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El karst ( / kɑːrst / ) es una topografía formada a partir de la disolución de rocas carbonatadas solubles como la caliza y la dolomita . Se caracteriza por características como poljes en la superficie y sistemas de drenaje con dolinas y cuevas en el subsuelo. [ 1] [2] Hay algunas evidencias de que el karst puede presentarse en rocas más resistentes a la intemperie como la cuarcita si se dan las condiciones adecuadas. [3]
El drenaje subterráneo puede limitar la presencia de aguas superficiales, con pocos o ningún río o lago. En regiones donde el lecho rocoso disuelto está cubierto (quizás por escombros) o confinado por uno o más estratos de roca no soluble superpuestos, las características kársticas distintivas pueden aparecer solo en niveles subterráneos y pueden estar totalmente ausentes en la superficie. [4]
El estudio del paleokarst (karst enterrado en la columna estratigráfica ) es importante en la geología del petróleo porque hasta el 50% de las reservas de hidrocarburos del mundo están alojadas en rocas carbonatadas , y gran parte de éstas se encuentran en sistemas kársticos porosos. [5]
La palabra inglesa karst fue tomada prestada del alemán Karst a finales del siglo XIX, [6] que entró en uso alemán mucho antes, [7] para describir una serie de características geológicas, geomorfológicas e hidrológicas que se encuentran dentro del rango de los Alpes Dináricos , que se extienden desde la esquina noreste de Italia sobre la ciudad de Trieste , a través de la península de los Balcanes a lo largo de la costa del Adriático oriental hasta Kosovo y Macedonia del Norte , donde comienza el macizo de las montañas Šar . La zona kárstica está en la sección más al noroeste, descrita en las primeras investigaciones topográficas como una meseta entre Italia y Eslovenia . Los idiomas que preservan esta forma incluyen el italiano : Carso , el alemán : Karst y el albanés : karsti .
En las lenguas eslavas meridionales locales , todas las variaciones de la palabra se derivan de una base iliria romanizada (que da lugar al latín : carsus , al dálmata : carsus ), posteriormente metatetizada a partir de la forma reconstruida * korsъ en formas como el esloveno : kras [8] y el serbocroata : krš , kras , [9] [10] [11] [12] atestiguadas por primera vez en el siglo XVIII, y la forma adjetiva kraški en el siglo XVI. [13] Como nombre propio, la forma eslovena Grast fue atestiguada por primera vez en 1177. [14]
En definitiva, la palabra es de origen mediterráneo . También se ha sugerido que la palabra puede derivar de la raíz protoindoeuropea karra- 'roca'. [15] El nombre también puede estar relacionado con el orónimo Kar(u)sádios oros citado por Ptolomeo , y quizás también con el latín Carusardius . [13] [14]
Johann Weikhard von Valvasor , pionero en el estudio del karst en Eslovenia y miembro de la Royal Society de Londres, introdujo la palabra karst a los académicos europeos en 1689 para describir el fenómeno de los flujos subterráneos de los ríos en su relato del lago Cerknica . [16]
Jovan Cvijić hizo avanzar enormemente el conocimiento de las regiones kársticas hasta el punto de ser conocido como el "padre de la geomorfología kárstica". En su publicación Das Karstphänomen (1893), Cvijić analiza principalmente las regiones kársticas de los Balcanes y describe formas del relieve como karren, dolinas y poljes . [5] En una publicación de 1918, Cvijić propuso un modelo cíclico para el desarrollo del paisaje kárstico. [5] [17]
La hidrología kárstica surgió como disciplina a finales de los años 1950 y principios de los años 1960 en Francia. Anteriormente, las actividades de los exploradores de cuevas, llamados espeleólogos , habían sido desestimadas como un deporte más que una ciencia, por lo que las cuevas kársticas subterráneas y sus cursos de agua asociados fueron, desde una perspectiva científica, poco estudiados. [18]
