, más rápido es su ensanchamiento. Suelen ser las fracturas principales que llegan hasta la zona de alta permeabilidad por donde más agua circula, porque estas fracturas tienen un desagüe por debajo. Finalmente llega un momento que una de estas profundas fracturas se ha ensanchado tanto, que puede evacuar más agua hacia abajo que recibe desde arriba (la descarga es más grande que la recarga) y por tanto quedará vacía durante parte del año. Esta fractura la llamamos “conducto principal”. Al principio el conducto principal estará vacío en temporadas de sequía, pero mientras sigue ensanchando ensanchando llega un momento que solo estará lleno durante tiempos de lluvias y deshielos. Ahora nos podemos hacer la pregunta clave de la hipótesis: ¿Que pasará cuando se
encuentra un conducto vacío (una fractura ensanchada) en medio de una red de fracturas interconectadas y llenas de agua?
FORMACIÓN DEL SISTEMA DE DESAGÚE RÁPIDO Si miramos la figura 3 vemos a dos fracturas principales conectadas con la zona del epikarst, de donde reciben agua. Una de las dos es el conducto principal. La otra fractura también está considerablemente ensanchada, pero no posee un desagüe rápido, por eso está llena de agua. Esta fractura la llamamos “fractura vecinal”. La estrecha fisura que conecta estas dos fracturas es una fractura principal no ensanchada y la llamamos “fisura de conexión” . Cuando las dos fracturas todavía estaban llenas de agua, no existía una diferencia de presión entre ambas y por tanto el flujo de agua por la fisura de conexión era imperceptible. Ahora la gran diferencia de presión hidrostática causa un notable flujo de agua por esta conexión. Ya sabemos que agua que pasa por una grieta ensancha esta misma grieta y a su vez deja pasar más agua. Este proceso se repite y así entra en un un bucle positivo. positivo. Porque el gradiente gradiente hidráulico es muy grande la fisura de conexión llegará al evento de ruptura en relativamente
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La figura 3 muestra un gran gradiente hidráulico que causa un flujo por la fisura de conexión desde la fractura vecinal hacia el conducto principal. Los flujos de agua están indicados con flechas. En todas las figuras la anchura del conducto principal y de las fracturas vecinales están muy exageradas.
Cuando esto ocurre, también se establece un gradiente hidráulico importante entre la fractura vecinal parcialmente seca (FVa) y la siguiente fractura principal más cerca de ella (FVb), y el proceso se repite. De este modo la cantidad de fracturas vecinales con un desagüe rápido hacia el conducto principal será cada vez mayor. En la figura 4 observamos que se ha formado un
La figura 4 muestra en alzado el sistema de desagüe rápido en su fase inicial (flechas rojas) y
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La figura 5 muestra la superficie del sistema de desagüe rápido (en azul) y las fracturas y fisuras vacías (en rojo) y llenas (negras). Las flechas rojas indican el sistema de desagüe rápido y las flechas fl echas negras el sistema de desagüe lento.
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sistema de fracturas ensanchadas y secas (indicado en blanco) cuyo desagüe en tiempo de lluvias es rápido y breve (indicado con con flechas rojas). Este sistema de fracturas con desagüe desagüe rápido hacia el conducto principal llamamos “sistema de desagüe rápido”. La base de este sistema, por lo menos al principio, tiene forma de cono (indicado con líneas rojas). Por las fracturas que se encuentran al lado y por debajo del sistema de desagüe rápido, hay una lenta circulación de agua, ensanchando principalmente las fisuras de conexión. Este sistema, que está completamente saturado con agua, lo llamamos “sistema de desagüe lento”. El continuo aumento de la superficie del sistema de desagüe rápido (en azul y con flechas rojas) está representada en las figuras 5 y 6. La figura 5 indica el estadio más inicial cuando solo algunas de las fracturas vecinales más cercanas (las fracturas FVa) se han conectado con el conducto principal. La figura 6 muestra un aumento en superficie del sistema, cuando también algunas de las fracturas un poco más lejanas (FVb) se han conectado con el conducto principal.
PROFUNDIZACIÓN DEL SISTEMA DE DESAGÚE RÁPIDO Ahora miramos en detalle como se profundiza el sistema de desagüe rápido en el tiempo. La figura 7.1 muestra una fractura vecinal (FVa) llena de agua y el conducto principal vacío (CP), y además tres fisuras de conexión, llamadas A, B y C. Como ya mencionado, el ensanchamiento ensanchamiento de una fisura no solo depende del gradiente hidráulico, hidráulico, pero también del del diámetro de la fisura. Este diámetro es cada vez menor hacia abajo (mecanismo de liberación de presión). Comparando las fisuras A y B es probable que el evento de ruptura primero ocurre en la fisura B, porque la fisura B es solamente un poco más estrecha que la fisura A, pero tiene un gradiente hidráulico de casi el doble de grande. Comparando las fisuras B y C es posible que el evento de ruptura también ocurre primero en la fisura B, porque no obstante que la fisura C tiene un gradiente hidráulico algo mayor, su diámetro puede ser demasiado reducido (es la fisura más profunda). Después del evento de ruptura de fisura B el desagüe hacia el conducto principal es tan rápido que la fractura FVa se queda vacía desde la fisura B hacia arriba. Como consecuencia el proceso de ensanchamiento en la fisura A se detiene. Sin embargo, la fisura C no se vacía y mantiene cierto gradiente hidráulico (figura 7.2). El ensanchamiento ensanchamiento de la fisura C se frenará considerablemente, considerablemente, pero no se detiene y con con el tiempo llegará al evento de ruptura, dejando la fisura B sin flujo y por tanto deja de ensancharse ensancharse (figura 7.3).
