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Aguas subterráneas
en zonas de montaña
y trazadores ambientales
Sully Gómez Isidro
Universidad Industrial de Santander
Facultad de Ingeniería Fisicomecánicas
Escuela de Ingeniería Civil
Bucaramanga, 2014
Página legal
Aguas subterráneas en zonas de montaña y trazadores ambientales
Sully Gómez Isidro
Profesora, Universidad Industrial de Santander
Diseño y diagramación:
Juan Camilo González Rueda
© Universidad Industrial de Santander
Reservados todos los derechos
ISBN: 978-958-8956-85-5
Primera edición: diciembre de 2014
Diseño, diagramación e impresión:
División de Publicaciones UIS
Carrera 27 calle 9, ciudad universitaria
Bucaramanga, Colombia
Tel.: (7) 6344000, ext. 1602
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por cualquier medio, sin autorización escrita de la UIS.
Impreso en Colombia
Introducción
La disponibilidad de agua para abastecimiento de actividades humanas disminuye constantemente debido al efecto negativo que tiene el desarrollo del hombre sobre la naturaleza, cuyas consecuencias ha logrado afectar el clima del planeta y la varaibilidad de las componentes del ciclo hidrológico. Los países con importantes riquezas hídricas están localizados en la zona ecuatorial donde converge la humedad del planeta; algunos de estos países con importantes reservas estimadas durante el siglo XX, observan una disminución y contaminación acelerada de sus aguas desde el inicio del siglo XXI, con pocas esperanzas de mejorar el panorama, a menos que el hombre pueda hacer cambios culturales y técnicos importantes hacia la preservación de sus recursos hídricos. Colombia es uno de esos países y ha pasado de ocupar el cuarto lugar en riqueza hídrica a ocupar el lugar veinticuatroavo.
Los recursos de aguas superficiales y subterráneas se encuentran íntimamente ligados, condición que debe ser tenida en cuenta para llevar a cabo medidas de preservación del recurso. En países como Colombia la reserva del agua subterránea equivale a cerca del 70% del agua disponible y la demanda de agua no coincide espacialmente con la oferta, aproximaciones que pueden ser similares en otros países andinos. La concentración de la población sin planificación acelera los procesos de degradación y empobrecimiento de la regulación natural de las aguas, lo que causa periodos de sequías más prolongados e inundaciones y avalanchas más recurrentes. Al mismo tiempo la concentración de la población exige mayores volúmenes de agua que deben ser atendidos con las reservas disponibles.
Los flujos de las aguas superficiales y subterráneas en zonas de cordilleras montañosas transcurren desde cumbres o altiplanos localizados a mayores alturas donde ellas se originan debido a la escorrentía generada por la lluvia, a almacenamientos en cuerpos de agua (humedales), almacenamientos en acuíferos o al deshielo de los glaciares, siendo el agua parte fundamental de los ricos ecosistemas presentes en páramos y montañas. El agua superficial aprovecha las altas pendientes de las zonas de montaña, aledañas a altiplanos y páramos, en áreas cercanas a sus nacimientos u origen, para viajar rápidamente a lo largo de un sinnúmero de cauces hacia terrenos de menores alturas y alcanzar zonas de pendientes moderadas a través de algunos cauces, hasta finalmente alcanzar zonas de bajas a muy bajas pendientes en las llamadas llanuras de inundación, formando grandes cauces que llevan el agua hasta el mar. Las llamadas aguas superficiales se caracterizan por viajar sobre el terreno impulsadas por la fuerza de la gravedad, con velocidades definidas principalmente por la pendiente del terreno y el área de flujo de sus cauces.
