Un acuífero es una capa subterránea de material portador de agua , que consiste en roca permeable o fracturada, o de 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 llama hidrogeología . Los términos relacionados incluyen acuitardo , que es un lecho de baja permeabilidad a lo largo de un acuífero, y acuicludo (o acuífugo ), que es un área sólida e impermeable subyacente o suprayacente a un acuífero, cuya presión podría conducir a la formación de un acuífero confinado. La clasificación de los acuíferos es la siguiente: saturado versus no saturado; acuíferos versus acuitardos; confinado versus no confinado; isotrópico versus anisotrópico; poroso, kárstico o fracturado; acuífero transfronterizo.
Las aguas subterráneas de los acuíferos pueden ser recolectadas de manera sustentable por los seres humanos mediante el uso de qanats que conducen a un pozo. [1] Estas aguas subterráneas son una fuente importante de agua dulce para muchas regiones, sin embargo pueden presentar una serie de desafíos, como la sobreexplotación (extracción de agua subterránea más allá del rendimiento de equilibrio del acuífero), el hundimiento del terreno relacionado con las aguas subterráneas y la salinización o contaminación de las aguas subterráneas.
Los acuíferos se encuentran desde cerca de la superficie hasta profundidades superiores a los 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 tienen más probabilidades de ser recargados por las precipitaciones locales. Aunque a veces se caracteriza a los acuíferos como "ríos o lagos subterráneos", en realidad son rocas porosas saturadas de agua. [3]
Muchas zonas desérticas tienen colinas o montañas de piedra caliza en su interior o cerca de ellas que pueden explotarse como recursos de agua subterránea. [4] 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 Sierra Nevada y cordilleras vecinas en el suroeste de los Estados Unidos , tienen acuíferos poco profundos que se explotan por su agua. La sobreexplotación puede llevar a exceder el rendimiento sostenido práctico; es decir, se extrae más agua de la que se puede reponer.
A lo largo de las costas de algunos países, como Libia e Israel, el aumento del uso de agua asociado al crecimiento demográfico ha provocado un descenso 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 de Australia, China, América del Norte y Sudáfrica. Se estima que contienen 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 se abrió paso hasta el suelo en zonas 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. [5] [6]
Un acuitardo es una zona dentro de la Tierra que restringe el flujo de agua subterránea de un acuífero a otro. A veces, si un acuitardo es completamente impermeable, se lo puede llamar acuicludo o acuífugo . Los acuitardos están compuestos de capas de arcilla o roca no porosa con baja conductividad hidráulica .
El agua subterránea se puede encontrar en casi todos los puntos del subsuelo poco profundo de la Tierra en algún grado, aunque los acuíferos no necesariamente contienen agua dulce . La corteza terrestre se puede dividir en dos regiones: la zona saturada o zona freática (por ejemplo, acuíferos, acuitardos, etc.), donde todos los espacios disponibles están llenos de agua, y la zona no saturada (también llamada zona vadosa ), donde todavía hay bolsas de aire que contienen algo de agua, pero pueden llenarse con más agua.
Saturado significa que la carga de presión del agua es mayor que la presión atmosférica (tiene una presión manométrica > 0). La definición de nivel freático es la superficie donde la carga 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 forma incompleta los poros del material del acuífero está bajo succión . El contenido de agua en la zona no saturada se mantiene en su lugar por 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 una presión menor que la atmosférica. Esto se denomina saturación por tensión y no es lo mismo que la saturación en función del contenido de agua. El contenido de agua en una franja capilar disminuye al aumentar la distancia desde la superficie freática. La carga capilar depende del tamaño de los poros del suelo. En suelos arenosos con poros más grandes, la carga 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). [8]
El ascenso capilar del agua en un tubo de diámetro pequeño implica el mismo proceso físico. El nivel freático es el nivel al que ascenderá el agua en una tubería de gran diámetro (por ejemplo, un pozo) que desciende hasta el acuífero y está abierta a la atmósfera.
Los acuíferos son típicamente regiones saturadas del subsuelo que producen una cantidad económicamente factible de agua para un pozo o manantial (por ejemplo, la arena y la grava o el lecho rocoso fracturado suelen ser 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. [9] Un acuitardo completamente impermeable se llama acuicludo o acuífugo . Los acuitardos contienen capas de arcilla o roca no porosa con baja conductividad hidráulica .
