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El Agua del Subsuelo
El agua del subsuelo es aquella que existe en los poros y fracturas de las rocas y
sedimentos bajo la superficie terrestre. Se origina a partir de las lluvias o nevadas y se
mueve a través del suelo hacía el sistema del subsuelo, donde eventualmente encontrará
su camino de regreso a las corrientes de superficie, lagos u océanos.
El agua del subsuelo es aproximadamente el 1% del total de agua en la Tierra, la
mayoría está en los océanos.
Sin embargo, la cantidad de agua en el subsuelo es 35 veces la cantidad del agua
en lagos y ríos.
El agua de subsuelo ocurre en todas partes bajo la superficie terrestre, pero
usualmente está restringida a profundidades menores a 750 m.
El volumen del agua de subsuelo equivale a una capa sobre la superficie terrestre
de 55 m de espesor.
Es un importante recurso como agua potable, para irrigación e industria.
Desde que está mayormente fuera de nuestra vista, es usualmente olvidada y
sujeta a actos de contaminación.
El agua de subsuelo es un agente primario de meteorización química y es
responsable de la formación de cuevas y sumideros.
El Sistema de Aguas Subterráneas
El agua de subsuelo reside en los espacios vacíos de rocas, sedimentos y suelo, llenando
completamente estos vacíos. El volumen total de espacio vacío en el que puede residir el
agua subterránea es denominado la Porosidad. La Porosidad determina la cantidad de
agua que una roca o sedimento puede contener.
Porosidad
En los sedimentos y en las rocas sedimentarias la porosidad depende del tamaño de
grano, la forma de estos, y el grado de clasificación y cementación.
Sedimentos de granos gruesos bien redondeados usualmente tienen una alta
porosidad que sedimentos de grano fino, desde que estos últimos no encajan tan
bien como los primeros entre sí.
Sedimentos pobremente clasificados tienen usualmente baja porosidad, desde que
los granos más finos tienden a llenar los espacios vacios disponibles.
Desde que el cemento tiende a llenar los espacios vacios en las rocas
sedimentarias, la porosidad resultante de una roca altamente cementada es baja.
En una roca Ígnea y una metamórfica la porosidad generalmente es baja ya que los
minerales tienden a entrelazarse dejando poco espacio libre disponible. Sin
embargo una roca de este tipo que haya sufrido fractura podría presentar una
porosidad significativa.
Porosidad Secundaria
Es la porosidad que se desarrolla después que la roca se ha formado. Procesos de
Fractura, Falla, y disolución pueden crear este tipo de porosidad.
Permeabilidad
La permeabilidad es una medida del grado en que el espacio poral está interconectado y el
tamaño relativo de estas interconexiones. Una baja porosidad usualmente resulta en una
baja permeabilidad, sin embargo una alta porosidad no necesariamente resulta en una
alta permeabilidad, ya que es posible tener una roca muy porosa con poca o nula
interconexión entre sus poros. Un buen ejemplo de una roca de alta porosidad y baja
permeabilidad es una roca vesicular de tipo volcánico: las burbujas que una vez
contuvieron gas dieron a la roca su alta porosidad sin embargo estas no están conectadas
una a otra de modo que la permeabilidad resultante es baja.
Una capa delgada de agua siempre será atraída por los granos minerales debido a un
desbalance de carga iónica en su superficie, esto se denomina fuerza molecular de
atracción de modo que el tamaño en sí de las interconexiones no es lo suficientemente
grande como para proveer el paso a través de estas zonas de atracción molecular el agua
libre no podrá moverse.
Así, rocas de grano grueso son mayormente más permeables que rocas de grano fino: las
arenas son más permeables que las arcillas.
Acuíferos
Un acuífero es un cuerpo de gran dimensión de material permeable donde el agua de
subsuelo está presente llenando los espacios porosos. Un buen acuífero posee alta
permeabilidad como arenas pobremente cementadas, grava, o rocas muy fracturadas. Un
“Acuitardo” es un cuerpo de material con muy baja permeabilidad, en general arcillas muy
compactadas, arenas bien cementadas, y rocas ígneas y metamórficas que no presentan
fracturas son un buen ejemplo de un “Acuitardo”.
Los acuíferos son de dos tipos:
1. Acuíferos no confinados: es el más común tipo de acuífero, el plano del agua o
nivel freático es expuesto a la atmósfera a través de la zona de aireación.
2. Acuíferos confinados: son menos comunes, pero ocurren cuando un acuífero es
confinado entra capas de estratos impermeables.
El Nivel Freático
A medida que el agua de las lluvias cae a la superficie ingresa a través del suelo a una
zona de Aireación o zona No Saturada donde la mayoría del los poros rocosos están llenos
de aire. Conforme sigue penetrando el subsuelo, el agua llega a una zona donde los poros
y fracturas rocosas están llenos de agua, esta es la zona Saturada o Freática. La superficie
tope de esta zona saturada es lo que se denomina el Nivel Freático: Water Table.
El nivel freático está presente en todas partes bajo la superficie terrestre, en las regiones
desérticas también está presente pero rara vez se intercepta con la superficie.