Al contrario, el agua subterránea aunque puede compartir el mismo origen que el agua superficial y mantener una relación estrecha con ella, presenta otras particularidades. Desde la zona de origen, ella se esconde o se infiltra entre los poros y grietas de las rocas, pero no escapa de hacer el viaje desde las cumbres hacia zonas más bajas, también debido a la fuerza de la gravedad, solo que en este caso se verá obligada a recorrer caminos más intrincados, menos expeditos. Una parte del agua subterránea encontrará barreras (cambios de porosidad) y se verá obligada a salir a la superficie y formar parte del agua superficial, otra parte puede llegar a alimentar el flujo base de los ríos y ser captada por las bocatomas que construye el hombre. Otra parte continuará su viaje escondida dentro de los poros de las rocas y es posible que a través de esas grietas gane profundidad y se separe definitivamente de su amigo superficial, para ir a recargar acuíferos localizados en zonas altas, intermedias o en las llamadas llanuras o formaciones aluviales localizadas en topografías más bajas. En este caso la recarga de larga distancia puede aportar una fuerza adicional debido a la presión hidrostática sobre los acuíferos localizados a menores alturas generando acuíferos confinados. Los acuíferos se pueden encontrar en distintos niveles de alturas sobre el nivel del mar, en altiplanos, en ambientes de montaña, en llanuras; se requiere una conformación adecuada de capas o mantos geológicos que posean porosidad y además que exista una recarga de agua. No se puede olvidar que el agua por ser un fluido, tiene la capacidad de transportar iones que obtiene al interactuar con la roca, también puede transportar sustancias contaminantes que encuentra en su camino o sustancias que llegan a ella debido a derrames o infiltraciones, alterando su calidad natural.
El hecho de compartir las aguas superficiales y las aguas subterráneas el mismo origen (el agua lluvia que las originó) permite aplicar técnicas de seguimiento de su trayectoria, como el uso de los isótopos estables del agua, llamados trazadores ambientales. La aplicación de estas técnicas permite conocer el origen de las aguas. En términos hidrogeológicos, el origen del agua subterránea corresponde a las zonas donde se infiltra el agua que recarga a los acuíferos, se incluye el flujo base que alimenta a los ríos y es aportado por los acuíferos en contacto con estos. Al flujo base de los ríos se le da un tratamiento especial en este libro, por ser el flujo que aporta el agua al hombre para su sostenimiento en épocas secas, en lugares donde los acueductos se abastecen con bocatomas. Si el hombre logra identificar las zonas de recarga, también puede preservar el recurso hídrico, suyo y de sus hijos. El desconocimiento de las zonas de recarga llevará inevitablemente al deterioro de las fuentes de agua.
Los isótopos estables del agua son técnicas ampliamente utilizadas en el mundo, su aplicación se fundamenta en los valores isotópicos de las aguas lluvias, aguas de ríos y aguas subterráneas, valores que dan información de los procesos físico-químicos que el agua sufre a lo largo del ciclo hidrológico. Para aplicar estas técnicas se requiere realizar muestreos de aguas que cumplan protocolos adecuados a las condiciones regionales. Si bien los protocolos deben ser seguidos en campañas de campo que se realizan en todo el mundo, los ambientes de montaña ofrecen algunas particularidades que se tratarán aquí. Sin embargo, los conceptos, criterios de calidad y formularios presentados también pueden ser utilizados en campañas de muestreo en otros ambientes.
En ambientes de montaña, las altas cumbres pueden albergar nevados y volcanes activos y también un número importante de fallas geológicas que atraviesan el territorio generando estados de esfuerzos compresivos, distensivos o de cizalladura, que causan fracturamientos y aumentan la complejidad de los sistemas de porosidad de las rocas. Cuando los macizos rocosos, que normalmente conforman éstos ambientes, se encuentran en zonas húmedas, el proceso de meteorización de las rocas contribuye en forma significativa al aumento de porosidad y el agua llena estos espacios y puede conformar acuíferos donde además de almacenarse, estos sirven como sistemas de conducción. Como ejemplo, Colombia es un país que debido a su localización y a los fenómenos de circulación atmosférica que afectan el clima, presenta en gran parte de su territorio valores altos de lluvias; cerca de 1000 milímetros anuales en los valles interandinos y cerca de 4000 milímetros en altiplanos y bosques andinos, valores representativos del clima tropical húmedo. En el planeta el 50% de la población se abastece con el agua generada en los ambientes de montaña.
Los sistemas de flujo y almacenamiento de aguas subterráneas en los ambientes de montaña presentan condiciones particulares y complejas. En los macizos rocosos pueden coexistir la porosidad secundaria y la porosidad primaria, con características de flujo fuertemente heterogéneas. Estas condiciones sumadas a las condiciones hidráulicas que generan los altos gradientes del flujo a través de las rocas, pueden producir flujos de agua en una variedad importante de escalas espaciales. La adaptación de esquemas conceptuales formados por líneas de flujo suaves y simétricas, que han sido utilizadas y aceptadas en ambientes de topografías onduladas y formaciones geológicas relativamente homogéneas, resulta de difícil aplicación en estos ambientes.
