sábado, 3 de octubre de 2009

HIPÓTESIS DE FORMACIÓN DE LAS GRANDES SIMAS: LA TERCERA FASE.

Marius van Heiningen
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INTRODUCCIÓN.

Hace unos años Ivo Baron realizó un amplio estudio de los numerosos pozos que se encuentran en una elevada meseta en el sur de Eslovaquia. Su modelo de la génesis de estas simas no coincide en nada con mi hipótesis de la formación inicial de grandes simas. En la primera parte de este artículo se resumen las observaciones y el modelo de génesis propuesto por Baron, seguido por un resumen de mi hipótesis.
La segunda parte del artículo está dedicada a demostrar que el modelo y la hipótesis de grandes simas no son conflictivos, pero que en realidad son parte de un mismo esquema evolutivo. Los pequeños pozos del modelo de Baron aparecen en la tercera fase del desarrollo de un gran pozo. Las primeras dos fases son la formación de un conducto principal por un evento de ruptura y el establecimiento de un sistema de desagüe rápido.


LAS OBSERVACIONES DE BARON.

La zona estudiado por Baron es la Meseta de Dolny Vrch, una elevación de roca caliza con unas dimensiones de 15 km de largo y de entre 1 y 7 km de ancho. Esta meseta se encuentra alrededor de 400 metros por encima de los ríos locales y unos 350 metros sobre el nivel freático. Su superficie es ligeramente irregular con altos aislados, separados por dolinas. El diámetro de estas suelen ser de entre 50 y 150 metros, aunque las más grandes llegan hasta los 300 metros.


La figura 1A muestra la semejanza de la forma de un pozo característico a un triángulo rectángulo. La figura 1B muestra las zonas características de un pozo.

En total han encontrado 211 simas, de las cuales muy pocas tienen más de 100 metros de profundidad. De todos estos pozos ninguno conecta con cuevas horizontales o con la zona freática. La mayoría de las simas tienen unas características típicas que son las siguientes:
Los pozos son relativamente estrechos y profundos y en alzado tienen forma de un triángulo rectángulo, con la entrada como parte más estrecha y el fondo como parte más ancha (figura 1A). Las simas encontradas recientemente, es decir por excavación humana de la cabecera que se encontraba por debajo del suelo, no suelen tener bloques en el suelo. Las simas con grandes entradas suelen tener mucho relleno de bloques, tierra y material orgánico, que tapan por completo el fondo original.
Los pozos se han formado por fisuras principales sub verticales y la inclinación suele ser entre 70 y 90 grados (con la horizontal). Su génesis está dominada por solo una fractura principal o por la intersección de 2 fracturas principales, pero no por zonas de breccias o otras zonas intensamente fracturadas. Por las paredes suele bajar cierta cantidad de agua, pero esta no tiene una relación fija con la profundidad del pozo, es decir que no siempre el flujo es máximo en el fondo.
Especialmente en las simas excavadas se han podido estudiar las formas de disolución de la roca, porque en ellas todavía no hay deposición de travertino (estalactitas, estalagmitas, etc), ni fondos llenos de sedimento, obscureciendo las posibles observaciones. En la parte más baja de la pared sobresaliente se suele encontrar pequeñas formas parecidas a los golpes de gubia, que probablemente se han formado por la disolución de una fina capa de agua que baja por la pared. En la parte más alta de la pared sobresaliente se puede encontrar redes de venas salientes, indicando disolución por condensación (figura 1B). En las paredes (casi) verticales se encuentran largos “canalones” verticales de una anchura de varios decímetros y de decenas de metros de largos, indicando disolución y erosión por gotas de agua cayendo. En el fondo del pozo el agua desaparece en estrechas fisuras impenetrables para el hombre, y en ningún caso se han encontrado cuevas (sub) horizontales.
En la pared de una cantera local se puede ver el fondo de una sima, con sus conductos de drenaje incluido (figura 2).
Durante 10 años han medido la concentración de CO2 en el aire de varios pozos y la regla general es que con más profundidad aumenta la concentración. Han determinado que este CO2 proviene de procesos biológicos, probablemente del suelo y de material orgánico que se pudra en el fondo de la sima.


