Un acuífero es una capa subterránea de material acuífero , formada por roca permeable o fracturada, o por materiales no consolidados ( grava , arena o limo ). Los acuíferos varían mucho en sus características. El estudio del flujo de agua en los acuíferos y la caracterización de los acuíferos se denomina hidrogeología . Términos relacionados incluyen acuitardo , que es un lecho de baja permeabilidad a lo largo de un acuífero, y aquiclude (o acuífugo ), que es un área sólida e impermeable subyacente o superpuesta a un acuífero, cuya presión podría conducir a la formación de un acuífero confinado. La clasificación de los acuíferos es la siguiente: saturados versus insaturados; acuíferos versus acuitardos; confinado versus no confinado; isotrópico versus anisotrópico; poroso, kárstico o fracturado; acuífero transfronterizo.
Los humanos pueden recolectar agua subterránea de los acuíferos de manera sostenible mediante el uso de qanats que conducen a un pozo. [1] Esta agua subterránea es una fuente importante de agua dulce para muchas regiones; sin embargo, puede presentar una serie de desafíos, como la sobreexplotación (extracción de agua subterránea más allá del rendimiento de equilibrio del acuífero), el hundimiento de la tierra relacionado con el agua subterránea y la salinización o contaminación. del agua subterránea.
Los acuíferos se encuentran desde cerca de la superficie hasta más de 9.000 metros (30.000 pies). [2] Los que están más cerca de la superficie no sólo tienen más probabilidades de ser utilizados para el suministro de agua y el riego, sino que también es más probable que se repongan con las precipitaciones locales. Aunque los acuíferos a veces se caracterizan como "ríos o lagos subterráneos", en realidad son rocas porosas saturadas de agua. [3]
Muchas áreas desérticas tienen colinas o montañas de piedra caliza dentro o cerca de ellas que pueden explotarse como recursos de agua subterránea. Parte de las montañas del Atlas en el norte de África, las cordilleras del Líbano y el Antilíbano entre Siria y el Líbano, el Jebel Akhdar en Omán, partes de la Sierra Nevada y las cordilleras vecinas en el suroeste de los Estados Unidos tienen acuíferos poco profundos que se explotan para su agua. La sobreexplotación puede llevar a exceder el rendimiento práctico sostenido; es decir, se extrae más agua de la que se puede reponer.
A lo largo de las costas de ciertos países, como Libia e Israel, el aumento del uso de agua asociado con el crecimiento demográfico ha provocado una disminución del nivel freático y la consiguiente contaminación de las aguas subterráneas con agua salada del mar.
En 2013 se descubrieron grandes acuíferos de agua dulce bajo las plataformas continentales frente a Australia, China, América del Norte y Sudáfrica. Contienen aproximadamente medio millón de kilómetros cúbicos de agua de "baja salinidad" que podría procesarse económicamente para convertirla en agua potable . Las reservas se formaron cuando los niveles del océano eran más bajos y el agua de lluvia llegó al suelo en áreas terrestres que no estuvieron sumergidas hasta que terminó la edad de hielo hace 20.000 años. Se estima que el volumen es 100 veces la cantidad de agua extraída de otros acuíferos desde 1900. [4] [5]
Un acuitardo es una zona dentro de la Tierra que restringe el flujo de agua subterránea de un acuífero a otro. Un acuitardo a veces, si es completamente impermeable, puede denominarse aquicluso o acuífugo . Los acuitardos están compuestos por capas de arcilla o roca no porosa con baja conductividad hidráulica .
El agua subterránea se puede encontrar hasta cierto punto en casi todos los puntos del subsuelo poco profundo de la Tierra, aunque los acuíferos no necesariamente contienen agua dulce . La corteza terrestre se puede dividir en dos regiones: la zona saturada o zona freática (p. ej., acuíferos, acuitardos, etc.), donde todos los espacios disponibles están llenos de agua, y la zona no saturada (también llamada zona vadosa ), donde hay Siguen siendo bolsas de aire que contienen algo de agua, pero que se pueden llenar con más agua.
Saturado significa que la presión del agua es mayor que la presión atmosférica (tiene una presión manométrica> 0). La definición de nivel freático es la superficie donde la altura de presión es igual a la presión atmosférica (donde la presión manométrica = 0).
