14.1: Aguas subterráneas y acuíferos
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El agua subterránea se almacena en espacios abiertos dentro de rocas y dentro de sedimentos no consolidados. Las rocas y sedimentos cercanos a la superficie están bajo menor presión que los que tienen una profundidad significativa y, por lo tanto, tienden a tener más espacio abierto. Por esta razón, y debido a que es caro perforar pozos profundos, la mayor parte del agua subterránea a la que acceden los usuarios individuales se encuentra dentro de los primeros 100 metros de la superficie. Algunos usuarios de aguas subterráneas municipales, agrícolas e industriales obtienen su agua de mayor profundidad, pero las aguas subterráneas más profundas tienden a ser de menor calidad que las aguas subterráneas poco profundas, por lo que hay un límite en cuanto a qué profundidad podemos llegar.
La porosidad es el porcentaje de espacio abierto dentro de un sedimento no consolidado o una roca. La porosidad primaria está representada por los espacios entre granos en un sedimento o roca sedimentaria. La porosidad secundaria es la porosidad que se ha desarrollado después de la formación de la roca. Puede incluir porosidad-espacio de fractura dentro de fracturas en cualquier tipo de roca. Algunas rocas volcánicas tienen un tipo especial de porosidad relacionada con las vesículas, y algunas calizas tienen porosidad adicional relacionada con las cavidades dentro de los fósiles.
La porosidad se expresa como un porcentaje calculado a partir del volumen de espacio abierto en una roca comparado con el volumen total de roca. Los rangos típicos en porosidad de varios materiales geológicos diferentes se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\). Los sedimentos no consolidados tienden a tener mayor porosidad que los consolidados porque no tienen cemento y la mayoría no han sido fuertemente comprimidos. Los materiales de grano más fino (por ejemplo, limo y arcilla) tienden a tener mayor porosidad, algunos tan altos como 70%, que los materiales más gruesos (por ejemplo, grava). La porosidad primaria tiende a ser mayor en los sedimentos bien clasificados en comparación con los sedimentos mal clasificados, donde hay un rango de partículas más pequeñas para llenar los espacios hechos por las partículas más grandes. La labranza glacial, que tiene una amplia gama de tamaños de grano y se forma típicamente bajo compresión debajo del hielo glacial, tiene una porosidad relativamente baja.
La consolidación y cementación durante el proceso de litificación de sedimentos no consolidados en rocas sedimentarias reduce la porosidad primaria. Las rocas sedimentarias generalmente tienen porosidades en el rango de 10% a 30%, algunas de las cuales pueden ser porosidad secundaria (fractura). El tamaño de grano, clasificación, compactación y grado de cementación de las rocas influyen en la porosidad primaria. Por ejemplo, la arenisca mal ordenada y bien cementada y la lutita bien comprimida pueden tener una porosidad muy baja. Las rocas ígneas o metamórficas tienen la menor porosidad primaria porque comúnmente se forman en profundidad y tienen cristales entrelazados. La mayor parte de su porosidad viene en forma de porosidad secundaria en fracturas. De las rocas consolidadas, las rocas volcánicas bien fracturadas y la piedra caliza que tiene aberturas cavernosas producidas por disolución tienen la mayor porosidad potencial, mientras que las rocas ígneas y metamórficas intrusivas, que se formaron bajo gran presión, tienen las más bajas.
La porosidad es una medida de la cantidad de agua que se puede almacenar en materiales geológicos. Casi todas las rocas contienen cierta porosidad y por lo tanto contienen agua subterránea. El agua subterránea se encuentra bajo tus pies y en todas partes del planeta. Considerando que las rocas sedimentarias y los sedimentos no consolidados cubren alrededor del 75% de la corteza continental con un espesor promedio de unos pocos cientos de metros, y que es probable que tengan alrededor del 20% de porosidad en promedio, es fácil ver que se puede almacenar un enorme volumen de agua en el suelo.
