Hidrogeologie - Portalul de Speologie al României
Vital Dent Clinic
Clinica stomatologica
in cartierul rezidential Floreasca din Bucuresti
www.vitaldentclinic.ro
English Version
Ajutor
Forum (cool!)
Stiri
Stiinta
Biospeologie
Topografie subterana
Ecospeologie
Protectia pesterilor
Hidrogeologie
Hidrogeologia Haghimasului
Pseudocarst
Cine sunt liliecii?
Arheologie subterana
Pesteri cu gheata
T.S.A
Echipament individual
Echipament colectiv
Parcurgerea cavitatilor
Pregatirea explorarii
Tehnica TSA I
Tehnica TSA II
Fise de echipare
Avene cu gheata
Fun
Wallpapere speo
Cantece la gura sobei
Bancuri speo
Din legendele pesterilor
Povestiri din pesteri
Hosting.ro
Gazduire Web pe servere din Romania si SUA.
Incepand de la 50 USD/an
web.hosting.ro
Utile (for newbies)
Intrebari frecvente
Glosar de termeni
Trucuri si sfaturi utile
Noduri
Viitura
Primul ajutor
Salvaspeo
Omul si pestera
Scara geocronologica
Fotografia in subteran
Speologia hibernala
Multumiri sponsorilor
Bibliografie selectiva
Harta site
Afterhours
Restaurante, cluburi, terase si baruri din Bucuresti. Stiri si cronici despre localuri.
www.afterhours.ro
afterhours.ro



Speologie.ro>>Stiinta>>Hidrogeologie
Teoria sistemului carstic
- de Dr. Viorel Horoi (ISER)

Teoria functionala a carstului

Introducere

Printr-o succesiune de cel putin doua articole, ne propunem sa prezentam, intr-o maniera accesibila, cadrul conceptual si metodele de analiza utilizate in cadrul teoriei sistemului carstic. Aceasta teorie porneste de la reconsiderarea functionarii carstice in cadrul unei abordari sistemice, ceea ce ofera o alta perspectiva in intelegerea carstului. Fara a avea pretentia de a schimba sensul original al sintagmei propuse de autorii teoriei, ne-am permis sa propunem ca subtitlu "teoria functionala a carstului". Credem ca aceasta denumire este mai intuitiva, subliniind In acelasi timp specificul abordarii. Desi bazele acestei teorii au fost puse spre sfarsitul anilor '70 (Mangin, 1975; BAKALOWICZ, 1979), ea este relativ putin cunoscuta sau aplicata in randul carstologilor si speologilor. Nu este cazul sa discutam aici motivele acestei slabe raspandiri. Trebuie totusi sa subliniem ca, datorita importantei sale in intelegerea functionarii si predictia evolutiei acviferelor carstice, aceasta teorie este mult mai raspandita In randul hidrogeologilor. Exemplele din Romania sunt sugestive. Teoria functionala a carstului si metodele specifice de analiza au fost utilizate de un grup relativ restrans de carstologi (ex. Povara, 1993; Iurkiewicz & Mangin 1994; Iurkiewicz et al., 1996; Rotaru et al., 1995; Oraseanu, 1996; Bandabur et al., 1998-1999) in cadrul unor studii privind drenajele subterane si rezervele de apa din unele zone carstice. Chiar daca notiunea de sistem carstic este larg utilizata in randul speologilor si carstologilor, implicatiile si sensurile acestei expresii sunt relativ putin cunoscute de utilizatori. Speram ca prin aceste articole sa aducem putina lumina in jurul conceptelor, termenilor si metodelor pe care le utilizeaza aceasta teorie, fiind convinsi de posibilitatile pe care le ofera pentru intelegerea carstului.