Para interpretar la complejidad de estos sistemas de flujo y obtener el conocimiento necesario para su manejo se deben identificar elementos válidos que permitan plantear modelos de flujo conceptuales más reales y superen paradigmas como son: Existencia de acuíferos discontinuos en macizos rocosos, macizos rocosos sin porosidad apreciable o con porosidad secundaria exclusivamente, escasos efectos de meteorización en zonas de montaña, flujos subterráneos limitados a las cuencas hidrográficas, flujos de ríos desconectados de acuíferos, desconexión hidráulica entre altiplanos y laderas, aguas jóvenes y flujos rápidos en macizos rocosos, linealidad de curvas de recesión en el río, entre muchos otros. Por supuesto el trabajo interdisciplinario ofrece elementos muy importantes para superar estos problemas y lograr, con fines prácticos, el acercamiento a un conocimiento hidrogeológico de estos ambientes.
La zona andina en Colombia es la más poblada del país y también la de mayor actividad económica. Esto significa que páramos, altiplanos, territorios de alta pendiente, valles y zonas de inundación, se encuentran en constante desarrollo y por tanto expuestos a una gran afectación antrópica. Las actividades económicas del hombre como son, prácticas agrícolas y ganaderas, obras civiles, minería, rellenos sanitarios, entre muchas otras, afectan las condiciones naturales del territorio. No es fácil implementar desarrollos adecuados en zonas de montaña que aún se encuentran en franca formación. El esquema de desarrollo de comunidades ha afectado gravemente los sistemas de flujo y almacenamiento de aguas para su abastecimiento y ha aumentando la vulnerabilidad natural del territorio en las cordilleras. Los costos ambientales originados por el mal llamado desarrollo, no son tenidos en cuenta en los modelos económicos, lo cual contribuye a la pérdida desmedida de los recursos naturales. No se mencionan aquí los problemas de deterioro de los sistemas bióticos relacionados con el agua, en países biodiversos se pierde un número importante de especies endémicas todos los años. El mal manejo de los recursos naturales y del agua, también contribuyen a aumentar la desigualdad y el conflicto social en el país. Este es el panorama que debe ser tenido en cuenta para reorientar políticas de desarrollo de las comunidades y planes de ordenamiento de cuencas, propuestas que deben tener como columna vertebral, el hombre y su calidad de vida a través de la disponibilidad de fuentes de agua suficientes y de buena calidad.
Hay mucho trabajo por hacer en la adquisición de información hidrogeológica, cartografía geológica, caracterización de acuíferos, identificación de los sistemas de flujo y sus escalas de acción, identificación de zonas de recarga, trazado de líneas de flujo mediante herramientas hidroquímicas, estimaciones de tiempos de residencia y otras, para tener mejores acercamientos a los modelos conceptuales de flujo en ambientes de montaña. Sin un entendimiento del modelo conceptual es imposible aplicar modelos numéricos considerados como criterios cuantitativos de evaluación y manejo del recurso. En los ambientes de montaña esta meta requiere enorme esfuerzo. Aunque es relevante el trabajo hecho por la academia, grupos de investigación, institutos geológicos y autoridades ambientales en Colombia, este resultará estéril si no existe un compromiso de todos los actores involucrados. Dentro de los actores deben estar incluidos desde las entidades del estado, hasta el usuario del manantial o el pozo. Es fundamental la educación ambiental de la comunidad y la formación de alto nivel de técnicos y profesionales.