La porosidad es una descripción de cuánto espacio podría haber para retener el agua debajo del suelo, mientras que la permeabilidad describe cómo esos poros están conformados e interconectados. Esto determina lo fácil que es para el agua fluir de un poro al siguiente. Los poros más grandes significan que hay menos fricción entre el agua que fluye y los lados de los poros. Los poros más pequeños significan más fricción a lo largo de las paredes de los poros, y también más giros y giros para que el agua tenga que fluir a través. Un material permeable tiene un mayor número de espacios de poros más grandes y bien conectados, mientras que un material impermeable tiene menos poros más pequeños que están mal conectados. La permeabilidad es la variable más importante en las aguas subterráneas. La permeabilidad describe la facilidad con la que el agua puede fluir a través de la roca o el sedimento no consolidado y lo fácil que será extraer el agua para nuestros fines. La característica de permeabilidad de un material geológico es cuantificada por geocientíficos e ingenieros utilizando varias unidades diferentes, pero la más común es la conductividad hidráulica. El símbolo utilizado para la conductividad hidráulica es K. Si bien la conductividad hidráulica se puede expresar en un rango de diferentes unidades, en este libro siempre usaremos metros por segundo.
Como se muestra en la Figura,\(\PageIndex{2}\) existe un amplio rango de permeabilidad en materiales geológicos desde 10 −12 metros por segundo (0.000000000001 metros por segundo) hasta alrededor de 1 metro por segundo. Los materiales no consolidados son generalmente más permeables que las rocas correspondientes (compare la arena con la arenisca, por ejemplo), y los materiales más gruesos son mucho más permeables que los más finos. Las rocas menos permeables son rocas ígneas y metamórficas intrusivas no fracturadas, seguidas de lodos no fracturados, arenisca y piedra caliza. La permeabilidad de la arenisca puede variar ampliamente dependiendo del grado de clasificación y la cantidad de cemento que esté presente. Las rocas ígneas y metamórficas fracturadas, y especialmente las rocas volcánicas fracturadas, pueden ser altamente permeables, al igual que la piedra caliza que se ha disuelto a lo largo de fracturas y planos de lecho para crear aberturas de solución.
¿Por qué la arcilla es porosa pero no permeable?
Tanto los depósitos de arena como de arcilla (y arenisca y loza) son bastante porosos (30% a 50% para arena y 40% a 70% para limo y arcilla), pero si bien la arena puede ser bastante permeable, la arcilla y la piedra de barro no lo son.
La superficie de la mayoría de los granos minerales de silicato tiene una ligera carga negativa debido a imperfecciones en la estructura mineral. El agua (H 2 O) es una molécula polar. Esto significa que si bien no tiene carga eléctrica general, un lado de la molécula tiene una ligera carga positiva (el lado con los dos hidrógenos), en comparación con una ligera carga negativa en el otro lado. El agua es fuertemente atraída por todos los granos minerales y el agua dentro de esa capa de agua unida (unas pocas micras alrededor de cada grano) no es capaz de moverse y fluir junto con el resto del agua subterránea.
En los dos diagramas de\(\PageIndex{3}\) la Figura el agua ligada está representada por líneas de color azul medio alrededor de cada grano, y el agua que no está ligada, y puede fluir, se muestra en azul claro. En la arena, todavía hay mucha agua que es capaz de moverse a través del sedimento, pero en el depósito de arcilla casi toda el agua se sujeta firmemente a los granos y esto reduce la permeabilidad.