La figura 2 muestra una pared de una cantera donde se ve claramente los conductos de drenaje que empiezan en el fondo del pozo. Normalmente estos son inaccesibles debido a sus reducidas dimensiones. Figura adaptada de una foto de Ivo Baron (2003).


EL MODELO DE DESARROLLO DE SIMAS DE BARON.

Después de estudiar todos estos datos Baron ha propuesto el siguiente modelo (figura 3):

Estadio de pozo embriónico (A): El agua del epikarst baja por las fisuras principales verticales, que funcionan como conducto de evacuación. Como el flujo es concentrado justo en la base del epikarst, es desde aquí hacía abajo donde más roca se disuelve y donde la fisura se ensancha. El resultado es un estrecho pozo embriónico, sin salida hacia arriba. El proceso de disolución es por medio de una fina capa de agua que baja por las paredes (o por inundación total en época de crecidas)

Estadio de pozo joven (B): Cuando las dimensiones del pozo aumentan, las gotas empiezan a caer. Como el aire dentro del pozo tiene un alto porcentaje de CO2 (no hay conexión hacia fuera para diluirlo) la gota obtiene mucha capacidad de disolución, y donde cae al fondo se forma una depresión. De este modo se profundiza la sima y los “canalones” son la marca en la pared que ha dejado esta depresión en su camino hacia abajo. La pared sobresaliente al otro lado del pozo representa la posición de la fisura. Es decir que si esta fisura es casi vertical el pozo será muy estrecho y si es menos vertical el pozo será más ancho. En este estadio la velocidad de desarrollo es máximo.


La figura 3 muestra los 5 estadios de desarrollo de una sima (A hasta E). También está indicado el nivel del agua en el epikarst (1), la zona del epikarst (2), y la altura original del suelo (3).

Estadio de apertura del pozo (C): Los pozos también crecen hacia arriba, especialmente por disolución de condensación (muy marcado en invierno), y en combinación con la denudación (rebaja de la superficie por erosión y disolución) resulta en la formación de una apertura al exterior. Antes de que la apertura llega a abrirse de todo se puede notar una pequeña depresión en el suelo, lo que explica los hallazgos de pozos totalmente tapados.

Estadio de maduración (D): Con la apertura del pozo hacia el exterior el nivel de CO2 baja considerablemente, lo que influye negativamente en la disolución de la roca. En este estadio existe tanto una disolución de roca (disminuida respecto al estadio C, pero máxima en épocas de lluvias), como una deposición de calcita en forma de travertino. Según las circunstancias el pozo sigue ampliando en mayor o menor medida. En este estadio el pozo obtiene su máximo volumen.

Estadio de relleno (E): Con el tiempo la superficie sigue bajando erosionando la parte alta de la sima. Gran parte de los bloques erosionados acaban en el fondo del pozo rellenándolo. Esto explica que los pozos abiertos son de mayor apertura (la parte baja tiene mayor diámetro) y porque están llenos de sedimentos (tapando los conductos de drenaje).


RESUMEN DE LA HIPÓTESIS DEL DESARROLLO INICIAL DE GRANDES SIMAS.

