Karst

El karst ( / k ɑːr s t / ) es una topografía formada por la disolución de rocas carbonatadas solubles como la caliza y la dolomita . Se caracteriza por rasgos como poljes en la superficie y sistemas de drenaje con sumideros y cuevas subterráneas. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Existe cierta evidencia de que el karst puede ocurrir en rocas más resistentes a la meteorización , como la cuarcita, dadas las condiciones adecuadas. ^{[ 3 ]}

El drenaje subterráneo puede limitar el agua superficial, 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 rocosos superpuestos no solubles, las características kársticas distintivas pueden aparecer solo en niveles subsuperficiales y 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 mundiales de hidrocarburos se encuentran en rocas carbonatadas , y gran parte de estas se hallan 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 de la cordillera de los Alpes Dináricos , que se extiende desde el extremo noreste de Italia por encima de la ciudad de Trieste , a través del suroeste de Eslovenia , la península balcánica 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 se encuentra en la sección más noroccidental, descrita en las primeras investigaciones topográficas como una meseta entre Italia y Eslovenia .

En las lenguas eslavas del sur locales , todas las variaciones de la palabra derivan de una base iliria romanizada (que da lugar al latín : carsus , dálmata : carsus ), posteriormente metatetizada en eslavo 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 ]} Las lenguas modernas que conservan la forma no metatetizada (con -ar- ) incluyen el italiano : Carso , el alemán : Karst y el albanés : karsti .

En última instancia, la palabra es de origen mediterráneo . También se ha sugerido que podría derivar de la raíz protoindoeuropea * karra- 'roca'. ^{[ 15 ]} El nombre también podría 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 del estudio del karst en Eslovenia y miembro de la Royal Society de Londres, introdujo la palabra karst a los eruditos europeos en 1689 para describir el fenómeno de los flujos subterráneos de los ríos en su relato del lago Cerknica . ^{[ 16 ]}

Jovan Cvijić impulsó enormemente el conocimiento de las regiones kársticas hasta el punto de ser conocido como el "padre de la geomorfología kárstica". En su publicación de 1893, Das Karstphänomen, que trata principalmente sobre las regiones kársticas de los Balcanes, Cvijić describe formas del relieve como laderas, 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 la década de 1950 y principios de la de 1960 en Francia. Anteriormente, las actividades de los exploradores de cuevas, llamados espeleólogos , se habían considerado más un deporte que una ciencia, por lo que las cuevas kársticas subterráneas y sus cursos de agua asociados estaban, desde una perspectiva científica, poco estudiados. ^{[ 18 ]}

El karst se desarrolla con mayor intensidad en rocas carbonatadas densas , como la caliza, que presentan estratificación delgada y están muy fracturadas . El karst no suele estar bien desarrollado en la creta , ya que esta 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 tierras altas con valles encajonados , y donde las precipitaciones son de moderadas a intensas. Esto contribuye al rápido movimiento descendente del agua subterránea, lo que favorece la disolución del lecho rocoso, mientras que el agua subterránea estancada se satura con minerales carbonatados y deja de disolver el lecho rocoso. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Química de la disolución

El ácido carbónico que causa las características kársticas se forma cuando la lluvia pasa a través de la atmósfera terrestre, _recogiendo dióxido de carbono ( CO₂ ), que se disuelve fácilmente en el agua. Una vez que la lluvia llega al suelo, puede pasar a través del 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 primaria en la disolución de la piedra caliza es la siguiente: ^{[ 22 ]}

H₂O + _CO₂ → _H₂CO₃​​_​

CaCO ₃ + H ₂ CO ₃ → Ca ²⁺ + 2 HCO − 3

En condiciones muy excepcionales, la oxidación puede desempeñar un papel importante. La oxidación tuvo un papel fundamental en la formación de la antigua cueva de Lechuguilla en el estado estadounidense de Nuevo México ^{[ 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 kárstica. A medida que las aguas superficiales ricas _en oxígeno se filtran en los sistemas kársticos anóxicos profundos, transportan oxígeno, que reacciona con el sulfuro presente en el sistema ( pirita o sulfuro de hidrógeno) para formar ácido sulfúrico (H₂SO₄ ) . El ácido sulfúrico reacciona luego con el carbonato de calcio, lo que provoca una mayor erosión dentro de la formación caliza. Esta _cadena de reacciones es:

H₂S + 2 O₂ _→ H₂SO₄ _{( oxidación de} sulfuro )

H₂SO₄ + 2 _H₂O → SO₂⁻⁴ + 2 _H₃O⁺ ( disociación _del ácido _sulfúrico ⁾

CaCO₃ + 2 _H₃O⁺ ^→ Ca²⁺ ⁺ H₂CO₃ + 2 _{H₂O (} disolución de _{carbonato de} calcio )

