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Cátedra de Hidrogeología
Hidrogeología enrocas plutónicasy metamórficas
Autores: Coppo, RenataLo Tuso, María Florencia Ordoñez, Natalia
09/11/2012
ContenidoIntroducción............................................................2
Tipos de rocas..........................................................3Rocas intrusivas, plutónicas o cristalinas............................3
Rocas metamórficas....................................................3Rocas filonianas......................................................3
Dimensiones geométricas...............................................3La meteorización......................................................3
La fracturación.......................................................4Porosidad.............................................................4
Permeabilidad y caudal de los pozos...................................5Relación entre las características litológicas y la composición químicade las aguas..........................................................5
Acuíferos de fisura.....................................................5
Conclusión..............................................................7Bibliografía ...........................................................8
Introducción
La prospección de las aguas subterráneas debe comenzar con el
reconocimiento geológico de la zona, ya que la ausencia o
existencia de acuíferos subterráneos está fundamentalmente
condicionada por la naturaleza de las rocas que constituyen el
subsuelo.
Alrededor de 20% de la superficie terrestre está ocupada por rocas
cristalinas o metamórficas. En su conjunto, ambos tipos de rocas
son muy pocas permeables y tienen una capacidad muy reducida como
embalses subterráneos. Sin embargo, en amplias regiones del mundo,
donde a corta distancia no existen otros acuíferos, su estudio
puede tener un notable interés, especialmente para atender el
abastecimiento de agua de núcleos urbanos o industriales de
dimensiones más bien reducidas, o para regadíos de pequeña
superficie.
Los pozos construidos en estas rocas son adecuados para usos
domésticos o ganaderos. El agua procede principalmente de las
zonas meteorizadas, con fallas, o con diaclasas, como puede
observarse en la figura 1. Tanto la meteorización como la
fracturación suelen ser mas intensas cerca de la superficie y
decrecen progresivamente al aumentar la profundidad. Por debajo de
los 30 metros puede darse que las perforaciones ya no den agua.
Según Davis y De Wiest (1966) pocas tareas son más difíciles que
situar adecuadamente pozos de agua en rocas ígneas y metamórficas,
debido en gran parte a las dificultades que presenta la
cartografía geológica detallada y a lo complicado que es localizar
las zonas más permeables.
Las rocas se pueden clasificar según sus propiedades
hidrogeológicas, geohidráulicas, (almacenamiento de agua,
permeabilidad hidráulica) y edafológicas.
La ecuación de Darcy sólo es válida para un régimen de agua
subterránea laminar, que se da en los acuíferos aproximadamente
homogéneos e isótropos, por ejemplo, en los sedimentos clásticos
(granulares) y en las rocas sedimentarias (arena, grava o
arenisca).
La distribución espacial de las fisuras en las rocas fisuradas es
normalmente discreta, aunque a menudo una orientación espacial
preferente puede provocar una permeabilidad anisótropa. Por este
motivo la matriz rocosa solo puede ser considerada homogénea e
isótropa a gran escala. En este caso los términos porosidad y
permeabilidad hidráulica no se aplican de manera sencilla en los
estudios geohidráulicos de los sistemas rocosos fisurados.
La permeabilidad de los sistemas fisurados refleja la historia
geológica de las rocas, especialmente las exposiciones a tensiones
tectónicas. Los procesos de meteorización y otros procesos
geológicos pueden ocasionar cambios durante el pasado geológico.
Los sistemas más jóvenes de fisuras de los últimos fenómenos
tectónicos son a menudo más permeables que las más antiguas, las
cuales pueden estar rellenas por minerales secundarios. Los
análisis realizados con uranio pueden ayudar a distinguir entre
fisuras antiguas y jóvenes.
Tipos de rocas
La importancia del tipo litológico en la permeabilidad y en la
porosidad no suele ser tan grande como se podría esperar. Puede
decirse que, todas las “rocas densas” (metamórficas, filonianas o
cristalinas) tienen propiedades hidrogeológicas bastante análogas.
