estudiado en el siglo XIX por su hidrología y formas particulares, la región kárstica de Eslovenia es considerada la referencia mundial para paisajes y flujos subterráneos en rocas carbonatadas, calizas y Dolomitas. Karst se define como cualquier región del mundo donde estas rocas tienen una hidrografía esencialmente subterránea, que consiste en cavidades que pueden ser penetradas por el hombre., Estas tuberías conducen a Manantiales a menudo espectaculares utilizados desde la antigüedad para el suministro de agua. El Karst y los procesos de su génesis y evolución son acuíferos con recursos y reservas interesantes para explotar. Sus características hidrogeológicas y su funcionamiento permiten comprender sus especificidades para aprovecharlas mejor sin sobreexplotar sus recursos.,
Karst, un medio geológico importante pero complejo
bien conocido y descrito como un paisaje, el karst es una formación geológica establecida en rocas de carbonato, piedra caliza y dolomita. Es ante todo un acuífero, una formación en la que las aguas subterráneas se acumulan, circulan y emergen en fuentes a menudo importantes. A menudo es un depósito de agua subterránea notable y muy especial.
a escala global, estas formaciones kársticas cubren del 12 al 15% de la superficie continental. En Francia, ocupan el 35% de la superficie del territorio, lo que debería hacer que desempeñen un papel importante en términos de recursos hídricos; la extensión de rocas carbonatadas bajo otras formaciones geológicas nos lleva a considerar que estos acuíferos kársticos son aún más extensos. Así, según la estimación más reciente (Figura 1), casi el 50% del territorio está afectado por formaciones kársticas., Los acuíferos cársticos aportan el 40% del suministro total de agua potable (DWF) de los franceses. Se estima que alrededor del 25% de la población mundial se abastece de agua doméstica procedente de las aguas subterráneas extraídas del karst .
en la mayoría de los acuíferos, el agua circula y se acumula en los huecos originales de la roca: los poros o discontinuidades producidas por las deformaciones., Los acuíferos kársticos se distinguen de ellos por el hecho de que el agua que fluye a través de estos vacíos originales modifica profundamente algunos de ellos hasta el punto de crear conductos y cavidades que a veces son penetrables por los seres humanos. Esta transformación tiene lugar en un corto período de tiempo en una escala geológica: unos pocos miles a unas pocas decenas de miles de años. Más que un acuífero, el karst es por lo tanto un geosistema.
Su interés económico no se limita al consumo de agua potable; también se utiliza para el riego y la industria., También se asocia con un gran número de manantiales termo-minerales. Además, el karst es con frecuencia el sitio de depósitos de petróleo, incluidos los de la plataforma Árabe. También puede contener depósitos metálicos: aluminio (bauxita), hierro, plomo y minerales de zinc. Por último, plantea regularmente problemas durante las obras de ingeniería civil, incluidas las presas y sus embalses.
este artículo se limita a mostrar qué es el karst, cómo se configura, cuáles son las características de la estructura y funcionamiento de los acuíferos que forma, y finalmente cómo se puede gestionar.,
Un muy específicas del paisaje
el Karst consiste en formas superficiales y subterráneas resultantes de la disolución de rocas carbonatadas (piedra caliza, dolomita) por agua ácida por dióxido de carbono en el aire del suelo. Los vacíos así creados permiten el flujo y almacenamiento de agua subterránea., Este conjunto de procesos que transforman una simple formación caliza o dolomítica en un macizo kárstico con dolinas, simas, cuevas, río subterráneo y manantial bien individualizado se llama karstificación (lea Enfoque 1: mecanismos de karstificación).
como se muestra en el diagrama de la Figura 2 y en la foto y la Figura 3, el paisaje kárstico está marcado en la superficie por depresiones cerradas, que van desde unos pocos metros hasta varios kilómetros, generalmente marcadas por áreas favorables a una rápida absorción de agua., Las depresiones más pequeñas, llamadas dolinas (Figura 4), a veces se abren en una cueva, un abismo (o cueva) que absorbe rápidamente el agua de lluvia. La mayor de estas depresiones, los poljés, reciben grandes volúmenes de agua de ríos que fluyen sobre terreno impermeable. Las pérdidas, o ponores, absorben estos cursos de agua en la piedra caliza y alimentan los manantiales. Aguas abajo de las pérdidas, los valles están secos la mayor parte del tiempo; sus fondos están marcados por depresiones cerradas, heredadas de pérdidas anteriores.