Las condiciones no saturadas ocurren por encima del nivel freático donde la carga de presión es negativa (la presión absoluta nunca puede ser negativa, pero la presión manométrica sí) y el agua que llena de manera incompleta los poros del material del acuífero está bajo succión . El contenido de agua en la zona no saturada se mantiene en su lugar mediante fuerzas adhesivas superficiales y se eleva por encima del nivel freático (la isobara de presión manométrica cero ) por acción capilar para saturar una pequeña zona por encima de la superficie freática (la franja capilar ) a menos que la presión atmosférica. Esto se denomina saturación por tensión y no es lo mismo que la saturación según el contenido de agua. El contenido de agua en una franja capilar disminuye al aumentar la distancia desde la superficie freática. La cabeza capilar depende del tamaño de los poros del suelo. En suelos arenosos con poros más grandes, la espuma será menor que en suelos arcillosos con poros muy pequeños. El ascenso capilar normal en un suelo arcilloso es inferior a 1,8 m (6 pies), pero puede oscilar entre 0,3 y 10 m (1 y 33 pies). [7]
El ascenso capilar del agua en un tubo de pequeño diámetro implica el mismo proceso físico. El nivel freático es el nivel al que subirá el agua en una tubería de gran diámetro (por ejemplo, un pozo) que desciende al acuífero y está abierta a la atmósfera.
Los acuíferos suelen ser regiones saturadas del subsuelo que producen una cantidad económicamente factible de agua para un pozo o manantial (por ejemplo, arena y grava o lecho rocoso fracturado a menudo son buenos materiales para acuíferos).
Un acuitardo es una zona dentro de la Tierra que restringe el flujo de agua subterránea de un acuífero a otro. [8] Un acuitardo completamente impermeable se llama acucluso o acuífugo . Los acuitardos contienen capas de arcilla o roca no porosa con baja conductividad hidráulica .
En zonas montañosas (o cerca de ríos en zonas montañosas), los principales acuíferos suelen ser aluviones no consolidados , compuestos en su mayoría por capas horizontales de materiales depositados por procesos de agua (ríos y arroyos), que en sección transversal (mirando una rebanada bidimensional del acuífero) parecen ser capas de materiales finos y gruesos que se alternan. Los materiales gruesos, debido a la gran energía necesaria para moverlos, tienden a encontrarse más cerca de la fuente (frentes de montañas o ríos), mientras que el material de grano fino se alejará de la fuente (a las partes más planas de la cuenca o sobrebancos). áreas (a veces llamada área de presión). Dado que hay depósitos de grano menos fino cerca de la fuente, este es un lugar donde los acuíferos a menudo no están confinados (a veces llamados área de cámara de carga) o en comunicación hidráulica con la superficie terrestre.
Hay dos miembros finales en el espectro de tipos de acuíferos; confinado y no confinado (con semiconfinado en el medio). Los acuíferos libres a veces también se denominan nivel freático o acuíferos freáticos , porque su límite superior es el nivel freático o superficie freática (ver Acuífero de Biscayne ). Normalmente (pero no siempre) el acuífero menos profundo en un lugar determinado no está confinado, lo que significa que no tiene una capa confinada (un acuitardo o acuicluido) entre él y la superficie. El término "encaramado" se refiere al agua subterránea que se acumula sobre una unidad o estrato de baja permeabilidad, como una capa de arcilla. Este término se utiliza generalmente para referirse a una pequeña área local de agua subterránea que se encuentra a una altura mayor que un acuífero regionalmente extenso. La diferencia entre los acuíferos encaramados y los no confinados es su tamaño (los acuíferos encaramados son más pequeños). Los acuíferos confinados son acuíferos que están cubiertos por una capa confinante, a menudo compuesta de arcilla. La capa confinante podría ofrecer cierta protección contra la contaminación de la superficie.