Prefacio
Aunque la hidrogeología fue considerada inicialmente un área de las ciencias geológicas por ser el acuífero una formación geológica permeable, actualmente la necesidad de utilizar y hacer un adecuado manejo del agua subterránea ha hecho que la hidrogeología sea un tema en el que participen otras ciencias, la química, la hidráulica, la hidrología, la biología, meteorología y pueden incluirse otras. Cautivar lectores para un libro de hidrogeología es un compromiso difícil de alcanzar, particularmente si se trata de buscar motivarlos hacia el estudio de problemas y técnicas no convencionales. Tratar de plasmar la experiencia de años de investigación y de trabajo en la academia, en condiciones de recursos escasos, tiene sus riesgos, por pretender mostrar resultados que en otras condiciones podrían llegar a ser más aplicados y contundentes. La esperanza es que las nuevas generaciones puedan encontrar motivación para profundizar en estos temas, adquieran retos y sean ellos quienes alcancen resultados importantes, productos de la investigación y la formación académica, lo mas importante, que puedan desarrollar y aplicar la normatividad necesaria y los planes de manejo ambientales, que interpreten adecuadamente nuestros sistemas hidrogeológicos. Se espera que la hidrogeología sea el elemento integrador de las disciplinas anteriores, particularmente de ingenieros y geólogos, profesiones que se repotencian cuando ellos trabajan de la mano y dan sus mejores resultados. Esperando que el tema tratado llegue a ellos, no se ha profundizado suficientemente en el contenido matemático y geológico, con las consecuencias que esto puede tener. Se hace especial énfasis en el fenómeno físico del flujo.
Se tiene plena conciencia de que el libro no es un texto de resolución de problemas, es solo un texto que formula elementos conceptuales para enfrentar los problemas hidrogeológicos que presentan las actuales condiciones de desarrollo del hombre en los ambientes de montaña. Se ofrecen ademas algunos elementos para aplicar técnicas de revisión e interpretación de datos de isótopos estables del agua en estos ambientes. No se incluyen ni aguas fósiles, ni aguas termales.
El libro pretende mostrar la experiencia adquirida durante estudios e investigaciones realizadas en zonas de montaña y proponer líneas de profundización que ayuden a adquirir el conocimiento en estos ambientes. El país necesita manejar en forma efectiva la complejidad y la alta vulnerabilidad que caracteriza a los sistemas hidrogeológicos de zonas de montaña y dar pautas necesarias para ser consideradas en forma efectiva dentro de los modelos de desarrollo. La experiencia y resultados presentados pueden ser analizados y considerados también para su aplicación en otros ambientes.
1. Lineamientos para el estudio de acuíferos en rocas cristalinas fracturadas y meteorizadas
Las rocas cristalinas fracturadas pueden conformar unidades hidrogeológicas importantes, ya sea por su condición de ser conductores de agua a lo largo de rutas de flujo preferenciales, por su propia condición de acuífero o por estar en contacto con otros acuíferos. En regiones de climas tropicales la presencia de alta pluviosidad puede imprimir condiciones importantes de meteorización química en la roca. También en zonas de macizos rocosos montañosos sometidos a movimientos tectónicos ocurren fracturamientos intensos. Estos aspectos generan particularidades en el flujo de agua tanto en cortas como en largas distancias, que bien vale la pena identificar para poder crear modelos conceptuales válidos en estos ambientes de flujo.
El desconocimiento de estos sistemas hidrogeológicos conduce peligrosamente a la afectación (en cantidad y calidad) de las reservas del recurso hídrico especialmente en zonas montañosas donde se desarrollan actividades de explotación minera o donde se emplazan obras civiles como túneles, embalses y carreteras o donde la agricultura y ganadería hacen uso intensivo de pesticidas y otras sustancias contaminantes. Los cortes y movimientos de tierra en rocas cristalinas fácilmente atraviesan estos sistemas hidrogeológicos generándose la inestabilidad de grandes masas de roca fracturada o meteorizada. En las rocas cristalinas de medios tropicales y particularmente en zonas de montaña, el efecto antrópico imprime un fuerte efecto de erosión e inestabilidad a las laderas. Igualmente la afectación hecha por el hombre puede producir cambios en la dirección del flujo y disminución de caudales base o de explotación, o “pérdida” de manantiales. Los contaminantes dispuestos en superficie en macizos fracturados se pueden transportar en la parte meteorizada de la roca a lo largo de rutas de corta o larga distancia y una vez alcanzan los sistemas de fracturas, el flujo puede ocurrir, bajo ciertas condiciones, a velocidades mayores que las esperadas en medios porosos, donde las velocidades normalmente son menores.