cuando la roca está desnuda, las fracturas iniciales aparecen más o menos ensanchadas, creando olas, picos, corredores o simplemente surcos más o menos profundos: es el lapiaz, que retiene el suelo y los sedimentos proporcionados por escorrentía, precipitación y vientos. Cuando tal cubierta sedimentaria se asienta permanentemente, el lapiaz evoluciona hacia formas más redondeadas debido al efecto de una disolución mejor distribuida.
los cársticos son también fuentes espectaculares, como La Fontaine de Vaucluse o la fuente del Loiret. Esta concentración de agua en los valles contrasta con la aparente sequedad de los macizos kársticos. El sistema kárstico es el conjunto de áreas de captación de agua de un manantial kárstico, formado por las pérdidas de alimentación de escorrentía superficial y todos los afloramientos calcáreos donde se infiltra el agua de precipitación., La posición de la fuente está determinada por el nivel de base del sistema, el punto más bajo de la formación de piedra caliza en el afloramiento. Puede ser el contacto con la formación impermeable bajo las calizas; es más a menudo el fondo de los valles fluviales de importancia regional.
el resultado de una larga historia geológica y climática
una vez que se han creado las tuberías para drenar el agua subterránea a la fuente, el sistema kárstico está sujeto a cambios en las condiciones climáticas y geológicas, al igual que todos los hidrosistemas., La historia geológica de los continentes está marcada por cambios permanentes en las líneas de base regionales. Esto puede estar relacionado con un cambio en el nivel del mar (por ejemplo, durante la edad de hielo Cuaternaria, el océano global estaba 120 m por debajo de los niveles actuales), o con movimientos impuestos por la tectónica de placas, como el hundimiento y la reacción excesiva que causan la formación de cadenas montañosas y cuencas. Estas variaciones modifican las condiciones externas al aumentar o disminuir la capacidad de los flujos subterráneos para crear una red de conductos, conocida como el potencial de Karstificación o KP (lea Enfoque 1:los mecanismos de karstificación).,
La sobre-reacción produce un descenso del nivel de base y un aumento en el KP que permite la creación de una nueva red de tuberías, la antigua red siendo abandonada al menos en parte e incorporada a la zona de infiltración: así es como se crean las cuevas que pueden ser penetradas por el hombre. Las consecuencias son variadas, dependiendo de la geometría de la formación del acuífero: captura de sistemas kársticos vecinos, fragmentación en varios sistemas, migración de la fuente a otro valle, aparición de fuentes de desbordamiento, etc.,, lo que conduce a un drenaje más complejo y, por lo tanto, al funcionamiento del sistema.
el hundimiento, por otro lado, causa un aumento en el nivel de base y una reducción en el KP, produciendo una inundación de la estructura kárstica por bloqueo o incluso obstrucción. Las antiguas redes de tuberías así sumergidas (véase la figura 2) dan al acuífero un alto comportamiento inercial porque constituyen estructuras de almacenamiento de varios cientos de millones de m3.,
en las zonas costeras, una transgresión Marina debida al aumento del nivel del mar tiene un efecto diferente dependiendo de si va acompañada o no de depósitos de sedimentos marinos impermeables. En el primer caso, la situación es idéntica a la del sedimento que llena una cuenca. En el segundo caso, en ausencia de sedimentación marina, las redes de tuberías que conducen al mar permiten intercambios con el agua de mar. Estos intercambios son variables según las relaciones de carga hidráulica (presión) entre el agua dulce del acuífero y el agua de mar., El agua dulce puede escapar del acuífero cuando la carga hidráulica es alta. El agua de mar puede entrar en el acuífero cuando la carga es baja.
