Aigües salobres dels aqüífers costaners i el paper de la dissolució de calcita per la barreja d’aigües

Amb el títol de Brackish springs in coastal aquifers and the role of calcite dissolution by mixing waters, Esteban Sanz Escudé presentà la seva tesi doctoral a la UPC el passat octubre del 2007.

L’autor estudia uns aspectes molt interessants; les intrusions marines i les seves repercussions sobre l’aprofitament dels aqüíferes càrstics mediterranis, i la dissolució per barreja d’aigües (la Mischungskorrosion del prof. A. Bögli) que explica l’evolució de les xarxes en règims d’aigües teòricament saturades.

Com que no he pogut aconseguir autorització del autor per incloure la seva tesi en l’espeleobloc, us presento un ample resum del seu contingut. El lector que vulgui aprofundir pot descarregar-la gratuïtament en la web de Tesis Doctorals en Xarxa en el següent enllaç (168 pàgs.).

"Les fonts salades són fenòmens relativament freqüents a les formacions carbonatades costaneres i la seva existència ha estat descrita àmpliament a l’àrea mediterrània. De fet, més de 300 fonts salades han estat identificades només a la costa de l’antiga Iugoslàvia. Aquestes fonts constitueixen essencialment punts càrstics de descàrrega, submarina o a terra ferma, d’aigua amb salinitat variable i depenent del flux. El fenomen és particularment sorprenent a les fonts a terra ferma, atès que grans cabals amb salinitats considerables (presumiblement d’origen marí) poden ser descarregades a uns quants metres per sobre del nivell del mar. A més del seu interès purament científic, les fonts salades comporten un potencial hídric estratègic molt important en àrees amb recursos hídrics limitats. Per tal de dissenyar procediments adequats pel desenvolupament és necessari adquirir un bon coneixement dels mecanismes que les controlen, tant a nivell general com particular de cada font.

Aquests mecanismes han estat molt estudiats però encara existeixen algunes controvèrsies. Sembla clar que es troben relacionades amb sistemes càrstics ben desenvolupats en profunditat. En aquestes condicions, l’aigua subterrània flueix de manera turbulenta per una xarxa de conductes interconnectats i immersos en una matriu de petites fissures amb flux controlat per la llei de Darcy. Tot i tenir diferencies conceptuals i metodològiques, els models proposats proporcionen resultats molt semblants. Això suggereix la necessitat de realitzar un estudi global sobre els mecanismes de salinització de les fonts salades. En aquesta tesis es deriven les equacions que governen el flux turbulent de solucions amb densitat variable i es descriuen els diferents mecanismes de salinització de les fonts, per tal de predir la concentració i cabals que en resulten. Aquests resultats s’apliquen a l’estudi de la font de S’Almadrava (Mallorca, Illes Balears), que es troba a 8 m sobre el nivell del mar i presenta cabals de fins a 2 m3/s i conductivitats elèctriques de 30 mS/cm. Normalment mostra una relació inversa entre cabal i concentració (és a dir, les concentracions més altes es produeixen per cabals petits, i al contrari). Es proposa un model conceptual de doble permeabilitat per explicar les variacions de salinitat mesurades tant a èpoques seques com humides, així com els pics secundaris de salinitat observats tot just després de cada esdeveniment de recàrrega.

El model reprodueix les observacions, però la manca d’informació geològica a grans profunditats impossibilita la seva validació completa. Per tant, s’ha intentat també la validació mitjançant observacions geoquímiques d’un mostreig d’alta freqüència. Per aquest motiu s’ha realitzat un model de transport reactiu. La interpretació de les dades geoquímiques no només ajuden a validar el model conceptual de flux, si no que també poden aportar informació sobre les interaccions aigua-roca de sistemes carbonàtics profunds. De fet, u dels processos habitualment proposats per explicar l’existència de sistemes càrstics ben desenvolupats a gran profunditat és l’engrandiment de fissures per dissolució de carbonats per mescles d’aigua dolça i salada.

La teoria de la dissolució per mescla d’aigües es basa en que les concentracions d’una mescla són mitjanes volumètriques de les aigües extremes, mentre que les activitats termodinàmiques de les espècies que controlen les reaccions aigua-roca són funcions no lineals de la proporció de mescla. Per tant, dues solucions en equilibri amb la calcita poden produir barreges subsaturades depenent de diversos factors, principalment el contingut de CO2 i la força iònica. L’observació de mescla d'aigües i dissolució de carbonats en profunditat no és possible per limitacions tècniques. Més accessible resulta la zona de mescla d’aigua dolça i marina en aqüífers costaners, en els quals s’han descrit subsaturacions i/o dissolucions de calcita. Tot i així, la dissolució no sempre resulta evident i fins i tot s’han descrit situacions de falta de dissolució o sobresaturació. Aquesta aparent inconsistència de les observacions de camp ha motivat els estudis de la segona part de la tesi. S’han realitzat assaigs de laboratori de flux continu sota atmosfera controlada de CO2 per quantificar la dependència de la dissolució de calcita amb la proporció de mescla, i el paper que jugarien les petites variacions de pressió de CO2 en la capacitat de dissolució de la barreja.

Els resultats mostren que, tot i que la dissolució de calcita es produeix, la dissolució a gran escala en els aqüífers només es pot entendre des d’una escala temporal geològica. Sanford i Konikow (1989) van predir la posició i magnitud del desenvolupament de porositat en aqüífers costaners. En aquesta tesi es comparen aquests resultats amb els obtinguts amb models de transport reactiu en 1D i 2D, els quals mostren que l’ús d’aquests darrers són necessaris per tal d’entendre i reproduir d’una forma més acurada el fenomen. Aquest fet es deu a que la dissolució en aquests ambients està controlada no només pels factors geoquímics si no també per la velocitat en que l’aigua dolça i la marina es mesclen (es a dir, per la dispersió)."