Si la distinción entre confinado y no confinado no es clara geológicamente (es decir, si no se sabe si existe una capa confinada clara, o si la geología es más compleja, por ejemplo, un acuífero de lecho rocoso fracturado), el valor de la almacenatividad devuelto por un acuífero Se puede utilizar una prueba para determinarlo (aunque las pruebas de acuíferos en acuíferos no confinados deben interpretarse de manera diferente a los confinados). Los acuíferos confinados tienen valores de almacenatividad muy bajos (mucho menos de 0,01 y tan sólo 10−5 ), lo que significa que el acuífero almacena agua utilizando los mecanismos de expansión de la matriz del acuífero y la compresibilidad del agua, que normalmente son cantidades bastante pequeñas. Los acuíferos libres tienen capacidad de almacenamiento (normalmente denominada rendimiento específico ) superior a 0,01 (1% del volumen total); liberan agua del almacenamiento mediante el mecanismo de drenar realmente los poros del acuífero, liberando cantidades relativamente grandes de agua (hasta la porosidad drenable del material del acuífero, o el contenido volumétrico mínimo de agua ).
En acuíferos isotrópicos o capas acuíferas la conductividad hidráulica (K) es igual para el flujo en todas las direcciones, mientras que en condiciones anisotrópicas difiere, especialmente en sentido horizontal (Kh) y vertical (Kv).
Los acuíferos semiconfinados con uno o más acuitardos funcionan como un sistema anisotrópico, incluso cuando las capas separadas son isotrópicas, porque los valores compuestos de Kh y Kv son diferentes (ver transmisividad hidráulica y resistencia hidráulica ).
Al calcular el flujo hacia los drenajes [9] o el flujo hacia los pozos [10] en un acuífero, se debe tener en cuenta la anisotropía para evitar que el diseño resultante del sistema de drenaje sea defectuoso.
Para gestionar adecuadamente un acuífero se deben comprender sus propiedades. Se deben conocer muchas propiedades para predecir cómo responderá un acuífero a la lluvia, la sequía, el bombeo y la contaminación . Las consideraciones incluyen dónde y cuánta agua ingresa al agua subterránea proveniente de la lluvia y el deshielo, qué tan rápido y en qué dirección viaja el agua subterránea, y cuánta agua sale del suelo en forma de manantiales. Se pueden utilizar modelos informáticos para comprobar con qué precisión la comprensión de las propiedades del acuífero coincide con el rendimiento real del acuífero. [11] : 192–193, 233–237 Las regulaciones ambientales requieren que los sitios con fuentes potenciales de contaminación demuestren que la hidrología ha sido caracterizada . [11] : 3
Los acuíferos porosos se encuentran típicamente en arena y arenisca . Las propiedades de los acuíferos porosos dependen del ambiente sedimentario de depósito y de la posterior cementación natural de los granos de arena. El entorno donde se depositó un cuerpo de arena controla la orientación de los granos de arena, las variaciones horizontales y verticales y la distribución de las capas de lutita. Incluso las finas capas de esquisto son barreras importantes para el flujo de aguas subterráneas. Todos estos factores afectan la porosidad y permeabilidad de los acuíferos arenosos. [12] : 413
Los depósitos arenosos formados en ambientes marinos poco profundos y en ambientes de dunas de arena arrastradas por el viento tienen una permeabilidad de moderada a alta, mientras que los depósitos arenosos formados en ambientes fluviales tienen una permeabilidad de baja a moderada. [12] : 418 Las precipitaciones y el deshielo ingresan al agua subterránea donde el acuífero está cerca de la superficie. Las direcciones del flujo de agua subterránea se pueden determinar a partir de mapas potenciométricos de superficie de los niveles de agua en pozos y manantiales. Las pruebas de acuíferos y de pozos se pueden utilizar con las ecuaciones de flujo de la ley de Darcy para determinar la capacidad de un acuífero poroso para transportar agua. [11] : 177–184
El análisis de este tipo de información en un área da una indicación de cuánta agua se puede bombear sin sobregirar y cómo viajará la contaminación. [11] : 233 En los acuíferos porosos el agua subterránea fluye como una filtración lenta en los poros entre los granos de arena. Un caudal de agua subterránea de 1 pie por día (0,3 m/d) se considera un caudal alto para acuíferos porosos, [13] como lo ilustra el agua que se filtra lentamente de la arenisca en la imagen adjunta a la izquierda.