Ca ²⁺ + SO 2− 4 → CaSO ₄ (formación de sulfato de calcio)

CaSO ₄ + 2 H ₂ O → [ CaSO ₄ · 2H ₂ O] (formación de yeso)

Esta cadena de reacciones 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 en el subsuelo. En las superficies expuestas, las características pequeñas pueden incluir estrías de disolución (o rillenkarren), riachuelos , pavimentos de piedra caliza (clints y grikes), kamenitzas denominadas 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 removido más roca madre de la que queda, pueden dar lugar a torres kársticas o paisajes de pajar/caja de huevos . Bajo 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 calizas, 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 al nivel medio del mar o un poco por encima de él . ^{[ 26 ]} Algunas de las formaciones más espectaculares 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 los puntos donde el agua libera parte de su dióxido de carbono disuelto. Los ríos que nacen de manantiales pueden formar terrazas de toba , compuestas por capas de calcita depositadas durante largos periodos de tiempo. En las cuevas, diversas formaciones, denominadas espeleotemas , se crean por la deposición de carbonato de calcio y otros minerales disueltos.

Karst interestratal

El karst interestratal es un paisaje kárstico que se desarrolla bajo una cubierta de rocas insolubles. Típicamente, esto implica una cubierta de arenisca sobre estratos de caliza en proceso de disolución. En el Reino Unido, por ejemplo, se han desarrollado extensos campos de dolinas en Cefn yr Ystrad , Mynydd Llangatwg y Mynydd Llangynidr , en el sur de Gales, sobre una cubierta de arenisca de Twrch que recubre caliza carbonífera oculta ; esta última localidad ha sido declarada sitio de especial interés científico por su importancia. ^{[ 27 ]}

Las formaciones kársticas poseen una hidrología singular, lo que da lugar a numerosas características inusuales. Una ventana kárstica se produce cuando un arroyo subterráneo emerge a la superficie entre capas de roca, desciende en cascada cierta distancia y luego desaparece, a menudo en un sumidero.

Los ríos en zonas kársticas pueden desaparecer bajo tierra varias veces y volver a brotar en lugares diferentes, incluso con un nombre distinto, 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 lugar llamado "The Sinks" en el Parque Estatal Sinks Canyon , el río fluye hacia una cueva en una formación conocida como la Caliza Madison y luego vuelve a ascender 800 m ( 1/2 milla ) más abajo del cañón en una tranquila poza.  

Un turlough es un tipo único de lago estacional que se encuentra en las zonas kársticas irlandesas y que se forma por el afloramiento anual de agua procedente del sistema de aguas subterráneas.

Acuíferos

Los acuíferos kársticos suelen desarrollarse en piedra caliza . El agua superficial, que contiene ácido carbónico natural , se filtra 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 la entrada de una mayor cantidad de agua, lo que provoca un ensanchamiento progresivo de las aberturas. La abundancia de pequeñas aberturas almacena 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, remolinos , arroyos que se hunden y manantiales , además del estudio de 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 deben complementarse con trazadores de colorante , medición de descargas de manantiales y análisis de la química del agua. ^{[ 34 ]} El trazador de colorante del Servicio Geológico de los Estados Unidos ha determinado que los modelos convencionales de aguas subterráneas que asumen una distribución uniforme de la porosidad no son aplicables a los acuíferos kársticos. ^{[ 35 ]}

La alineación lineal de las características superficiales, como segmentos rectos de arroyos y sumideros, se desarrolla a lo largo de trazas de fractura . Ubicar un pozo en una traza de fractura o en la intersección de trazas de fractura aumenta la probabilidad de encontrar una buena producción de agua. ^{[ 36 ]} Los huecos en los acuíferos kársticos pueden ser lo suficientemente grandes como para causar un colapso destructivo o una subsidencia de la superficie del terreno 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 Barton Springs , dentro del acuífero Edwards , los trazadores de colorante midieron 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 del agua subterránea que los acuíferos porosos. ^{[ 33 ] : 1}

Las aguas subterráneas en las zonas kársticas se contaminan con la misma facilidad que los arroyos superficiales, debido a que las formaciones kársticas son cavernosas y altamente permeables, lo que reduce las posibilidades de filtración de contaminantes.

El agua de pozo también puede ser peligrosa, ya que puede haber fluido sin obstáculos desde un sumidero en un pastizal, evitando la filtración normal que ocurre en un acuífero poroso . Los sumideros se han utilizado con frecuencia como vertederos de basura en granjas o comunidades. Las fosas sépticas sobrecargadas o defectuosas en paisajes kársticos pueden verter aguas residuales sin tratar directamente en canales subterráneos.

