FEDERACIÓN ESPELEOLÓGICA DE
AMÉRICA LATINA Y DEL CARIBE, A.C.
(FEALC)
BOLETÍN INFORMATIVO DE LA
COMISIÓN DE GEOSPELEOLOGÍA
No.
52, Octubre 2004
Coordinador:
Prof. Dr. Franco Urbani
Sociedad Venezolana de Espeleología.
Apartado 47.334, Caracas 1041A, Venezuela.
Telefax: (58)-212-272-0724,
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Boletín Informativo
de la Comisión de Geoespeleología, Federación
Espeleológica de América Latina y el Caribe (FEALC).
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Geospeleology Commission
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Índice
Modelo de desarrollo de cuevas
y conductos cársicos.
Leslie F. MOLEIRO-LEÓN
|
2-9 |
V CONGRESO DE GEOLOGÍA
Y MINERIA
GEOLOGÍA DEL CUATERNARIO, GEOMORFOLOGÍA Y CARSO
GQGC.09
MODELO DEL DESARROLLO DE CAVERNAS
Y CONDUCTOS CÁRSICOS
Leslie F. Molerio León
Grupo de Aguas Terrestres, Instituto de Geofísica
y Astronomía, Ministerio de Ciencia, Tecnología
y Medio Ambiente. Apartado 6219, CP 10600, Habana 6, e-mail: leslie@cesigma.com.cu
RESUMEN
La modelación del desarrollo
del cavernamiento es una herramienta muy potente para incrementar
la efectividad de las investigaciones y reducir los costos de
investigación y construcción. Este trabajo, cuyos
principios fueron enunciados inicialmente en 1982, presenta una
aproximación de tipo determinístico- estocástica
basada en los principios de la termodinámica de no equilibrio
para la simulación y pronóstico de la posición
de cavernas y conductos cársicos bajo diferentes condiciones
iniciales y de contorno. El modelo ha sido aplicado con éxito
sostenido en Bulgaria, Cuba y Francia en la resolución
de problemas relacionados con la construcción de túneles,
adaptación ingeniera de cavernas, construcción de
obras y estructuras hidráulicas, prospección hidrogeológica
y contaminación de las aguas.
ABSTRACT
The mathematical simulation of cave
development is a very potent tool to increase the effectiveness
of the investigations and to reduce the costs of research and
construction in karst regions. This paper whose theoretical principles
were enunciated initially in 1982, improves the model with a deterministic
-stochastic approach based on the principles of non equilibrium
thermodynamic for the simulation and forecast of the position
of caves and karst conduits under different initials and boundary
conditions. The model has been successfully applied in Bulgaria,
Cuba and France in the resolution of problems related with the
construction of tunnels, engineering adaptation of caves, construction
of works and hydraulic structures, hydrogeological prospecting
and ion the assessment and forecasting of groundwater pollution.
INTRODUCCION
La aplicación de este grupo
de avanzadas de técnicas matemáticas y físicas
en una metodología única para la simulación
de redes y conductos cársicos, aún cuando necesita
perfeccionarse en el futuro inmediato, ha mostrado su validez
en un amplio rango de aplicación, al tratar problemas tan
diferentes como la prospección y el manejo de los recursos
de agua subterránea, la optimización de la red de
monitoreo de niveles de aguas subterráneas, la prevención
de la contaminación, la adaptación ingeniera de
cuevas o el pronóstico de filtraciones y vida útil
de un embalse.
Los resultados obtenidos
han permitido:
-
Simular el desarrollo natural de cavernas y conductos cársicos
y pronosticar su posición en el espacio.
-
Simular y pronosticar el desarrollo de carsificación
y cavernamiento inducidos en la vecindad de obras hidráulicas.
-
Pronosticar la posición de manantiales cársicos
y zonas de descarga natural de las aguas subterráneas.
-
Identificar las zonas de vulnerabilidad geomecánica
en los sistemas cársicos.
-
Orientar la captación de las aguas subterráneas
en zonas cársicas.