La porosidad es importante, pero por sí sola no determina la capacidad de una roca para actuar como acuífero. Las zonas de las trampas del Deccan (una lava basáltica ) en el centro-oeste de la India son buenos ejemplos de formaciones rocosas con alta porosidad pero baja permeabilidad, lo que las convierte en acuíferos pobres. De manera similar, el grupo de tiza microporoso ( Cretácico superior ) del sureste de Inglaterra, aunque tiene una porosidad razonablemente alta, tiene una baja permeabilidad grano a grano, y sus buenas características de producción de agua se deben principalmente a la microfracturación y fisuración.
Los acuíferos kársticos suelen desarrollarse en piedra caliza . El agua superficial que contiene ácido carbónico natural desciende hacia pequeñas fisuras en la piedra caliza. Este ácido carbónico disuelve gradualmente la piedra caliza agrandando así las fisuras. Las fisuras agrandadas dejan entrar una mayor cantidad de agua lo que conduce a un agrandamiento progresivo de las aberturas. Abundantes y pequeñas aberturas almacenan una gran cantidad de agua. Las aberturas más grandes forman un sistema de conductos que drena el acuífero hacia manantiales. [14]
La caracterización de los acuíferos kársticos requiere exploración de campo para localizar sumideros, tragantes , arroyos que se hunden y manantiales , además de estudiar mapas geológicos . [15] : 4 Los métodos hidrogeológicos convencionales, como las pruebas de acuíferos y el mapeo potenciométrico, son insuficientes para caracterizar la complejidad de los acuíferos kársticos. Estos métodos de investigación convencionales deben complementarse con trazas de tintes , mediciones de los caudales de manantiales y análisis de la química del agua. [16] El rastreo de tintes del Servicio Geológico de EE. UU. ha determinado que los modelos convencionales de aguas subterráneas que suponen una distribución uniforme de la porosidad no son aplicables a los acuíferos kársticos. [17]
La alineación lineal de características de la superficie, como segmentos de arroyos rectos y sumideros, se desarrolla a lo largo de los rastros de fractura . Ubicar un pozo en un rastro de fractura o en una intersección de rastros de fractura aumenta la probabilidad de encontrar una buena producción de agua. [18] Los huecos 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. [11] : 3–4 El caudal de agua subterránea en los acuíferos kársticos es mucho más rápido que en los acuíferos porosos, como se muestra en la imagen adjunta a la izquierda. Por ejemplo, en el acuífero Barton Springs Edwards, los rastros de tinte midieron los caudales de agua subterránea kárstica de 0,5 a 7 millas por día (0,8 a 11,3 km/d). [19] Los rápidos caudales de agua subterránea hacen que los acuíferos kársticos sean mucho más sensibles a la contaminación del agua subterránea que los acuíferos porosos. [15] : 1
En el caso extremo, puede existir agua subterránea en ríos subterráneos (por ejemplo, cuevas subyacentes a la topografía kárstica ).
Si una unidad de roca de baja porosidad está muy fracturada, también puede constituir un buen acuífero (a través del flujo de fisuras ), siempre que la roca tenga una conductividad hidráulica suficiente para facilitar el movimiento del agua.
Cuando un acuífero trasciende las fronteras internacionales, se aplica el término acuífero transfronterizo . [20]
La transfronteriza es un concepto, una medida y un enfoque introducido por primera vez en 2017. [21] La relevancia de este enfoque es que las características físicas de los acuíferos se convierten en variables adicionales entre el amplio espectro de consideraciones sobre la naturaleza transfronteriza de un acuífero:
La discusión cambia de la pregunta tradicional de "¿es el acuífero transfronterizo?" a "¿cuán transfronterizo es el acuífero?".
Los contextos socioeconómicos y políticos efectivamente abruman las características físicas del acuífero agregando su correspondiente valor geoestratégico (su transfronteriza) [22]
Los criterios propuestos por este enfoque intentan encapsular y medir todas las variables potenciales que desempeñan un papel en la definición de la naturaleza transfronteriza de un acuífero y sus límites multidimensionales.
Los desafíos para el uso de aguas subterráneas incluyen: sobreexplotación (extracción de agua subterránea más allá del rendimiento de equilibrio del acuífero), hundimiento de la tierra relacionado con las aguas subterráneas, agua subterránea que se vuelve salina y contaminación de las aguas subterráneas .
