Capítulo V

EL CICLO DEL AGUA Y SU IMPORTANCIA

El agente directo en la formación de las cavernas es, como he­mos dicho, el agua subterránea, obrera extraordinaria que ha la­brado las maravillas de las galerías del subsuelo, cuyo goteo ha ge­nerado estalagmitas y estalactitas; en el seno hídrico se han origi­nado los cristales que adornan las cuev·as de los países calizos. El estudio del agua es, pues, de gran importancia en el campo de la Espeleología.

LAS CIENCIAS DEL AGUA

Son varias las ciencias que estudian las agi,Ias que se depositan o circulan por la tierra. El nom_t>re de Hidrología, no obstante que etimológicamente significa "tratado del agua" comprende sólo el estudio de las aguas de la litosfera, ya sean superficiales o subte­rráneas y comprende la Potamología (o estudio de los ríos), la Lim­nología (o estudio de los lagos) y la Hidrogeología (que estudia el agua del subsuelo). Se reserva el nombre de Oceanografía al tra­tado de los mares y el de Hidrografía al de las condiciones físicas y químicas de las aguas marinas.

La hidrogeología surge a partir de la hidráulica de las corrien­tes superficiales o hidrología, como consecuencia de la necesidad que tuvo el hombre de aprovechar más racionalmente los recursos del agua subterránea. Sin embargo, dadas las características específicas de los macizos calcáreos horadados por cavernas y otros conductos . subterráneos, y las leyes particulares que rigen el movimiento de las aguas en aquéllos, surge la hidrogeología cársica como una rama especial, a partir de los trabajos de J. Cvijic publicados en 1893, por lo que estamos ante una ciencia relativamente joven, que como . tal está en pleno desarrollo.

El ciclo hidrológico se puede generalizar en varios pasos: preci­pitación de las lluvias sobre la · superficie t errestre; infiltración de

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una parte de dicha ·agua; escurrimiento superficial de .otra parte del agua precipitada; evaporación de otra porción de las lluvias y aguas del escurrimiento superficial; y condensación del vapor de agua en las nubes como premisa para que ocurran nuevas precipitaciones y se ·desencadene un nuevo ciclo (Fig. 20).

EL CICLO DEL AGUA Y LA GENESIS DE LAS CUEVAS Y CARSOS

Veamos ahora cómo incide dicho ciclo en la génesis de las ca­vernas y formas cársicas.

Comencemos por el ~gua, que en forma de vapor y condensacio­nes se encuentra en la atmósfera formando las nubes. Cuando las condiciones climatológicas lo permiten, estas aguas se precipitan y se distribuyen en las regiones terrestres, sobre las aguas interiores continental-insulares y sobre la superficie de los océanos.

Las aguas .Precipitadas sobre los océanos, con el tiempo pueden volver a evaporarse y regresar a la atmósfera. Lo mismo puede ~u­ceder con las aguas precipitadas sobre lagos y ríos, pero su historia puede ser algo más compleja. En algunos casos, estas aguas se in­filtran parcialmente hacia el'Subsuelo para iniciar un derrotero que posteriormente estudiaremos. Las q.guas caídas sobre la superficie terrestre pueden recorrer distintos caminos: una parte se evapora y regresa a la atmósfera Q es absorbida por algunas plantas y transpi­rada . de regreso a la atmósfera; otra parte impregna el suelo y la superficie de las rocas y, por esta vía, se infiltra al subsuelo. El agua restante corre por la superficie '·del terreno en forma . de co­rrientes sin cauce, torrentes y ríos. Estas aguas pueden desc~rgar al mar o a un lago, evaporarse parcialmente o ir a parar a sumide­ros o cavernas por donde se infiltran hacia el subsuelo. Estas son las maneras en que el agua alcanza el subsuelo ..