Vedere de ansamblu

Consideram normal ca, inainte de a intra in subiect, sa prezentam premizele care au determinat aparitia teoriei functionala a carstului. Nu intentionam sa facem un istoric al cercetarilor in domeniul carstologiei. O sa ne limitam la prezentarea ideilor principale care au condus la reconsiderarea functionarii carstului si, implicit, la introducerea notiunii de sistem carstic.
Teoriile clasice ale carstului considera procesul de carstificare ca fiind determinat preponderent de actiunea de disolutie a apei. Pornind de la aceasta idee, interesul cercetatorilor a fost captat de studiul procesului de disolutie.
Daca la scara microscopica, studiile experimentale si modelarile teoretice au permis descrierea cineticii procesului, a factorilor si a conditiilor In care acesta se desfasoara, la scara regionala, considerarea disolutiei ca prioritara a dus la introducerea termenului de denudare carstica. Influenta conditiilor fizico-chimice asupra disolutiei se reflecta, la scara regionala, prin determinarea climatica a ratei de denudatie. S-a ajuns astfel la propunerea unei clasificari pe criterii climatice a tipurilor de carst identificate, clasificare care s-a generalizat curand dupa introducerea sa. Desi reprezinta prima teorie coerenta, de ansamblu, ea nu reuseste totusi sa integreze si sa explice prin conceptele proprii observatiile care vin, In principal, din domeniul hidrogeologiei carstice.
Oarecum in paralel, datorita importantelor rezerve de apa pe care le contin, zonele carstice au captat interesul hidrogeologilor. Scopul majoritatii studiilor hidrogeologice este acela de a stabili rezervele de apa si debitul minim de exploatare ale unui acvifer. Pentru a ajunge la acestea este necesara efectuarea unor studii de teren care vizeaza, pe de o parte, identificarea configuratiei spatiale a acviferului, iar pe de alta parte, acumularea unor serii de date care reflecta conditiile de alimentare si de curgere In cadrul acviferului. In cazul unor acvifere cu descarcare naturala, tipice pentru carst, seriile de date reprezinta masuratorile de debit ale surselor carstice.
In faza de laborator, studiile geologice si testele de laborator permit identificarea tipului de acvifer si a proprieta tilor rocilor de interes (ex. porozitate). Aceste date, impreuna cu seriile de masuratori din teren, sunt folosite pentru a determina parametrii hidrodinamici ai acviferului (ex. conductivitate hidraulica). Utilizarea tuturor acestor date Intr-un cadru riguros matematic permite modelarea functionarii acviferului studiat, a carei importanta consta In posibilitatea efectuarii de previziuni asupra evolutiei acestuia.
In final este posibil calculul de rezerve si estimarea unui debit minim de exploatare.
Modelele matematice din hidrogeologia clasica descriu cele doua tipuri majore de acvifere Intalnite: poroase si fisurale. Acviferele poroase (ex. cele dezvoltate pe gresii) sunt considerate heterogene la scara microscopica (dimensiunea porilor) si omogene la scara macroscopica (Fig. 1 a). In cazul acestora, conductivitatea hidraulica poate fi considerata ca un scalar, ceea ce Inseamna ca ia valori In orice punct al acviferului. Ca si cele poroase, acviferele fisurale (ex. cele dezvoltate In roci cristaline) sunt considerate medii eterogene la scara micro si omogene la scara macro (Fig. 1 b), conductivitatea hidraulica fiind un vector In acest caz, ceea ce Inseamna ca ia valori numai pe anumite directii, cele determinate de fisuratie.
Modelarea matematica a acestor acvifere este posibila datorita faptului ca, la scara macroscopica, ele pot fi considerate medii continui echiprobabile, ceea ce Inseamna ca se pot aplica legile hidrodinamicii pentru a determina functionarea acviferului. Pentru acviferele carstice s-a Incercat aplicarea modelarii matematice specifica acviferelor fisurale.
Compararea previziunilor obtinute prin modelare cu seriile de masuratori din teren demonstreaza clar ca acest cadru conceptual nu poate explica functionarea unui acvifer carstic. Folosind aceasta metoda nu se pot face previziuni asupra evolutiei acviferului.
S-a dovedit astfel necesitatea de a revizui ipotezele ce stau la baza considerarii mediului carstic ca fiind continuu echiprobabil.

