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Curso: geomorfologa

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFacultad de IngenieriaEscuela acadmico profesional: INGENIERA GEOLOGICACAPITULO VII: PROCESOS KARSTICOSDocente: Ing. Ronald Smith Mayta RodasQue es Karst y como identificarlo en el campo?.Procesos de desarrollo del Karst.Distribucin de Karst en Per y ubicaciones de minas con respecto a Formaciones Carbonatadas.Movimiento del agua subterrnea en acuferos crsticosMtodos de investigacin en rocas carbonatadas. Resumen de la Presentacin

Karst3

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 producido de un dixido de carbono en la atmsfera, particularmente la capa del suelo. Tpicamente transcurren millones de aos para formar Karst a larga escala.Qu es el Karst? Cmo se forma?DISOLUCIN KRSTICA EN ROCAS CARBONTICAS

http://www.nationalatlas.gov/articles/geology/a_karst.html.

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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 disolucinDixido de carbono en el sueloComposicin de Tetrahedron para rocas sedimentariasCalizas puras: forman mejores sistemas de conducto desarrollado

Clizas arenosas: altas de arena de cuarzo no parecen inhibir el desarrollo del conducto.

Dolomitas: Los conductos pueden ocurrir en dolomitas pero por lo general son menos desarrolladas. Acuiferos de fractura son comunes en las dolomitas.

Shaley Limestones : rara vez forman conductos; generalmente se comportan como acuitardos.

Lime-Cemented DolomiteCALCITEDOLOMITEQUARTZCLAYsandstoneShale and siltstoneLimey shaleMarlShaley limestonesLimestonesSandy limestone7FACTORES 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.

Factor Litolgico

Epikarst ZoneTransmission ZoneExtremely well-drained !!Rock with low rechargeRock with low rechargeFactor Estructural

Factor Climtico

Factor Temporal

Rocas sedimentarias cuyo contenido en carbonatos es superior al 50 %, son susceptibles de sufrir procesos de karstificacin. KARST EN EL MUNDOEl 12 % de la superficie de la tierra.13 KARST EN PERUCerca del 13% de los Andes Peruanos subyacen en terrenos carbonatados susceptibles a la Karstificacin.

Mas del 50% de las minas de metales preciosos y metales base se encuentran en estos terrenos carbonatados que se presentan como depositos de tipo porphyry, skarn, vein and replacement-type deposits.

En Per, un Karst bien desarrollo se puede encontrar en las siguientes formaciones geolgicas: (1) Jumasha, (2) Yumagual, (3) Aramachay (Grupo Pucara), (4) Chambar (Grupo Pucara ), (5) Arcurquina, (6) Santa, (7) Chonta y (8) Socosani.

Carbonate terrainMining project

PROYECTOS EN ROCAS CARBONATADOS (algunos ejemplos)

PROYECTOS EN ROCAS CARBONATADOS (algunos ejemplos)

MANIFESTACIONES EXOKARSTICAS Formas de AbsorcinFormas Cerradas:LapiazDolinaUvalaPoljesValles CiegosFormasAbiertas:SimasPonors (Sumideros)CuevasSurgencias ExurgenciasMANIFESTACIONES ENDOKARSTICAS EstalactitasEstalacmitasCascadaLagoPozoGalera

Karren = Lapiaz= LenarFormas Cerradas

Campo de Karren

GrietasPuntos de disolucin

Pavimentos Karsticos19

Dolina

valaPolje

Spring

Swallow holeDam at karst spring

Polje

Chimeneas KarsticasSimasFormas Abiertas23

CavernaCuevas ~ Grutas ~ Cavernas 24

Surgencias

Karst (simas)Disolucin a los Largo de las las fracturas y fallas .Cavernas111233Ejemplos26Sinkholes (dolina) - Florida

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Formacion de Sinkholes28Sinkholes (dolina) Guatemala

29Movimiento del agua subterrnea en acuferos crsticosRecarga alogenica concentrada de arroyo.Recarga alogenica difusa a traves de roca superficial permeable.Recarga autognica concentrada de depresiones cerradas.Recarga autognica difusaFlujos integradosArroyo de percolacin.