El pro( ~so de infiltración del agua hacia el subsuelo ocurre en dependencia de la potencia del suelo, su permeabilidad y la de las focas subyacentes. Si el suelo es potente y poco permeable, la can­tidad de agua que se infiltrará será muy limitada, no así en caso que el suelo sea permeable, pues -entonces las aguas lo atravesarán con rapidez y será mucho mayor la porción de ellas que alcance el subsuelo. En el proceso de infiltración, las aguas se enriquecen en co2 y ácidos orgánicos si el suelo contiene ' bastante humus.

Cuando las rocas · están desprovistas de cobertura vegetal, el gra­do de infiltración de las aguas dependerá del microrrelieve super­ficial, de la porosidad de las rocas, de la densidad del agrietamiento abierto, de la existencia de sumideros1 en síntesis, de la permeabilidad del macizo.

Si la superficie de las rocas es lisa, la cantidad de agua que se infiltre será menor. En el caso de las rocas carsificadas con su

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intenso microrrelieve de casimbas y dientes de perro, se dificultará el escurrimiento de las aguas y aumentará la posibilidad de infil­tración. En general, las aguas que llegan directam~nte de las pre­cipitaciones hasta estas zonas desprovistas de vegetación, solamente tienen el co2 que han sido capaces de absorber de la atmósfera.

Una vez que el agua ha llegado al dominio del subsuelo (Fig. 21), comienza su movimiento descendente por una zona que se · denomina de aereación, la que se humedece después de las precipitaciones o en caso de estar situada bajo un depósito de agua casi permanente (un lago o un río). Las aguas . vadosas circulan por efecto de la grave­dad, verticalmente o con diversa inclinación, aprovechando los con­ductos naturales de las rocas (grietas, estratos, etc.). Entre los lí­mites de la zona de aereación, pueden existir capas de rocas poco permeables o estructuras favorables para la acumulación de aguas, donde se forman los llamados "acuíferos colgantes". Las aguas va­dosas llegan hasta un nivel donde se forma una acumulación de aguas . subterráneas o manto acuífero, dentro de cuyos límites la circula­ción se establece horizontalmente. Por lo general, cuando las rocas son poco permeables, la diferenciación entre la :;o;ona de aereación y el manto acuífero es precaria, sobre todo en rocas arcilloso-mar­gosas. En el caso de las rocas agrietadas no porosas, las aguas va­dosas circulan a través de las grietas hasta el manto acuífero y allí se acumulan en los espacios entre las grietas, lo que es común en los macizos de rocas ígneas. El ejemplo de los acuíferos cársicos lo analizaremos más adelante.

En cualquiera de los casos destacados, las agu.9-s fre4ticas pro­pias de los mantos acuíferos circulan lateralmente hacia las zonas

.de drenaje, que pueden ser corrientes fluviales, lagos o el mar, por cuya vía pueden ser evaporadas y conducidas a la atmósfera. En este sentido, se puede precisar que todo sistema de aguas subterrá­neas presenta una zona de alimentación (por donde recibe las aguas), una zona de saturación o manto acuífero (donde se almacenan las aguas) y una zona de drenaje (por donde> las aguas abandonan el manto acuífero).

Como hemos destacado en todos los casos, las distintas aguas son evaporadas en diverso grado y regresan a la atmósfera, donde al acumularse en las nubes crean las premisas para que comience un nuevo ciclo hidrológico.

Como resultado del análisis previo, hemos reconocido dos tipos de aguas subterráneas de gran importancia para la espeleogénesis: las vadosas y las freáticas.

AGUAS V ADOSAS

Las aguas vadosas son las que circulan en dirección descendente vertical o con alguna inclinación, por efecto de la gravedad. Pro-

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vienen de la infiltración directa de las precipitaciones y, en conse­cuencia, tienen un carácter no permanente con variaciones estaciona­les. En Cuba son más frecuentes entre los meses de mayo y no-· v1embre,. durante la temporada lluviosa, y alcanzan caudales excep­cionales en relación con huracanes pluviosos como los que ocurren entre los meses de julio y noviembre. Pueden dar lugar a las ca-

'"nas verticales y subverticales (furnias, dolinas, cuevas fusiformes, el...;.) (Fig. 22).