Las diferencias que se aprecian entre los distintos tipos de rocas
parecen deberse principalmente a diferencias en su historia de
meteorización y/o fracturación.
Rocas intrusivas, plutónicas o cristalinas
Las rocas ígneas intrusivas (también llamadas plutónicas o
cristalinas) se forman a partir del lento y progresivo
enfriamiento de un magma en el interior de la corteza terrestre.
Los minerales mas frecuentes son el cuarzo, los feldespatos, las
micas, los piroxenos y los anfíboles. Las tres rocas más comunes
de este tipo son: el granito, la sienita y la diorita.
Las rocas plutónicas duras (por ejemplo, el granito), que son
ricas en cuarzo, son propensas a sufrir fisuración. Mediante
meteorización mecánica éstas crean aluviones arenosos que son
permeables en la superficie; mientras que las rocas pobres en
cuarzo están sujetas a la meteorización química, generando así
minerales arcillosos, que son menos permeables y a menudo obturan
las fisuras de la roca subyacente.
Estas rocas son permeables en las zonas donde las fisuras están
abiertas. Normalmente el ancho de las fisuras y por lo tanto la
permeabilidad decrecen con la profundidad.
Rocas metamórficas
Las rocas metamórficas son rocas ígneas o sedimentarias que han
experimentado profundas transformaciones físicas y químicas,
dando lugar a cambios en la propia estructura de la roca,
ajustándose a las nuevas condiciones de presión, temperatura y
posibles aportes químicos (ej. pizarras, esquistos, migmatitas,
gneiss, mármoles, etc.).
Las posibilidades de formar acuíferos en estas rocas quedan
reducidas a la zona alterada superficial o a las fracturadas por
fallas y diaclasas, que permiten una apreciable circulación de
agua, ya que son normalmente permeables en la zona donde las
fisuras están abiertas. Los gneis ácidos que contienen cuarzo
están sujetos a meteorización, dando lugar a aluviones arenosos.
Las calizas (carbonatos) metamórficas cristalinas son propensas a
sufrir karstificación, de manera que suelen contener agua
subterránea kárstica.
Rocas filonianas
Se caracterizan por aparecer frecuentemente en forma de filones o
diques intercalados o cortando otras formaciones rocosas. Sus
minerales suelen presentar cristales de gran tamaño y otros mucho
más pequeños. Los tipos de minerales suelen ser los mismos que en
las rocas intrusivas. Si bien su origen es aún objeto de gran
controversia, se cree que es probable que se correspondan a
inyecciones de magma con un principio de cristalización, que al
ascender a través de grietas, han sufrido un enfriamiento rápido.
Los tipos más comunes son las pegmatitas y los pórfidos de
distintos tipos. Los diques y filones, suelen tener formas muy
irregulares. Cuando se encuentran muy fracturadas actúan como
capas drenantes respecto a la roca encajonante; en cambio cuando
no están fracturadas pueden actuar como “presas hidrogeológicas”
debido a su impermeabilidad.
Dimensiones geométricas
Cuando se realiza el estudio de un acuífero, es conveniente
conocer, al menos de forma aproximada, las dimensiones geométricas
de la formación geológica que lo contiene.
En las rocas cristalinas suele ser mucho más importante la
influencia de la meteorización y/o la fracturación que las
dimensiones de la formación geológica. En rocas metamórficas,
especialmente si han sufrido intensos procesos de plegamiento, es
muy difícil reconstruir su geometría de detalle. Con respecto a
las rocas filonianas, de igual manera que con las metamórficas, la
reconstrucción de su forma es todo un desafío, debido a que pueden
llegar a ser muy irregulares. En estos dos últimos tipos de roca,
conocer su geometría y disposición en el espacio es más importante
que en las rocas plutónicas a la hora de realizar una perforación.