-
Mejorar sustancialmente el conocimiento de los patrones
y direcciones de flujo en los acuíferos cársicos
y, en particular, en el epikarst.
-
Contribuir a la protección adecuada de las captaciones
y de los manantiales cársicos.
Está claro que a los efectos
hidráulicos, geomecánicos, geotécnicos y ambientales,
el rasgo distintivo más importante del carso es la alteración
que sufre la porosidad primaria debido a los procesos de disolución
que promueven el crecimiento de las grietas y los poros de la roca.
Esta pérdida de material y su traslado dentro o fuera del macizo
carbonatado es la causa de todas las complicaciones que surgen al
tratar el medio con fines de uso o conservación. Tal es la
razón fundamental que ha promovido el desarrollo de investigaciones
encaminadas a aclarar los procesos que lo originan, a describirlo
matemáticamente, a diagnosticar su estado físico y a
pronosticar su desarrollo y su respuesta a acciones naturales o artificiales.
DESCRIPCIÓN DEL MODELO
Los resultados de la simulación,
precedidos en no pocas ocasiones por la necesidad de resolver algunos
problemas teóricos y de la descripción físico-matemática
de muchos de los procesos que dan lugar al desarrollo del cavernamiento
permitieron obtener una idea más precisa de algunas regularidades
en la formación de las cavernas. Muchas de ellas han sido adelantadas
oportunamente.
La identificación de un grupo
importante de regularidades en la formación del cavernamiento
es un resultado altamente promisorio en tanto conduce al descubrimiento
de las leyes que rigen el desarrollo de la carsificación y
el cavernamiento y, por tanto, a la gestión económica,
social, política y ambiental del medio cársico.
La conclusión más importante
de esta investigación es que la carsificación y el cavernamiento
no son procesos aleatorios. Están regidos por leyes termodinámicas
y, por tanto, su origen, evolución en el tiempo y posición
en el espacio pueden pronosticarse.
Las diferentes aproximaciones al pronóstico
del desarrollo de cavernas se han concentrado en tres direcciones
fundamentales:
-
Pronóstico de la dirección del cavernamiento,
esencialmente basados en el análisis tectónico
y su generalización estadística o geoestadística
(Eraso, 1975, 1982, 1985/1986; Eraso et al., 1992).
-
Simulación del crecimiento tridimensional de los conductos
aplicando técnicas hidráulicas y de cinética
química (Annable y Sudicky, 1998; Clemens et al., 1996,
1997, 1998; Curl, 1965, 1966, 1971; Dreybodt, 1990, 1992, 1993,
1995, 1996, 1998; Dreybodt y Buhmann, 1991; Dreybiodt y Siemers,
1997; Groves y Howard, 1994)
-
Simulación de la posición y distribución
espacial aplicando métodos complejos geodinámicos,
morfodinámicos, hidrodinámicos, físico-químicos
y termodinámicos integrados y su generalización
estadística o geoestadística (Carlier, 1984; Carnahan,
1976; Molerio, 1882a, 1982b, 1985a, 1985b, 1985c, 1986a, 1986b,
1988, 1989a, 1989b, 1989c, 1990, 1992a, 1992b, 1993, 1995ª,
1996; Molerio, Guerra y Flores, 1984; Renshaw, 1996)
El carso, como resultado de la interacción
de procesos físicos y químicos sobre las rocas carbonatadas,
viene definido por las siguientes propiedades:
-
Se trata de un sistema termodinámico abierto, es decir,
en interacción con el medio exterior;
-
Las variables del campo de propiedades físicas exhiben
anisotropía tridimensional progresiva;
-
El espacio que constituye el medio acuífero se presenta
rigurosamente jerarquizado;
-
Cada espacio presenta un dominio de flujo particular y entre
ellos se manifiesta intercambio de masa y energía;
-
Consecuentemente, el campo de propiedades físicas se
define y estructura para cada espacio;
-
Se manifiesta una fuerte influencia del factor de escala sobre
el campo de propiedades físicas;
-
En el sistema, el trabajo se manifiesta mediante la formación
y desarrollo de estructuras autorreguladas de disipación
de energía que, mediante retroalimentación, afectan
el proceso;
-
Un momento de inercia, función del estado inicial del
sistema, que modula jerárquicamente las respuestas a
los estímulos inducidos natural o artificialmente;
-
La elevada dependencia del tiempo de las propiedades que caracterizan
el campo de propiedades físicas;
-
La irreversibilidad del proceso de carsificación y
su evolución unidireccional.