Después de explicar el modelo de formación de simas propuesto por Baron, vamos a intentar de averiguar donde encaja en mi hipótesis del desarrollo inicial de grandes simas. Para refrescar la memoria doy aquí un resumen de esta hipótesis, aunque el artículo entero se puede encontrar en el artículo original.
El punto de partida de esta hipótesis es el centro de un altiplano de roca carbonatada (caliza o dolomita) que está fracturada tectónicamente, pero sin ningún grado de karstificación. Estas fracturas se conectan entre ellas y están anegadas de agua, es decir el nivel freático llega hasta la superficie. Algunas fracturas llegan hasta una zona de alta permeabilidad (por ejemplo una cueva) que se encuentra a gran profundidad (cientos de metros). Esta zona funciona como drenaje para estas fracturas profundas (las vacía desde abajo). Todas las fracturas se ensanchan lentamente, porque el agua que pasa por ellas disuelve poco a poco la caliza de sus paredes. Las fracturas por donde más agua pasa, son las fracturas que más rápido se ensanchan. Estas son las fracturas que tienen conexión con la zona de alta permeabilidad. Inevitablemente llega el momento que una fractura se ha ensanchado tanto, que puede evacuar tan rápido todo el agua que recibe (evento de ruptura) que estará vacía la mayor parte del año, esto es la primera fase de la hipótesis. Es a partir de este momento que desde las fracturas vecinales empieza a fluir agua hacia esta fractura vacía (conducto principal) por estrechas fisuras con un componente más horizontal (fisuras de conexión). Estas fisuras tienen un gradiente hidráulico muy alto y se ensanchan muy rápido hasta que dejan pasar todo el agua de una fractura vecinal hacia el conducto principal, de este modo aumentando el área de recarga (área de recogida de la precipitación) del conducto principal. Este sistema de fisuras ensanchadas que desaguan hacia un solo conducto lo he llamado sistema de desagüe rápido.


La figura 4 muestra la situación del pozo principal y la localización del “plato” que indica el sistema de desagüe rápido maduro.

Las primeras fisuras de conexión que llegan al evento de ruptura deben de tener un gradiente hidráulico alto y al mismo tiempo no pueden ser demasiado estrechas. Estas fisuras se encuentran probablemente hacia la mitad de la zona de liberación de presión, es decir a una profundidad de alrededor de los 50 metros. Las fisuras que están por encima se quedan inactivas, pero las fisuras que se encuentran por debajo siguen activas (aunque la velocidad de ensanchamiento ha bajado por la disminución de la presión hidrostática) y finalmente también llegarán a un evento de ruptura. Este proceso de profundización de las fisuras de conexión activas ralentizará mucho cuando llega a la base de la zona de liberación de tensión, porque desde aquí hacia abajo las fisuras son muy estrechas. Finalmente el conducto principal recibe todo su caudal de las fisuras de conexión situadas en la base de la zona de liberación de presión y desde aquí hacia abajo se formará una gran sima o sistema de simas. El establecimiento de un sistema de desagüe rápido es la segunda fase de la hipótesis. El nivel freático ha bajado desde la superficie hasta la base de este sistema.


LA RELACIONAN ENTRE EL MODELO Y LA HIPÓTESIS.