En las zonas montañosas (o cerca de los ríos en las zonas montañosas), los acuíferos principales son típicamente aluviones no consolidados , compuestos principalmente de capas horizontales de materiales depositados por procesos hídricos (ríos y arroyos), que en sección transversal (mirando un corte bidimensional del acuífero) parecen ser capas de materiales gruesos y finos alternados. Los materiales gruesos, debido a la alta energía necesaria para moverlos, tienden a encontrarse más cerca de la fuente (frentes de montaña o ríos), mientras que el material de grano fino lo hará más lejos de la fuente (a las partes más planas de la cuenca o áreas de desbordamiento, a veces llamadas área de presión). Dado que hay menos depósitos de grano fino cerca de la fuente, este es un lugar donde los acuíferos a menudo no están confinados (a veces llamado área de antecámara), o en comunicación hidráulica con la superficie terrestre.
Un acuífero libre no tiene una barrera impermeable inmediatamente por encima de él, de modo que el nivel del agua puede subir en respuesta a la recarga. Un acuífero confinado tiene una barrera impermeable suprayacente que evita que el nivel del agua en el acuífero suba más. Un acuífero en la misma unidad geológica puede estar confinado en un área y libre en otra. Los acuíferos libres a veces también se denominan acuíferos freáticos o de nivel freático , porque su límite superior es el nivel freático o la superficie freática (véase Acuífero Biscayne ). Por lo general (pero no siempre) el acuífero más superficial en una ubicación determinada no está confinado, lo que significa que no tiene una capa de confinamiento (un acuitardo o acuicludo) entre él y la superficie. El término "encaramado" se refiere al agua subterránea que se acumula sobre una unidad o estratos 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 superior a la de un acuífero regionalmente extenso. La diferencia entre los acuíferos suspendidos y los no confinados es su tamaño (los suspendidos son más pequeños). Los acuíferos confinados son acuíferos que están cubiertos por una capa de confinamiento, a menudo compuesta de arcilla. La capa de confinamiento puede ofrecer cierta protección contra la contaminación de la superficie.
Si la distinción entre confinados y no confinados no es clara geológicamente (es decir, si no se sabe si existe una capa de confinamiento clara, o si la geología es más compleja, por ejemplo, un acuífero de lecho rocoso fracturado), se puede utilizar el valor de la capacidad de almacenamiento devuelto por una prueba de acuífero para determinarla (aunque las pruebas de acuíferos en acuíferos no confinados deben interpretarse de manera diferente a los confinados). Los acuíferos confinados tienen valores de capacidad de almacenamiento muy bajos (mucho menos de 0,01 y tan poco como 10−5 ), lo que significa que el acuífero está almacenando agua utilizando los mecanismos de expansión de la matriz del acuífero y la compresibilidad del agua, que normalmente son cantidades bastante pequeñas. Los acuíferos no confinados tienen capacidades de almacenamiento (normalmente llamadas rendimiento específico ) superiores a 0,01 (1 % del volumen aparente); 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 o capas acuíferas isótropas la conductividad hidráulica (K) es igual para el flujo en todas las direcciones, mientras que en condiciones anisotrópicas difiere, notablemente 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 isótropas, porque los valores compuestos de Kh y Kv son diferentes (ver transmisividad hidráulica y resistencia hidráulica ).
Al calcular el flujo hacia los desagües [10] o el flujo hacia los pozos [11] 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, es necesario 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, con qué velocidad y en qué dirección viaja el agua subterránea y cuánta agua sale del suelo en forma de manantiales. Se pueden utilizar modelos informáticos para probar con qué precisión la comprensión de las propiedades del acuífero coincide con el desempeño real del acuífero. [12] : 192–193, 233–237 Las regulaciones ambientales requieren que los sitios con fuentes potenciales de contaminación demuestren que se ha caracterizado la hidrología . [12] : 3
Los acuíferos porosos se encuentran típicamente en arena y arenisca . Las propiedades de los acuíferos porosos dependen del entorno sedimentario de depósito y de la posterior cementación natural de los granos de arena. El entorno en el que 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 esquisto. Incluso las capas delgadas de esquisto son barreras importantes para el flujo de agua subterránea. Todos estos factores afectan la porosidad y la permeabilidad de los acuíferos arenosos. [13] : 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. [13] : 418 La lluvia 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 de superficie potenciométricos de niveles de agua en pozos y manantiales. Las pruebas de acuíferos y 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. [12] : 177–184
El análisis de este tipo de información sobre un área proporciona una indicación de cuánta agua se puede bombear sin sobreexplotación y cómo se propagará la contaminación. [12] : 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 los acuíferos porosos, [14] como lo ilustra el agua que se filtra lentamente desde 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 áreas de las Traps del Decán (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 microfractura y el agrietamiento.
