HIDROGEOLOGIA DE ACUIFEROS FRACTURADOS CONCEPTOS BASICOS Miriam Rios Sanchez Gelóga, M.Eng Hidrologia, Candidata a PhD mriossan@mtu.edu

DEFINICIONES: POROSIDAD Se refiere a los espacios abiertos (poros) en los diferentes tipos de rocas En las Rocas Duras: Los espacios corresponden a fracturas, diaclasas, planos de estratificación y cavidades producto de la disolución. Estos espacios no tienen una distribución uniforme y se consideran como fenómenos localizados. Este tipo de porosidad se denomina “porosidad secundaria” En las Rocas Blandas los poros están presentes entre los granos individuales y los minerales. La distribución de éstos poros es mucho mas homogénea que en las rocas consolidadas. Este tipo de porosidad se denomina Porosidad Primaria o Porosidad Intergranular

PERMEABILIDAD Se refiere a la capacidad de la roca para transmitir agua En las Rocas Duras la permeabilidad está determinada por el tamaño de las fracturas, diaclasas, y por el tamaño de las aberturas a lo largo de los planos de estratificación y el tamaño de las cavidades producto de la disolución. La conexión entre estas és un factor determinante en el grado de permeabilidad. En las Rocas Blandas la permeabilidad está relacionada con el tamaño de los granos y la selección de los mismos. Altas permeabilidades están asociadas a rocas compuestas de granos redondeados y gruesos que se encuentran bien seleccionados

Imagen de: Daniel Martinez

DEFINICIONES Homogeneidad / Heterogeneidad Isotropía Anisotropía

CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS ACUIFEROS FRACTURADOS

Extrema de variabilidad espacial en conductividad hidráulica y cantidad de flujo Las propiedades hidráulicas son muy anisotrópicas y deben ser definidas en conjunto con información espacial (direccional. )‏ Las velocidades del agua a través de fracturas individuales pueden ser extremadamente altas, pero las fracturas usualmente ocupan solo una pequeña parte del acuífero Por lo anterior, el promedio del flujo volumétrico puede ser bajo.

Conformación del complejo acuifero en rocas fracturadas COMPONENTES: 1. Red de fracturas / discontinuidades 2. Bloque de la matriz 3. Relleno de las fracturas (si existe)‏ 4. Zona meteorizada (si existe)‏ http://toxics.usgs.gov/photo_gallery/photos/mirrorlake/mirrorlake2_lg.jpg

Larsson, 1985

CLASIFICACION DE LOS ACUIFEROS FRACTURADOS Medio Poroso Homogéneo Medio Poroso Heterogéneo Figure 1.1. Classification of porous and fractured rocks: a) homogeneous porous media, b) heterogeneous porous media, c) fractured porous media with significant permeability in the aquifer matrix, d) fractured porous media with significant porosity, but negligible permeability in the aquifer matrix, e) purely fractured media, with zero porosity and zero permeability within the aquifer matrix. All aquifers can be considered to fall on a continuum between porous media systems and conduit systems (Fig. 1.1). In homogeneous porous media aquifers (Fig. 1.1a), groundwater flows through gaps between the sand grains. In heterogeneous porous media aquifers (Fig. 1.1b), systematic variation in the size of the sand grains leads to the existence of preferential flow zones. At the other extreme, in purely fractured media (Fig. 1.1e) groundwater flows only in conduits, and the aquifer matrix between the conduits is impermeable and has no porosity. In fractured porous media water is also stored in the aquifer matrix between the conduits. In some cases, the matrix permeability is negligible (Fig. 1.1d), although in other cases it can contribute significantly to flow (Fig. 1.1c). In reality, most fractured rock aquifers are of the fractured porous media type. Models of groundwater flow, however, usually assume either homogeneous porous media or purely fractured media. Furthermore, models of groundwater flow in purely fractured systems usually assume that fractures are planar and parallel and many also assume that the fractures are identical. While these assumptions are unlikely to be true in reality, they provide a useful starting point for our understanding of groundwater behaviour in fractured rocks. Medio Poroso Fracturado Medio Fracturado Singhal & Gupta,1999

FRACTURAS Y DISCONTINUDADES Constituyen las estructuras geológicas mas importantes, desde el punto de vista hidrogeológico. Estas facilitan el almacenamiento y movimiento de fluido a través de ellas. Por otro lado, algunas discontinuidades (ej: fallas y diques) pueden actuar también como barreras para el flujo.