AGUAS FREATICAS

Las aguas freáticas son las que constituyen los embalses subte­rráneos, cuencas S!lbterráneas o mantos acuíferos, como también se les conoce. Fluyen en sentido horizontal o subhorizontal desde las áreas de alimentación hacia las zonas de drenaje de las cuencas subterráneas. Su volumen depende de muchos factores, pero prin­cipalmente de la cantidad de agua vadosa que llega a la superficie del manto acuífero. Pueden dar lugar a las cavernas subhorizonta­les y horizontales del subsuelo.

LAS PRECIPITACIONES

Como las precipitaciones son el agente que desencadena el cicio hidrológico y los proyesos que nos interesan, será de grán importan­cia estudiar la dependencia entre el régimen pluvial y los regíme­nes de las aguas superficiales y subterráneas. En este sentido po­demos formular la ecuación del balance hídrico de una cuenca hidro­lógica de la manera siguiente:

Q precipitación = Q escurrimiento + Q evaporación + Q infiltra-ción (1)

o lo que es lo mismo, el volumen de precipitaciones en una cuenca es casi igual al volumen del agua corriente (escurrimiento superfi­cial) sumado al volumen del agua que se evapora desde la cuenca, más el volumen que se infiltra al subsuelo. Todos estos valores se determinan experimentalmente utilizando · pluviómetros, estacio­nes de aforo, evaporímetros y lisímetros respectivamente, ·y sobre esta base se establece y ajusta la fórmula de balance hídrico de cada cuenca hidrológica (superficial) o hidrogeológica (subterránea).

Al utilizar la fórmula de balance hídrico, se determina que existe una dependencia directa entre el volumen de agua infiltrada en una cuenca subterránea y el volumen de las precipitaciones. Por lo tanto, el régimen de las aguas subterráneas estará fuertemente condicionado por el régimen de las lluvias. Esto se conoce bien por la experiencia acumulada durante el estudio de nuestras cuen­cas subterráneas. Por ejemplo, una indicación de la cantidad de agua acumulada en los mantos acuíferos, es la profundidad de las

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aguas con respecto a la superficie del terreno. Las mediciones realizadas durante varios años indican que en el período hidrológico lluvioso la superficie de las aguas siempre está situada a menor pro­fundidad que durante el período seco, y que después de una intensa lluvia disminuye la profundidad del manto acuífero. Estas oscila­ciones ocasionales, estacionales e hiperanuales del nivel de las aguas subterráneas, en el caso de los macizos carsificados, tienen ·una gran importancia como agente formador de cavernas.

Al tomar como base los conocimientos adquiridos sobre el movi­miento de las aguas subterráneas, podemos establecer la fórmula del bal;:mce hídrico subterráneo para una cuenca· hidrogeológica, cu­yo aspecto sería el siguiente:

Q tortal ~ Q estático + Q dinámi,co (2)

Es decir, el volumen total de las aguas subterráneas de una cuen­ca (Qtotal) está dado por la suma de las aguas que se mantienen estáticas en la cuenca (Q estática) más las aguas que están en mo­vimientó o volumen dinámico (Q dinámico). Para los hidrogeó­logos, el volumen dinámico tiene gran · importancia, lo mismo que para los carsólogos, pues representa el caudal de agua que circula a través de la cuenca durante un tiempo dado para los cálculos: un año. El volumen dinámico, de hecho, es casi igual al volumen de agua infiltrado en un año . y también es casi igual al volumen de agua que drena de la cuenca en un año. En términos matemáticos:

Q dinámico ~ Q infiltración ~ Q drenaje (3)

