Karst caves exhibit a wide range of hydrological and hydrochemical responses to infiltration events, due to their physical heterogeneity space and dynamic variability over time, and due to non-Gaussian inputs (rain) and outputs (discharge). This paper reviews different approaches of studying seepage water in caves, in order to understand the infiltration regimen in the non-saturated zone of karst areas. As an illustration, we describe a four-year study of the active carbonate-water system the Cueva del Agua (Granada, southern Spain) that automatically logs the discharge from a stalactite. The results indicate that: (1) the drip water regime is not seasonal, but is linked instead to slow infiltration. Sudden changes in drip water regime occur due to infiltration along preferential flow paths and the draining of water of supersaturated water from reserves in the microfissure and pore system; (2) the drip rate is not linear over time. When dripping is constant, barometric oscillation of the air is the principal factor causing a chaotic a drip flow regime. Over a short period of two to three days, a mean variation in air pressure inside the cave of 10 (±3.7) mbar causes a oscillation the drip rate of 0.5 (±0.2) mm/h. The increase air translates into an the relative thickness of the gaseous phase of the drip water at the cost of the aqueous phase, so leading to a reduction the drip rate from the stalactite.

El proceso de karstificación sobre las rocas carbonatadas y sus morfologías resultantes son aspectos que suelen abordarse desde un enfoque generalmente descriptivo. Habitualmente se parte de unos fundamentos elementales del proceso químico, para pasar directamente a la descripción del modelado del paisaje kárstico. En el presente trabajo se proponen diversas actividades cuyo objetivo conjunto es lograr una visión integral y algo más tangible del proceso de karstificación. Con un enfoque transversal con otras disciplinas, como son la química o la biología, se han planteado diferentes actividades de clase, campo y/o laboratorio, basadas en las transformaciones químicas que experimenta el agua al estar en contacto con los materiales karstificables. Las actividades se plantean para que cada docente pueda adaptarlas a su entorno más próximo, de forma que el alumnado entienda que se trata de un proceso activo y cercano. | The karstification of carbonates and the resulting geomorphological landscapes are frequently studied from a general descriptive point of view. We tend to use basic chemical concepts and then proceed right away to describing the karstic landscapes. In the present paper, we propose different activities in order to achieve a whole, real vision of the karstification process, based on the geochemical interaction between water and soluble carbonates. The proposed field, lab and class tasks present a transversal approach with other subjects such as chemistry and biology. These activities can be carried out both individually and in groups, and the teacher can adapt them to their immediate environment, so that the students understand that karstification is an active process happening in their vicinity.

Abstract: A coastal karstic aquifer highly exposed to anthropogenic pollution and seawater intrusion is the main water supply source for Merida-Progreso inhabitants (Yucatan, Mexico). In this investigation fresh/ brackish water interface changes linked to precipitation events were identified and correlated with the Ghyben-Herzberg principle. Water level elevations and electrical conductivity values were manual and automatic recorded in a 26 wells monitoring network. Results indicate a fast water level increase (hours) to precipitation events, for example a 19 cm water level increase and 570 µmhos·cm-1 decrease measured at the fresh/brackish water interface were recorded in an observation well located west of Merida city less than 24 hours after a 60 mm rainfall. Predictions using the Ghyben-Herzberg principle do not correlate with in-situ measurements. Actual thickness of the freshwater lens change from rainy (33 m) to dry (31.5 m) season below Merida city, minor thickness changes along the year were identified north to Merida city (26 m freshwater lens thickness). | Resumen: La población en la región Mérida-Progreso, Yucatán, México, depende totalmente del agua subterránea que es obtenida de un acuífero kárstico costero, vulnerable a la contaminación antropogénica y natural por los efectos de la intrusión salina. El objetivo de estudio fue describir, espacial y temporalmente, el comportamiento de las interfases de agua dulce y agua salobre ante eventos de precipitación, y proponer alternativas que ayuden a explicar la respuesta observada y su relación con el principio de Ghyben-Herzberg. Se utilizó una red de 26 pozos de observación para determinar elevaciones del nivel del agua y cambios en la conductividad eléctrica en las interfases mediante mediciones manuales y una red automatizada. Los resultados indican que en general existe una respuesta rápida (del orden de horas) del nivel freático a la precipitación, por ejemplo un incremento de 19 cm en la elevación del nivel del agua al occidente de Mérida y un comportamiento irregular de las elevaciones de las interfases de agua salina (decremento de 570 µmhos·cm-1) y salobre ante eventos de precipitación (60 mm). De acuerdo con los resultados obtenidos, el principio de Ghyben-Herzberg no es aplicable para la determinación de la posición de la interfase de agua salina en la región. Finalmente, se definieron espesores de agua dulce bajo la zona urbana de Mérida para las temporadas de lluvia (33 m) y estiaje (31.5 m), y un espesor promedio de 26 m al norte de Mérida a 15 km de la línea de costa donde no hay una variación entre ambos periodos.