La meteorización
Los procesos físicos (gelifracción, descompresión, expansión
térmica) y químicos (hidrólisis, disolución, oxidación), a los que
se encuentran sometidas las rocas y sus minerales, hacen que los
mismos se transformen en fragmentos de menor tamaño o en otros
minerales.
La meteorización química no depende sólo de la litología sino
también de las condiciones climáticas, y tendrá mayor influencia
mientras más cálido y húmedo sea el clima.
La meteorización química de feldespatos, piroxenos y anfíboles,
conduce siempre a aumentar la porosidad y a menudo también, la
permeabilidad.
No obstante, a veces los productos arcillosos procedentes de la
meteorización pueden dar lugar a una reducción de la
permeabilidad.
La fracturación
La fracturación de las rocas puede deberse a fallas o diaclasas,
según si los bloques separados por el plano de fracturación se
encuentren o no desplazados macroscópicamente, uno respecto del
otro. A veces lo que separa los dos bloques no es un plano sino
una zona de milonita o de roca machacada.
La fracturación de las rocas intrusivas aumenta su porosidad y
especialmente, su permeabilidad. La abertura de las diaclasas
puede variar desde unos pocos milímetros en las zonas poco
profundas, hasta estar prácticamente cerradas en profundidad. Las
fracturas de falla y/o las zonas milonitizadas pueden alcanzar
grandes profundidades.
No es aconsejable considerar en todos los casos que las zonas de
fracturas sean lugares permeables, ya que según la naturaleza de
la roca, algunos productos de la meteorización pueden rellenar las
fisuras o impermeabilizar las zonas miloníticas.
Porosidad
No existen demasiados datos precisos sobre la porosidad total o
eficaz en este tipo de formaciones geológicas. Son frecuentes los
datos sobre la porosidad total obtenida en laboratorio mediante
ensayos en probetas no meteorizadas de reducido tamaño que indican
una porosidad menor del 3% y casi siempre, menor del 1%.
Este tipo de porosidad medida en el laboratorio, a veces
denominada primaria, es poco significativa para la búsqueda de
aguas subterráneas, ya que lo que realmente interesa es la
porosidad efectiva.
En la figura 2 se da un ejemplo de la porosidad total y efectiva
de una zona de micaesquistos cuarcíticos investigado por Stewart
(1962 y 1964).
Hay tres factores principales que pueden aumentar
significativamente dicha porosidad:
Meteorización
Fracturación (ver figura 3)
Disolución (ver figura 3)
El más importante es la meteorización, que puede multiplicar por
10 o por 20 veces la porosidad primaria de una roca sin alterar.
La fracturación no parece que pueda aumentar la porosidad en la
misma proporción que la meteorización.
Los efectos de la disolución de los minerales de las rocas ígneas
no parece ser un factor importante para dar lugar a un aumento de
la porosidad.
En la tabla 1 pueden observarse valores de porosidad y
permeabilidad de rocas plutónicas y metamórficas.
Permeabilidad y caudal de los pozos
La permeabilidad primaria de las rocas ígneas suele ser
extraordinariamente reducida, y rara vez alcanza los 10-3 o 10-4
m/día.
La permeabilidad secundaria originada por los mismos factores
expuestos al comentar la porosidad, frecuentemente multiplica la
permeabilidad de los conjuntos rocosos por 103 o 104.
Considerada a menor escala, la permeabilidad de las rocas puede
variar mucho más; de ser prácticamente nula en un bloque no
fracturado, a ser de varios centenares de m/día en una grieta
abierta y limpia.