Para realizar el manejo y protección del agua subterránea en estos sistemas hidrogeológicos, se requiere adquirir un conocimiento completo de su estructura de fracturación, de su perfil de meteorización, de la escala y propiedades del flujo, así como de la geometría de sus mantos. El trabajo que se debe hacer para obtener este conocimiento y poder evaluar vulnerabilidad y peligro de la contaminación del agua en rocas cristalinas es mayor que en otros sistemas de acuíferos. Las metodologías tradicionales de evaluación de vulnerabilidad en acuíferos porosos no pueden ser aplicadas igualmente en sistemas de acuíferos en las rocas cristalinas fracturadas y debe escogerse con cuidado las variables que influyen en cada caso.
En regiones tropicales húmedas, la meteorización de las rocas juega un papel importante en la generación de procesos como la laterización, formación de mantos de regolitos o saprolitos y la misma fracturación, debido a que el proceso de meteorización química puede causar aumentos de porosidad y de conductividad hidráulica en la roca sana. Los mantos meteorizados que acompañan a las rocas fracturadas, bien pueden llegar a formar sistemas de acuíferos interesantes que se encuentran en contacto con acuíferos fracturados y pueden constituir el almacenamiento y recarga hacia estos. Los procesos de meteorización y fracturamiento en macizos fracturados en zonas tropicales deben ser identificados y estudiados para plantear modelos conceptuales hidrogeológicos. Estos modelos deben explicar el flujo que ocurre en diferentes escalas, identificar presencia y tipos de acuíferos y su interrelación, para poder abordar en forma técnica y efectiva el manejo y protección de estos recursos hídricos.
En este capítulo se pretende ofrecer algunos lineamientos fundamentales a tener en cuenta en la investigación y estudio de los sistemas de flujo en los macizos rocosos fracturados, especialmente en medios tropicales, condición que presenta una parte importante de las cordilleras andinas. Se ofrecen algunas ideas para realizar la caracterización física e hidrogeológica de estos sistemas, conocer los principales parámetros que inciden en el flujo, los rasgos importantes de las heterogeneidades del medio y con la ayuda de otras técnicas de adquisición de información, como son la prospección geofísica, la hidroquímica, los isótopos estables del agua y el diseño de pruebas hidráulicas, poder llegar a obtener modelos conceptuales más ajustados a la realidad. Los modelos conceptuales de flujo en macizos son requisitos fundamentales para el posterior desarrollo de modelos matemáticos. Aunque los modelos matemáticos de flujo son la herramienta que permite realizar propuestas efectivas de manejo y protección de estos sistemas hidrogeológicos, así como evaluar en forma cuantitativa diversos escenarios y obtener el impacto de las medidas propuestas para la protección del recurso hídrico subterráneo; en estos macizos rocosos la aplicación de los modelos de flujo aún se constituye como la visión que deben tener los hidrogeólogos para las próximas décadas.
1.1 Definiciones en rocas cristalinas
Se conocen por rocas cristalinas, las rocas ígneas y metamórficas, también llamadas en el lenguaje hidrogeológico “rocas duras”. Las rocas cristalinas difícilmente se encuentran completamente sanas, ellas presentan discontinuidades generadas por esfuerzos tectónicos, procesos de descompresión y procesos de meteorización, entre otros. Las discontinuidades de la roca son superficies a lo largo de las cuales se interrumpen la consistencia de la roca intacta y se les conoce por los nombres de juntas, fisuras, diaclasas o fracturas; casi siempre se presentan en grupos de familias cuya dirección y buzamiento son fácilmente sintetizados mediante la aplicación de técnicas estereográficas (Lisle y Leyshon, 2004). Estas discontinuidades reciben sus nombres de acuerdo con su tamaño, aquí las llamaremos en adelante “fracturas” y a las rocas que las contienen, rocas cristalinas fracturadas. Los macizos rocosos se conciben en escalas regionales y son los que pueden contener sistemas de discontinuidades, fallas geológicas o plegamientos; en presencia de recarga de agua, estas formaciones hidrogeológicas pueden formar acuíferos o zonas de flujo.
Los sistemas de fracturas se pueden presentar a lo largo de franjas estrechas en zonas de baja actividad sísmica. En zonas de mayor actividad sísmica las fracturas abarcan franjas mucho más amplias, pueden alcanzar hasta decenas de kilómetros y formar las llamadas zonas de fracturas. Cuando ocurre recarga de agua en el primer tipo de franja es posible la formación de acuíferos locales o discontinuos, los cuales se describirán más adelante. Sin embargo, cuando la recarga alcanza zonas amplias de fracturamiento y existe una conexión entre las familias de fracturas es posible la conformación de acuíferos o la circulación del agua en largas distancias, a lo largo de zonas preferenciales de flujo.