de hecho, la diferencia de densidad entre el agua dulce y el agua de mar es el factor predominante en los movimientos respectivos de los dos fluidos. Debido a la diferencia de densidad entre el agua dulce (1.0) y el agua salada (1.025 en promedio), la columna de agua dulce en las tuberías debe estar lo suficientemente por encima del nivel del mar para empujar el agua salada fuera de las tuberías. El acuífero luego descarga su agua dulce en el mar., Tan pronto como esta carga disminuye (sin recarga o Marea Ascendente), el agua de mar ingresa gradualmente a las tuberías desde formas kársticas sumergidas y se mezcla con agua dulce: la descarga en el mar es la de agua salobre, cuya salinidad aumenta con la disminución de la carga hidráulica en el acuífero. Este mecanismo también afecta a los manantiales costeros en tierra, cuyas aguas son salobres debido a la intrusión natural de agua salada en las tuberías; este es el caso del manantial Fontestramar en el Rosellón ., Esta intrusión natural de agua de mar se ve agravada obviamente por las extracciones de agua por bombeo, desde pozos en tierra, incluso si están lejos .
el océano global fue sometido a variaciones lentas y limitadas del nivel del mar; durante la última glaciación, descendió y luego subió unos 120 m., Pero la cuenca mediterránea ha sido sometida a un evento geológico particular, la Crisis de salinidad Mesiniana, que, por su escala, está en el origen de la gran concentración de fuentes submarinas de origen kárstico (lea foco 2: La Crisis de salinidad Mesiniana y sus consecuencias sobre el kárstico).
por Encima de todo un acuífero
por lo tanto, el karst es ante todo un sistema hidrológico acuífero, y no solo un paisaje. Conformado según caudales subterráneos, con depresiones y abismos cerrados, lugares de absorción preferencial, el paisaje superficial puede tener restos de una organización fluvial de caudales pasados, como valles secos y carillas aluviales. Esta organización se está desmantelando gradualmente en favor del tráfico subterráneo de fracturas y conductos de diferentes tamaños.,
en comparación con otros acuíferos, karst tiene las siguientes especificidades:
- Una red de conductos que conduce a fuentes. Los caudales de agua crean y modifican huecos permanentemente, lo que resulta en su organización en una red de drenaje, alimentando Manantiales a menudo espectaculares (Fontaine de Vaucluse, fuente de la Lez, fuente del Loiret, etc.).).
- fuentes con caudales muy variables (ver Figura 5)., Dependiendo de la estación, el flujo natural de la fuente del río Lez, por ejemplo, varía de unos pocos cientos de litros por segundo en aguas bajas a 30 m3/s en aguas altas .
- galerías de piedra accesibles al hombre. Las dimensiones y la forma de estos vacíos cambian con el tiempo, hasta el punto de que son parcialmente penetrables. Las cuevas (por ejemplo, Armand cave, Padirac abyss, Clamouse caves, des Demoiselles, de la Cocalière) son antiguas redes abandonadas, al menos en parte, por flujos subterráneos.
- circulaciones subterráneas complejas., El acuífero kárstico se caracteriza por una heterogeneidad considerable, tanto en términos del tamaño de sus vacíos (de unos pocos micrómetros a varios kilómetros de longitud) como en términos de caudales de agua (de unas pocas decenas de metros por año a unos pocos kilómetros por hora).
por lo tanto, el acuífero kárstico es mucho más complejo que los acuíferos porosos o fracturados, tanto en la zona de infiltración como en la zona inundada.
4.1., Un área privilegiada de infiltración
desde las dolinas, se desarrollan conductos verticales más o menos anchos, como simas y avens, atravesando la zona de infiltración formando un sistema de «pozo dolino» (Figura 3). Entre estos ejes que drenan agua directa y rápidamente en el área inundada, las grietas en la roca se ensanchan más o menos por un simple efecto relajante mecánico, especialmente en las laderas de los valles, luego por la acción de las raíces de los árboles, reforzadas por la disolución. Este es el dominio lapiaz (figuras 7 y 8).,
la permeabilidad de esta área cercana a la superficie se incrementa en comparación con la de la roca más profunda. Como resultado, el agua de infiltración se retiene localmente y constituye una zona saturada a poca profundidad, i. e., un área donde todos los vacíos son llenados y atravesados exclusivamente por agua, mientras que por encima de ella circula una mezcla de aire y agua. Esta área es discontinua porque es drenada lateralmente por el sistema doline – well. También se extrae por infiltración lenta en las grietas de la roca, alimentando concreciones subterráneas, incluidas las de las cuevas.