El karst se desarrolla con mayor intensidad en rocas carbonatadas densas , como la piedra caliza, que tienen una capa delgada y están muy fracturadas . El karst no suele estar bien desarrollado en la tiza , porque la tiza es muy porosa en lugar de densa, por lo que el flujo de agua subterránea no se concentra a lo largo de las fracturas. El karst también se desarrolla con mayor intensidad donde el nivel freático es relativamente bajo, como en las tierras altas con valles atrincherados , y donde las precipitaciones son moderadas a intensas. Esto contribuye al rápido movimiento descendente del agua subterránea, lo que promueve la disolución del lecho rocoso, mientras que el agua subterránea estancada se satura con minerales de carbonato y deja de disolver el lecho rocoso. [19] [20]
El ácido carbónico que causa las características kársticas se forma cuando la lluvia pasa a través de la atmósfera de la Tierra y recoge dióxido de carbono (CO2 ) , que se disuelve fácilmente en el agua. Una vez que la lluvia llega al suelo, puede atravesar el suelo que proporciona CO2 adicional producido por la respiración del suelo . Parte del dióxido de carbono disuelto reacciona con el agua para formar una solución débil de ácido carbónico, que disuelve el carbonato de calcio . [21] La secuencia de reacción principal en la disolución de la piedra caliza es la siguiente: [22]
En condiciones muy raras, la oxidación puede desempeñar un papel. La oxidación desempeñó un papel importante en la formación de la antigua cueva de Lechuguilla en el estado de Nuevo México (Estados Unidos) [23] y actualmente está activa en las cuevas de Frasassi en Italia. [24]
La oxidación de sulfuros que conduce a la formación de ácido sulfúrico también puede ser uno de los factores de corrosión en la formación de karst. A medida que las aguas superficiales ricas en oxígeno (O2 ) se filtran en sistemas kársticos anóxicos profundos, traen oxígeno, que reacciona con el sulfuro presente en el sistema ( pirita o sulfuro de hidrógeno) para formar ácido sulfúrico (H2SO4 ) . El ácido sulfúrico luego reacciona con el carbonato de calcio, lo que provoca un aumento de la erosión dentro de la formación de piedra caliza. Esta cadena de reacciones es :
Esta cadena de reacción forma yeso . [25]
La karstificación de un paisaje puede dar lugar a una variedad de características de gran o pequeña escala, tanto en la superficie como debajo de ella. En las superficies expuestas, las características pequeñas pueden incluir flautas de solución (o rillenkarren), acanaladuras , pavimento de piedra caliza (clints y grikes), kamenitzas llamados colectivamente karren o lapiez. Las características superficiales de tamaño mediano pueden incluir sumideros o cenotes (cuencas cerradas), pozos verticales, foibe (sumideros en forma de embudo invertido), arroyos que desaparecen y manantiales que reaparecen .
Las características a gran escala pueden incluir pavimentos de piedra caliza , poljes y valles kársticos. Los paisajes kársticos maduros, donde se ha eliminado más lecho de roca que los restos, pueden dar lugar a torres kársticas o paisajes de pajar o de caja de huevos . Debajo de la superficie, pueden formarse complejos sistemas de drenaje subterráneo (como acuíferos kársticos ) y extensos sistemas de cuevas y cavernas. [19]
La erosión a lo largo de las costas de piedra caliza, especialmente en los trópicos , produce una topografía kárstica que incluye una superficie makatea afilada por encima del alcance normal del mar y socavaduras que son principalmente el resultado de la actividad biológica o la bioerosión en el nivel medio del mar o un poco por encima de él . [26] Algunas de las formaciones más espectaculares de este tipo se pueden ver en la bahía de Phangnga en Tailandia y en la bahía de Halong en Vietnam .
El carbonato de calcio disuelto en el agua puede precipitarse en el agua, donde el agua descarga parte de su dióxido de carbono disuelto. Los ríos que emergen de manantiales pueden producir terrazas de toba , que consisten en capas de calcita depositadas durante largos períodos de tiempo. En las cuevas, se forman una variedad de características colectivamente llamadas espeleotemas por la deposición de carbonato de calcio y otros minerales disueltos.
