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HIDROGEOLOGIA DEL KARSTNoviembre, 2012Ronald Mayta
Cajamarca, Peru
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1. Que es Karst y como identificarlo en el campo?.
2. Procesos de desarrollo del Karst.
3. Distribucin de Karst en Per y ubicaciones de minas con
respecto a Formaciones Carbonatadas.
4. Movimiento del agua subterrnea en acuferos crsticos
5. Mtodos de investigacin en rocas carbonatadas.
Resumen de la Presentacin
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Karst
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Que es Karst?
Un tipo de terreno, usualmente
formado en una roca carbonatada
donde el agua subterrnea tiene
aperturas para formar un sistema
de drenaje subsuperficial.
Cmo se forma?
Disolucin a lo largo de los planos
de fractura debido principalmente a
un acido carbnico acido producidode un dixido de carbono en laatmsfera, particularmente la capa
del suelo. Tpicamente transcurren
millones de aos para formar Karst
a larga escala.
Qu es el Karst? Cmo se forma?
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DISOLUCIN KRSTICA EN ROCAS CARBONTICAS
http://www.nationalatlas.gov/articles/geology/a_karst.html.
http://www.nationalatlas.gov/articles/geology/a_karst.htmlhttp://www.nationalatlas.gov/articles/geology/a_karst.html7/28/2019 Hidrogeologa del karst
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El desarrollo de karst en regiones
tropicales es mayor y tiene una
alta evapotranspiracin.
El Per est dentro de una zona
de clima temperado as que el
desarrollo de karst se considera
moderado.
La atmosfera incluye 380 ppm de
CO2 mientras que la actividad
biolgica en suelos puede causar
niveles CO2 que llegue a 50,000
ppm (5%).
Proceso de disolucin
Dixido de carbono en el suelo
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Composicin de Tetrahedron para rocas sedimentarias
Calizas puras: forman mejoressistemas de conductodesarrollado
Clizas arenosas: altas dearena de cuarzo no pareceninhibir el desarrollo del conducto.
Dolomitas: Los conductospueden ocurrir en dolomitaspero por lo general son menos
desarrolladas. Acuiferos defractura son comunes en lasdolomitas.
Shaley Limestones : rara vezforman conductos; generalmentese comportan como acuitardos.
Lime-CementedDolomite
CALCITE
DOLOMITE
QUARTZ
CLAY
sandstone
Shale and siltstone
Limey shale
Marl
Shaley limestones
Limestones
Sandylimestone
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FACTORES CONDICIONANTES
Factor Litolgico : Que existan rocas favorables.
Factor Estructural : Que la estructura geolgica sea la adecuada.
Factor Climtico : Que hayan existido precipitaciones o aportes hdricos.
Factor Temporal : Que el proceso se desarrollase durante el tiempo
suficiente.
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Factor Litolgico
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Epikarst Zone
Transmission Zon
Extremely well-drained !!
Rock with low
recharge
Rock with low
recharge
Factor Estructural
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Factor Climtico
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Factor Temporal
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Rocas sedimentarias cuyo contenido en
carbonatos es superior al 50 %, son
susceptibles de sufrir procesos de karstificacin.
KARST EN EL MUNDO
El 12 % de la superficie de la tierra.
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KARST EN PERU
Cerca del 13% de los Andes Peruanossubyacen en terrenos carbonatadossusceptibles a la Karstificacin.
Mas del 50% de las minas de metales
preciosos y metales base seencuentran en estos terrenoscarbonatados que se presentan comodepositos de tipo porphyry, skarn, veinand replacement-type deposits.
En Per, un Karst bien desarrollo sepuede encontrar en las siguientesformaciones geolgicas: (1) Jumasha,(2) Yumagual, (3) Aramachay (GrupoPucara), (4) Chambar (Grupo Pucara), (5) Arcurquina, (6) Santa, (7) Chontay (8) Socosani.Carbonate terrain
Mining project
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PROYECTOS EN ROCAS CARBONATADOS(algunos ejemplos)
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PROYECTOS EN ROCAS CARBONATADOS(algunos ejemplos)
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ANIFESTACIONES EXOKARSTICASFormas de Absorcin
Formas Cerradas:
Lapiaz
Dolina
Uvala
Poljes
Valles Ciegos
FormasAbiertas:
Simas
Ponors (Sumideros)
Cuevas
Surgencias
Exurgencias
MANIFESTACIONES ENDOKARSTICA Estalactitas
Estalacmitas
Cascada
Lago
Pozo
Galera
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Karren = Lapiaz= Lenar
Formas CerradasCampo de Karren
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Grietas
Puntos dedisolucinPavimentos Karsticos
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Dolina
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vala
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Polje
Spring
Swallow hole
Dam at karst spring
Polje
Polje
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Chimeneas KarsticasSimas
Formas Abiertas
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Caverna
Cuevas ~ Grutas ~ Cavernas
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Surgencias
Ej l
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1. Karst (simas)2. Disolucin a los Largo de las las
fracturas y fallas .