De este modo, puede concluirse que el
carso se caracteriza por constituir un sistema en el que interactúan
diferentes espacios. Circunscribiéndonos a la fase liquida,
esta interacción representa un intercambio de materia y energía
entre los diferentes espacios constitutivos del sistema y entre estos
y el medio exterior.
Las cavernas son fragmentos, truncados
o no, de sistemas de drenaje subterráneo. Este concepto es
el fundamento del modelo conceptual y, por ello, el eje de desarrollo
de la modelación. El origen de las cavernas está gobernado
por un balance de masas tal que la tasa de crecimiento de los conductos,
como consecuencia de la remoción de masa de las paredes de
la cavidad o el conducto, es igual a la tasa de transporte de masa
en solución. La hipótesis de trabajo sobre el desarrollo
de los conductos cársicos subterráneos parte de los
siguientes presupuestos:
-
Las galerías subterráneas son espacios lineales
y no planares o areales;
-
Las topologías lineales por lo común se desarrollan
a lo largo de las intersecciones entre superficies;
-
En cuanto al desarrollo de las cavernas estas superficies
son de dos tipos: la zona de máxima concentración
de solvente y la zona de máxima concentración
de flujo;
-
La superficie máxima de concentración de solvente
(MCS) es generalmente horizontal o subhorizontal y depende de
la evolución geoquímica del medio, la fuente de
aporte y el tiempo de residencia de las aguas en el macizo;
-
Las superficies de máxima concentración de flujo
(MCF) suelen estar fuertemente inclinadas y, con menor frecuencia,
pueden ser completamente horizontales;
-
En la intersección de las superficies MCF y MCS se
encuentra no solamente el mayor volumen de fluido sino la mas
elevada concentración de solvente, de ahí que
en ella ocurre la mayor probabilidad de disolución y
por ello, de desarrollo de cavernas;
-
El trabajo que se realiza en el punto de intersección
no da lugar al equilibrio térmico. El intercambio de
masa y energía conduce al desarrollo progresivo de un
sistema abierto en el cual, la entropía
crece a partir de un instante inicial to en que el sistema deja
de ser cerrado;
-
Las superficies MCF se encuentran en la dirección de
la componente de conductividad hidráulica en el sentido
de la velocidad. Flujo lateral se encuentra en la dirección
de la componente de gradiente hidráulico, de manera que
la máxima probabilidad de desarrollo puede determinarse
conociendo éstas, lo que significa que el desarrollo
de la red de cavernas no es un fenómeno aleatorio y por
tanto, puede predecirse;
-
Conociendo la orientación de las superficies mas favorables
para el desarrollo de las redes de conductos es imprescindible
entonces, determinar la dirección en que ocurre el proceso
de excavación. De acuerdo con el segundo principio de
la termodinámica, ella ocurre en la dirección
del máximo incremento de la entropía;
-
Cada espacio del universo cársico, incluidas las cavernas,
se desarrolla según los principios de la termodinámica
de los procesos de no equilibrio y a ella corresponden valores
de la función de disipación de energía
crecientes que se expresan como una sumatoria a partir del centro
de gravedad del mismo.
El coupling termodinámico, para
la definición de la función de disipación de
energía, se planteó a partir de las relaciones clásicas
de Onsager que relacionan fuerzas y flujos entre las componentes de
calor y fluido, difusión y afinidad química. La estructura
del campo de propiedades físicas de los acuíferos en
rocas agrietadas y, en particular, los cársicos, está
afectada por la homogeneidad, heterogeneidad y anisotropía;
la dependencia del tiempo y el efecto de escala que fueron especialmente
considerados en el modelo.