En las zonas húmedas suele alcanzar la superficie en corrientes y lagos y generalmente
sigue la topografía de la superficie. La profundidad del nivel freático puede cambiar en
relación a la cantidad de agua que entra y sale de la zona de saturación.
Durante las estaciones secas, la profundidad del nivel freático se incrementa, durante las
estaciones húmedas la profundidad del nivel freático disminuye.
Movimiento del Agua de subsuelo
El agua de subsuelo está en constante movimiento, aunque la tasa a la cual esta se
moviliza es menor que en una corriente debido a que el agua de subsuelo debe pasar a
través de un intricado pasaje de espacios porosos interconectados en las rocas. Primero,
el agua de subsuelo se mueve hacia abajo por acción de la gravedad, pero también podría
movilizarse hacia arriba si va de una zona de alta presión a una de baja presión. Imagine
que tenemos un tubo en forma de “U” lleno con agua, si ponemos presión en un solo lado
del tubo el nivel del agua en el otro lado subirá, se movilizará de una zona de alta presión
a una de baja presión.
Es lo mismo que sucede bajo la superficie de la Tierra donde la presión es alta bajo las
montañas y baja en la zona de valles.
La superficie terrestre puede dividirse en lugares donde algo del agua que cae ella se
deriva a la zona saturada del subsuelo y lugares donde el agua contenida en esta zona
saturada fluye a la superficie. Las áreas donde el agua ingresa se denominan áreas de
Recarga, desde que la zona saturada del subsuelo es recargada con el agua de lluvias. Las
áreas donde el agua de subsuelo alcanza la superficie: lagos, corrientes, pantanos,
manantiales, etc. se denominan áreas de Descarga. Generalmente las áreas de recarga
son mayores que las áreas de descarga.
Como mencionamos el agua de subsuelo se mueve de modo más lento que el agua en
corrientes superficiales. Esto debido a que debe percolarse a través de los poros rocosos
y más aún debe superar las fuerza de fricción y atracción electrostática. A modo de
comparación, algunas tasas típicas de flujo:
Corrientes oceánicas: 3 km/h
Canales de ríos empinados: 30 km/h
Agua de subsuelo: 0.00002 km/h
El flujo de agua de subsuelo ocurre en variedad de escalas, flujos locales poco profundos
cubren distancias cortas en poco tiempo mientras que flujos que cubren grandes
distancias pueden tomar cientos de años en completarse. La tasa a la cual el agua de
subsuelo se mueve a través de la zona saturada depende de la permeabilidad de la roca y
del Cabezal Hidráulico: diferencia de elevación entre dos puntos del nivel freático.
Así el Gradiente Hidráulico es el Cabezal Hidráulico dividido por la distancia entre los dos
puntos considerados en el nivel freático.
La velocidad del agua de subsuelo está dada por:
V=K(h2−h1 )L
Donde K es la constante de Conductividad Hidráulica, es una medida de la permeabilidad
del material a través del cual el agua fluye.
Si multiplicamos esta expresión por el área a través de la cual el agua se está moviendo,
obtenemos la descarga Q:
Q=A K(h2−h1 )L
Esta es la expresión de la Ley de Darcy, que en otras palabras establece simplemente que
la descarga es proporcional al gradiente hidráulico multiplicado por la permeabilidad. Las
unidades SI de Q son m3
s
Manantiales o Nacientes
Un manantial es un área en la superficie terrestre donde el nivel freático intercepta a la
superficie y el agua termina fluyendo sobre ella. Algunos manantiales ocurren cuando un
estrato impermeable intercepta a un Acuífero en la superficie, esta yuxtaposición de roca
permeable e impermeable ocurre en zonas de contacto geológico y fallas.
Manantiales Calientes y Geiseres.
Los manantiales calientes son descargas de agua con un rango de temperatura que va de
los 30°C a los 104°C. Estos flujos de agua son ricos en minerales disueltos que son
usualmente depositados alrededor de estos manantiales. Se desarrollan en dos
ambientes:
1. Donde el agua de subsuelo profunda llega a la superficie a través de grietas y
fracturas.
2. En regiones geotermales donde el agua es calentada por magma superficial o roca
caliente.
Los manantiales calientes que llegan a la superficie atravesando zonas de ceniza volcánica
toman forma de lodo viscoso: pozas de lodo. Si al enfriarse se precipitan los minerales
disueltos en ella, se pueden formar depósitos de Calcita como los Travertinos. Los
depósitos son de colores variados debido a la presencia en los flujos de manantial de
bacterias resistentes a altas temperaturas que metabolizan minerales sulfurosos.
Los Geiseres son flujos de agua caliente que eclosionan cíclicamente a la superficie. Se
producen cuando el agua alcanza su temperatura de ebullición en cámaras profundas,
una vez vaciada está se recarga, el agua nuevamente alcanza su punto de ebullición y el
ciclo se repite.