Un fenómeno característico de la permeabilidad de las rocas
plutónicas es su heterogeneidad vertical, en el sentido de que,
por lo general esta propiedad disminuye al aumentar la
profundidad. Los estudios realizados no refieren a la
permeabilidad propiamente dicha, sino al caudal de los pozos por
unidad de longitud de la perforación. Los datos estadísticos
obtenidos por Davis y Turk (1964), permiten inferir que el caudal
por metro lineal de pozo bajo la zona saturada, disminuye con la
profundidad. Investigaciones por parte de Avias (1967) y Legrand
(1954) permiten llegar a la conclusión de que a los 30 a 50 m de
profundidad bajo la superficie del terreno, las fisuras de rocas
cristalinas y metamórficas, prácticamente no dejan pasar el agua,
o lo hacen en mucho menor medida.
Otro dato obtenido estadísticamente por Davis y Turk (1964) indica
que la media de los caudales suele oscilar entre 60 y 150 m3/día, y
que sólo del 2 al 10% de los pozos suelen dar caudales superiores
a 250 o 300 m3/día.
Relación entre las características litológicas y la composición química de las aguas
La composición química de las aguas de una zona está influenciada
por el ambiente geológico (composición química de as rocas y de
sus productos de meteorización) y por el ambiente hidrológico
(precipitación, evapotranspiración y permeabilidad de los
terrenos). En algunas regiones, las actividades humanas juegan
también, un papel importante. En este trabajo haremos hincapié en
como influyen las características geológicas.
Los principales constituyentes químicos de los minerales que
forman las rocas plutónicas y metamórficas son óxido de sílice,
aluminio, hierro, calcio, sodio, magnesio y potasio. Los productos
de meteorización de los tres primeros son materiales residuales
insolubles que quedan “in situ”, mientras que los de los cuatro
últimos son materiales solubles que son transportados por el agua.
La composición de las aguas no tiene una relación directa con la
composición de las rocas, porque influyen además la velocidad de
degradación de los diversos materiales y de la solubilidad de los
productos de la meteorización. Por ejemplo, los minerales
ferromagnésicos se desintegran más rápido que los feldespatos; los
feldespatos calco-sódicos se meteorizan más rápidamente que los
potásicos. Por eso, frecuentemente, los iones calcio y sodio son
los más abundantes en aguas de regiones con litologías ígneas y
metamórficas. El potasio, si bien es un importantes constituyente
de estas rocas, rara vez se encuentra en concentraciones mayores
de 10 ppm, y esto se debe a que es fijado por las partículas
arcillosas.
En ocasiones, los manantiales termales, bastantes comunes en zonas
de fallas o fracturas, pueden tener una influencia local en la
composición de las aguas subterráneas. Esto se debe a que
provienen de zonas bastante profundas y su composición difiere, de
aquellas aguas que se infiltraron desde la superficie.
En climas húmedos, incluso semiáridos, las aguas subterráneas de
las rocas cristalinas y metamórficas suelen tener un residuo seco
muy pequeño, inferior a 200 a 300 ppm. Se aprecia una relación
entre la composición catiónica y la roca; así en las aguas de
gabros y anfibolitas, habrá mayores concentraciones de calcio y
magnesio que en las de sienitas y granitos. En anión predominante
suele ser el bicarbonato. En general las aguas pueden definirse
como bicarbonatadas, calco-sódicas o bicarbonatadas calco-
magnésicas.
En climas áridos, la situación es diferente. En regiones
desérticas de Brasil se determinaron concentraciones de residuo
seco de entre 1700 y 8000 ppm, con mayores concentraciones en
zonas de menor cantidad de lluvias. En rocas cristalinas y
metamórficas del Sahara, se determinaron aguas de pozos con
residuos secos en concentraciones de entre 3500 a 20000 ppm. En
cuencas cerradas, donde se forman evaporitas sobre un zócalo
cristalino, las aguas subterráneas pueden llegar a tener
concentraciones de entre 250000 y 300000 ppm, llegando a la
saturación. Sin embargo, en otras regiones relativamente áridas,
el residuo seco rara vez sobrepasa los 1500 ppm.