1234Roca superficial5630

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 de infiltracion 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.

Filtracin difusa de los drenajes del epikarst a zonas mas profundasTransporte rpido de agua profunda, drenaje de epikarst32Movimiento de agua subterrnea en KarstExtrema Complejidad Que es lo que causa la complejidad?El Karst es heterogneo y anisotrpicoLa ubicacin de las grietas del Karst y conductos estn generalmente bajo superficieFuerte interaccin entre los sistemas de agua superficial y agua subterrnea; 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.33

Movimiento de las aguas subterrneasMAIN SPRINGDireccin del agua subterrneaBoyle County Kentucky, USARo34

INVESTIGACIONES KARSTICAS HIDROGEOLOGICASPaso 1: Revisin de mapas geolgicos e imgenes satelitales y visita de reconocimientoPaso 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 finalINVESTIGACIONES KARSTICAS 36Paso 1: Revisin de mapas geolgicos e imgenes satelitales y visita de reconocimiento 37Reconocimiento de Campo

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Orthophoto para identificar estructuras karsticasPlant Site39EJEMPLO: Google Earth Karstificacin relacionada con la geologia

40Paso 2: Monitoreo de agua superficial y manantiales. 41

Tipo de Manantiales: 1. Drenaje LibreHanging typically occurring along a bedding plane feature above the water tableContact where the spring occurs at the contact of a less impermeable unit42

Tipo de Manantial : 2. (Reservorio)DammedDammed Cuando una unidad ya sea impermeable, valle aluvial o masa de agua superficial acta como una barrera o represa subsuperficial forzando el agua hasta la superficie.43

Tipo de Manantial: 3. ConfinadoConfined : 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.44Paso 3: Mapeo geolgico y de estructuras krsticas.

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(b)(a)(c)(d)

Lenar (karren).Cavidades de disolucin (disolution pits).Grietas y fracturas (Klint y Grikes).Disolucin a lo largo de fracturas.Rasgos Krsticos: Formas Cerradas

caverna

Sumidero

Dolina

ManantialRasgos Krsticos: Formas Abiertas

Los ejes de karst responsable del drenaje profundo del acufero krstico49

Karst (simas)Disolucin a los Largo de las fracturas y fallas .Cavernas11123350Paso 4: Espeleologa. 51Sistema de caverna carbonatada mas profundo de Sudamrica Ubicado cerca a la mina Yauricocha, PerSima (chimenea)tiene una profundidad de 82m y est conectada con sistemas de caverna no saturados extendiendose a un total de 638mColumnas de agua acida (Laguna Pumacocha)Sima Pumacocha Distrito Yauyos , Peru

Sump (638m)Entrance (0m)

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9.1m Fault direction2.8m5411.2m~15m6m8m~25m55Paso 5: Elaborar un modelo conceptual preliminar de acuferos krsticos.

56Celendin (non-karstic)PariahuancaFormationMINE WASTE DUMPMiddle and Lower Jumasha (karstic)conduitsShafts & SinkholesPotential conduits along faultSWNEUpper Jumasha (non to semi-karstic)HC-1relative elevation of Ayash spring (M-5) 420043004100450044004000390038003700HC-3HC-2Fractured Limestone Aquiferfilled conduitsEpikarst LayerEvans and Letient, 2005Ejemplo: vertedero de residuosen formaciones krsticas5/13/201357

Ejemplo: vertedero de residuosen formaciones krsticas5/13/201358Final tailings elevation6 L/sec7 L/sec Unit 4Unit 3Unit 1Unit 52 times vertical exaggerationPlantPotential perched water table36003700380039004000350034003300WE?Unit 2Karst shafts (unknown depths)Shaley layers????EJEMPLO: Mina de cobre, Per59 Paso 6: Geofsica60