3. Cavernas
1 1 1 2
3
3
Ejemplos
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Sinkholes (dolina) - Florida
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Formacion de Sinkholes
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Sinkholes (dolina) Guatemala
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Movimiento del agua subterrneaen acuferos crsticos1. Recarga alogenica
concentrada de arroyo.2. Recarga alogenica difusa a
traves de roca superficial
permeable.3. Recarga autognicaconcentrada dedepresiones cerradas.
4. Recarga autognica difusa5. Flujos integrados
6. Arroyo de percolacin.
12
34
Roca superficial
56
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El Epikarst es la capa superior de la roca
carbonatada con una concetracin alta de
Karstificacion tambien conocido como Zona
subcutnea.
Usualmente tiene una cobertura de suelo escasa
o limitada por eso incrementa el potencial deinfiltracion y la vulnerabilidad del acuifeor a
contamiancion.
Permite una infiltracion rapida y un
almacenamiento de corto plazo de una gran
cantidad de recarga.
Tipicamente seco durante temporadas secas
extremadamente importante durante la zona de
lluvias para transportar aguas de lluvia.
Bajo la capa de epikarst, los ragos de solucion
son menos frecuentes.
La capa de Epikarst en Peru es de 1 a 10m de
espesor.
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Filtracin difusa de los drenajes del
epikarst a zonas mas profundas
Transporte rpido de agua
profunda, drenaje de
epikarst
Movimiento de agua subterrnea en Karst
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Movimiento de agua subterrnea en Karst
Extrema Complejidad
Que es lo que causa la complejidad?El Karst es heterogneo y anisotrpico
La ubicacin de las grietas del Karst y conductos estn
generalmente bajo superficie
Fuerte interaccin entre los sistemas de agua superficial y aguasubterrnea; produce oscilaciones altas y rpidas del agua
subterrnea
Un transporte de agua subterrnea turbulento, muy rpido
comparado a otros tipos de acufero
Las reas de captacin del agua subterrnea a manantiales
crsticos pueden ser muy diferentes a las captaciones del agua
superficial.
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Movimiento de las aguas subterrneas
MAIN
SPRING
Direccin del
agua
subterrnea
Boyle County
Kentucky, USA
Ro
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INVESTIGACIONES
KARSTICAS
HIDROGEOLOGICAS
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Paso 1: Revisin de mapas geolgicos e imgenes satelitales y visita de reconocimiento
Paso 2: Monitoreo de agua superficial y manantiales.
Paso 3: Mapeo geolgico y de estructuras krsticas.
Paso 4: Espeleologa.
Paso 5:Elaborar un modelo conceptual preliminar de acuferos krsticos.
Paso 6: Geofsica.
Paso 7: Perforacin de pozos, ensayos de permeabilidad y
instalacin de piezmetros.
Paso 8: Pruebas de trazadores. Concepto final
INVESTIGACIONES KARSTICAS
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Paso 1: Revisin de mapas geolgicos eimgenes satelitales y visita de reconocimiento
R i i d C
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Reconocimiento de Campo
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Orthophoto para identificar estructuras karsticas
EJEMPLO: Google Earth Karstificacin relacionada
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g con la geologia
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Paso 2: Monitoreo de agua superficial ymanantiales.
Ti d M ti l 1 D j Lib
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Tipo de Manantiales: 1. Drenaje Libre
Hanging typically occurring along a bedding plane feature above the water table
Contact where the spring occurs at the contact of a less impermeable unit
Ti d M ti l 2 (R i )D d
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Tipo de Manantial : 2. (Reservorio)Dammed
Dammed Cuando una
unidad ya sea
impermeable, valle aluvial omasa de agua superficial
acta como una barrera o
represa subsuperficial
forzando el agua hasta la
superficie.
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Tipo de Manantial: 3. Confinado
Confined : el agua fluye a lo largo de un lecho permeable confinado por unidades
inpermeables y sube a la superficie debido fuerzas hidrulicas del lado descendente
en comparacin con el lado de recarga.