Abordarea sistemica a carstului

Primul pas in elaborarea unui cadru conceptual nou, care sa permita intelegerea si explicarea problemelor aparute, a fost redefinirea procesului de carstificare. Fara a diminua importanta procesului de disolutie, s-a reconsiderat influenta curgerii subterane. Astfel, procesul de carstificare este privit ca fiind actiunea simultana a doua procese - disolutia si curgerea subterana - in care curgerea reprezinta vectorul purtator al disolutiei, In scopul realizarii unui drenaj subteran ierarhizat si autoorganizat.
Porozitatea initiala a calcarelor este foarte slaba. Ea poate creste prin fisurare, dar ramane la valori mici, nu mai mult de 2% (Kiraly, 1975, citat in Mangin, 1994).
Carstificarea conduce la cresterea porozitatii (pana la 15% in unele zone carstice - Mangin, 1994) si, implicit, a conductivitatii hidraulice. Aceasta este rezultatul relatiei de recursivitate ce se stabileste intre curgere si disolutie. Din punct de vedere cantitativ, cu cat este mai multa apa cu atat disolutia va fi mai accentuata, ceea ce va duce la largirea golurilor subterane. Dar, cu cat golurile sunt mai importante cu atat acestea vor putea drena mai multa apa.
"Conditiile calitative si cantitative creeaza o interdependenta intre structura golurilor si curgere. Rezultatul este o structura complexa care este organizata ierarhic din amonte spre aval" (Mangin, 1994). Aceasta structura determina eterogenitatea zonelor carstice, privite ca acvifere, indiferent de scara de observatie, si explica caracterul de mediu discontinuu nonechiprobabil (Fig. 1 c) care nu permite aplicarea modelelor matematice corespunzatoare acviferelor fisurale. Pentru a intelege relatiile care se stabilesc intre disolutie si curgere, trebuie sa abordam aceste doua procese din punct de vedere termodinamic (Fig. 2), considerandu-le fluxuri determinate de energia disponibila. Aceasta energie reprezinta "potentialul de carstificare" (Mangin, 1975; 1983; 1984; 1986) fiind dependenta de cantitatea de apa, continutul de CO2 dizolvat si gradientul hidraulic. In functie de energia disponibila, actiunea interdependenta a fluxurilor chimic si hidraulic determina caracteristicile tipului de carst. Variatiile parametrilor implicati in procesul de disolutie nu au nici o influenta in determinarea structurii functionale a carstului. Daca mecanismele chimice sunt responsabile pentru crearea golurilor, structura ierarhica auto-organizata a carstului este determinata de curgerea subterana" (Mangin, 1994).
Singura scara spatiala care permite analiza completa si complexa a carstului este cea care considera structura functionala, in ansamblul ei. Organizarea si ierarhizarea structurii functionale a carstului poate fi considerata similara cu situatia unui aparat hidrografic de suprafata, unde exista o structura de drenaj, reprezentata de cursul principal de apa si afluentii sai, care inglobeaza diverse tipuri de rezervoare subterane.
Aceasta similitudine a permis introducerea notiunii de sistem carstic (Mangin, 1975) definit ca bazinul de alimentare la nivelul caruia se organizeaza o curgere de tip carstic pentru a constitui o unitate de drenaj". Sensul in care autorul foloseste notiunea de sistem este cel utilizat in analiza sistemica. In acest caz, carstul este privit ca o cutie neagra (Fig. 3) in care are loc un proces dinamic (curgerea subterana), care transforma semnalul de intrare, input (toate intrarile In sistem: apa de ploaie, pierderile difuze sau concentrate), transformari care se regasesc In semnalul de iesire, output (sursele carstice). Am vazut deja ca, din cauza discontinuitatii si eterogenitatii mediului carstic, modelele matematice ale acviferelor fisurale nu pot fi aplicate acviferelor carstice. Alte modele (ex. DROGUE & GUILBOT, 1977; JEANNIN, 1998) considera carstul ca o succesiune de rezervoare sau/si conducte, Incercand sa reconstituie functionarea acviferului carstic pe baza relatiilor de curgere ce se stabilesc Intre aceste componente.
Chiar si in acest caz, in care se incearca reprezentarea cat mai fidela a realitatii, previziunile modelului nu sunt In concordanta cu functionarea reala. Aceasta deoarece, oricat de bine s-ar cunoaste structura functionala a acviferului (reteaua de goluri subterane) practic nu este posibila introducerea In model a tuturor variabilelor care intervin, fara sa mai amintim de influenta retelei de goluri neaccesibile omului sau a celei necunoscute inca. Iata de ce, abordarea sistemica a carstului prezinta un mare avantaj, acela ca permite o analiza functionala. Caracteristicile tipului de carst analizat determina procesul dinamic care, asa cum am amintit, transforma semnalul de intrare. Analiza semnalului de iesire in comparatie cu cel de intrare, prin anumite metode care vor fi prezentate intr-un articol viitor, permite identificarea particularitatilor procesului dinamic din "cutia neagra" si, implicit, caracterizarea si clasificarea functionala a carstului.