A primera vista el modelo de desarrollo de simas propuesto por Baron no parece en nada a la hipótesis del desarrollo inicial de grandes simas. La razón está claro: no se trata de la misma clase de simas. El modelo de Baron trata de relativamente pequeños pozos situados dentro de la zona de liberación de tensión, mientras mi hipótesis se trata de grandes simas formadas a partir de la base de esta zona hacia abajo. Sin embargo, ambos tipos de pozos son compatibles y se pueden unir en un solo modelo. Hay que visualizar que el gran pozo inicialmente se encuentra en la base de la zona de liberación y que recolecta el agua de numerosas fracturas vecinales. Pues los pequeños pozos se han desarrollado justo en algunas de estas fracturas. Los argumentos que afirman esta idea son los siguientes:
Primero: La gran mayoría de los pozos no llegan ni de cerca a los 100 metros de profundidad, incluso los pozos recién excavados que son pozos enteros. Es verdad que a todos los pozos abiertos los falta la parte de arriba (erosionada) y que además los falta profundidad (relleno), pero aún así es improbable que un pozo de unas decenas de metros tenga más de cien metros.
La poca profundidad de los pozos indica que se han formado totalmente en la zona de liberación de tensión (liberación de tensión y liberación de presión son sinónimos en este artículo). La falta de profundidad de los pozos hasta puede ser consecuencia de la estrechez de las fisuras hacia la base de la zona de liberación de tensión, por el relativamente poco caudal que baja por sus paredes, por saturación del agua en la parte alta de la fisura (donde está el pozo) y por lo tanto una disminuida capacidad de disolución en la parte baja o por una combinación de estos factores.
Segundo: El agua que llega al fondo de los pozos desaparece en pequeños conductos de drenaje.
Estos conductos de drenaje se pueden haber formado tanto en la misma fractura principal, (si sigue hacia abajo), como en las fisuras de conexión si tiene un componente más horizontal.
Tercero: El flujo que desciende por las paredes no siempre aumenta hacia abajo.
Es decir que el agua puede aparecer o desaparecer por fisuras presentes en la pared. Estas son las fisuras de conexión prácticamente abandonadas que se encuentran por encima de las conexiones activas.
Cuarto: El caudal de los flujos que bajan por el pozo, sea como finas capas por la pared o por goteo, es muy reducido.
Esto coincide con un drenaje de una superficie reducida, como es el caso de las fracturas vecinales. Los flujos grandes se concentran en la base del sistema de desagüe rápido, máximos en los alrededores del gran pozo principal.
Quinto: De los 211 simas no hay ninguna que conecte con una cueva horizontal.
Las cuevas horizontales indican un flujo horizontal y esto suele tener relación con la zona (epi) freática.. En la segunda fase de la hipótesis la capa freática está situada en la base del sistema de desagüe rápido, pero incluso aquí no es probable que las conexiones se desarrollan hasta un gran tamaño. Grandes cuevas horizontales se suelen formar cuando el nivel freático se ha adaptado al nivel de base local (normalmente un río).
Es decir que los pozos pequeños se han formado en la zona vadosa, mientras esta se profundizaba durante el desarrollo del gran pozo. Los pozos se han formado después de la formación inicial del gran pozo.
Sexto: De todas las observaciones, no hay ninguna que sea incompatible con un desarrollo de pequeños pozos (en las fracturas vecinales) dentro de la hipótesis global de la génesis inicial de una grande sima
En resumen: La génesis de los pozos relativamente pequeños que se han formado directamente por debajo del epikarst necesita poca cantidad de agua y un alto porcentaje de CO2 en el aire dentro del pozo. La génesis de una sima principal profunda necesita grandes cantidades de agua. Los pequeños pozos se han formado en algunas de las fracturas vecinales y por lo tanto son parte del sistema de desagüe rápido que se ha desarrollado alrededor del gran pozo (figura 5). Hay que darse cuenta que los pequeños pozos se han originado totalmente en la zona vadosa, porque el nivel freático ya había bajado como consecuencia del desarrollo de este sistema de desagüe. Con otras palabras: la génesis de los pequeños pozos es la tercera fase de la formación del pozo principal. La primera fase es la formación del conducto principal (evento de ruptura de la primera fractura) y la segunda fase es el establecimiento del sistema de desagüe rápido.
Esta situación coincide con la muchas veces cruda realidad que por cada sima profunda descubierta (un pozo principal), probablemente se han bajado hasta varias decenas de simas cortas (pozos situados en fracturas vecinales).



La figura 5 muestra la cabecera del gran pozo (1) formado en la parte baja de la fractura principal (2). En combinación con las fracturas principales (3) y las fisuras de conexión activas (4) forman el sistema de desagüe rápido (todo en rojo). Las fisuras de conexión abandonadas están en verde (5) y las partes bajas de las fracturas vecinales que todavía no se han ensanchado y que están anegadas (6) en azul. Los pozos A y B se encuentran justo por debajo de la zona del epikarst y se han desarrollado en fracturas vecinales. El pozo A se ha abierto hacia la superficie, mientras el pozo B todavía no lo ha hecho.