esta» zona saturada encaramada » proporciona agua para la evapotranspiración de la cubierta vegetal, a menudo abundante, que puede soportar una estación seca prolongada. Este acuífero se llama epikarstic . Una vez fue utilizado, como lo demuestra la captura de pequeños manantiales y pozos de tanques abandonados., Es un vínculo entre las comunidades superficiales y subterráneas: los animales, como los microcrustáceos, los escarabajos y, en general, la fauna del suelo, que viven en la superficie colonizan y se adaptan gradualmente al entorno subterráneo ; también es donde las poblaciones subterráneas encuentran su alimento en abundancia. El mantenimiento de la vegetación y la cubierta del suelo y, por lo tanto, la diversidad biológica también dependen en gran medida de estos acuíferos epikarst. El conjunto del» acuífero lapiaz – dolina » constituye el epikarst., por lo tanto, está sujeto a varias modalidades de flujo:
- infiltración retardada por almacenamiento cerca de la superficie en el epikarst, donde el agua está sujeta a procesos biogeoquímicos en el suelo (concentración por evapotranspiración de sales disueltas de precipitación, intercambios de elementos disueltos con el complejo arcilloso-húmico, producción de CO2);
- infiltración directa y rápida por el sistema dolino – pozos y las fracturas escorrentía, responsable de la disolución de la roca en profundidad;
- una infiltración lenta, de dos fases, I.,e. una mezcla de aire y agua que viaja a través de las finas grietas y porosidad de la roca. Disuelve la roca carbonatada cerca de la superficie y es responsable del transporte de CO2 disuelto y gaseoso a lo largo de la zona de infiltración;
- infiltración concentrada y rápida, alimentada por ríos que fluyen sobre terrenos no cársticos, perdidos en contacto con la piedra caliza (Figura 2).
estas diferentes modalidades de infiltración contribuyen a la recarga de la zona saturada, o Karst ahogado, en proporciones variables en espacio y tiempo.
4.2., Un área ahogada organizada alrededor del drenaje y almacenamiento
el karst ahogado tiene una heterogeneidad muy alta de permeabilidad, con coeficientes de permeabilidad que van de 10-7 a 10-1 m/s. esta heterogeneidad no se distribuye aleatoriamente. , Se organiza en torno a conductos (ver figuras 4 y 5), ejes con muy alta permeabilidad, en una red jerárquica, de la misma manera que las redes fluviales. El agua fluye entre estos desagües y su entorno, donde el agua fluye con menor rapidez y se almacena. Se trata de zonas de menor permeabilidad, formadas por poros y grietas en la roca, en lo que se denomina una «matriz» o «bloques de matriz». También son grandes vacíos kársticos, constituyendo reservorios elementales, independientes unos de otros. A. Mangin se refirió a estos embalses como Sistemas Auxiliares de drenaje (DAS).,
como se muestra en la Figura 9, los DSS son cavidades creadas en el área inundada en la base de los ejes de infiltración rápida. Están conectados a los conductos por zonas de drenaje con caídas de alta presión debido a la complejidad de los conductos o al hecho de que solo el agrietamiento original garantiza la continuidad hidráulica., Esta situación favorece grandes variaciones piezométricas de amplitud en bloques DSS y raster, que van desde varias decenas hasta unos pocos cientos de metros entre los niveles de inundación y de agua baja, mientras que son mucho más bajos en las tuberías. Los flujos se producen de acuerdo con las respectivas relaciones de carga, a veces desde los conductos al DSS o bloques raster, a veces en la dirección opuesta. Así, el entorno kárstico tiene dos tipos de vacíos que realizan diferentes funciones hidrodinámicas, drenaje y almacenamiento, de los cuales el margen ha propuesto una representación esquemática (Figura 10).,
explotación de aguas subterráneas en karst
es alrededor de manantiales kársticos donde se crearon y desarrollaron algunas de las grandes civilizaciones antiguas de las regiones mediterráneas. Las grandes ciudades antiguas de Oriente Medio, Grecia, Roma y sus colonias se han desarrollado a través de la explotación de manantiales kársticos: sitios como Baalbek, Damasco, tiro, Atenas, Roma, Cartago o Nimes han irradiado a través de la colección de manantiales kársticos, acueductos y redes de distribución urbana . Estas operaciones de Río están limitadas por el bajo flujo de agua., El aumento de las necesidades de las ciudades se satisface entonces mediante la búsqueda de nuevos recursos y la realización de nuevos desarrollos, como en Roma o Lyon, donde se han construido nuevas cuencas de captación de agua y acueductos.