Structura functionala a sistemului carstic

Aplicarea definitiei sistemului carstic la situatiile reale conduce la identificarea a doua situatii diferite. In cazul in care bazinul de alimentare se dezvolta integral pe terenuri carstice, ceea ce Inseamna ca resursele de apa care intra In carst sunt reprezentate doar de precipitatiile atmosferice care cad pe aceste terenuri, sistemul carstic coincide cu acviferul carstic. Suntem in situatia unui sistem carstic unar. Daca resursele de apa, care intra in sistem, provin si de pe terenuri necarstice, limitele fizice ale sistemului carstic nu mai corespund cu cele ale acviferului carstic. Suntem In situatia unui sistem carstic binar. Influenta pe care o are bazinul de alimentare necarstic asupra functionarii carstului determina includerea acestuia in cadrul sistemului si contureaza limitele fizice. De la suprafata pana la iesirea din sistem, in cadrul structurii functionale a carstului (Fig. 4 si 5) pot fi identificate trei zone importante (Mangin, 1974; 1984; 1994)

a. Bazinul de alimentare necarstic

Acviferul carstic poate fi conectat la un bazin de alimentare necarstic. In cazul in care acest bazin este drenat in totalitate de acviferul carstic, acesta trebuie integrat in sistem. Influenta acestuia asupra functionarii carstice se traduce prin introducerea unei "intarzieri", datorata modularii si medierii semnalului de intrare. In cazul in care bazinul de alimentare necarstic nu este drenat in totalitate de acviferul carstic, acesta nu este considerat parte a sistemului carstic, iar aportul de apa furnizat sistemului este considerat un simplu input, la fel ca cel furnizat de precipitatii.

b. Zona de infiltratie

In zona de infiltratie pot fi recunoscute mai multe subzone. Imediat la contactul cu suprafata poate sa se dezvolte zona epicarstica, cu o extindere deseori discontinua, care ocupa, In adancime, primii metri. Aceasta zona de alterare poate sa aiba porozitate si permeabilitate mare (Intre 5 si 10% dupa Mangin, 1994) adapostind importante rezerve de apa (acvifere epicarstice). Aceste acumulari au o importanta deosebita pentru dezvoltarea carstului prin asigurarea si concentrarea resurselor de apa necesare pentru carstificarea In adancime. La nivelul masivelor carstice infiltratia este de doua tipuri. Unul dintre acestea exploateaza reteaua de macrofisuri, largi, dar putin numeroase; este vorba de infiltratia rapida. Celalalt se produce pe reteaua de microfisuri, majoritare la nivelul masivelor, asa-numita infiltratie lenta. In cazul acesteia, datorita dimensiunii spatiilor In care are loc, curgerea este difazica (curgere mixta de aer si apa). Studii recente asupra mediului subteran In cazul unor importante retele speologice (pesteri cu picturi rupestre sau concretiuni deosebite) demonstreaza influenta pe care o are zona de infiltratie asupra conditiilor mediului subteran (ex. Mangin & Andrieux, 1984; Mangin, 1988; Mangin et al., 1997; Bourges et al., 2001). Schimburile ce se stabilesc intre retelele speologice si zona de infiltratie determina, de fapt, limitele de suportabilitate in cazul afectarii mediului subteran.