Tipos de fracturas y discontinuidades Planos de estratificación Foliación y clivaje Fracturas (y diaclasas)‏ Fallas y zonas de corrimiento y Otras discontinuidades geológicas

Planos de estratificación Singhal & Gupta,1999 Primary bedding and compositional layers form the bedding plane. Usually is the most significant disconitinuity surface in sandstones, siltstones, etc. The bedding plane being the most important discontinuity imparts anisotropy and has a profound influence in gw flow in the vadose zone. Folds (antilcines and synclines). Folding is accompanied by fracturing of rocks . Anticline: the crest undergoes higher tensional stresses and hence develops often tensile fractures, which may constitute better sites for gw development http://raider.muc.edu/~mcnaugma/images/Structures/7L95-3b_SM-Lewis_Thrust_fold.jpg

FOLIACION Larsson, 1985 http://jaeger.earthsci.unimelb.edu.au/Images/Geological/Structural/foliations/cleavage.jpg

FRACTURAS Y DIACLASAS

Si hay movimiento se clasifica como falla Una fractura o diaclasa se define como un plano donde dificilmente se puede observa dsplazamiento paralelo a la traza de ella. Si hay movimiento se clasifica como falla En la práctica, sin embargo es dificil hacer una distinción precisa. Pequeños movimientos en ángulos rectos a la superficie de la fractura producen una fractura abierta, ésta puede permanecer abierta o llenarse con minerales secundarios o fragmentos de roca. Figure 2.1.2.3. illustrates the main features of a tectonite consisting of aggregates of quartz grains enclosed by a web of mica leaves. Each quartz nest is a fabric element, or superindividual, and shows dimensional orientation. The grains composing the superindividual show no dimensional orientation but statistical analysis would probably disclose a lattice orientation. This lattice orientation may be referable to a statistical s-surface not apparent from inspection of the diagram. Both quartz aggregates and, mica define the conspicuous foliation (parallel to the upper face of the block) and lineation (parallel to the axis b). The assumed fabric-axis orientation illustrates a common relation to foliation and lineation. Cross fractures parallel to the ac-plane are shown as unbroken straight lines perpendicular to b. In another common relation a is parallel to the lineation and tension fractures are approximately parallel to the new position of the bc-plane.

Singhal & Gupta,1999 http://www.ged.rwth-aachen.de/Ww/projects/ogtech/fault_fractures/fault_fractures.html

FAULTS http://www.ged.rwth-aachen.de/Ww/projects/ogtech/fault_fractures/fault_fractures.html

Efectos de las fallas en el régimen de agua subterránea Es bien conocido que las fallas tienen efectos tales como truncamiento, desplazamiento, repetición u omisión de capas. En este sentido la distribución y ocurrencia de acuíferos puede ser afectada por fallas ya que un acuífero ser desplazado/truncado/omitido localmente. Una falla puede poner rocas impermeable contra un acuífero, esto afectaría el flujo y la distribución de agua subterránea. El truncamiento de un acuífero a causa de una falla puede dar inicio a (ex)filtración y a la formación de manantiales alineados a lo largo de la falla. Una falla puede causar un escarpe: la erosión intensa del bloque superior y seguido por deposición del pie de la montaña en el bloque inferior. Los depósitos en el pie de la montaña puede pueden servir como buenos acuíferos. Un acuífero se puede repetir en una perforación a causa de fallas. Luego puede ser expuesto nuevamente a la superficie para convertirse ser zona de recarga.

En diques verticales, venas etc (los cuales generalmente actúan como barreras para el flujo de agua subterránea) una Fallas pueden causar aberturas en estas formaciones provocando la formación de canales a lo largo de la barrera. Una falla puede producir una cascada de agua subterránea. Las fallas crean zonas lineares de porosidad secundaria más alta, Dichas zonas pueden actuar como canales preferidos por el flujo de agua subterránea causando recarga/descarga. Una zona de falla, cuando hay silicificación, puede actuar como una barrera para el flujo de agua subterránea.

Singhal & Gupta,1999

CARACTERIZACION DE FRACTURAS

Cook, 2003

Larsson, 1985

EXPLORACION DE AGUA SUBTERRANEA EN ACUIFEROS FRACTURADOS Geología Geomorfología Uso del suelo Percepción Remota Geofísica

Crystalline rocks

ELEMENTOS DEL MACIZO HG- ZONAS ACUÍFERAS I - ZONA DE METEORIZACIÓN Zona no saturada: Infiltración Flujo subsuperficial Zona saturada: Aguas freáticas de fisura II - ZONA DE FISURACIÓN TECTÓNICA Y LITOGÉNICA REGIONAL Aguas de fisura a presión III - ZONA DE FRACTURA REGIONAL Aguas filonianas de fisura a presión` Bermoudes, 2003

Rocas volcánicas

Rocas carbonatadas

EXPLORACION GEOFISICA

Los métodos geofísicos basados en señales electricas y electromagnéticas (EM) han sido ampliamente usados en la investigación hidrogeológica debido a la correlación entre las propiedades electricas de las rocasm la geología y el contenido de fluidos en ellas. Los métodos de muy baja frecuencia (VLF) mide la componente magnética de los componentes Electromagnéticos (EM) y se utiliza para identificar elementos conductores de estas señales y zonas fracturadas (saturadas) ‏

El PRINCIPIO DEL METODO DE MUY BAJA FRCUENCIA From Ganerond et al, 2006

Métodos Geoeléctricos