Las aguas del volumen estático son aquéllas que quedan en la cuenca cuando el nivel del manto acuífero yace por debajo del nivel de las zonas de drenaje. Para imaginarnos esto, supongamos que la cuenca subterránea es una gran piscina (Fig. 123). La zona de ali­mentación será igual a la superficie de la piscina, por donde se lle­nará gracias a las precipitaciones atmosféricas. Sin embargo, des­de la superficie de la piscina hasta los dos metros de altura sobre el fondo, hay una serie de oquedades por las cuales el agua puede escapar. En estas condiciones, las aguas de lluvia se irán acumulan­do en la cuenca hasta alcanzar el nivel de las oquedades. Al llegar a esta altura, las aguas habrán completado las reservas estáticas o volumen estático de la piscina (cuenca) que dependerá de las dimen­siones de la misma (en la naturaleza de las dimensiones de la cuen­ca}. Los volúmenes sucesivos de agua procedentes de las precipita­ciones comenzarán a sobrepasar el nivel de las oquedades de las paredes de la piscina (alcanzan la zona de drenaje) y se escaparán a través de ellas. Toda el agua que logre mantenerse por encima del nivel de las oquedades estará en movimiento y constituirá el volumen dinámico, que dependerá directamente del régimen de pre­cipitaciones. Al cabo de un año, el volumen de agua que haya caído

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en la piscina y drenado por las oquedades será igual al volumen dinámico.

Al utilizar el ejemplo de la piscina, podemos adentrarnos también en un aspecto interesante del régimen de las aguas subterráneas, y es la relación entre el volumen de l?s precipitaciones, el nivel de las aguas subterráneas y el volumen de drenaje. Por lo general, al caer un volumen Q¡ de agua en la piscina {cuenca), el nivel de las aguas alcanza una profundidad H1. En este caso, el valor de H1 depen­derá de Q 1 en primera instancia, pues en un tiempo breve, la altura que alcancen las aguas subterráneas dependerá solamente de la velo­cidad con que se infiltr.en las procedentes de las precipitaciones. Sin embargo, en un lapso más largo, el valor de H1 disminuirá en la medida en que el agua salga de la cuenca, lo que depende de la velocidad de drenaje.

Dicho con otras palabras, la rapidez con que el nivel del manto freático se eleva después de infiltrada una cantidad de (lSUa Q¡ producto de las precipitaciones, dependerá de la velocidad con que se mueven las aguas desde la superficie del terreno hasta el manto acuífero. Por otra parte, el tiempo necesario para que esta canti­dad de agua Q¡ sea· drenada -por la cuenca dependerá de la velocidad con que se mueva el agua hacia las zonas de drenaje. Esta veloci­dad es lo que los hidrogeólogos denominan permeabilidad, término q1.1e hemos utilizado ~ntes sin explicarlo y se representa en metros por día.

Para lós carsólogos y espeleólogos la permeabilidad de las rocas carsificadas es un índice del grado de carsificación del macizo, pues está claro que las aguas se moverán a mayor velocidad por el me­dio rocoso, en la medida que haya mayor número de oquedades en el mismo, ya sean poros, grietas o cavernas, independientemente de otros factores.

-EL MOVIMIENTO DE LAS AGUAS EN LOS MACIZOS CARSICOS

Hasta el momento, hemos estudiado los aspectos más generales de la interacción agua-roca, en lo que respecta al problema físico­químico, así como en el aspecto hidrogeológico. Sobre esta base nos proponemos ahora estudiar las particularidades del movimiento de las aguas por los macizos rocosos carbonatados y los patrones de carsificación a que dan lugar. Dic{lo en otras palabras, estudiare­tilOs los principios hidrodinámicos de la formación de cavernas.

Una roca carbonatada por . lo general está agrietada y puede o no presentar porosidad primaria. Si se trata de una roca agrietada no porosa, las aguas subterráneas se moverán a través de las grietas, preferentemente por los sistemas más abiertos y orientados casi pa­ralelos al rumbo de la corriente. En el ejemplo de la zona de aerea­ción, las aguas de infiltración (vadosas) tomarán con preferencia

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el camino de las grietas verticales y subverticales y , en menor grado, impregnarán las grietas horizontales y subhorizontales. En este aspecto, la permeabilidad de la roca aumentará más rápidamente y será mayor en sentido vertical que en sentido horizontal, desarro­llándose según un patrón fuertemente anisótropo. Dadas estas cir­cunstancias en que ocurre el flujo acuoso, las cavernas en la zona de aereación tienden a ser verticales o subverticales, y en mucho me­nor grado, horizontales o subhorizontales. La orientación precisa de los ·sistemas cavernarios se puede deducir del estudio del agrieta­miento del macizo y de la determinación de las direcciones donde ocurre la intersección entre los sistemas verticales y subverticales de grietas. (Fig. 24 ). Las cavernas que se forman en la zona de aerea­ción según el patrón descrito, se clasifican como de origen vadoso (Núñez Jiménez. 1967).