El agotamiento de los acuíferos es un problema en algunas zonas, especialmente en el norte de África , donde un ejemplo es el proyecto del Gran Río Artificial de Libia . Sin embargo, los nuevos métodos de gestión de las aguas subterráneas, como la recarga artificial y la inyección de aguas superficiales durante los períodos húmedos estacionales, han ampliado la vida útil de muchos acuíferos de agua dulce, especialmente en los Estados Unidos.
La Gran Cuenca Artesiana situada en Australia es posiblemente el acuífero de agua subterránea más grande del mundo [24] (más de 1,7 millones de km 2 o 0,66 millones de millas cuadradas). Desempeña un papel importante en el suministro de agua de Queensland y algunas partes remotas de Australia del Sur.
Los cuerpos de arena discontinuos en la base de la Formación McMurray en la región de Arenas Petrolíferas de Athabasca en el noreste de Alberta , Canadá, se conocen comúnmente como acuíferos de Arena de Agua Basal (BWS) . [25] Saturados de agua, están confinados debajo de arenas impermeables saturadas de betún que se explotan para recuperar betún para la producción de petróleo crudo sintético . Cuando se encuentran a gran profundidad y la recarga se produce a partir de formaciones del Devónico subyacentes , son salinos, y cuando son poco profundos y se recargan con agua superficial, no son salinos. Los BWS suelen plantear problemas para la recuperación de betún, ya sea mediante minería a cielo abierto o mediante métodos in situ como el drenaje por gravedad asistido por vapor (SAGD), y en algunas áreas son objetivos para la inyección de aguas residuales. [26] [27] [28]
El Acuífero Guaraní , ubicado debajo de la superficie de Argentina , Brasil , Paraguay y Uruguay , es uno de los sistemas acuíferos más grandes del mundo y es una importante fuente de agua dulce . [29] Nombrado en honor al pueblo guaraní , cubre 1.200.000 km 2 (460.000 millas cuadradas), con un volumen de aproximadamente 40.000 km 3 (9.600 millas cúbicas), un espesor de entre 50 y 800 m (160 y 2.620 pies) y un profundidad máxima de unos 1.800 m (5.900 pies).
El acuífero Ogallala del centro de Estados Unidos es uno de los grandes acuíferos del mundo, pero en algunos lugares se está agotando rápidamente por el creciente uso municipal y el continuo uso agrícola. Este enorme acuífero, que subyace a partes de ocho estados, contiene principalmente agua fósil de la época de la última glaciación . Se estima que la recarga anual, en las partes más áridas del acuífero, totaliza sólo alrededor del 10 por ciento de las extracciones anuales. Según un informe de 2013 del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS), el agotamiento entre 2001 y 2008, inclusive, es aproximadamente el 32 por ciento del agotamiento acumulado durante todo el siglo XX. [30]
En Estados Unidos, los mayores usuarios de agua de los acuíferos incluyen el riego agrícola y la extracción de petróleo y carbón. [31] "El agotamiento total acumulado de las aguas subterráneas en los Estados Unidos se aceleró a finales de la década de 1940 y continuó a un ritmo lineal casi constante hasta finales del siglo. Además de las consecuencias ambientales ampliamente reconocidas, el agotamiento de las aguas subterráneas también impacta negativamente la sostenibilidad a largo plazo. de suministros de agua subterránea para ayudar a satisfacer las necesidades de agua de la nación". [30]
Un ejemplo de un acuífero carbonatado importante y sostenible es el acuífero Edwards [32] en el centro de Texas . Históricamente, este acuífero carbonatado ha proporcionado agua de alta calidad a casi 2 millones de personas y, aún hoy, está lleno debido a la enorme recarga de varios arroyos, ríos y lagos de la zona . El principal riesgo para este recurso es el desarrollo humano en las áreas de recarga.
...más de 30.000 pies. Sin embargo, en promedio, la porosidad y la permeabilidad de las rocas disminuyen a medida que aumenta su profundidad bajo la superficie terrestre; Los poros y grietas en las rocas a grandes profundidades están cerrados o su tamaño se reduce considerablemente debido al peso de las rocas suprayacentes.