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 aberturas pequeñas abundantes almacenan una gran cantidad de agua. Las aberturas más grandes forman un sistema de conductos que drena el acuífero hacia los manantiales. [15]
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 . [16] : 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 tinte , medición de descargas de manantiales y análisis de la química del agua. [17] 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. [18]
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 rastros de fractura . La ubicación de un pozo en un rastro de fractura o en la intersección de rastros de fractura aumenta la probabilidad de encontrar una buena producción de agua. [19] Los vacíos en los acuíferos kársticos pueden ser lo suficientemente grandes como para causar un colapso destructivo o hundimiento de la superficie del suelo que puede iniciar una liberación catastrófica de contaminantes. [12] : 3–4 La tasa de flujo de agua subterránea en los acuíferos kársticos es mucho más rápida 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 las tasas de flujo de agua subterránea kárstica de 0,5 a 7 millas por día (0,8 a 11,3 km/d). [20] Las rápidas tasas de flujo de agua subterránea hacen que los acuíferos kársticos sean mucho más sensibles a la contaminación del agua subterránea que los acuíferos porosos. [16] : 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.
Los desafíos para el uso de las aguas subterráneas incluyen: sobreexplotación (extracción de agua subterránea más allá del rendimiento de equilibrio del acuífero), hundimiento del terreno relacionado con las aguas subterráneas, salinización de las aguas subterráneas 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 prolongado la vida de muchos acuíferos de agua dulce, especialmente en los Estados Unidos.
La Gran Cuenca Artesiana , situada en Australia, es posiblemente el acuífero subterráneo más grande del mundo [22] (más de 1,7 millones de km2 o 0,66 millones de millas cuadradas). Desempeña un papel importante en el suministro de agua para Queensland y algunas zonas remotas de Australia del Sur.
Los cuerpos de arena discontinuos en la base de la Formación McMurray en la región de las Arenas Petrolíferas de Athabasca en el noreste de Alberta , Canadá, se conocen comúnmente como acuíferos de Arena Basal de Agua (BWS) . [23] Saturados con agua, están confinados debajo de arenas impermeables saturadas de betún que se explotan para recuperar betún para la producción de petróleo crudo sintético . Donde están en profundidad y la recarga ocurre desde formaciones devónicas subyacentes , son salinos, y donde son poco profundos y se recargan con agua superficial, son no salinos. Los BWS generalmente plantean problemas para la recuperación de betún, ya sea por minería a cielo abierto o por métodos in situ como el drenaje gravitacional asistido por vapor (SAGD), y en algunas áreas son objetivos para la inyección de aguas residuales. [24] [25] [26]
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 fuente importante de agua dulce . [27] Nombrado en honor al pueblo guaraní , cubre 1.200.000 km² ( 460.000 millas cuadradas), con un volumen de aproximadamente 40.000 km³ ( 9.600 millas cúbicas), un espesor de entre 50 y 800 m (160 y 2.620 pies) y una profundidad máxima de aproximadamente 1.800 m (5.900 pies).
El acuífero Ogallala , en el centro de Estados Unidos, es uno de los mayores acuíferos del mundo, pero en algunos lugares se está agotando rápidamente debido al creciente uso municipal y al continuo uso agrícola. Este enorme acuífero, que se encuentra debajo de 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 solo alrededor del 10 por ciento de las extracciones anuales. Según un informe de 2013 del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), el agotamiento entre 2001 y 2008, ambos inclusive, es de alrededor del 32 por ciento del agotamiento acumulado durante todo el siglo XX. [28]
En Estados Unidos, los principales usuarios de agua de los acuíferos son la irrigación agrícola y la extracción de petróleo y carbón. [29] "El agotamiento total acumulado de las aguas subterráneas en Estados Unidos se aceleró a fines de la década de 1940 y continuó a un ritmo lineal casi constante hasta fines del siglo. Además de las consecuencias ambientales ampliamente reconocidas, el agotamiento de las aguas subterráneas también afecta negativamente la sostenibilidad a largo plazo de los suministros de agua subterránea para ayudar a satisfacer las necesidades de agua de la nación". [28]
Un ejemplo de un acuífero carbonatado significativo y sostenible es el acuífero Edwards [30] en el centro de Texas . Este acuífero carbonatado ha proporcionado históricamente agua de alta calidad a casi 2 millones de personas y, aún hoy, está lleno debido a la enorme recarga de una serie de arroyos, ríos y lagos de la zona . El principal riesgo para este recurso es el desarrollo humano sobre las áreas de recarga.
...a más de 30.000 pies. Sin embargo, en promedio, la porosidad y la permeabilidad de las rocas disminuyen a medida que aumenta su profundidad debajo de la superficie terrestre; los poros y grietas en las rocas a grandes profundidades se cierran o se reducen considerablemente de tamaño debido al peso de las rocas superpuestas.