Universidad Nacional de Colombia GEOLOGÍA FÍSICA Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín 2013

Aguas superficiales y subterráneas Generalidades (ciclo hidrológico) Corrientes de agua (definiciones, erosión, transporte, depositación) Geomorfología fluvial Inundaciones y su control Aguas subterráneas (generalidades)

Generalidades Ríos, corrientes de agua, humedad del suelo y almacenamiento en las rocas son componentes esenciales del ciclo hidrológico Escorrentía: agente dominante en la alteración del paisaje (erosión del terreno – transporte de sedimentos) Inundaciones: uno de los procesos geológicos más destructivos Agua subterránea: 94% del agua potable líquida...

Generalidades Ciclo hidrológico El agua se mueve constantemente entre la hidrosfera, la atmósfera, la tierra sólida y la biosfera (cambia rápidamente de estado a la p y T superficial) Anual

Generalidades Ciclo hidrológico Depósitos (almacenamiento): Océanos, glaciares, agua subterránea, lagos, humedad del suelo, ríos, atmósfera... Fuente de energía del ciclo: Sol (clima) Procesos Precipitación (P) Infiltración (I): la lluvia pasa a través del suelo hacia los depósitos subterráneos Percolación profunda y movimientos a través de la tierra sólida: alimentan lagos, ríos, ...

Generalidades Ciclo hidrológico Procesos Balance hidrológico Escorrentía (R): flujo superficial de agua en exceso (P>I)... El suelo está saturado Evapotranspiración (E): suma del agua que se evapora y del agua transpirada por las plantas Balance hidrológico S = almacenamiento de humedad en el suelo En el largo plazo (más de 20 años) dS/dt = 0 y R = P – E

Generalidades Ciclo hidrológico Balance hidrológico Océanos E>P, tierra P>E... R completa el balance

Corrientes de agua superficial Cuerpo de agua de cualquier tamaño, confinado a un canal, que se mueve ladera abajo por influencia de la gravedad Alimentadas por escorrentía superficial y aguas subterráneas Inicialmente en láminas de unos pocos mm sobre el terreno, que se unen para formar pequeños canales y eventualmente corrientes La escorrentía depende de la capacidad de infiltración del terreno, de la intensidad y duración de la lluvia, del estado previo de humedad del suelo, de la textura del suelo, de la pendiente y de la vegetación...

Corrientes de agua superficial Tipos de flujo de corriente Laminar: bajas velocidades, cauces de baja pendiente, trayectorias paralelas al cauce Turbulento: altas velocidades, cauces inclinados, trayectorias confusas, erráticas, con remolinos. La turbulencia es responsable de erosionar el cauce y mantener el sedimento en suspensión

Corrientes de agua superficial Tipos de flujo de corriente Turbulento Laminar

Corrientes de agua superficial Velocidad de una corriente Varía en distintos puntos de una corriente (menor en los costados, mayor en el centro) debido a la fricción con el cauce y varía según la corriente sea recta o sinuosa... 1 a 30 km/h

Corrientes de agua superficial Velocidad de una corriente Determina la capacidad de transporte y erosión de la corriente Depende de: Gradiente (pendiente, inclinación del canal)‏ Forma (sección transversal): determina cuánta agua está en contacto con el cauce. Entre menor sea el perímetro mayor será la velocidad... Cuando la relación perímetro/área es menor, la velocidad aumenta Irregularidad del cauce: fricción...

Corrientes de agua superficial Velocidad de una corriente

Corrientes de agua superficial Caudal de una corriente Cantidad de agua que atraviesa un punto en un determinado tiempo Q = A x V A = sección transversal V = velocidad media en la sección Varía constantemente, dependiendo de las condiciones climáticas Varían el ancho, la profundidad y la velocidad

Corrientes de agua superficial Caudal de una corriente

Corrientes de agua superficial Caudal de una corriente 1,290 2,600 2,570 7,230 14,900 15,500 17,000 17,300 17,400 18,700 19,800 21,800 39,650 212,400 Caudal (m3/s)‏ 0.054 0.159 0.072 0.028 0.006 0.019 0.005 0.007 0.018 0.021 0.011 0.010 0.037 Q/A (m3/s.km2)‏ 23,700 Patía 16,400 San Juan 35,700 Atrato 257,430 Magdalena 2,305,000 Paraná 2,424,000 Lena 880,600 Orinoco 3,222,000 Mississippi 2,590,000 Yenisei 1059,300 Ganges 935,000 Brahmaputra 1,942,000 Yagntze 4,014,500 Congo 5,778,000 Amazonas Área drenada (km2)‏ Río

Corrientes de agua superficial Perfil longitudinal de una corriente Relación entre las alturas del cauce y las distancias horizontales, desde la cabecera hasta la desembocadura En general, la pendiente disminuye constantemente al aumentar la distancia recorrida, y el perfil tiene una forma cóncava suave Hacia aguas abajo aumenta el caudal, el ancho y la profundidad de la corriente, y disminuye el tamaño del material del lecho. Cerca a la cabecera las corrientes son más turbulentas...