En el ejemplo de las rocas agrietadas y porosas. las aguas de in­filtración en la zona de aereación tienen más faci.lidad para fluir pre­ferentemente hacia abajo, pero se establee~ una modalidad de este proceso. Un cierto volumen de agua fluirá por los poros a una ve­locidad inferior al volumen de agua qu e fluye por las grietas abier­tas verticales y subverticales. De esta manera. se produce una carsificación más completa y compleja del macizo rocoso. aunque siempre habrán de predominar las formas de conducción verticales y subverticales, y la permeabilidad en esta dirección será mayor que en la horizontal. A las cuevas formadas en este medio se les de­nomina también vadosas (Núñez Jiménez, op. cit .).

En la zona situada preferentemente por debajo del nivel del manto acuífero, es decir. en la zona de saturaci:'Jn casi permanente , la carsificación de las rocas también dependerá de los factores ante­riormente analizados (Fig. 21 ). Si el macizo está agrietado y no es poroso, las aguas que se mueven p :eferentemente en sentido ho­rizontal, provocarán la ampliación de las grietas abiertas a favor del rumbo de las aguas, sin dejar de actuar sobre aquéllas que atravie­san dicho rumbo en otras direcciones. En consecuencia, se formará un sistema más homogéneo de conductos cársicos, con una tenden­cia a que los más amplios y prolongados se sitúen en un rumbo pa­ralelo a la dirección de la corriente subterránea. En este sentido, existen las condiciones para que la permeabilidad horizontal no sea homogénea en todas direcciones, y que en general llegue a ser mayor que la permeabilidad vertical. Para determinar la dirección prefe­rente d e las cavernas en este caso, será necesario estudiar el agrie­tamiento del macizo, las direcciones de· intersección de las grietas subhorizontales entre sí y de las subhorizontales con las subvertica­les, así como la dirección de la corriente subterránea. Al estable­cerse un flujo disperso por las grietas de diversas dimensiones, se crean las condiciones para que las aguas alcancen diverso grado de saturación, y al mezclarse, se produce el e fecto de las mezclas de agua a que nos hemos referido antes, aumentando el grado de disolu-

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c1on. De tal manera, las grietas de intersección entre sistemas de fractuns con distinto rumbo, donde ocurre con preferencia la mezcla de aguas, son los lugares de mayores posibilidades teóricas para que se desarrolle la carsificación.

En los macizos rocosos agrietados y porosos situados en la zona de saturación, la carsificación ocurrirá de una manera mucho más integral, aunque siempre habrá una dirección preferente para el de­sarrollo de los conductos principales a lo largo de las grietas para­leras al rumbo de la corriente subterránea. Aquí se establece un flujo binario o bimodal de las aguas: uno de primer orden a lo largo de las grietas paralelas y de rumbo próximo a la din.cción de la corriente, y un flujo de segundo orden, que aprovecha los poros de la roca. En estas condiciones, el efecto de la mezcla de aguas es más complicado, pues ocurre entre el agua que fluye por los poros y el agua que circula por las grietas y entre las aguas que fluyen por distintas grietas y se mezclan en las líneas de intersección. La permeabilidad de estos medios es más intensa, pero presenta una gran anisotropía, es decir, es muy variable en distancias cortas y en distintas direcciones. Las cavernas originadas en la zona de satu­ración de las aguas subterráneas, independientemente del agrieta­miento o porosidad del medio, . se clasifican como freáticas (Núñez Jiménez, op. cit.).