las aguas kársticas se utilizaron sin tener en cuenta las características particulares del kárstico y sin ninguna preocupación por la calidad del agua ., Fue solo a finales del siglo XIX que los primeros espeleólogos de Francia y Austria mostraron las relaciones entre los manantiales y ciertos abismos utilizados como fosas comunes, estableciendo el vínculo entre estas contaminaciones y ciertas epidemias (difteria, tifoidea.). En Francia, las estrictas regulaciones marginaron la explotación y el estudio de las aguas subterráneas kársticas. Han empujado a las comunidades a preferir otras aguas subterráneas y superficiales.,
el karst fue entonces considerado como un paisaje desolado, que consiste en unos pocos conductos grandes a profundidad que conectan directamente el avens a los manantiales . El río subterráneo Bramabiau, que resultó de la avalancha de las aguas de la felicidad en la Causse de Camprieu, en el borde de las Cévennes, fue tomado incluso como modelo de todos los flujos subterráneos en el karst. Por esta razón, los Causses fueron considerados en Francia como la referencia en términos de karst y durante mucho tiempo se rechazó la calificación de emergencias kársticas como fuente.
5.1., Un entorno particularmente sensible a las actividades humanas
los suelos, generalmente delgados y discontinuos, son muy sensibles a la erosión. La deforestación, el pastoreo o los incendios promueven la erosión y la destrucción de lapiaz, cuya desaparición impide que la vegetación se restablezca. Estos paisajes desnudos y secos resultantes de las acciones humanas no permiten la filtración natural del agua.,
además, los grandes vacíos y las altas velocidades de flujo están en el origen de la transferencia rápida, sin dilución ni filtración de contaminantes a las fuentes. Por lo tanto, a menudo se considera que el acuífero kárstico es desfavorable para la extracción de agua potable para el suministro de agua potable (WSP). También es difícil establecer medidas eficaces de protección para las cuencas cársticas de las FAE. El principal obstáculo es el gran tamaño de las cuencas hidrográficas que requieren largos y costosos estudios hidrogeológicos., La vulnerabilidad del karst se deduce lógicamente de una serie de características desfavorables, tales como caudales rápidos, falta de filtración y auto-purificación, efectos limitados de dilución o dispersión.,apid eliminación de la contaminación accidental, en relación con los cortos tiempos de residencia de las aguas subterráneas,
se ha propuesto un enfoque y una metodología para el establecimiento de perímetros de protección de cuencas en regiones kársticas. Actualmente se están aplicando métodos de análisis multicriterio para caracterizar la vulnerabilidad de las fuentes capturadas. Los principales criterios considerados son el suelo y el epikarst, los patrones de infiltración y el grado de funcionalidad del sistema de drenaje. Estos métodos proponen un análisis sistemático del sistema kárstico, dividido en tamaños de malla pequeños. Los mapas de vulnerabilidad se obtienen después de ponderar y combinar todos estos criterios.,
el tratamiento sistemático del agua impuesto a los AAE kársticos generalmente evita riesgos bacteriológicos. Los riesgos químicos, como el exceso de nitratos, se reducen porque son raros en estas áreas con baja presión antropogénica, o sin contaminación acumulada, por eliminación rápida durante las inundaciones. La turbidez, por otro lado, es un problema recurrente, particularmente en Normandía, en tiza, o cuando el acuífero es alimentado masivamente por pérdidas de ríos. Se requieren sistemas de sedimentación y filtración., Un recurso alternativo temporal o una captación por un pozo ubicado lejos del conducto kárstico se puede colocar mientras se espera un retorno a la normalidad.
