Las aguas superficiales

GEOLOGÍA FÍSICA
Universidad Nacional de Colombia
Sede Medellín
2007
Calendario
Octubre 31: Aguas superficiales y subterráneas
Noviembre 2: Costas, desiertos, glaciares
Noviembre 7: Deformación de la corteza
Noviembre 9: Recursos minerales
Noviembre 14: Dudas PARCIAL 3
Noviembre 16: PARCIAL 3
Noviembre 21: Preparación SALIDA
Noviembre 23: SALIDA
Resumen clase anterior
Movimientos en masa
- Generalidades
Etapa siguiente a la meteorización
Movimiento de rocas, regolito y suelo bajo acción directa
de la gravedad (no necesitan otros agentes)
Desarrollo de geoformas: laderas y valles
- Factores que los controlan
Agua y su circulación (destruye cohesión y fricción interna,
añade peso), Pendiente del terreno, Vegetación (protege
contra la erosión, añade cohesión), Sismos (fuerzas
adicionales), Clima, Tipo y estado de roca y suelo,
Discontinuidades estructurales, Actividad antrópica
Resumen clase anterior
- Clasificación
Tipo de material (rocas, derrubios, lodo, tierra)
Velocidad de movimiento (caídas, avalanchas,
deslizamientos, reptaciones) – contenido de agua
Tipo de movimiento (desprendimiento, deslizamiento, flujo)
Tamaño
Resumen clase anterior
- Clasificación
- Control: obras civiles, reducción peso, revegetalización
- FS = FR / FM
XII. 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...
Explotación racional
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
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
dS
=P −E −R
dt
S = almacenamiento de humedad en el suelo
En el largo plazo (más de 20 años) dS/dt = 0 y R = P – E
R se integra en las corrientes...
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...
Tamaño del río: al aumentar hay relaciones
perímetro/área menores y 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
Río
Área drenada (km2)
Caudal (m3/s)
Q/A (m3/s.km2)
Amazonas
5,778,000
212,400
0.037
Congo
4,014,500
39,650
0.010
Yagntze
1,942,000
21,800
0.011
Brahmaputra
935,000
19,800
0.021
Ganges
1059,300
18,700
0.018
Yenisei
2,590,000
17,400
0.007
Mississippi
3,222,000
17,300
0.005
Orinoco
880,600
17,000
0.019
Lena
2,424,000
15,500
0.006
Paraná
2,305,000
14,900
0.006
Magdalena
257,430
7,230
0.028
Atrato
35,700
2,570
0.072
San Juan
16,400
2,600
0.159
Patía
23,700
1,290
0.054
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,
la profundidad y la velocidad 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
3500
3000
2500
2000
1000
Cauca
Altura (msnm)
Altura (msnm)
Perfil de algunos ríos colombianos
1500
1000
500
0
Atrato
800
600
400
200
0
0
150
300
450
600
750
900
1050
0
Distancia desde el nacimiento (km)
200
300
400
Distancia desde el nacimiento (km)
3000
2500
San Juan
2000
Altura (msnm)
Altura (msnm)
100
1500
1000
500
Magdalena
2500
2000
1500
1000
500
0
0
0
50
100
150
200
250
Distancia desde el nacimiento (km)
300
0
250
500
750
1000
1250
Distancia desde el nacimiento (km)
1500
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)
Corriente gradada: la pendiente y otras
características del cauces son justas para
mantener la velocidad necesaria para transportar
el material suministrado = No hay erosión ni
depositación... AUTORREGULADA
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)
- 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
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, por lo
general durante inundaciones
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 anastomosados
(canales que convergen y divergen, suministro de
sedimentos >> capacidad de transporte)
Corrientes de agua superficial
Depositación del sedimento por las corrientes
Depositación
V1
Erosión
<
V2
Corrientes de agua superficial
Depositación del sedimento por las corrientes
- Llanura de inundación: parte del valle anegada 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
abrupta 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. Su ancho es mayor que su profundidad,
excepto en zonas de roca muy resistente. 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 anastomosados
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
Valles fluviales
Atraviesan varias etapas durante su formación
- Desarrollo inicial del valle en zonas de debilidad
estructural
- Profundización del cauce hasta que se alcanza el nivel
base
Valles en V, gradiente alto, sin llanura de inundación
- Formación de tributarios
- Erosión rápida del conjunto
- Ampliación de tributarios
- Formación de valles amplios
Valles amplios, meandros y llanura de inundación
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
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. Genera problemas aguas abajo (erosión) y
aguas arriba (sedimentación)
- Canalización: alteración del cauce para aumentar la
velocidad del flujo
- Zonificación adecuada: no realizar construcciones en
zonas de riesgo...