Pozos de Agua
Un pozo de agua es un agujero hecho por el hombre suficientemente profundo como
para alcanzar el nivel freático; son una fuente de agua de subsuelo y son drenados de
manera convencional con baldes o usando algún mecanismo de bombeo, su localización
óptima puede ser difícil si hay presencia de fracturas en la zona.
Una clase especial de acuífero confinado es un sistema Artesiano: en este sistema el
acuífero está confinado entre capas impermeables de modo que la presión dentro del
acuífero puede empujar el agua proveniente de un manantial o un pozo hacia arriba
hasta alcanzar casi el nivel freático, es decir el agua de un pozo artesiano fluye libremente
sin necesidad de bombeo artificial.
Cuando la descarga del agua de subsuelo excede a la capacidad de recarga, efectos no
deseados se suceden como manantiales secos y pozo que deben ser excavados a mayor
profundidad para encontrar el agua de subsuelo. Si el agua es drenada en exceso de un
acuífero puede producirse una compactación del acuífero mismo que se manifiesta en la
subsidencia de la superficie. En todo caso el agua de subsuelo debiera considerarse un
recurso natural no renovable.
Calidad del Agua y Contaminación
La calidad del agua puede medirse en términos de temperatura, contenido de sólidos
disueltos, contenido de tóxicos y material biológico peligroso. El agua que contiene una
gran cantidad de material disuelto a través de la acción química de la meteorización
puede tener un sabor amargo y se le llama comúnmente Agua Dura. El agua caliente
puede ser producto del contacto con un cuerpo de magma enfriándose o provenir de
estratos profundos, este tipo de agua puede ser útil como fuente de energía geotermal
sin embargo no es usualmente apta para el consumo humano o la agricultura. La mayoría
de la contaminación del agua de subsuelo proviene de la actividad biológica,
especialmente la humana; entre las fuentes de contaminación podemos citar:
Pozas y tanques Sépticos.
Desperdicios industriales y residenciales.
Fugas de tanques de gasolina bajo superficie.
Productos biológicos de desperdicio: los contaminantes biológicos pueden ser
eliminados de una corriente de agua de subsuelo de forma natural si las
interconexiones entre los poros son de menor tamaño que los microorganismos,
por ejemplo un acuífero arenoso puede actuar como filtro de contaminantes
biológicos.
Contaminantes producto de actividades agrícolas, como fertilizantes y pesticidas.
Contaminación del agua salina, esto ocurre cuando hay una excesiva descarga de
agua fresca en zonas costeras.
Remedios a la contaminación del agua de subsuelo
El primer paso en resolver este problema es caracterizar la contaminación misma, se
instalan a este propósito pozos que monitorean el flujo del agua, esto permite hacer
análisis químicos que determinan la cantidad y carácter de los contaminantes. Se diseñan
entonces estrategias para minimizar el daño y riesgos a la salud.
La remediación de estos problemas es usualmente muy costosa, la mayoría de estrategias
incluyen la remoción del contaminante y el bombeo del agua de subsuelo para su
tratamiento, esto puede incluir el bombeo de vapor para inducir evaporación o
tratamientos que emplean bacterias diseñadas ex profeso: “biorremediación”.
Prevención
La contaminación se previene esencialmente con un adecuado manejo de tierras, se
emplean capas impermeables de arcilla y materiales plásticos para aislar el suelo de
contaminantes, tanques de almacenamiento subterráneo se construyen con doble-fondo
para prevenir fugas. La finalidad primaria es prevenir el ingreso de contaminantes al
sistema de aguas subterráneas.
Actividad Geológica del Agua de Subsuelo
1. Disolución: el agua es el principal agente de meteorización química, de modo que
el agua de subsuelo es también un agente de meteorización de iones que pueden
ser lixiviados de las rocas; en el caso de las rocas carbonatadas la disolución de
esta puede llegar a ser total.
2. Cementación Química y reemplazo: el agua de subsuelo es también un agente
activo en los procesos de diagénesis, lleva iones disueltos que pueden precipitarse
para formar el cemento necesario para consolidar las rocas sedimentarias. El agua
de subsuelo puede también reemplazar moléculas enteras in situ preservando
algunas estructuras en el proceso como fosilizaciones y madera petrificada.
3. Cavernas y Cuevas: Si grandes áreas de Caliza son disueltas por la acción del agua
de subsuelo, esas cavidades pueden llegar a formar estructuras mayores de
cámaras o cuevas interconectadas llamadas Cavernas una vez que le nivel freático
ha descendido lo suficiente como para revelarlas. Una vez que se ha formado una
cueva se abre a la atmósfera y el agua percolada puede precipitarse y formar
nuevos materiales como Estalactitas, si la estructura cuelga del techo de la cueva,
o Estalagmitas si crecen del suelo hacia arriba.
4. Sumideros: Si el techo de una cueva o caverna colapsa, el resultado es un
sumidero. Estos son comunes en áreas donde hay estructuras subyacentes de
Caliza.
5. Karst: este es un tipo de paisaje que presenta un topografía muy irregular, es
propio de ambientes donde es mecanismo principal de meteorización es la
disolución de calizas.