El karst interestratal es un paisaje kárstico que se desarrolla bajo una capa de rocas insolubles. Por lo general, esto implica una capa de arenisca que recubre estratos de piedra caliza en proceso de disolución. En el Reino Unido, por ejemplo, se han desarrollado extensos campos de dolina en Cefn yr Ystrad , Mynydd Llangatwg y Mynydd Llangynidr en el sur de Gales sobre una capa de arenisca de Twrch que recubre una caliza carbonífera oculta ; la última localidad mencionada ha sido declarada un sitio de especial interés científico con respecto a ella. [27]
El kegelkarst es un tipo de terreno kárstico tropical con numerosas colinas cónicas, formadas por cockpits, mogotes y poljes y sin fuertes procesos de erosión fluvial. Este terreno se encuentra en Cuba, Jamaica, Indonesia, Malasia, Filipinas, Puerto Rico, el sur de China, Myanmar, Tailandia, Laos y Vietnam. [28]
El karst salino (o "karst de halita") se desarrolla en áreas donde la sal se encuentra en disolución bajo tierra. Puede provocar depresiones y derrumbes superficiales que representan un riesgo geológico. [29]
Las zonas kársticas suelen tener tipos de bosques únicos. El terreno kárstico es difícil de atravesar para los humanos, por lo que sus ecosistemas suelen estar relativamente intactos. El suelo suele tener un pH alto, lo que fomenta el crecimiento de especies inusuales de orquídeas, palmeras, manglares y otras plantas. [30]
El paleokarst o paleokarst es un desarrollo del karst observado en la historia geológica y preservado dentro de la secuencia de rocas, en realidad un karst fósil. Por ejemplo, hay superficies de paleokarst expuestas dentro del subgrupo del valle de Clydach de la secuencia de calizas carboníferas del sur de Gales que se desarrollaron como erosión subaérea de calizas recientemente formadas que tuvo lugar durante períodos de no deposición dentro de la primera parte del período. La sedimentación se reanudó y se depositaron más estratos de caliza sobre una superficie kárstica irregular; el ciclo se repitió varias veces en relación con los niveles del mar fluctuantes durante períodos prolongados. [31]
Los pseudokarsts son similares en forma o apariencia a las formaciones kársticas, pero se crean por mecanismos diferentes. Algunos ejemplos incluyen cuevas de lava y montículos de granito (por ejemplo, la cueva Labertouche en Victoria, Australia) y formaciones de paleocolapso . Las cuevas de lodo son un ejemplo de pseudokarst.
Las formaciones kársticas tienen una hidrología única, lo que da lugar a muchas características inusuales. Una ventana kárstica se produce cuando un arroyo subterráneo emerge a la superficie entre capas de roca, cae en cascada a cierta distancia y luego vuelve a desaparecer, a menudo en un sumidero.
Los ríos en zonas kársticas pueden desaparecer bajo tierra varias veces y brotar de nuevo en diferentes lugares, incluso con un nombre diferente, como Ljubljanica , el "río de los siete nombres".
Otro ejemplo de esto es el río Popo Agie en el condado de Fremont, Wyoming , donde, en un sitio llamado "The Sinks" en el Parque Estatal Sinks Canyon , el río fluye hacia una cueva en una formación conocida como Madison Limestone y luego sube nuevamente 800 m ( 1 ⁄ 2 mi) por el cañón en una piscina plácida.
Un turlough es un tipo único de lago estacional que se encuentra en las zonas kársticas irlandesas y que se forma a través del surgimiento anual de agua del sistema de agua subterránea.