Riesgo =
Σ
Amenaza (fenómeno natural) +
Vulnerabilidad (infraestructura)
Inundaciones y su control
Controles
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: 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
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, ...)
Resultados del parcial – p1 a p12
1. Rocas félsicas: mayor SiO2, menor Ca, Fe, Mg, menor
índice de color, menor velocidad de meteorización, menor
temperatura de cristalización
Rocas máficas: menor, mayor, mayor, mayor, mayor
2. En cuál ambiente es menos posible encontrar gravas?
Marino profundo
3. Las dolomías se forman por adición de magnesio a la caliza
4. La broca puede perforar hasta 66 km:
0 km, T=10°C
40 km (moho), T=1210°C (40 km x 30°C/km)
Sobran 390°C, que al gradiente geotérmico del manto
(15°C/km) son 26 km (390°C / 15°C/km)
5. Suelo enriquecido en aluminio y hierro, de color rojo ladrillo,
típico de bosques húmedos tropicales: laterita
Resultados del parcial – p1 a p12
6. Una roca compuesta por 40% de fenocristales de plagioclasa
intermedia, 20% de fenocristales de hornblenda y 40% de
matriz vítrea gris medio se denomina pórfido andesítico
Fenocristales > matriz, apellido volcánico
7. Cuál de las siguientes rocas procede de una profundidad
mayor? Eclogita
8(9). Núcleo a márgenes: Gneiss, esquisto, filita, pizarra
9(8). Más a menos resistencia a las condiciones superficiales:
Hematita, caolín, biotita, augita, olivino, halita
10. Los elementos son lavados del suelo en el siguiente orden:
Potasio, calcio, hierro
11. La corteza oceánica es más delgada, densa y joven que la
continental, y está compuesta principalmente por basaltos
12. Los límites inferior y superior del núcleo externo se
denominan: Discontinuidades de Lehman y Gutenberg
Resultados del parcial – p1 a p12
Número de estudiantes
25
20
15
10
5
0
0.15
0.3
0.45
0.6
0.75
0.9
1.05
1.2
1.35
Preguntas 1 a 12 (máximo posible 1.8)
1.5
1.65
Resultados del parcial – p13
Basalto
Bajo SiO2, alto Fe y Mg, vesicular
I-v
Shale
Tamaños arcilla y limo, depositación en ambientes tranquilos
S-d
Granito
Cuarzo y feldespato potásico, poco Fe y Mg, fanerítica
I-p
Brecha
Depositada muy cerca de la roca fuente
Cuarzoarenita
Clastos tamaño arena, fundamentalmente cuarzo
S-d
Milonita
En zonas de falla, nivel dúctil
M-d
Plagioclasa Ca-Na, anfíboles, poco Q, afanítica/porfídica
I-v
Metamorfismo regional, bandas claras y oscuras
M-r
Gneiss
Calizas sometidas a altas temperaturas y/o presiones
S
M
Arcosa
Clastos angulosos de tamaño arena, cuarzo y abundantes feldespatos
S-d
Gabro
Piroxenos y plagioclasa Ca, fanerítica
I-p
Diorita
Plagioclasa Ca-Na, anfíboles y biotita, fanerítica
I-p
Migmatita
Metamorfismo extremo con fusión parcial de la roca
Textura no clástica, casi 100% sílice
Pizarra
Grano muy fino, excelente foliación, parte en láminas
M
S-q
M
Resultados del parcial – p13
18
Número de estudiantes
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0.00 0.08 0.17 0.25 0.33 0.42 0.50 0.58 0.67 0.75 0.83 0.92 1.00
Pregunta 13 (máximo posible = 1.0)