Hay que mencionar que en la meseta estudiada por Baron existan unas pocas simas de más de cien metros de profundidad. Es posible que estas están situadas cerca del borde de la meseta, porque en este caso un gradiente hidráulico muy extremo en combinación con fracturas de liberación de tensión paralelas a la pared de la meseta pueden formar pozos profundos. Mi hipótesis solo es válida para el centro de una meseta. También es posible que alguna de las cuevas más profundas en realidad es un pozo principal pero que se ha obstruido.


LA EVOLUCIÓN EN EL TIEMPO.

La presencia de pozos enteros, que incluso ni siquiera han llegado a la superficie (pero accesibles porque los han excavado), de numerosos pozos con solo una parte todavía intacta y algunos fondos de pozos rellenos de sedimento pero con todo el resto desaparecido, indica que existen pozos en todos los estadios de desarrollo. Esto también significa que la zona del epikarst, y por lo tanto la superficie, ha bajado considerablemente con el tiempo. En realidad esto solo es otra prueba del continuo proceso de denudación por disolución y erosión, pero al mismo tiempo nos recuerda que la formación de simas, y de karst en general, no es un sistema estático sino progresivo. Para la hipótesis de los grandes pozos esto también tiene sus consecuencias. Por ejemplo, aunque la formación inicial de la cabecera de un gran pozo ocurre en la base de la zona de liberación de tensión y los pequeños pozos se forman unos 100 metros más arriba, con el tiempo esta base va bajando. El resultado es que el gran pozo ya no recibe las aguas en la cabecera sino en algún punto más abajo, y además la cabecera del pozo se encuentra dentro de la zona de liberación de tensión. Cuando la zona ha bajado unos 100 metros, la cabecera llega a la superficie (aunque el pozo sigue recibiendo sus aguas a una profundidad de unos cien metros, porque la concentración siempre ocurre en la base de la zona de liberación de tensión) y en este momento los pequeños pozos se están formando a su misma altura (figura 6).
De todos modos es probable que con el tiempo la base del sistema de desagüe rápido se desarrolle por debajo de la base de la zona de liberación de tensión, especialmente alrededor del gran pozo, pero esto es una de las fases más avanzadas de la hipótesis (ya deja de ser una hipótesis de un desarrollo inicial).



La figura 6 muestra la situación cuando tanto la zona del epikarst como la base de la zona de liberación de tensión han bajado considerablemente. La cabecera del gran pozo se encuentra mucho más cerca de la superficie, aunque sigue recibiendo sus aguas en la base de la zona de liberación de tensión de un sistema de desagüe rápido más aplanado (comparado con la figura 5). El pozo B se está desarrollando casi a la altura de la cabecera del gran pozo y el pozo A es un pozo en su último estadio. Los pozos de la figura 5 se han desaparecido por la denudación de la superficie. Los números tienen el mismo significado que en la figura 5.


PORQUE LOS CONDUCTOS DE DRENAJE SUELEN SER ESTRECHOS?

Llegado hasta aquí uno se puede preguntar como es posible que los pozos se pueden desarrollar hasta varios metros de diámetro, pero que los conductos de drenaje (fisuras de conexión ensanchadas) siguen siendo pequeños. Una explicación puede ser la siguiente: mientras que se desarrolla un pozo este sigue profundizándose, lo que quiere decir que una fisura de conexión horizontal que en cierto momento está en el fondo y recibe agua, se va a quedar colgada en la pared una vez que el pozo ha ganado un poco de profundidad. Entonces la única cantidad de agua que este conducto puede recibir es por la película de agua que baja por la pared, y esta suele ser mucho menor que todo el agua (principalmente de goteo) que se junta en el suelo. Otra razón es que como la zona vadosa ya se ha formado mucha agua desaparecerá por el fondo en la misma fractura principal (camino más corto), y también es posible que por debajo del pozo se han formado otras cavidades más o menos espaciosas. De todos modos no es totalmente imposible que alguna fisura de conexión se desarrolle hasta un tamaño penetrable, pero nunca será un túnel horizontal muy largo por la tendencia del agua de buscar una vía vertical (dentro de la zona vadosa.

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