La población en la región Mérida-Progreso, Yucatán, México, depende totalmente del agua subterránea que es obtenida de un acuífero kárstico costero, vulnerable a la contaminación antropogénica y natural por los efectos de la intrusión salina. El objetivo de estudio fue describir, espacial y temporalmente, el comportamiento de las interfases de agua dulce y agua salobre ante eventos de precipitación, y proponer alternativas que ayuden a explicar la respuesta observada y su relación con el principio de Ghyben-Herzberg. Se utilizó una red de 26 pozos de observación para determinar elevaciones del nivel del agua y cambios en la conductividad eléctrica en las interfases mediante mediciones manuales y una red automatizada. Los resultados indican que en general existe una respuesta rápida (del orden de horas) del nivel freático a la precipitación, por ejemplo un incremento de 19 cm en la elevación del nivel del agua al occidente de Mérida y un comportamiento irregular de las elevaciones de las interfases de agua salina (decremento de 570 µmhos·cm-1) y salobre ante eventos de precipitación (60 mm). De acuerdo con los resultados obtenidos, el principio de Ghyben-Herzberg no es aplicable para la determinación de la posición de la interfase de agua salina en la región. Finalmente, se definieron espesores de agua dulce bajo la zona urbana de Mérida para las temporadas de lluvia (33 m) y estiaje (31.5 m), y un espesor promedio de 26 m al norte de Mérida a 15 km de la línea de costa donde no hay una variación entre ambos periodos.

El agua que emerge de los manantiales kársticos contiene altas concentraciones de dureza total causadas por la disolución de formaciones geológicas carbonatadas, lo cual limita el uso doméstico e industrial del recurso en estas zonas. El enfoque aplicado consistió en el análisis de los procesos geoquímicos y del ablandamiento natural para estimar los factores que controlan la dureza del agua en áreas kársticas. Una serie de muestras de agua se tomaron a lo largo del sistema hidrogeológico, considerando cuatro manantiales principales y tres sitios sobre los canales de flujo. Sobre la dirección del flujo se observó un cambio en la caracterización del agua de HCO3-Ca-Na a HCO3-Ca-Na-Cl, aunada al enriquecimiento iónico atribuido a la disolución de los minerales del sustrato. Además, se ha inferido la ocurrencia de procesos de dedolomitización originados en la disolución de minerales evaporíticos. Asimismo, casi 60% de las muestras presenta sobresaturación en cuanto a la calcita, en la mayoría de los casos como consecuencia de la pérdida del CO2 disuelto, lo cual induce el ablandamiento natural del agua. Esta evolución es causada por dos cambios físicos que experimenta el flujo en su trayecto superficial: turbulencia y aireación, que incrementan la interfase aire-agua, alcalinizando el pH del agua con la consecuente precipitación de la dureza del agua. La investigación futura, dirigida a la predicción de las tasas de reacción, debería enfocarse en la evaluación en la desgasificación del CO2 que gobierna los procesos de ablandamiento del agua en el medio natural. | Water from karstic springs contains high concentrations of total hardness from the dissolving of geological carbonate formations, which prohibits its use for domestic and industrial purposes in these zones. The approach used consisted of analyzing geochemical and natural softening process to estimate the factors that control water hardness in karstic areas. A series of water samples were taken throughout the hydrogeological system which included four main springs and three sites from channel flows. A change in the characterization of the water from HCO3-Ca-Na to HCO3-Ca-Na-Cl was observed in the direction of the flow, as was ionic enrichment attributable to the dissolving of minerals in the substrate. In addition, dedolomitization processes caused by the dissolving of evaporative minerals have been inferred. Nearly 60% of the samples were oversaturated with calcite, most as a result of the loss of dissolved CO2, which causes the natural softening of water. This evolution is caused by two physical changes which the flow undergoes as it travels its course- turbulence and aeration- which increase the air-water interface and the pH of the water, resulting in the precipitation of the hardness of the water. Future research aimed at predicting reaction rates should evaluate the degassing of CO2 which governs the softening of water in nature.

El agua que emerge de los manantiales kársticos contiene altas concentraciones de dureza total causadas por la disolución de formaciones geológicas carbonatadas, lo cual limita el uso doméstico e industrial del recurso en estas zonas. El enfoque aplicado consistió en el análisis de los procesos geoquímicos y del ablandamiento natural para estimar los factores que controlan la dureza del agua en áreas kársticas. Una serie de muestras de agua se tomaron a lo largo del sistema hidrogeológico, considerando cuatro manantiales principales y tres sitios sobre los canales de flujo. Sobre la dirección del flujo se observó un cambio en la caracterización del agua de HCO3 -Ca-Na a HCO3 -Ca-Na-Cl, aunada al enriquecimiento iónico atribuido a la disolución de los minerales del sustrato. Además, se ha inferido la ocurrencia de procesos de dedolomitización originados en la disolución de minerales evaporíticos. Asimismo, casi 60% de las muestras presenta sobresaturación en cuanto a la calcita, en la mayoría de los casos como consecuencia de la pérdida del CO2 disuelto, lo cual induce el ablandamiento natural del agua. Esta evolución es causada por dos cambios físicos que experimenta el flujo en su trayecto superficial: turbulencia y aireación, que incrementan la interfase aireagua, alcalinizando el pH del agua con la consecuente precipitación de la dureza del agua. La investigación futura, dirigida a la predicción de las tasas de reacción, debería enfocarse en la evaluación en la desgasificación del CO2 que gobierna los procesos de ablandamiento del agua en el medio natural.