c. Zona inecata

Aceasta reprezinta zona saturata a acviferului In care organizarea golurilor subterane si a curgerii este cea mai dezvoltata. In aceasta zona, retelele de goluri pot sa Indeplineasca doua functii diferite: aceea de dren sau de sistem anexa (Fig. 4, 5 si 6). Drenurile asigura functia transmisiva a sistemului, In timp ce sistemele anexa, situate de-o parte si de alta a drenurilor, In general In aval, asigura functia capacitiva a sistemului (Mangin, 1994) (Fig. 6). Drenurile realizeaza transferul semnalului de intrare spre iesire mai mult sau mai putin rapid, In functie de gradul de carstificare si, implicit, de dezvoltare a drenului. In cazul unui sistem foarte carstificat impulsul de intrare (ex. viiturile) este transferat foarte rapid si relativ putin modificat la iesire.
Sistemele anexa sunt relativ slab dezvoltate ceea ce implica rezerve de apa putine. In cazul unui sistem slab evoluat, drenul este mai putin dezvoltat. El nu permite un transfer rapid al inputului. In cazul unui impuls important al semnalului de intrare, drenul nu-l poate prelua si transmite In totalitate, o parte din acesta fiind transferat catre sistemele anexe, mult mai dezvoltate In acest caz. Observam ca drenul alimenteaza sistemele anexe In timpul viiturilor, iar In perioadele de etiaj (regim minim de curgere) drenul este alimentat de catre sistemele anexe. Acest tip de functionare se reflecta printr-o modulare a semnalului de intrare ce se regaseste In semnalul de iesire, prin analiza caruia se poate aprecia atat gradul de carstificare al sistemului, functionarea sa, cat si unii parametri care permit calculul rezervelor dinamice ale acviferului.
Trebuie subliniat ca "raurile subterane" din limbajul speologic nu sunt sinonime cu "drenurile". Acestea reprezinta doar partile accesibile ale drenurilor. De asemenea, in functie de geneza acviferelor, drenurile se pot organiza foarte aproape de suprafata piezometrica (interfata aerapa In cadrul unui acvifer cu curgere libera), tip genetic jurasian sau epifreatic, sau la adancime, tipul genetic vauclusian sau batifreatic.

Tipuri energetice de carst

Dupa cum am remarcat deja, carstul reprezinta rezultatul actiunii a doua procese intim legate, in functie de energia disponibila, energie care a fost denumita "potential de carstificare". Aceasta energie reprezinta suma tuturor conditiilor calitative si cantitative care determina desfasurarea acestor procese la un moment dat si pentru o zona anume. Astfel, situatia geostructurala si geomorfologica initiala determina gradientul hidraulic, care stabileste conditiile de curgere. Deasemenea, conditiile climatice, pedologice si de vegetatie ale zonei de interes determina caracteristicile cantitative si calitative ale apei (cantitate, continut in CO2 dizolvat, temperatura etc.). Considerarea carstului din perspectiva sistemica si termodinamica permite integrarea si explicarea unor situatii limita, care cu greu puteau fi integrate Intr-un tot unitar prin teoria clasica a carstului. In marea majoritate a cazurilor carstul este de tip gravific, In sensul ca initierea si dezvoltarea structurii functionale se desfasoara sub influenta fortei gravitationale.
In cazul in care energia care guverneaza procesul de carstificare este de natura termica suntem In prezenta unui carst hidrotermal. De asemenea, In unele situatii particulare (cazul carstului de coasta, la contactul apa dulce / apa sarata) energia care intervine in dezvoltarea carstului este de natura chimica.