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Esto significa que las fisuras de conexión por donde pasa un flujo rápido están cada vez más profundas, y que las fisuras abandonadas ya no se desarrollan más (estas últimas tendrán un diámetro del orden de unos centímetros como máximo).
ESTABLECIMIENTO DEL SISTEMA DE DESAGÚE RÁPIDO El proceso de profundización del desagüe rápido sigue hasta que llega a la base de la zona de liberación de presión. Por debajo de esta zona las grietas son tan estrechas, que el proceso se ralentiza mucho (tiempos de rupturas muy altos). Las primeras fisuras de conexión que se establecen en la base de la zona de liberación de presión, se encuentran alrededor del conducto principal. Las siguientes son las conexiones conexiones entre FVa y FVb, FVb, después las entre FVb y FVc, etc.. Finalmente, la mayoría de conexiones de flujo rápido se establecerán establecerán en la base de la zona de liberación de presión. De este modo, el alzado del sistema de desagüe rápido se desarrollará desde una forma de cono cono hacia una forma de”plato” de”plato” (figura 8). La base del plato equivale con la base de la zona de liberación de presión.
Figura 8 muestra la forma de “plato” que exhibe el sistema de desagüe rápido en estado más maduro (en alzado,) que está instalado en las fisuras de conexión vacías mas bajas. Además muestra la cabecera del pozo que empieza a formarse en el conducto principal a partir de la
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(flujo rápido), pero una parte se acumula en las estrechas grietas para vaciarse mucho más lento (flujo lento). Por eso se mantiene un cierto caudal durante todo el año, lo cual asegura un cierto crecimiento del gran pozo durante todo el año (aunque este crecimiento es máximo en tiempos de lluvias).
RESUMEN Hay un altiplano de roca caliza fracturado tectónicamente. Estas fracturas se conectan entre ellas y están llenas de agua. Algunas fracturas llegan hasta una zona de alta permeabilidad (por ejemplo una cueva) que se encuentra a gran profundidad (cientos de metros). Esta zona funciona como drenaje para estas fracturas profundas (las vacía desde abajo).Todas las fracturas se ensanchan lentamente, porque el agua que pasa por ellas disuelve poco a poco la caliza de sus paredes. Las fracturas por donde más agua pasa, son las fracturas que más rápido se ensanchan. Estas son las fracturas que tienen conexión con la zona de alta permeabilidad.
La figura 9 muestra la situación del pozo principal y la localización del “plato” que indica el sistema de desagüe rápido maduro.
Inevitablemente llega el momento que una fractura se ha ensanchado tanto, que puede evacuar tan rápido todo el agua que recibe (evento de ruptura) que estará vacía la mayor parte del año (o solo baja un poco de agua por sus paredes sin llenarla). Este es el momento que desde las
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la base de la zona de liberación de presión y desde aquí hacia abajo se formará una gran sima o sistema de simas.
ALGUNAS NOTAS Algunas de las fracturas principales vecinales pueden desarrollarse hasta formar pozos verticales, pero estos deben de terminar en la base de la zona de liberación de presión y por consecuencia son pozos relativamente poco profundos (hasta unos 100m). Sin embargo, es posible que alguno de estos pozos conecta con la cabecera del pozo principal, lo cual explica que a veces se llega a un pozo grande a través de unos pozos más pequeños. Explorando un macizo calcáreo se suele dar con muchas simas de poca profundidad. Por eso es importante saber que una vez superado los 150 metros de profundidad, probablemente estás dentro de una sima principal y con posibilidades de llegar al un colector. Si el conducto principal se desarrolla hacia una serie de pozos conectados por tramos más horizontales o hacia un gran pozo, depende principalmente de la situación de este conducto respecto al colector y de la geología local. Por ejemplo, si el conducto principal se ha desarrollado por la intersección de dos fracturas verticales situadas justo por encima del colector, es posible (probable) que se forma un gran pozo. Sin embargo, si el conducto principal se encuentra lateralmente desplazado respecto al colector y las juntas de estratificación tienen poca inclinación, es probable que se forma una serie de pozos conectados por estrechos y altos meandros o algún tubo a presión .
NOTA FINAL Este artículo está escrito para todos aquellos que gozan con la espeleología y además tiene ganas de saber algo más. Creo que, si uno reflexione sobre las consecuencias consecuencias de este hipótesis, pueda encontrar varias situaciones donde puede ofrecer una solución. Algunos de estos aspectos serán tratados en siguientes artículos. Con mucho gusto responderé a preguntas y críticas, por eso he puesto mi correo electrónico.