Resultados del parcial – p14
MAL DISEÑADO = TODOS 0.7
Mejor selección: A (más % en un
mismo rango de tamaños)
Mejor roca caja para
hidrocarburos: B (menores
tamaños, menos porosidad y
permeabilidad)
90
Número de estudiantes
80
70
60
50
40
Muestra
A
B
% arc/lim
2
68
% arenas
13
30
10
% gravas
85
2
0
Clasificación
Conglomerado
Brecha
Limolita
Arcillolita
30
20
0.7
Pregunta 14 (máximo posible = 0.7)
Resultados del parcial – p15
Discordancia angular; Edad 3 vidas medias (2.1E9 o 3.9E9); las
inclusiones se encuentran sólo en rocas más jóvenes que la
considerada (por ejemplo, inclusiones de N en O)
Resultados del parcial – p15
- Confusión entre intrusión (proceso ígneo) e inclusión (rocas
más antiguas dentro de otras más jóvenes)
“Inclusiones de limolita (diorita) en el espeso de la
corteza continental...”
“La lutita se encuentra en ambientes de poca capacidad
de transporte como el desierto...”
“La diorita se encuentra en ambientes sedimentarios
tranquilos...”
- Las rocas sedimentarias (caliza, limolita, arenisca, arcillolita)
no intruyen!
- Edades:
“La edad de la Tierra es 9.1E9 años...”
“Edad 10x1.3E9 años...”
“Edad (7E8)3 años...” = 3.43E26 años!!!
“Tiene 7 años y medio...”
“Edad 17294.403 años...” (y sin calculadora...)
Resultados del parcial – p15
20
Número de estudiantes
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Pregunta 15 (máximo posible = 1.0)
0.8
0.9
Resultados del parcial – p16
(V) Hace aproximadamente 2500 Ma la corteza superior estaba
dominada por granitos ricos en sodio TTG, mientras que hoy en
día está dominada por granitos ricos en potasio
(F) La corteza continental terrestre se hace más ácida a medida
que aumenta la profundidad
(V) La capacidad de la Tierra para desarrollar y sostener un
ambiente de tectónica de placas, y sus variaciones a lo largo de la
historia del planeta, son las responsables de la generación de
grandes piezas de corteza continental
(F) En Venus existen procesos de creación y destrucción de
corteza basáltica similares la tectónica de placas terrestre, aunque
ocurren más lentamente
(F) En la historia terrestre sólo ha existido un supercontinente,
Pangea, hace 250 Ma
Resultados del parcial – p16
40
Número de estudiantes
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Pregunta 16 (máximo posible = 0.5)
0.5
Resultados del parcial
Número de estudiantes
25
Promedio del
grupo = 2.9
(2.6)
20
Porcentaje de
estudiantes que
ganaron = 53%
(36%)
15
10
5
0
1
1.4
1.8
2.2
2.6
3
3.4
Nota parciales
Parcial 1
Parcial 2
3.8
4.2
4.6
Porcentaje de
estudiantes que
sacaron menos
de 2.0 = 13%
(20%)
Resultados del parcial
25
Número de estudiantes
Promedio +0.3
20
15
10
5
0
-1.2
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
1.2
Parcial 2 - Parcial 1 (unidades)
1.6
2
Resultados del parcial
Número de estudiantes
25
20
Ganando = 70%
47%
Perdiendo = 30%
53%
Zona crítica (<2.0) = 6%
15%
15
10
5
0
1.4
1.8
2.2
2.6
3
3.4
3.8
4.2
Promedio Parciales 1 y 2
Quizz: valor 1.0 (una unidad de más en parcial 1 o 2), VIERNES
2 Nov... APAREAMIENTO ROCAS + DATACIÓN... OPCIONAL