MONITOREO DE LA INTRUSION SALINA EN ACUIFEROS CARSICOS UTILIZANDO METODOS GEOELECTRICOS DE SUPERFICIE

DrC. Ing. Willy Roberto Rodríguez Miranda, MSc.

Departamento de Geociencias.

I.S.P.J.A.E. – Cuba.

ABSTRACT

Salt-water intrusion is a common problem in coastal areas. It is a polluting agent along continental coastlines, where unconfined aquifers are usually characterized by an upper zone of fresh ground water which is underline by denser, saline ground water. The interface between fresh and saline ground water becomes deeper with increasing distance from the sea and an over-exploitation of ground water resources can have severe environmental and social impacts. By the way, it is very important to know the position of salt-water intrusion all time.

In this paper is showed an application of geoelectrical superficial research where was possible monitoring the horizontal and vertical position of salt-water intrusion in an aquifer located in a western part of Cuban Archipielago. Cluster analysis techniques were used for processing digital data in order to get better results.

RESUMEN

La presencia de la intrusión salina es un problema común en áreas costeras y representa un agente contaminante importante en zonas continentales, donde los acuíferos no confinados están generalmente caracterizados por la presencia de una zona superior de agua potable, la cual sobreyace al agua salobre más densa. La interfase que separa el agua potable de la salobre, se encuentra a mayor profundidad con el aumento de la distancia a la línea de costa y una sobre -explotación de los acuíferos puede provocar impactos ambientales y sociales importantes. Debido a esta situación es muy importante conocer la posición de la zona de interfaz en todo momento.

En el presente trabajo, se muestra una aplicación donde investigaciones geoeléctricas superficiales permiten monitorear la posición horizontal y vertical de la intrusión salina, para el caso de un acuífero abierto en la región occidental del Archipiélago Cubano. En esta ocasión, fueron empleadas durante al procesamiento digital de los datos técnicas de análisis de agrupaciones con la finalidad de obtener mejores resultados.

INTRODUCCION

El interés de la investigación presentada está dada por la importancia que reviste el estudio de los agentes contaminantes de los recursos hídricos, avalado por el necesario consumo de este elemento para el desarrollo de la actividad en cualquier sociedad de nuestro planeta. Debido a esta necesidad, en nuestro país se realizan grandes esfuerzos con relación al estudio y correcta explotación de los recursos hídricos, con el fin de garantizar que los mismos sean utilizados de la forma más racional.

En nuestro caso, el acuífero estudiado presenta las complicaciones dadas por la situación geológica en el cual está ubicado, marcadas por la existencia de una fuerte carstificación de los horizontes carbonatados, que son el horizonte colector y además como es característico en las cuencas abiertas, la presencia de la intrusión salina, que indudablemente perjudica el régimen de explotación, a la vez que provoca la necesidad de tomar medidas de control, en aras de preservar esta valiosa fuente de suministro del preciado líquido.

Por las razones señaladas anteriormente es que en esta oportunidad se pretendió, a partir del empleo de los resultados de una campaña de Sondeos Eléctricos Verticales (S.E.V.) ejecutada en el área de la Costera Sur, valorar las posibilidades de cartografiar la presencia de la intrusión salina, tanto en superficie como en la profundidad, a partir de los resultados de la interpretación cualitativa y cuantitativa de los datos de S.E.V.

CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS DE LA CUENCA SUR

Esta área se caracteriza por una estructura geológica compleja y se enmarca dentro de la secuencia neoplatafórmica de edad Mioceno Medio Superior a Plioceno, con sedimentos de tipo carbonatados de mares someros. Sobreyaciendo a estos se encuentran sedimentos cuaternarios de composición predominantemente terrígena de espesor variable. El contacto entre estos dos tipos de sedimentos es discordante.