Como ya hemos visto, el nivel de las aguas subterráneas no es es­tático y presenta oscilaciones ocasionales, estacionales e hiperanua­les. En la zona de oscilaciones del nivel freático, entre su nivel máximo y mínimo, ocurren condiciones especiales de circulación de las aguas subterráneas (Fig. 21). En esta zona se desarrolla la más completa carsificación del macizo, con .cavernas tanto horizontales como verticales y de rumbos intermedios, como resultado del movi­miento vertical y horizontal de las aguas subterráneas. Las caver­nas generadas en esta zona. son vadoso-freáticas pues están influidas por ambas corrientes de agua.

En las regiones montañosas surcadas por corrientes fluviales , las aguas precipitadas en las elevaciones calizas agrietadas con o sin po­ros, tienden a moverse en sentido descendente hasta alcanzar la zona de saturación. En algunos casos, la existencia de planos de agrie­tamiento subhorizontales o capas impermeables de semejante orien­tación. provoca que las cavernas tengan un perfil longitudinal con­vexo en su techo. Por una parte, los conductos son subverticales y por otra, subhorizontales, y brotan en lo alto de las paredes de las elevaciones cársicas. Estas cavernas son vadosas, pues se forman del mismo modo que si estuvieran en la zona de aereación de un man­to acuífero cársico. En ausencia de planos subhorizontales que in­tersecten el flujo vertical de las aguas, éstas alcanzan el manto freático y fluyen rápidamente hacia el río. que es una zona de dre­naje muy activa. En este caso, por debajo del nivel de las aguas subterráneas se formarán cavernas, subhorizontales condicionadas al

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flujo de las aguas hacia el cauce fluvial. Esta será una zona de gran permeabilidad, S()bre todo cerca. del cauce y las cavernas serán de origen freático-fluvial. La modalidad del proceso de carsifica­ción freático-fluvial hace que las cavernas se formen raramente por debajo del nivel del cauce del río.

La existencia de fracturas importantes, como las fallas, a menudo crea las premisas para el desarrollo especial de la carsificación a lo largo de ellas. Tal carsificación puede tener dos orígenes p r inCipa­les. En el primer caso, a lo largo de las fallas, las aguas se ·infiltran con mayor facilidad y se forma una serie de cavernas verticales, sumideros y dolinas, en la zona de aereación. En el segundo caso, ocurre que la falla corta un manto acuífero con presión y a lo largo de ella surge una serie de manantiales que originan la carsificación de las rocas en el entorno de las fallas. Así podemos tener una car­sificación de fractura con drenaje descendente o ascendente según el caso (Skwaletski e Iturralde-Vinent, 1970). (Fig. 25) .

Al estudiarlos en detalle, para llegar a manejar bien . los con­ceptos anteriores, el espeleólógo puede disponer de una base teórica para analizar las perspectivas de existencia y desarrollo de las caver­nas en un macizo determinado. Estos conceptos se derivan del co­nocimiento de las leyes del movimiento de las aguas subterráneas en los medios cársicos, así como del estudio del origen de las cavernas y demás accidentes subterráneos.

Fig. 20

@ f 1 1

1 1 1

ll•reo;pitao;ó,

,.

~

evo potranspiración

\~,

condensación

<1====1 ~

evaporación

rr : 1 1

::=- - -=- - ___::.-- --- --

Representación esquemática del ciclo del agua.

AGUAS VADOS AS

_ ~erficj_e _del _a~uilfr.Q. _ell.. _vt.rQ.Do_ __ _

AGUAS VADOSO- FREATICAS

_ S..Y.Pe.Lfi,ge_d.§.l _a~ult.ea> _ tm _j~ieLn.Q..

AGUAS FREATICAS

Fig. 21

Zonas y tipos principa les de aguas subterráneas.

ZÓNA

DE

AEREACION

-----.,..--ZONA DE

OSCILACIONES

ZONA

DE

SATURACIÓN

Fig. 23

LLUVIAS

.rill\\l'Wi\ID\X

VOLUMEN ~ - e> DINÁMICO --- ~

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VOLUMEN ESTATICO

Modelo del funcionami.ento de un acuífero cársico visualizado como una piscina.

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