La capacidad de las fisuras o diaclasas para retener organismos
patógenos suele ser inferior a la de los poros de los acuíferos
aluviales, y considerando que son pozos generalmente
superficiales, no es de extrañar que se encuentren contaminados.
Acuíferos de fisura
Los problemas de los acuíferos de fisura radican en la
heterogeneidad que en la enorme mayoría de los casos presentan. Es
muy difícil introducir conceptos como el de permeabilidad o
transmisividad en mazos de fracturas, y mucho menos la compleja
formulación matemática que intenta describir el comportamiento del
nivel piezométrico en el momento de la explotación, que presupone
condiciones de uniformismo en las condiciones de entorno que
claramente no se cumplen en el caso de los acuíferos de fisura.
El hecho más notable desde el punto de vista del agua subterránea
de las rocas “duras” (ígneas y metamórficas) es que carecen de
porosidad (o la misma es muy reducida). Dicho de otra manera, las
rocas “cristalinas” son impermeables, no almacenan ni conducen
ningún tipo de fluido por sí mismas.
Como se dijo anteriormente, la única manera de que el agua
infiltre y se almacene en el seno de las rocas del basamento
cristalino es que éstas hayan adquirido algún tipo de porosidad
secundaria por fenómenos que ocurrieron posteriormente a su
génesis. Existen tres fenómenos por los que una roca particular
sin porosidad primaria, adquiere porosidad secundaria y son: la
disolución, meteorización y la fracturación.
En los primeros centenares de metros de la corteza terrestre las
rocas “duras” tienen la propiedad de comportarse como un rígido.
Ello quiere decir que se fracturarán ante esfuerzos que actúen
sobre la porción del planeta en el que estén emplazadas.
A lo largo de la historia geológica han ocurrido una serie de
eventos tectónicos dando lugar a un conjunto de familias de
fracturas y que eventualmente permiten la acumulación de agua
subterránea en los primeros metros desde la superficie.
La única manera de obtener agua subterránea en un terreno de rocas
“duras” es ubicar una perforación que intercepte una fractura. Por
lo general las fracturas o fallas son verticales a subverticales,
por lo que la ubicación precisa de la perforación es crítica.
Todas las fracturas viabilizan en mayor o menor medida la
circulación del agua subterránea; por lo tanto también serán
conductos para el desarrollo de la meteorización, responsable de
la destrucción de la roca original y neoformación de minerales
estables en condiciones superficiales. Los minerales estables en
la superficie terrestre son por excelencia las arcillas, que
resultan del reacomodamiento de los elementos químicos que forman
a los minerales constituyentes de las rocas originales (ígneas y
metamórficas).
Si las fracturas afectan rocas compuestas por minerales fácilmente
meteorizables, la fractura se verá sellada o taponada con las
arcillas neoformadas. Por el contrario, si las fracturas recortan
a rocas compuestas por minerales poco alterables éstas
permanecerán limpias y abiertas, maximizándose el almacenamiento y
la conducción del agua subterránea.
Para obtener agua subterránea en una región con subsuelo compuesto
por rocas cristalinas, basta con encontrar una fractura que corte
a una roca con composición mineralógica tal que la neoformación de
arcillas sea mínima o inexistente.
Es necesario que las fracturas estén conectadas con el ciclo
hidrológico para que puedan recargarse con agua. Toda el agua
subterránea proviene de la infiltración de la lluvia, y para
llegar desde la atmósfera al subsuelo deberá indefectiblemente
atravesar el suelo.
Las propiedades químicas del suelo y las actividades que se
desarrollen sobre él influirán en la composición química y la
calidad del agua que se infiltrará. El manto de alteración de las
rocas cristalinas en los primeros metros desde la superficie
funciona como un acuitardo que almacena el agua de lluvia y
lentamente la conduce o infiltra a las fracturas subyacentes.