La región de la costa sur está formada casi en su totalidad por rocas del Neógeno, principalmente la formación Güines que presenta en su composición una gran variedad de calizas, que pueden ir desde las coralinas cristalizadas, órgano - detríticas, órgano - relícticas, dolomitizadas hasta arcillosas. También encontramos margas y calcarenitas dentro de las calizas en forma de lentes de poco espesor. Es de destacar el alto grado de carsificación que presenta esta formación donde podemos encontrar cavernas de gran tamaño.

La formación Güines yace en concordancia sobre la formación Cojímar y en algunos casos sobre la formación Husillo. Estas dos formaciones presentan características muy similares a Güines, hasta llegar a ser muy difícil su diferenciación en superficie.

En la formación Cojímar se destacan los sedimentos margosos y en la formación Husillo se observa un mayor predominio de las calizas.

En el intervalo de tiempo en que se forma este complejo, se manifiestan varias fases de plegamiento que dieron como resultado pliegues suaves y muy amplios. También las rocas fueron afectadas por fallas en su mayoría directas. En general se puede establecer que hay un régimen único neotectónico donde la parte norte sufre fundamentalmente ascensos y la parte sur movimientos de descensos. Esto se demuestra al norte, por la presencia de valles estrechos en forma de cañones de diferente profundidad y al sur por la formación de zonas pantanosas y la presencia de terrazas sepultadas por el mar.

Las aguas subterráneas se encuentran distribuidas en todo el territorio de la provincia. Sus mayores recursos están relacionados con las calizas de la formación Güines, que ocupan más del 70% de la provincia. En la llanura de la costa sur, las aguas subterráneas alcanzan unos 200 metros de espesor.

Existe una compleja intercalación con el agua salada y en la parte sur de la llanura de la Cuenca, las aguas dulces yacen sobre las aguas saladas.

La dirección del flujo subterráneo es desde la zona de alimentación situada en el centro hacia el mar, con algunas variaciones en dependencia de las condiciones hidrogeológicas locales. El nivel de las aguas subterráneas va disminuyendo a medida que nos acercamos a la costa, donde llega a la superficie formando una extensa franja cenagosa de 2 a 5 km de ancho.

METODOLOGIA DE INVESTIGACION UTILIZADA

Para la ejecución de la investigación fueron utilizados los resultados de 33 S.E.V. realizados por la Empresa de Hidroeconomía Habana entre los años 1987 - 1991 (Rodríguez, W., 1994, 1996), sobre un área de aproximadamente 1000 Km 2 , con una abertura máxima de la línea de alimentación de 1000 metros y ubicados en cuatro perfiles con orientación Norte - Sur, separados entre 5 a 15 kilómetros y con una distancia entre puestas de 1 a 5 Kilómetros (Figura 1).

A partir de los datos de resistividad observada para los S.E.V. escogidos, se procedió a desarrollar la investigación presentada, considerando la siguiente secuencia de pasos (Rodríguez, W., 1994):

1. Confección del mapa de tipo de curvas para la región y así obtener una idea preliminar sobre el posible corte geoeléctrico que podría esperarse en la misma.

2. Elaboración cualitativa de la información disponible, a partir de la confección de cortes y mapas de isolíneas de algunas de las características geoeléctricas primarias.

3. Empleo de técnicas de clasificación estadística no supervisada para la evaluación cualitativa del corte geoeléctrico en la región. En esta ocasión fue utilizado el Análisis Euclidiano de Agrupaciones, empleando como criterio para la separación en clases de la muestra, los resultados aportados por el mapa de tipo de curvas y los obtenidos por Valcarce, R. y otros, 1994 en la zona, a partir del empleo de las técnicas estadísticas de reconocimiento de patrones con los datos de la geofísica de pozos.

4. Elaboración cuantitativa de los resultados mediante el empleo de un algoritmo automático desarrollado por Roche y Pérez (Alfonso, J., 1992), que permite el estudio de un gran número de variantes de solución en un tiempo relativamente corto, a partir del empleo de las Curvas de Dar Zarrouk y las Funciones de Pseudo Profundidades, así como la posibilidad de incorporar restricciones de invariabilidad, entorno e intervalo durante el proceso de interpretación.