Generalmente las franjas de fracturamiento se encuentran asociadas a zonas de fallas geológicas que son desplazamientos relativos de grandes masas de roca, los tipos generales de fallas son falla normal, falla inversa, y falla de rumbo, dependiendo del movimiento del bloque principal (Pollard y Fletcher, 2005). Las fallas dan lugar a discontinuidades con diferentes características e imprimen un grado de permeabilidad al macizo rocoso, convirtiéndose en conductos o acuíferos. Algunos tipos de fallas pueden impedir el flujo a través de ellas y constituirse en una barrera. Los campos de esfuerzos son irregulares a lo largo de las zonas de falla y por tanto las familias de fracturas raramente poseen características regulares, generándose una distribución no uniforme de características de las fracturas. Por otro lado los campos de esfuerzos pueden cambiar con el tiempo y las zonas de falla se pueden reactivar dando como resultado una distribución de fracturas con propiedades aún más complejas.
1.1.1 Parámetros geométricos en sistemas de fracturas
La posición, orientación y espaciamiento de las fracturas ocurren a lo largo de las debilidades macroscópicas de la roca como son los planos de debilidad, estratificaciones, foliaciones, juntas o diques. Estas características varían de acuerdo con el tipo de roca original, su textura, estructura y orientación de granos, ofreciendo diferentes formas o modelos de sistemas de discontinuidades (Wittke, 1990) cuando la roca es sometida a esfuerzos y se fractura. Las fracturas se pueden encontrar abiertas o cerradas y pueden contener material de relleno de diferente tipo, especialmente en zonas de falla o en zonas de meteorización, condiciones que le dan mayor heterogeneidad a los macizos rocosos fracturados y hacen que no todas las fracturas conduzcan agua y que el plano de flujo a través de cada una de ellas sea irregular.
Figura 1.1. Modelo de sistemas de fracturas en un granito. B1, d1 (Fracturas horizontales); R2, B2, d2 (Fracturas verticales); R3, B3, y d3 (Fracturas inclinadas) corresponden a los parámetros de rumbo, buzamiento y distancia para las familias de fracturas 1, 2 y 3 respectivamente.
La caracterización de los sistemas de fracturas consiste en medir algunos parámetros geométricos como, el espaciamiento entre fracturas, dirección y buzamiento, persistencia o longitud de fracturas, abertura, estado de la abertura y material de relleno. Estos parámetros dan una idea de cómo se presentan los sistemas de fracturas en un macizo rocoso y de las potenciales direcciones del flujo. Han sido reconocidas las fuertes irregularidades que presentan la abertura y los planos de fracturas dando origen a heterogeneidades que afectan el flujo a través de ellas. En la figura 1.1 se observa un modelo geométrico de un sistema de tres familias de discontinuidades en un granito, con distancia entre planos de fracturas, d, rumbo, R y buzamiento, B, de cada una de las familias. La densidad de fracturas es otro factor que se mide y se da en número de fracturas por metro cuadrado o metro cúbico, este parámetro da una idea de la intensidad del fracturamiento, sin embargo, no se ha encontrado una relación directa entre la densidad y los parámetros de flujo en las rocas fracturadas.
Las entidades internacionales (sociedad internacional de mecánica de rocas) dan valores diferentes para expresar el grado de interés hidrogeológico o el estado del macizo rocoso en términos de índices de fracturamiento. Entre muchos otros índices se conoce el RQD que expresa la longitud de tramos de núcleo mayores a un valor, respecto a la longitud total del núcleo de perforación (Bieniawsky, 1989). Estos índices expresan una medida relativa y cualitativa del fracturamiento, que pueden ser usados para comparar las condiciones de fracturamiento de dos rocas pero no aporta interés en estimaciones de parámetros de flujo. Aunque algunas expresiones empíricas pueden relacionar estos índices con los valores de conductividad hidráulica de las rocas (Deere et al., 1967), mucho trabajo debe ser desarrollado aún para poder medir directamente parámetros hidráulicos en macizos rocosos realizando pruebas de campo que reflejen el comportamiento del flujo en diversas escalas.