Los lugares de la superficie terrestre donde el agua está durante
mayor tiempo en contacto con las fracturas que afectan el subsuelo
son los cursos de agua superficial: ríos, cañadas y arroyos. Por
lo general en áreas de basamento cristalino los cursos
superficiales están en mayor o menor grado “controlados” por la
red de fracturas del subsuelo. Al estar las rocas duras
fracturadas o rotas, a las cañadas, ríos y arroyos se les vuelve
más sencillo (desde el punto de vista energético) entallarse sobre
las fracturas.
Esto tiene efectos beneficiosos sobre el agua subterránea, ya que
en una red de fracturas que condiciona a cursos superficiales, la
recarga está maximizada.
Podemos decir entonces que estamos frente a un acuífero fisurado,
si encontramos una red de fracturas que afecten a rocas poco
meteorizables y con recarga asegurada.
Podemos observar un esquema de acuífero fisurado en la imagen.
Cuando las fracturas están abiertas y limpias (afectan a rocas de
composición ideal para el almacenamiento de agua subterránea), y
las condiciones de recarga están aseguradas mediante interconexión
con el sistema hídrico superficial, las probabilidades de obtener
caudales satisfactorios en una obra de captación correctamente
ubicada, diseñada y construida son elevadas.
Una vez obtenidos resultados satisfactorios al realizar un pozo en
rocas duras, hay que tener en cuenta que el caudal del mismo,
disminuye inevitablemente con el tiempo. Esta disminución del
caudal va a depender indudablemente de la permeabilidad de la
roca, de las fracturas que intercepte el pozo y de la magnitud de
la recarga del mismo, que en este tipo de rocas es en general,
menor que la explotación.
En las figuras 5, 6, 7 y 8 se presentan distintos casos de pozos
emplazados en rocas cristalinas, y la disminución del nivel (en
función del tiempo) que sufre cada uno de ellos, según la
velocidad de bombeo que se utilice. En todos los casos, se
recomiendan velocidades de bombeo inferiores a 0,3 l/s para que el
descenso del nivel del pozo no sea tan acentuado.
Conclusión
Si bien la extracción de agua subterránea en rocas plutónicas y
metamórficas no es tan eficiente como en rocas sedimentarias, en
algunas regiones donde no existen otras fuentes de este recurso,
se ha convertido en una verdadera alternativa.
Como la capacidad de proveer agua de éstas rocas no depende
exclusivamente del tipo de roca sino del grado de fracturación y/o
meteorización, no puede establecerse un rendimiento estándar de
las mismas. Es por esto que el hidrogeólogo debe analizar
cuidadosamente cada caso, considerando todos los factores que
afectan a la capacidad de éstas rocas de convertirse en un
suministro de agua útil y rentable.
En cuanto a las desventajas más importantes de la implantación de
acuíferos de fisura en rocas plutónicas y metamórficas, hay que
tener especialmente en cuenta las siguientes:
1) Es muy difícil establecer superficies piezométricas regionales.
2) No es rentable perforar a más de 50 o 60 metros de profundidad
en este tipo de terrenos.
3) Es muy difícil predecir el comportamiento del acuífero y de las
obras que lo intercepten.
4) Los resultados de un estudio puntual no son extrapolables (por
la heterogeneidad de estas formaciones).
Bibliografía
1) CUSTODIO, Emilio J. y LLAMAS, Manuel R. “Hidrología Subterránea”,
segunda edición (1983). Ediciones Omega. Barcelona. 1996.
2) GIL MONTES, Juan. “Recursos hidrogeológicos”, en
http://gea.ciens.ucv.ve/geoquimi/hidro/wp-content/uploads/201
1/07/recursos.pdf
3) MOOK, W. G. “Isótopos Ambientales en el Ciclo Hidrológico. Principios y
aplicaciones”. Instituto Geológico y Minero de España, Madrid,
2002.
4) SIN AUTOR. “Acuíferos de fisura” en
http://www.educablogs.org/ingenieriacivil/2011/08/26/acuifero
s-de-fisura/