Corrientes de agua superficial Perfil longitudinal de una corriente

Corrientes de agua superficial Perfil de algunos ríos colombianos Cauca Atrato San Juan Magdalena

Corrientes de agua superficial Nivel base: Límite inferior para la erosión de una corriente fluvial (menor elevación a la cual una corriente puede profundizar su cauce) = Nivel de desembocadura a otro río / lago / océano Absoluto: nivel del mar Local o temporal Cambios en el nivel base ocasionan reajustes en toda la corriente (depositación – erosión)

Corrientes de agua superficial

Corrientes de agua superficial Erosión de las corrientes fluviales Las corrientes erodan sus cauces al: - Recoger clastos débilmente consolidados (debido a la turbulencia, incluso puede separar trozos de lecho diaclasado o fracturado) - Abrasión por el material que transporta - En menor medida, disolución del lecho rocoso (la mayoría de cationes disueltos provienen del agua subterránea, no son producidos por corrientes de agua)

Corrientes de agua superficial Erosión de las corrientes fluviales y las aguas que las alimentan Laminar (capa de suelo) – surcos (pequeños canales) – cárcavas (zanjas profundas)

Corrientes de agua superficial Erosión de las corrientes fluviales Socavación lateral de los cauces Incisión vertical de los cauces

Corrientes de agua superficial Transporte del sedimento por las corrientes Los productos de la meteorización y de la erosión del cauce van a las corrientes por flujo superficial, procesos gravitacionales y agua subterránea - En solución (disuelto): iones disueltos durante la meteorización, transportados por el agua subterránea. Su transporte es independiente de la velocidad, se deposita cuando hay cambios químicos en el agua - En suspensión: mayoría de la carga (arenas, limos, arcillas, ocasionalmente gravas). Nube visible de sedimentos disueltos en el agua. Depende de la velocidad de la corriente y del tamaño, forma y peso específico de los clastos

Corrientes de agua superficial Transporte del sedimento por las corrientes - Carga de fondo: material demasiado grande para ser llevado en suspensión. Es arrastrado sobre el lecho mediante rodamiento, deslizamiento y saltación. Se mueve intermitentemente.

Corrientes de agua superficial Transporte del sedimento por las corrientes Capacidad: carga máxima de partículas sólidas que la corriente puede transportar (depende del caudal) Competencia: tamaño máximo de clastos que la corriente puede transportar (depende de la velocidad) Durante una inundación aumentan el caudal (capacidad) y la velocidad (turbulencia, competencia), lo que genera altas tasas de erosión y transporte de sedimentos...

Corrientes de agua superficial Depositación del sedimento por las corrientes Al disminuir la velocidad disminuye la capacidad y competencia de la corriente y los clastos se van depositando según el tamaño, forma y gravedad específica (selección) Aluvión: material bien seleccionado típicamente depositado por una corriente fluvial - Depósitos de canal: sedimentos depositados dentro del cauce del río. Arenas y gravas (material grueso) se depositan en barras, de carácter transitorio. Común en meandros o en el fondo del canal de ríos trenzados

Corrientes de agua superficial Depositación del sedimento por las corrientes Río Meándrico Río Trenzado

Corrientes de agua superficial Depositación del sedimento por las corrientes - Llanura de inundación: parte del valle que se llena de agua durante las inundaciones. Extensión y tamaño de grano variable según las características de la corriente

Corrientes de agua superficial Depositación del sedimento por las corrientes - Abanicos aluviales y deltas: se depositan por pérdida súbita de competencia en la corriente, unos en tierra firme y otros en cuerpos de agua Abanicos: empinados. Corrientes fluviales de alto gradiente abandonan un valle estrecho en terreno montañoso y salen a una llanura amplia y plana (cambio de forma del canal). Lo más grueso se deposita en el centro del abanico Deltas: planos. La corriente entra a un océano o lago, desacelerándose y depositando sus sedimentos. A medida que el delta crece, la corriente se obstruye y va desarrollando otros canales distribuidores de agua y sedimentos No todos los ríos forman deltas, depende de las características del río y de los procesos costeros

Corrientes de agua superficial Depositación del sedimento por las corrientes

Corrientes de agua superficial Erosión, transporte y depositación

Geomorfología fluvial Valles fluviales Una de las geoformas más frecuentes en la Tierra 2 formas extremas ideales, con variaciones entre ellas: - Valles estrechos en “V”: laderas de pendientes fuertes, generalmente predominan los procesos erosivos verticales. Cataratas. Producto final de la acción conjunta de meteorización, procesos gravitacionales, ... - Valles anchos en “U”: la incisión vertical cesa, la energía se disipa lateralmente ensanchando (por erosión) el valle. En su interior predominan los procesos de depositación. Valles de fondo plano, frecuentemente desarrollan ríos meándricos y trenzados.