Las zonas de intenso fracturamiento ocurren debido a diversas razones, la existencia de campos de esfuerzos en diferentes direcciones, cruce entre dos o más fallas geológicas debido a la tectónica regional o simplemente que el mismo proceso de formación de un fracturamiento inicial da origen a nuevos campos de esfuerzos; es por esto que la ocurrencia de múltiples familias de fracturas en macizos rocosos es más común de lo que se piensa. En la figura 1.2 se observa el Neis de Bucaramanga altamente fracturado, este rasgo es fácilmente visible a lo largo de la zona de la Falla de Bucaramanga.
La fracturación asociada a la dinámica estructural en regiones afectadas por fallas geológicas puede conformar sistemas de fracturas interconectadas entre sí y formar sistemas de flujo, que a su vez se interconectan con acuíferos formados en rocas intensamente fracturadas en zonas de fallas o intersecciones de fallas. Estos sistemas hidrogeológicos se pueden comunicar regionalmente. Lo anterior debe ser confirmado a partir de la revisión de modelos estructurales basados en datos de campo, que incluyen, además, medición de planos de fracturas y estrías de fallas (Velandia, 2010). Las propiedades hidrodinámicas de las rocas fracturadas varían fuertemente en el espacio y están relacionadas con la escala de observación (Gómez y Mesa, 2001), como se describe más adelante.
Figura 1.2. Se observan múltiples familias de fracturas en el Neis de Bucaramanga con distancias del orden de centímetros en múltiples direcciones, dentro de la Zona de Falla de Bucaramanga.
1.1.2 Meteorización
Es el proceso que experimentan las rocas como respuesta a los agentes atmosféricos, particularmente el agua causa transformaciones químicas en las rocas que llevan a la descomposición de ellas. Las rocas cristalinas poseen minerales que tienen la capacidad de fijar el agua, dando lugar a procesos de hidratación y expansión, posteriormente cuando el agua se libera genera procesos de deshidratación y contracción, lo cual debilita los enlaces químicos y favorece la oxidación y los cambios de volumen intergranular que llevan al desmoronamiento de la roca. Cuando las moléculas del agua reaccionan con los minerales de la roca ocurre la hidrólisis; los cationes metálicos de las rocas ígneas Mg+2, Ca+2, Na+1, K+4, Fe+3 y Al+3 forman bicarbonatos (HCO3-) y carbonatos (CO-) al reaccionar con el ion OH- del agua. Si el ion OH- reacciona con silicatos y feldespatos se forman las arcillas.
Los principales factores que controlan la meteorización son el clima y la litología. En el factor clima, la humedad y la temperatura son determinantes como agentes de meteorización. Cuando la lluvia es mayor a 1500 milímetros anuales y la temperatura se encuentra entre 15 y 35 grados la meteorización es muy alta y las rocas generan materiales muy sueltos que pueden alcanzar porosidades mayores a 40% dependiendo del tipo de roca original. La meteorización de la roca genera formaciones superficiales llamadas alteritas o regolitos y cuando la alteración es intensa se genera un perfil de meteorización cuyas características y profundidad, dependen de la intensidad de la meteorización y de las condiciones geológicas, como mineralogía de la roca, textura, fracturas y tectónica. En topografías suaves, las lluvias mayores a 1500 milímetros anuales y temperaturas mayores a 25 grados, generan los perfiles de meteorización de mayor profundidad. Normalmente en topografías fuertes los modelos de meteorización muestran perfiles de menor profundidad. Las rocas ígneas pueden descomponerse en materiales silicatados y dar origen a la llamada “arenización” cuando la roca tiene alto contenido de cuarzo o formar materiales arcillosos cuando tiene poco cuarzo. Las rocas metamórficas normalmente se meteorizan en materiales limo arenosos. El perfil de meteorización ha sido dividido en diferentes horizontes y se han realizado diversas clasificaciones de rocas meteorizadas con propósitos ingenieriles, principalmente geotécnicos (Aristizabal et al., 2011). Muy poco se ha dedicado al estudio del comportamiento y caracterización hidrogeológica de los perfiles de meteorización.