Artículo principal Acuífero#Karst
Los acuíferos kársticos se desarrollan típicamente en la piedra caliza . El agua superficial que contiene ácido carbónico natural se desplaza hacia abajo a través de pequeñas fisuras en la piedra caliza. Este ácido carbónico disuelve gradualmente la piedra caliza, agrandando así las fisuras. Las fisuras agrandadas permiten que entre una mayor cantidad de agua, lo que conduce a una ampliación progresiva de las aberturas. Las abundantes aberturas pequeñas almacenan una gran cantidad de agua. Las aberturas más grandes forman un sistema de conductos que drena el acuífero hacia los manantiales. [32]
La caracterización de los acuíferos kársticos requiere exploración de campo para localizar sumideros, zanjas , arroyos que se hunden y manantiales además de estudiar mapas geológicos . [33] : 4 Los métodos hidrogeológicos convencionales como las pruebas de acuíferos y el mapeo potenciométrico son insuficientes para caracterizar la complejidad de los acuíferos kársticos, y necesitan ser complementados con trazas de tinte , medición de descargas de manantiales y análisis de la química del agua. [34] El rastreo de tinte del Servicio Geológico de Estados Unidos ha determinado que los modelos convencionales de aguas subterráneas que suponen una distribución uniforme de la porosidad no son aplicables a los acuíferos kársticos. [35]
La alineación lineal de las características de la superficie, como los segmentos de corrientes rectas y los sumideros, se desarrolla a lo largo de los trazos de fractura . La ubicación de un pozo en un trazo de fractura o en la intersección de trazos de fractura aumenta la probabilidad de encontrar una buena producción de agua. [36] Los vacíos en los acuíferos kársticos pueden ser lo suficientemente grandes como para causar un colapso o hundimiento destructivo de la superficie del suelo que puede iniciar una liberación catastrófica de contaminantes. [37] : 3–4
El caudal de agua subterránea en los acuíferos kársticos es mucho más rápido que en los acuíferos porosos. Por ejemplo, en el acuífero Barton Springs Edwards, las trazas de colorante midieron los caudales de agua subterránea kárstica de 0,5 a 7 millas por día (0,8 a 11,3 km/d). [38] Los rápidos caudales de agua subterránea hacen que los acuíferos kársticos sean mucho más sensibles a la contaminación de las aguas subterráneas que los acuíferos porosos. [33] : 1
Las aguas subterráneas en las zonas kársticas también se contaminan con la misma facilidad que los arroyos superficiales, porque las formaciones kársticas son cavernosas y altamente permeables, lo que resulta en una menor oportunidad de filtración de contaminantes.
El agua de pozo también puede ser insegura, ya que puede haber corrido sin impedimentos desde un sumidero en un pastizal de ganado, evitando el filtrado normal que se produce en un acuífero poroso . Los sumideros a menudo se han utilizado como vertederos de basura de granjas o comunidades. Los tanques sépticos sobrecargados o defectuosos en paisajes kársticos pueden verter aguas residuales sin tratar directamente en canales subterráneos.
Los geólogos están preocupados por estos efectos negativos de la actividad humana sobre la hidrología kárstica que, en 2007 [actualizar], abastecía aproximadamente el 25% de la demanda mundial de agua potable. [39]
La agricultura en zonas kársticas debe tener en cuenta la falta de agua superficial. Los suelos pueden ser bastante fértiles y las precipitaciones suficientes, pero el agua de lluvia se filtra rápidamente a través de las grietas hacia el suelo, dejando a veces la superficie del suelo reseca entre las lluvias.
La topografía kárstica también plantea dificultades particulares para los habitantes humanos. Los sumideros pueden desarrollarse gradualmente a medida que las aberturas de la superficie se agrandan, pero la erosión progresiva a menudo no se observa hasta que el techo de una caverna se derrumba repentinamente. Tales eventos han tragado casas, ganado, automóviles y maquinaria agrícola. En los Estados Unidos, el colapso repentino de una caverna-sumidero de este tipo se tragó parte de la colección del Museo Nacional Corvette en Bowling Green, Kentucky en 2014. [40]
El karst de piedra caliza más grande del mundo se encuentra en la llanura de Nullarbor , en Australia . Eslovenia presenta el mayor riesgo de sumideros del mundo, mientras que el Highland Rim occidental , en el este de los Estados Unidos, presenta el segundo mayor riesgo de sumideros kársticos. [41] [42]
En Canadá, el Parque Nacional Wood Buffalo , Territorios del Noroeste, contiene áreas de sumideros kársticos. [43] México alberga importantes regiones kársticas en la península de Yucatán y Chiapas . [44] El oeste de Irlanda alberga The Burren , una zona de piedra caliza kárstica. El Karst del sur de China en las provincias de Guizhou , Guangxi y Yunnan es Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO.
Muchos términos relacionados con el karst derivan de lenguas eslavas del sur y entraron en el vocabulario científico a través de las primeras investigaciones en el karst alpino dinárico de los Balcanes occidentales.
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