ALGORITMO GENERAL
El algoritmo general ha sido desarrollado
a partir de los principios de la termodinámica de no equilibrio,
que se considera esencial para determinar la dirección de los
procesos de cavernamiento. El algoritmo se basa en un conjunto de
ecuaciones de control que describen la continuidad macroscópica
del campo de propiedades físicas, los mecanismos de triggering
en el sistema físico-químico, la competencia entre diferentes
líneas de flujo y la dirección de la evolución
en tiempo y espacio, de los procesos de desarrollo del cavernamiento.
En este modelo, los espacios que integran
el universo cársico son tratados como medios continuos. La
validez de esta aproximación depende de poder demostrar la
continuidad estadística del campo de propiedades físicas
entre espacios jerarquizados por su longitud característica
definiéndose, en el mundo real, una longitud, volumen o área
elemental representativa. Ella debe tomar en cuenta la distorsión
que producen el efecto de escala y la dependencia del tiempo de las
variables que estructuran el campo de propiedades físicas.
Los
procesos de transporte de masa, momento y energía entre medios
continuos equivalentes fueron resueltos para cada uno de los espacios
involucrados, en términos de la derivación de un conjunto
de ecuaciones que describieran las correspondientes funciones de transporte.
Del mismo modo, el trabajo que tiene lugar en el sistema, y que conduce
a la formación de estructuras autorreguladas de disipación
de energía, fue examinado a partir de la derivación
de un conjunto de ecuaciones que describen la función disipativa
de los espacios.
Se obtuvo una ecuación general
para definir el cambio de entropía en el sistema en función
de la diferencia de potenciales y la afinidad química de las
reacciones fundamentales. Las fuerzas y flujos considerados en el
balance termo hidrodinámico básico son: a/ transporte
de calor (ley de Fourier); b/ flujo volumétrico (ley de Darcy);
c/ transporte dispersivo-difusivo (ley de Fick); d/ conductividad
eléctrica (ley de Ohm) y e/ la afinidad química de las
reacciones, enlazadas por las funciones de transferencia y disipación
de energía mediante coupling termodinámico múltiple.
Los resultados obtenidos en la simulación
de sistemas reales fueron altamente promisorios. Sin embargo, las
desviaciones respecto al modelo natural se derivaban de numerosas
fuentes de incertidumbre cuya discriminación resulto una tarea
ardua. La mas importante de estas se reducía a distinguir las
condiciones que provocasen que un sistema inicialmente cerrado o aislado,
reversible, sin coacciones exteriores, se transformase en un sistema
termodinámico abierto, que estuviese caracterizado por las
propiedades definidas en el modelo conceptual del carso. En este sentido,
se oriento la investigación hacia la caracterización
de acciones aleatorias exteriores, o producidas por el sistema, en
términos de la adaptabilidad de este para filtrar tales estímulos,
definir su efecto en el caso de provocar fluctuaciones termodinámicas,
diferenciar la estacionalidad de las señales aleatorias y tratar
de resolver la respuesta del sistema en la dirección de los
niveles crecientes de entropía. Uno de los aspectos básicos
involucrados en el cambio de tipo termodinámico del sistema
lo constituyen los mecanismos de triggering cinético.
La cuestión mas importante en
este sentido, es que el crecimiento de la entropía del sistema
ocurre solamente a partir de ese instante inicial. Así, para
un sistema aislado, las ecuaciones macroscópicas son tales,
que para un intervalo infinito de tiempo, todo es reversible, ya que
la entropía primero decrece y después crece. Para un
sistema que no esta aislado siempre, el instante inicial se destaca
físicamente y, a partir de el, las ecuaciones macroscópicas
solo pueden dar lugar al crecimiento de la entropía, lo que
no contradice la irreversibilidad microscópica.
Se requirió definir un conjunto
de mecanismos que produzcan un efecto de alteración del estado
cuasi estacionario de equilibrio del sistema. Resulta lógico
suponer que el desarrollo privilegiado de algunos conductos en detrimento
de otros se deba a una combinación entre la cinética
del proceso de disolución y el régimen de flujo en el
sistema. Desde el punto de vista de la cinética del proceso
de disolución, toda vez que parece claro que la aparición
de régimen no lineal de alta velocidad no es, necesariamente,
el único mecanismo de triggering, aun cuando la turbulencia
contribuya, significativamente, al incremento en la disolución.