Evolutia sistemelor carstice

Legile termodinamicii clasice se aplica la doua tipuri de sisteme: cele izolate, care nu schimba nici materie nici energie cu mediul inconjurator, si cele inchise, care stabilesc doar schimburi de energie cu exteriorul. Acestor sisteme li se asociaza doua variabile de stare: energia interna si entropia (gradul de dezordine al sistemului). Conform legilor termodinamicii entropia totala a unui sistem creste in mod obligatoriu. Exista, insa, in natura numeroase exemple de sisteme pentru care entropia, in loc sa creasca, dimpotriva, scade, ceea ce se traduce prin autoorganizare. Pentru studiul acestor sisteme a fost creata o termodinamica particulara, a proceselor ireversibile (PRIGOGINE, 1968, citat in Mangin, 1983). Aceste sisteme sunt deschise, stabilind schimburi atat de energie cat si de materie cu exteriorul si reprezinta sediul unor fluxuri de entropie care compenseaza entropia proprie sistemului, astfel incat, bilantul total prezinta o reducere a gradului de dezordine, respectiv o organizare a sistemului.
Mangin (1983) aplica principiile termodinamicii proceselor ireversibile in cazul sistemelor carstice. In acest sens, datorita existentei unui drenaj organizat, sistemele carstice pot fi considerate sisteme deschise. Ele nu pot exista astfel decat atat timp cat reprezinta sediul unui proces dinamic, respectiv, curgerea subterana. Pornind de la aceste constatari, autorul analizeaza evolutia sistemelor carstice, in urma incetarii procesului dinamic, pentru cele doua cazuri: sisteme unare si binare.

a. Evolutia spre un sistem inchis

Un sistem carstic devine inchis in momentul in care are loc o ridicare a nivelului de baza, moment in care acviferul carstic devine inecat, fara gradient hidraulic semnificativ. Tipice pentru astfel de situatii sunt carstul din Florida sau unele zone carstice din Cuba. La noi in tara, acviferul carstic din Dobrogea de Sud corespunde cel mai bine acestei situatii. Procesele care se asociaza evolutiei carstului ca sistem inchis sunt cele de depunere sedimentara si/sau chimica. Pentru un sistem unar singura sursa de material este rezidiul rezultat In urma disolutiei rocilor carbonatice. In cazul unui sistem binar, reducerea graduala a gradientului hidraulic conduce la colmatarea carstului cu depozite prezentand o gronaclasare evidenta, depozite ce provin din zona necarstica a sistemului.

b. Evolutia spre un sistem izolat

Un sistem carstic devine izolat in momentul in care structurile functionale sunt abandonate ca urmare a coborarii nivelului de baza sau a incetarii aportului de apa datorita unor schimbari climatice. Pentru sistemele unare singurele procese care devin active in aceasta situatie sunt cele mecanice (ex. prabusirile) si cele de concretionare.
In cazul sistemelor binare, incetarea relativ brusca a fluxului de sedimente conduce la colmatarea carstului, fara granoclasare, peste care pot urma depozite de prabusire si/sau de precipitare chimica.
Studiile sedimentologice efectuate asupra depozitelor de pesteri constituie argumente convingatoare pentru o astfel de evolutie. In plus, in majoritatea cazurilor este pusa in evidenta o evolutie ciclica, ceea ce corespunde suprapunerii unor structuri functionale succesive. Un carst care ajunge in situatia de sistem izolat poate fi reactivat, prin reinstalarea unor conditii externe favorabile, moment in care se instaleaza o noua structura functionala. Acest caracter polifazic poate fi recunoscut pentru majoritatea sistemelor carstice.

(articol preluat din Ecocarst nr. 4)

Cool section!
Cave and nature free wallpapers
easy to download
Nou! Speologie interactiva!
Parerea ta conteaza
Speologie.ro/forum
Geoturism.ro
Natura la tine acasa!
Rhinolophus | SRSC | FRS | ISER Cluj | Salvaeco | Termeni si conditii | Publicitate | Masina de carotat | Fotoreportaj | SNS | Camere Video | TAK | Zerocalorii