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Paso 3: Mapeo geolgico y de estructuras krsticas.
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R K ti F C d
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(b)(a)
(c) (d)
a) Lenar
(karren).
b) Cavidades de
disolucin(disolution
pits).
c) Grietas y
fracturas (Klint
y Grikes).d) Disolucin a lo
largo de
fracturas.
Rasgos Krsticos: Formas Cerradas
R K ti F Abi t
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a) caverna
b) Sumidero
c) Dolina
d) Manantial
Rasgos Krsticos: Formas Abiertas
Los ejes de karst responsable del drenaje profundo del
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j p j pacufero krstico
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1. Karst (simas)
2. Disolucin a los Largo de las
fracturas y fallas .
3. Cavernas
1 1 1 2
3
3
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Paso 4: Espeleologa.
Sima Pumacocha
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Sistema de caverna carbonatada mas
profundo de Sudamrica
Ubicado cerca a la mina Yauricocha, Per
Sima (chimenea)tiene una profundidad de
82m y est conectada con sistemas de
caverna no saturados extendiendose a un
total de 638m Columnas de agua acida (Laguna
Pumacocha)
Sump (638m)
Entrance (0m)
Sima Pumacocha
DistritoYauyos , Peru
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9.1m Fault direction
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11.2m
~15m
6m
~25m
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Paso 5: Elaborar un modelo conceptualpreliminar de acuferos krsticos.
Ejemplo: vertedero de residuos en formaciones krsticas
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Celendin
(non-karstic)
Pariahuanca
Formation
MINE
WASTE
DUMP
Middle and Lower
Jumasha (karstic)
conduitsShafts &
Sinkholes
Potential
conduits
along fault
SW NE
Upper
Jumasha
(non to semi-
karstic)
HC-1
relativeelevation of
Ayash spring
(M-5)
4200
4300
4100
4500
4400
4000
3900
3800
3700
HC-3HC-2
Fractured
Limestone Aquifer
filled conduits
Epikarst Layer
Evans and Letient, 2005
Ejemplo: vertedero de residuos en formaciones krsticas
Ejemplo: vertedero de residuos en formaciones krsticas
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Ejemplo: vertedero de residuos en formaciones krsticas
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Final tailings elevation
6 L/sec
7 L/secUnit 4
Unit 3
Unit 1
Unit 5
2 times vertical exaggeration
PlantPotential perched water
table
3600
3700
3800
3900
4000
3500
3400
3300
W E?
Unit 2
Karst shafts (unknown depths)
Shaley layers
?
? ?
?
EJEMPLO: Mina de cobre, Per
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Paso 6: Geofsica
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Sondeo de radar (GPR)
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Cavidades
potenciales en
planos paralelos al
perfile ()Courtesy of Geoline S.A.
Courtesy of Geoline S.A.
La mayora de los mtodos geofsicos superficiales puede
aplicarse con xito a detectar fracturas y cavidades.
Normalmente se necesita una combinacin de mtodos
para evaluar adecuadamente los terrenos crsticos.
Sondeo de radar (GPR)
EM and Gravity Surveys
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25400
Gravity(mGal)
PinnaclePinnacle
Depression
-95.90
-96.00
-96.10
-95.90
26400 26200 26000 25800 25600
Microgravity Data
PinnaclePinnacle
Depression
Conductivity(mS/m)
0
20
60
40
Dissolution Cavity
Zone
Residual Clay Soil (0-20
m thick)Weathered Limestone
Unweathered Limestone
Geology Perched water table
EM-31 Data
EM-31
EM and Gravity Surveys
Ejemplos de ssmica y resistividad
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Seismic Refraction 2D Resistivity Tomography
Ambos mtodos tuvieron resultados satisfactorios con un alto grado de precisin, pero debemos mencionar
resistividad tuvo mejores resultados en cavernas saturados.
Ejemplos de ssmica y resistividad
cave
cave
cave
cave
http://www.geofisicos.com
http://www.geofisicos.com/http://www.geofisicos.com/7/28/2019 Hidrogeologa del karst
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Paso 7: Perforacin de pozos, ensayos depermeabilidad y instalacin de piezmetros.