5. Propuesta del comportamiento de algunas características geológicas de la región investigada, a partir de los resultados de la interpretación cualitativa y cuantitativa.

PRESENTACION DE LOS RESULTADOS.

Al procesar los valores de cada uno de los S.E.V. para la región investigada y después de confeccionar el correspondiente mapa de tipo de curvas, se pudo apreciar que el corte geoeléctrico general de la misma parece estar representado por 3 ó 4 capas, donde predominan las curvas del tipo K, ocurriendo pues en esta ocasión que el horizonte de apoyo se comporta en la zona de la cuenca como un horizonte conductor, que podría estar relacionado con la presencia de la intrusión salina o tal vez, la zona de interfaz que avanza en el área desde el límite sur de la cuenca.

Al elaborar los resultados de la interpretación cualitativa, se procedió a confeccionar los cortes de resistividad observada (Ra), para cada uno de los perfiles, así como mapas de resistividad observada y de valores extremos con la finalidad de obtener información general sobre las características geoeléctricas de la región investigada. De estos materiales se pudo apreciar lo siguiente:

- Cortes de Ra: se comprueba la existencia de cierta zonación en el comportamiento de los valores de resistividad observada, donde es posible definir el aumento de la resistividad observada de Sur a Norte, así como una mayor homogeneidad en el corte hacía el Oeste, siendo posible observar una clara continuidad lateral de ciertos horizontes geoeléctricos que comienzan a verse alterados a la altura del perfil XIII y en la porción mas al Este del perfil XIV, donde aumenta la complejidad del corte con la presencia de dos marcadas zonas de gradientes verticales, que cortan la continuidad lateral de los horizontes detectados. En esta oportunidad también se comprobó el aumento de los valores de resistividad observada en la dirección Norte, así como el comportamiento ya conocido referente a la presencia de un sustrato conductor.

- Mapas de Ra: fueron confeccionados los mismos para aberturas de 1.5, 10, 30, 95, 290 y 600 metros de la línea de alimentación y en ellos se comprobó la existencia de un comportamiento similar al obtenido para los cortes en los valores de resistividad observada, al analizar los resultados para el área en profundidad, destacándose la existencia de una zona de valores altos hacía el Noreste y otra de valores mucho menores hacía el Suroeste, que además presenta un comportamiento mucho mas homogéneo en los diferentes niveles estudiados (Figuras 2 y 3).

- Empleo de las técnicas de clasificación estadística: durante el desarrollo de esta investigación, se procedió también a realizar un estudio exploratorio de las posibilidades que estas técnicas podrían tener durante la evaluación cualitatitiva de la información primaria. Es por esta razón que a partir de los resultados aportados por el mapa de tipo de curvas, así como de los resultados obtenidos por Valcarce y otros, 1994 utilizando registros geofísicos de pozo en la Cuenca Sur, se procedió a tratar de empleando una técnica de clasificación estadística con autoaprendizaje, en este caso el Análisis Euclidiano de Agrupaciones, realizar una subdivisión del área utilizando los valores de resistividad observada en los cuatro perfiles. Este análisis corroboró la existencia de un horizonte resistivo con relativa continuidad lateral y dirección Norte - Sur, donde los valores de resistividad observada promedio oscilaban alrededor de los 300 ohm - m, así como la presencia del sustrato conductor con mayor incidencia del mismo desde el centro hacía el Sur de los perfiles investigados (Tabla 1).