En tanto indican dos regímenes
de disolución de uno fuertemente insaturado y otro próximo
a la saturación de calcita. Las tasas de disolución
transformadas en tiempos de tránsito bajo ciertas condiciones
iniciales de porosidad, gradiente hidráulico y suministro de
dióxido de carbono permiten validar la aproximación
de la ley cúbica de distribución de velocidad en capilares.
La distancia critica de recorrido varia con la tercera potencia del
diámetro del conducto.
Asumiendo válidos tales mecanismos,
y tomando en cuenta la naturaleza de las reacciones y el control por
difusión-dispersión, el problema se reduce a determinar
los coeficientes de difusión y de dispersión. El tratamiento
de la fluctuación termodinámica provocado por la coincidencia
entre la aparición del coeficiente fenomenológico de
dispersión, el flujo no lineal de alta velocidad, y el incremento
de la tasa de disolución, parecen susceptibles de ser tratados
como impulsos únicos de duración to en el instante aleatorio,
de manera que satisfaga las condiciones en que el instante inicial
sea mucho menor que el tiempo total (to << t) y que la probabilidad
de los extremales de la funcional sea de magnitud despreciable
(to/2t) cuando el tiempo total tiende a infinito.
APLICACIONES
El modelo de predicción (GLORIA)
ha sido ensayado para la resolución de los siguientes problemas
de pronóstico:
-
Validación del modelo y pronóstico del desarrollo
del cavernamiento en diferentes sistemas cavernarios de Cuba,
Bulgaria y Francia (Figs. 1-2).
-
Protección de los Manantiales Los Portales.
-
Evaluación del riesgo de contaminación de las
aguas superficiales por descargas no controladas al subsuelo.
-
Validación del modelo en términos de la distribución
de las vías de drenaje de los hoyos de montaña
para el pronóstico de inundaciones asociadas al llenado
de la CHA Cuyaguateje.
-
Pronóstico de puntos de descarga natural de las aguas
subterráneas (Fig. 3).
-
Pronóstico de contaminación por hidrocarburos.
-
Pronóstico de vida útil de un repositorio de
desechos peligrosos (hidrocarburos y metales tóxicos).
-
Orientación de la adaptación ingeniera de cuevas.
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos tienen las
siguientes implicaciones para el desarrollo de las cavernas:
-
En un conducto cualquiera, la velocidad de crecimiento se incrementa
con la descarga, pero sólo hasta una tasa máxima,
crítica, a partir de la cual no tiene lugar cualquier
incremento en la velocidad del crecimiento por disolución,
excepto, quizás, por abrasión.
-
El crecimiento tiene lugar, solamente, si la descarga se incrementa
con el tiempo.
-
Las líneas de flujo, conductos, cavidades que exhiban
la mayor descarga en la menor longitud, es decir, la mayor relación
Q/L, crecen más rápidamente.
Considerando que la energía potencial
del sistema de flujo se convierte en calor absorbido por el sistema,
los cambios en la entropía, debidos a la pérdida de
carga, que pueden tratarse como procesos reversibles, permiten calcular
los cambios en la energía potencial asociados con el flujo
en el sistema y, en consecuencia, obtener la mínima producción
de entropía debida a los cambios en la altitud. Cuando es posible
separar todas las fuentes de calor en el sistema (flujo de calor terrestre,
radiación solar, calores de disolución y precipitación
y producción de calor de fricción), la producción
adicional de entropía puede combinarse con el mínimo
para obtener, así, la entropía total producida por procesos
físicos.
La producción de entropía
en el sistema es el elemento más importante para pronosticar
la dirección en que ocurrirán los procesos de desarrollo
del cavernamiento toda vez que, de acuerdo con el segundo principio
de la termodinámica, ella ocurre en la dirección del
máximo incremento de la entropía.
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