Geomorfología fluvial Valles fluviales

Geomorfología fluvial Valles fluviales Ríos meándricos: frentes de erosión y depositación, disipación lateral de la energía. Los frentes erosivos suelen migrar dejando a veces meandros abandonados

Geomorfología fluvial Meandros encajados y terrazas fluviales - Meandros encajados: meandros en valles estrechos y empinados (normalmente son en valles amplios). Primero se formaron los meandros, luego un cambio en el nivel base desencadena incisión vertical - Terrazas fluviales: restos de llanuras de inundación previas. Cambios en el nivel base producen erosión de las llanuras de inundación preexistentes

Geomorfología fluvial Meandros encajados y terrazas fluviales

Geomorfología fluvial Cuencas y redes de drenaje Cuenca: área afluente en un punto cualquiera de la corriente, separada de otras cuencas por una línea imaginaria denominada divisoria Cuenca de drenaje del río Atrato

Geomorfología fluvial Cuencas y redes de drenaje Red: conjunto de corrientes interconectadas. Su forma depende del tipo de roca y de las estructuras (fallas, pliegues) presentes - Dendrítica: ramificaciones irregulares. El sustrato es uniforme (típicamente rocas ígneas masivas) y no hay controles estructurales de las corrientes (el único control es la pendiente) - Radial: las corrientes divergen desde un área central. Típico de zonas volcánicas - Rectangular: el sustrato está fallado y diaclasado, el agua corre por las zonas de debilidad estructural

Geomorfología fluvial Cuencas y redes de drenaje Dendrítica Radial Rectangular

Geomorfología fluvial Cuencas y redes de drenaje

Inundaciones y su control El caudal supera la capacidad del cauce El más común y destructivo de los fenómenos geológicos Factores - Clima: incremento en las precipitaciones, deshielo - Actividad antrópica: pavimentación y alcantarillado (impermeabilizan el suelo y aumentan la escorrentía), ruptura de presas - Características de la cuenca: geología, uso del suelo, morfometría, ...

Inundaciones y su control Los ríos experimentan variaciones estacionales en su caudal, que van modificando el paisaje fluvial año tras año

Gráfico de Caudal vs. Tiempo Inundaciones y su control Las inundaciones vienen en general asociadas on incrementos en las precipitaciones. El caudal máximo ocurre varias horas después del máximo en la precipitación. Gráfico de Caudal vs. Tiempo

Caudal Máximo vs. Intervalo de recurrencia Inundaciones y su control Las inundaciones tienen un periodo de recurrencia, con una tendencia más o menos semilogarítmica Caudal Máximo vs. Intervalo de recurrencia

Inundaciones y su control Controles - Diques: montículos en las riberas de los ríos, aumentan el volumen de agua que el cauce puede contener - Presas: almacenan el agua de la inundación y la liberan lentamente. - Canalización: alteración del cauce para aumentar la velocidad del flujo - Zonificación adecuada: no realizar construcciones en zonas de riesgo...

Aguas subterráneas 94% del agua líquida potable es subterránea Se almacena en los poros de suelo y sedimentos y en grietas y fracturas en el lecho rocoso (en conjunto, son un volumen considerable) Humedad del suelo: agua retenida por atracción molecular en la superficie de las partículas sólidas (disponible para evapotransporación)‏ Zona de aireación: poros llenos fundamentalmente de aire Franja capilar: el agua asciende desde la zona saturada por capilaridad

Aguas subterráneas Nivel freático: límite superior de la zona de saturación. Sigue la topografía, aunque más suavizado Zona de saturación: todos los espacios libres están llenos de agua (va hasta 2 km de profundidad aproximadamente; allí los poros están sellados)‏

Aguas subterráneas El agua fluye lentamente (cm/día), dependiendo de la porosidad y permeabilidad de los materiales, desde las zonas de NF altos hacia las zonas de NF bajos Dependiendo de las condiciones climáticas, los depósitos de agua subterránea ceden o toman agua de los ríos

Aguas subterráneas Acuífero: estrato permeable que transmite libremente el agua (arenisca, aluvión)‏ Acuicludo (capa confinante): estrato impermeable que impide el movimiento del agua (shale, rocas cristalinas) Manantiales (nacimientos): provienen de la zona de saturación (NF aflorando)‏ Fuentes termales y geysers: en zonas de actividad ígnea Pozos: extracción de agua de la zona saturada. Producen abatimiento (depresión) del NF Artesianos: el agua subterránea está bajo presión (confinada entre dos acuicludos) y asciende por encima del acuífero sin necesidad de bombeo

Aguas subterráneas

Aguas subterráneas Problemas asociados a su explotación - Agotamiento (al agua subterránea se renueva muy lentamente) - Subsidencia (el agua extraía crea vacíos en profundidad) - Contaminación (derrames, pozos sépticos, ...)