Resumen: Las descargas de agua subterránea (DAS) aportan información para entender la hidrogeología local dentro de una región. El objetivo de este estudio fue describir de manera integral una DAS en la zona costera de Quintana Roo para contribuir al conocimiento del acuífero kárstico costero en Quintana Roo. La DAS es una cavidad ovalada con un área aproximada de 0.0507 m2 donde mensualmente se cuantificaron elementos mayores, silicatos, metales e isótopos estables del agua (δ2H y δ18O). Se calculó el aporte de la precipitación pluvial mensual acumulada (Qp) en el caudal de la descarga, se realizaron tomografías de resistividad eléctrica para identificar zonas saturadas y zonas de flujo. En lo general el Na, K, Ca, Mg y Cl tendieron a disminuir cuando Qp aumenta. SiO2, ORP y salinidad no tuvieron una relación evidente con Qp durante el tiempo de medición. El agua es de tipo clorurada sódico potásica; domina el aporte de agua subterránea, el agua de mar contribuyó entre 2 y 16% del caudal. El mayor aporte del agua de mar se observó cuando el caudal de la DAS es bajo. La contribución de Qp fue de entre y 15% y no se observó de manera inmediata. La geofísica apunta a un lente de agua dulce libre de aproximadamente 2.5 m de espesor y zonas de recarga, así como la existencia de pequeños canales de conducción por donde fluye el agua subterránea. Los resultados capturan eventos locales y regionales de recarga del acuífero.

Resumen: Las descargas de agua subterránea (DAS) aportan información para entender la hidrogeología local dentro de una región. El objetivo de este estudio fue describir de manera integral una DAS en la zona costera de Quintana Roo para contribuir al conocimiento del acuífero kárstico costero en Quintana Roo. La DAS es una cavidad ovalada con un área aproximada de 0.0507 m2 donde mensualmente se cuantificaron elementos mayores, silicatos, metales e isótopos estables del agua (δ2H y δ18O). Se calculó el aporte de la precipitación pluvial mensual acumulada (Qp) en el caudal de la descarga, se realizaron tomografías de resistividad eléctrica para identificar zonas saturadas y zonas de flujo. En lo general el Na, K, Ca, Mg y Cl tendieron a disminuir cuando Qp aumenta. SiO2, ORP y salinidad no tuvieron una relación evidente con Qp durante el tiempo de medición. El agua es de tipo clorurada sódico potásica; domina el aporte de agua subterránea, el agua de mar contribuyó entre 2 y 16% del caudal. El mayor aporte del agua de mar se observó cuando el caudal de la DAS es bajo. La contribución de Qp fue de entre y 15% y no se observó de manera inmediata. La geofísica apunta a un lente de agua dulce libre de aproximadamente 2.5 m de espesor y zonas de recarga, así como la existencia de pequeños canales de conducción por donde fluye el agua subterránea. Los resultados capturan eventos locales y regionales de recarga del acuífero. | Abstract: Groundwater discharges (GD) provide information for understanding the local hydrogeology of a region. This study comprehensively describes a GD in the coast of Quintana Roo, quantifying the volumetric discharge and describing the hydrochemistry and geophysics of the site in order to contribute to the knowledge of the coastal karst aquifer in Quintana Roo. The GD described is an oval opening with an approximate area of 0.0507 m2 where major elements, silicates, metals and stable isotopes of water (δ2H and δ18O) were quantified monthly. The contribution of the accumulated monthly rainfall (Qp) in the discharge flow was calculated; electrical resistivity tomography was performed to identify saturated zones and flow zones. In general, Na, K, Ca, Mg, and Cl tend to decrease as Qp increases. SiO2, ORP and salinity do not show clear relations with changes in Qp, only in some sampling events there was a positive relationship, while the rest of the time is negative or null. The water is sodium-potassium-chloride type. The contribution of groundwater dominates, seawater contributes between 2 and 16% of the flow. The greatest contribution of seawater is observed when the flow of the GD is low. The contribution of Qp is between 1 and 15% and is not measured immediately. Geophysics survey suggest the existence of a lens of free fresh water approximately 2.5 m thick and recharge zones, as well as the existence of small dissolution channels where groundwater flows. The results capture local and regional aquifer recharge events.