- Interpretación cuantitativa de forma automática: una vez concluida la evaluación cualitativa de los resultados, se procedió a realizar la interpretación automática de los S.E.V., utilizando para ello toda la información aportada tanto por los procedimientos anteriores, así como la disponible a partir de la geofísica de pozos y perforaciones geológicas existentes en la Cuenca Sur. Como resultado de esta interpretación se pudo comprobar la existencia de tres horizontes geoeléctricos en la zona, los cuales mantienen su continuidad en los perfiles XI, XII y XIII, mientras que se presentan con mayores dificultades en el perfil XIV. En esta oportunidad se nota la presencia de cierta transición en los valores de resistividad interpretada (Rint), al pasar de una a otra formación geológica. Para los horizontes descritos se obtuvo que el superior aparece representado por valores de resistividad interpretada en general inferiores a los 60 ohm - m y espesores del orden de los primeros metros. El segundo horizonte, en general, el mas potente con alrededor de 100 metros como promedio y valores de resistividad interpretada del orden de las primeras centenas de ohm - m. Finalmente el último horizonte presenta los valores mas bajos de resistividad interpretada, fundamentalmente hacía el Sur, con un aumento de los mismos en direción Norte, que pudieran estar asociados a un cambio lateral de las condiciones físico - geológicas del corte en profundidad para la región estudiada (Figuras 4, 5, 6 y 7).

Durante la interpretación cuantitativa de los resultados, fueron construidos también cortes y mapas de isolíneas para la conductancia longitudinal y resistencia transversal interpretadas, manteniéndose como generalidad en estos materiales, la presencia de los tres horizontes geoeléctricos ya señalados con anterioridad.

CONCLUSIONES

A partir del análisis de los resultados obtenidos, así como la información complementaria existente en el momento de la investigación, fue posible proponer los siguientes aspectos de interés en la misma:

1. Los resultados del S.E.V. en el área de la Cuenca Sur muestran un corte geoeléctrico formado por tres horizontes, donde el horizonte inferior se comporta como un horizonte conductor.

2. A partir del análisis cualitativo de los resultados, se comprobó la existencia de una zonación geoeléctrica tanto superficial, como en la profundidad, que pudiera estar asociada con la presencia de los horizontes colectores, así como la dirección y extensión de la intrusión salina en el área.

3. El empleo de las técnicas de clasificación estadística representan una poderosa herramienta, que debe ser considerada durante la etapa de interpretación cualitativa en este tipo de trabajos.

4. La presencia de los tres horizontes geoeléctricos en el área podría tener la siguiente interpretación:

- Un primer horizonte con un espesor en general menor de 10 metros y valores de resistividad interpretada menores de 50 ohm - m, que debe estar asociado a la parte superficial y alterada del complejo carbonatado de la cuenca y donde no existe saturación de agua.

- Un segundo horizonte con valores de resistividad interpretada del orden de las primeras centenas de ohm - m y espesor promedio de 100 metros, que debe estar asociado con la presencia del acuífero.

- Un tercer horizonte con valores muy bajos de resistividad interpretada que aumentan en dirección Norte y que debe estar asociado a la presencia de la intrusión salina, pudiendo considerarse que las variaciones laterales observadas estén relacionadas con el límite de la misma en dirección Norte.

BIBLIOGRAFIA

Alfonso Roche, J., 1992. Interpretación automática de S.E.V. Curso de Postgrado. Dpto. Geofísica, I.S.P.J.A.E.

Valcarce Ortega, R.M., J. González García, y W. Rodríguez Miranda, 1994. Aplicación combinada de los métodos geofísicos de pozo y el S.E.V. para el estudio de las condiciones hidrogeológicas de la Cuenca Sur de La Habana. IX Forum de Ciencia y Técnica, Ciudad de La Habana.

Rodríguez Miranda, W., 1994. Estudio de las características hidrogeológicas de la Cuenca Sur de La Habana empleando S.E.V. VIII Conferencia Científica de Ingeniería y Arquitectura. I.S.P.J.A.E., Ciudad de La Habana.

Rodríguez Miranda, W., 1996. Evaluación de las características hidrogeológicas de la Cuenca Sur de La Habana, empleando técnicas de S.E.V. TAHICU’96, Topes de Collantes, Trinidad, Cuba.