5.2. Suministro de agua potable en cantidad
en los países mediterráneos, el karst es a menudo la única formación acuífera utilizable, aunque sus aguas a veces están contaminadas por la intrusión natural de agua de mar o la contaminación., Por último, el kárstico suele ser el único y exclusivo acuífero que alimenta los ríos de estas regiones: desempeña un papel esencial en muchos hidrosistemas y, por lo tanto, debe tenerse en cuenta en la explotación y protección de los recursos hídricos.
las crecientes necesidades y los desarrollos tecnológicos han llevado a la necesidad de bombear agua subterránea de las propias fuentes (Figura 11), cuando es posible, o a través de la perforación . Pero la distribución heterogénea de los vacíos en el acuífero significa que la probabilidad de que un pozo alcance una cavidad es extremadamente baja. No existe ningún método Geofísico que localice una cavidad a más de 30 o 40 m por debajo de la superficie, dadas sus pequeñas dimensiones relativas (unos pocos metros, excepcionalmente unas pocas docenas de metros)., El método de localización magnética permite ubicar un conducto por debajo de 300 a 400 m, siempre que un operador pueda entrar en él con un transmisor bastante potente. Este es el método que se ha utilizado para posicionar la perforación para la explotación del manantial de LEZ en Montpellier . En otros casos, el relieve se utiliza para llegar a la zona ahogada por galerías, como se ha hecho en el Jura suizo .,
En vista de su complejidad y diversidad de organización y funcionamiento y debido a su gran extensión, los acuíferos kársticos requieren estudios detallados, basados en una metodología multidisciplinaria específica. Los hidrogeólogos cuentan ahora con las herramientas necesarias para caracterizar su funcionamiento, identificar las áreas más productivas y evaluar adecuadamente sus recursos y reservas .,
entonces es posible explotar en aguas bajas un flujo mayor que el flujo natural, tomando de las reservas acuíferas, que se reponen durante la recarga en la temporada de lluvias. En comparación con el almacenamiento de aguas superficiales en depósitos artificiales, la ventaja de explotar las aguas subterráneas cársticas es que no se ven afectadas por la evaporación y, sobre todo, son mucho menos sensibles a la contaminación. Pero, al igual que con un tanque artificial, es necesario saber evaluar las condiciones de suministro (recarga) y vaciado (descarga)., Así, la fuente de la Lez, en Montpellier, fue capturada, siguiendo estudios realizados por J. V. Avias y su equipo . Esta captura se considera un modelo global. Los estudios demuestran que una gestión rigurosa, basada en conocimientos detallados y en una red adecuada de medidas, es sostenible y permite limitar los efectos de las grandes inundaciones aguas abajo. Por último, la viabilidad de reponer artificialmente los acuíferos kársticos se considera ahora como parte de un enfoque proactivo de gestión de los acuíferos kársticos.,
Prospects for water resource management
Karst systems can provide considerable groundwater resources and supplies, easily exploited from a single site, which can be a high flow source or well. Pero sus acuíferos son muy sensibles a la contaminación, ya que generalmente tienen poca protección natural de filtrado y efectos dispersivos reducidos., Sin embargo, debido a los rápidos flujos y a los tiempos medios de residencia, que a menudo son inferiores a un año, se renuevan mucho más rápidamente que los acuíferos porosos y fracturados: retienen poca o ninguna memoria de eventos que han ocurrido en ciclos hidrológicos anteriores, como la sequía, la sobreexplotación temporal o la contaminación accidental o estacional. Por último, pueden ser recargadas artificialmente por las entradas de agua de los ríos.
los hidrogeólogos y gestores de recursos hídricos cuentan ahora con una metodología eficaz para identificar todas sus características y modelos para gestionarlas., El Karst debe considerarse un entorno geológico particularmente interesante en la política del agua, que a menudo ofrece recursos y reservas de agua potable, insumos para la sequía y oportunidades de control de inundaciones sin grandes obras hidráulicas.
referencias y notas
imagen de portada. Source of Lison (Doubs)
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de acuerdo con la Ley de Darcy, el caudal de agua D que fluye a través de una capa permeable de espesor L y sección transversal A es proporcional a la diferencia de presión DP, expresada como altura del agua DH, e inversamente proporcional a L, D = KA DH/L. K es el coeficiente de permeabilidad, también llamado conductividad hidráulica.
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para citar este artículo:BAKALOWICZ Michel (2021), Karst, a renewable water resource in limestone rocks, Encyclopedia of the Environment, url : https://www.encyclopedie-environnement.org/en/water/karst-renewable-water-resource-in-limestone-rocks/.,
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