Ahora hemos visto que existe una amplia gama de porosidad en los materiales geológicos y una gama aún más amplia de permeabilidad. El agua subterránea existe en todas partes hay porosidad. Sin embargo, si esa agua subterránea es capaz de fluir en cantidades significativas depende de la permeabilidad. Un acuífero se define como un cuerpo de roca o sedimento no consolidado que tiene suficiente permeabilidad para permitir que el agua fluya a través de él. Los materiales no consolidados como grava, arena e incluso limo hacen relativamente buenos acuíferos, al igual que las rocas como la arenisca. Otras rocas pueden ser buenos acuíferos si están bien fracturadas. Un acuitardo es un cuerpo que no permite la transmisión de una cantidad significativa de agua, como una arcilla, una caja o una roca ígnea o metamórfica mal fracturada. Se trata de términos relativos, no absolutos, y suelen definirse con base en el deseo de alguien de bombear agua subterránea; lo que es un acuífero a alguien que no necesita mucha agua, puede ser un acuitardo para alguien más que sí. Un acuífero que está expuesto en la superficie del suelo se denomina acuífero no confinado. Un acuífero donde hay un material de menor permeabilidad entre el acuífero y la superficie del suelo se conoce como acuífero confinado, y el acuitardo que separa la superficie del suelo y el acuífero se conoce como la capa de confinamiento.
La figura\(\PageIndex{4}\) muestra una sección transversal de una serie de rocas y materiales no consolidados, algunos de los cuales pueden servir como acuíferos y otros como acuitardos o capas confinantes. El granito es mucho menos permeable que los otros materiales, y también lo es un acuitardo en este contexto. La capa amarilla es muy permeable y sería un acuífero ideal. La capa gris superpuesto es una capa de confinamiento.
La capa superior de color beige (K = 10 −2 metros por segundo) no tiene una capa confinante y es un acuífero no confinado. La capa amarilla (K = 10 -1 metros por segundo) está “confinada” por la capa de confinamiento (K = 10 −4 metros por segundo), y es un acuífero confinado. El acuífero confinado obtiene la mayor parte de su agua desde la parte superior del cerro donde se expone en la superficie, y relativamente poco por filtración a través de la capa fina de limo.
Descripciones de imagen
| Materiales no consolidados | Porosidad porcentual |
|---|---|
| Till Glacial | 11% a 20% |
| Limo y arcilla | 36% a 70% |
| Arena | 30% a 50% |
| Grava | 24% a 40% |
[Volver a la figura\(\PageIndex{1}\)]
| Tipo de material | Conductividad hidráulica (metros por segundo) |
|---|---|
| Arcilla | 10 a la potencia de negativo 10.6 a 10 a la potencia de negativo 7.7 (10 −10.6 a 10 −7.7) |
| Glacial hasta | 10 a la potencia de negativo 10.4 a 10 a la potencia de negativo 5.2 (10 −10.4 a 10 − 5.2) |
| Limo | 10 a la potencia de negativo 8 a 10 a la potencia de negativo 4.3 (10 −8 a 10 −4.3) |
| Arena limosa | 10 a la potencia de negativo 6 a 10 a la potencia de negativo 2.7 (10 −6 a 10 −2.7) |
| Arena | 10 a la potencia de negativo 5.2 a 10 a la potencia de negativo 1.7 (10 −5.2 a 10 −1.7) |
| Grava | 10 a la potencia de negativo 2.7 a 10 a la potencia de negativo 0.1 (10 −2.7 a 10 −0.1) |
[Volver a la figura\(\PageIndex{2}\)]
Descripción\(\PageIndex{4}\) de la imagen de la figura: La permeabilidad relativa de varias capas sedimentarias. La permeabilidad se denota por la conductividad hidráulica (K = metros por segundo). La capa superior de color beige es un acuífero no confinado con K = 10 −2. La segunda capa de color gris es una capa de confinamiento con K = 10 −4. La tercera capa de color amarillo es un acuífero confinado con K = 10 −1. La cuarta capa está sin etiquetar, con K = 10 −4. La capa inferior es granito, K = 10 −10. [Volver a la figura\(\PageIndex{4}\)]
Atribuciones de medios
- Figura\(\PageIndex{1}\), 14.1.2, 14.1.3, 14.1.4: © Steven Earle. CC POR.