A los geólogos les preocupan estos efectos negativos de la actividad humana en la hidrología kárstica que, a partir de 2007, suministró aproximadamente el 25% de la demanda mundial de agua potable. ^{[ 39 ]}

La mayor extensión de karst de piedra caliza del mundo es la llanura de Nullarbor en Australia . Eslovenia tiene el mayor riesgo mundial de sumideros, mientras que la región occidental de Highland Rim , en el este de Estados Unidos, tiene el segundo mayor riesgo de sumideros kársticos. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

En Canadá, el Parque Nacional Wood Buffalo , en los 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 el 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 de la UNESCO.

Muchos términos relacionados con el karst derivan de lenguas eslavas meridionales y se incorporaron al vocabulario científico a través de las primeras investigaciones en el karst alpino dinárico de los Balcanes occidentales.

• Abîme , un pozo vertical en el karst que puede ser muy profundo y que generalmente se abre a una red de pasajes subterráneos.
• Cenote , un profundo sumidero, característico de México, que resulta del colapso de la roca caliza que expone el agua subterránea.
• Dolina , también conocida como sumidero o sifón, es una depresión cerrada que drena bajo tierra en zonas kársticas. La palabra dolina proviene del término eslavo meridional dolina, que significa «valle».
• Foibe , un sumidero con forma de embudo invertido.
• Ventana kárstica (también conocida como "ventana kárstica"), una formación donde un manantial emerge brevemente, y luego el agua desaparece abruptamente en un sumidero cercano.
• Manantial kárstico , un manantial que emerge del karst y origina un flujo de agua en la superficie.
• Pavimento de piedra caliza , una forma de relieve que consiste en una superficie plana e incisa de piedra caliza expuesta que se asemeja a un pavimento artificial.
• Arroyo que se pierde , río que se hunde o ponornica en lenguas eslavas del sur.
• Polje (polje kárstico, campo kárstico), una gran llanura plana, específicamente una llanura kárstica. La palabra polje deriva de las lenguas eslavas meridionales.
• Ponor , sinónimo de estavelle , sumidero o pozo de drenaje en lenguas eslavas meridionales, donde el flujo superficial entra en un sistema subterráneo.
• Scowle , paisaje kárstico irregular y poroso en una región de Inglaterra.
• Turlough (turlach), un tipo de lago que desaparece, característico del karst irlandés .
• Uvala , un conjunto de múltiples sumideros individuales más pequeños que se unen para formar un sumidero compuesto. El término deriva de las lenguas eslavas del sur.

El estudio de los diversos aspectos de las regiones kársticas se denomina estudios kársticos, ^{[ 45 ]} ciencia kárstica, ^{[ 46 ]} o karstología. ^{[ 47 ]} Esto incluye procesos biológicos, químicos, ecológicos, geomorfológicos, hidrogeológicos, hidrológicos, políticos, socioeconómicos y otros en una variedad de escalas espaciales y temporales en regiones kársticas, con el propósito de comprender los acuíferos y ecosistemas kársticos, y el desarrollo de la estructura superficial y subterránea, para que el medio ambiente pueda ser protegido y las actividades humanas planificadas de manera efectiva. ^{[ 48 ]} Entre los investigadores kársticos prominentes se encuentran Jovan Cvijić y William Morris Davis .

• Ford, DC, Williams, P., Hidrogeología y geomorfología kárstica , John Wiley and Sons Ltd., 2007, ISBN 978-0-470-84996-5
• Jennings, JN, Geomorfología kárstica , 2.ª ed., Blackwell, 1985, ISBN 0-631-14032-8
• Palmer, AN, Geología de las cuevas , 2.ª edición, Cave Books, 2009, ISBN 978-0-939748-66-2
• Sweeting, MM , Formas del relieve kárstico , Macmillan, 1973, ISBN 0-231-03623-X
• van Beynen, P. (Ed.), Gestión del karst , Springer, 2011, ISBN 978-94-007-1206-5
• Vermeulen, JJ, Whitten, T., «Biodiversidad y patrimonio cultural en la gestión de los recursos calcáreos en Asia Oriental: lecciones de Asia Oriental», Banco Mundial, 1999, ISBN 978-0-821345-08-5

• Speleogenesis Network, una plataforma de comunicación para la investigación en espeleología física y ciencias kársticas.
• Espeleogénesis y acuíferos kársticos. Archivado el 23/04/2010 en Wayback Machine : un amplio glosario de términos relacionados con el karst.
• Acta Carsologica – artículos de investigación y reseñas en todos los campos relacionados con el karst
• CDK Ciudadanos del Karst – Ciudadanos del Karst, una ONG sin fines de lucro dedicada a la protección del Karst puertorriqueño (sitio web disponible en inglés).
• La página de The Virtual Cave sobre accidentes geográficos kársticos
• Portal de Información sobre el Karst : una biblioteca digital de acceso abierto que conecta a científicos, gestores y exploradores.