Investigaciones de campo: programas de perforacin
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Perforacin es el nico verdaderomedio de determinar:
Profundidad de la superficie freticay piezomtrica,
Profundidad del epikarst
Presencia de cavernas
Existe dificultad para determinar laprofundidad ultima del Karst perforando
debido al pequeo radio de vaco conrespecto a la roca y por su extremacomplejidad (es como encontrar unaaguja en un pajar)
Investigaciones de campo: programas de perforacin
Field Investigations
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Instalar tuberias de tipo vertical unicasda una superficie fretica falsa
Superficie fretica verdaderaSuperficie piezomtrica
Dual Flow Concept and drilling techniques
Piezmetros multi-level son esenciales para proveer gradientes verticales
Geophysics
Anomaly
Geophysics
Anomaly
EXAMPLE: Copper Mine, Hydraulic Containment Drillingpiezometric levels within plant site saddle
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piezometric levels within plant site saddle
3950
3900
3850
3800
3750
3700
4000
2418
56
Garrita Fault
Zone
1
Max.tailings limit 3800m
0 200m 400m
? ?
3760
Phreatic surface
??
Cerro Candelaria
Intense Faulting
27 14 15
3760
3777
3789
3762
3772
3814 perched
Dry
3766 3760
Dry
Dry
37613777
Dry
3760
Dry
3813
3822 3829 3830
High Recharge High RechargeLow RechargeA B
Tails
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Paso 8: Pruebas de trazadores.
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Mtodo de investigacin mas rentable
Determina: Extension probable de la zona de captura;
Las areas de descarga y recarga principales;
La ubicacin y conectividad de conductos
subsuperficiales (o ruta del flujo de agua
subterranea);
La respuesta del flujo subsuperficial/tiempo de
trnsito.
Tipo de trazadores utilizados:
Sodio fluorecente, eosina, rhodamina WT,
sulforhodamina B, amidorhodamina G, pyranina,
naptoniato de sodio y tinopal.
Sales y otro tipo de trazadores tambin se usan.
Esta prueba debe realizarse por personal capacitado
y experimentado
Trazador Colorante
Trazador Colorante - Inyeccin
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Trazador Colorante Inyeccin
Generalmente, para sistemas de karst la sustancia trazadora
es inyectada directamente en un sumidero o un arroyo quese cree esta conectado con el sistema de conductos
crsticos.
Los sumideros y arroyos de inyeccion estan directamente
conectados al sistema de tuberias subsuperficiales de un
acuifero crstico. Las perforaciones y pozos, en general, rara
vez estn conectados con el sistema de flujo subsuperficial. Antes de inyectar el trazador se debe introducir una cantidad
substancial de agua dentro del sumidero o pozo de
monitoreo (esto no es aplicable en caso de arroyo de
inyeccin). Este flujo de agua ayuda limpiar cualquier residuo
en las cavidades y a lubricar el sistema.
La mezcla trazador/agua es echada en el punto deinyeccin.
Una gran cantidad de agua adicional (ej:, 1000 LIT.) es
inyectada luego de inyectar el trazador para que el trazador
fluya. El agua adicional ayuda a prevenir que el trazador se
quede estancado en `poros y otras obstrucciones.
Trazador Colorante - Monitoreo
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Trazador Colorante Monitoreo
Field
fluorometer data
logger
Cmo se monitorea?
Fluorometros de campo con registrador automatico de
niveles de agua (muestreo contnuo proveyendo curvas y
analisis cuantitativos.
El muestreo de agua y subsecuente analisis de laboratorio
(muestreo discreto) proporciona un BTC menos detallado
pero mas confiable y mas apropiado para pruebas de
trazadores multiples.
Carbon activo (muestreo integrado): es una muestraeconomica y practica para monitorear multiples puntos de
descarga.
Estos mustreadores absorben y retienen los trazadores
con colorante utilizados en la investigacion, y por lo tanto
servir como muestreadores continuos.
Es mas apropiado para ubicaciones remotas y poco
accesibles donde el equipo no puede ser tan facilmente
movido.
Colectado generalmente en intervalos semanales o
mensuales o diariamente en sistemas muy rpidos
Cualitativo proporciona una respuesta positiva o
negativa si el trazador viaja a una ubicacion o no.
Permite medir 3 trazadores en forma
simultnea y turbidez
Colocando un
muestreador de
carbon en el
arroyo
Ejemplo: Trazador en una Mina de Cobre
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Fluorescein Breaththrough Curve for Spring SP7
0
10
20
30
40
5060
70
80
0 10 20 30 40 50
hours
ppb
Estimated
extension of
breakthrough
curve
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Nada hay en el mundo ms blando y dbil que el agua.
Sin embargo, slo ella puede moldear la roca ms dura y
fuerte.
En eso es irremplazable.
Del Tao Te Ching
Lao Tse
Gracias