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)6325400Gravity (mGal)PinnaclePinnacleDepression-95.90-96.00-96.10-95.902640026200260002580025600Microgravity DataPinnaclePinnacleDepressionConductivity (mS/m)

0206040Dissolution Cavity ZoneResidual Clay Soil (0-20 m thick)Weathered LimestoneUnweathered LimestoneGeologyPerched water tableEM-31 Data

EM-31 EM and Gravity Surveys64

Seismic Refraction2D Resistivity TomographyAmbos mtodos tuvieron resultados satisfactorios con un alto grado de precisin, pero debemos mencionar resistividad tuvo mejores resultados en cavernas saturados.Ejemplos de ssmica y resistividadcavecavecavecavehttp://www.geofisicos.com

Paso 7: Perforacin de pozos, ensayos de permeabilidad y instalacin de piezmetros.66Perforacin es el nico verdadero medio de determinar:Profundidad de la superficie fretica y piezomtrica, Profundidad del epikarst Presencia de cavernasExiste dificultad para determinar la profundidad ultima del Karst perforando debido al pequeo radio de vaco con respecto a la roca y por su extrema complejidad (es como encontrar una aguja en un pajar)Investigaciones de campo: programas de perforacin

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Instalar tuberias de tipo vertical unicas da una superficie fretica falsaSuperficie fretica verdaderaSuperficie piezomtricaField Investigations Dual Flow Concept and drilling techniquesPiezmetros multi-level son esenciales para proveer gradientes verticalesGeophysics AnomalyGeophysics Anomaly68Once you have the anomalies (e.g. deep surface soils or voids) you would set up your drilling program.Drilling and monitoring well installation programs are the most commonly used approach for assessing ground water flow directions and conducting ground water monitoring. If you only drilled the ridges and not the areas with sinkholes you would get the idea that the phreatic surface was high throughout the site a false phreatic surface would be drawn. In many cases, shallow phreatic levels in karst are typically perched zones.If the bedding is near vertical, you would want to angle your drillholes to intersect the karst feature from the side. By drilling the anomalies (say karst sinkholes) you would determine that the underlying karst features are acting like drains since they would have much lower phreatic surfaces.But thats only part of the story. You need to get deeper piezometers in to determine the vertical gradients on the ridges and within the karst sinkhole areas. Typically you would have vertical downward gradients in the ridges and in the sinkhole areas. Seepage loss potential needs to consider the piezometric surface and not the phreatic surface!

EXAMPLE: Copper Mine, Hydraulic Containment Drilling piezometric levels within plant site saddle

3950390038503800375037004000241856Garrita Fault Zone 1Max.tailings limit 3800m0200m400m??3760Phreatic surface??Cerro CandelariaIntense Faulting27141537603777

3789376237723814 perchedDry37663760DryDry37613777Dry3760Dry3813382238293830High RechargeHigh RechargeLow RechargeABTails69Note 1: 40m is average difference in water level between relatively unfractured blocks and free drainage vertical karst feature, based on 2D modeling of free draining karst shaft and piezometric response in limestone blocksPaso 8: Pruebas de trazadores.70Mtodo de investigacin mas rentableDetermina: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 experimentadoTrazador Colorante

71Trazador Colorante - Inyeccin

Generalmente, para sistemas de karst la sustancia trazadora es inyectada directamente en un sumidero o un arroyo que se 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 de inyeccin.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.72Trazador Colorante - Monitoreo

Field fluorometer data loggerCmo 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 muestra economica 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 rpidosCualitativo proporciona una respuesta positiva o negativa si el trazador viaja a una ubicacion o no.Permite medir 3 trazadores en formasimultnea y turbidezColocando unmuestreador decarbon en elarroyo73

Estimated extension of breakthrough curveEjemplo: Trazador en una Mina de Cobre74

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 ChingLao TseGraciasPreguntas