1. ESPELEOGÉNESIS EN CUARCITAS Y ROCAS SILÍCEAS por Leonardo Piccini coordinador con la colaboración de Paolo Forti y Jo De Waele Sima Auyantepui Noroeste, Venezuela (foto: Arch. La Venta) Recursos didácticos Espeleología y Karst 2008

2. El cuarzo (o sílice cristalina, SiO 2 ) es el mineral más abundante en la corteza terrestre. Cuando la sílice se combina con aluminio y otros elementos se forman los silicatos , los cuales son los principales constituyentes de muchas rocas. La mayoría de las rocas que constituyen la corteza terrestre están formadas, por lo tanto, por cuarzo y silicatos. Las rocas constituidas completamente por cuarzo son bastante raras y se forman por procesos sedimentarios bajo condiciones particulares. Sin embargo, las rocas constituidas por silicatos, con o sin cuarzo, son bastante comunes. En práctica, son rocas silicatadas todas las rocas de origen magmático (intrusivas o efusivas) y gran parte de las rocas sedimentarias clásticas y metamórficas . Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008 ROCAS SILÍCEAS Y ROCAS SILICATADAS

3. ROCAS SILÍCEAS Y ROCAS SILICATADAS Las rocas silíceas más comunes son: - las cuarciarenitas , las c uarcitas y las radiolaritas . Las rocas silicatadas más comunes son: - las rocas intrusivas de la serie granito-diorita ; - las roca extrusivas como el basalto y la andesita ; - las rocas sedimentarias como la grauvaca (arenisca feldespática); - las rocas metamórficas como el gneis y las filitas . Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

4. ALTERACIÓN DE LAS ROCAS SILÍCEAS Y SILICATADAS Las rocas silíceas están poco sujetas a la alteración química, siendo el cuarzo un mineral muy estable. Sin embargo, las rocas silicatadas son más fácilmente alterables. Los silicatos son minerales que se suelen haber formado en condiciones muy distintas a las de la superficie terrestre y por lo tanto son inestables. En condiciones particulares, los procesos de alteración pueden dar lugar a formas de tipo kárstico o morfologías similares (pseudokársticas). A pesar de la escasa solubilidad del cuarzo en agua, las cuevas con mayores dimensiones se forman en rocas silíceas, por el hecho de que el proceso de alteración del cuarzo, al contrario que en el de los silicatos, no produce minerales secundarios que, al obstruir las fracturas, limiten la circulación subterránea. Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

5. LAS CUARCITAS Las rocas sedimentarias clásticas de grano medio (areniscas), constituidas en gran parte por cuarzo (>95%), se denominan cuarciarenitas (u ortocuarcitas). Cuando la dimensión media de los granos es mayor de 2 mm, se denominan cuarzoruditas . El término “ cuarcita ” se usa solamente para rocas de este tipo que han sufrido un proceso di recristalización (metamorfismo). Clasificación composicional de las areniscas. Q) cuarzo, F) feldespatos, R) fragmentos líticos (tomado de Bosellini, Mutti e Ricci Lucchi, 1989, rediseñado) Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

6. En la Tierra existen numerosos afloramientos de cuarcitas y cuarciarenitas. Normalmente se trata de rocas muy antiguas, producto del retrabajamiento policíclico, en ambiente continental (fluvio-lacustre) o pericontinental (deltaico), de sedimentos clásticos provenientes de la disgregación de rocas cristalinas. En alguna de estas áreas, en particular en aquéllas con clima cálido-húmedo, las rocas de esto tipo dan origen a ambientes que, desde el punto de vista morfológico e hidrogeológico, tienen muchos aspectos en común con las áreas kársticas. ORIGEN DE LAS CUARCITAS Tepuis venezolanos (foto: Arch. La Venta) Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

7. Las cuacitas están asociadas a los zonas más antiguas de los continentes: Norteamérica (USA, Canadá), Suramérica (Brasil, Venezuela, Guayana), África (Niger, Zimbawe, Sudáfrica ...), Australia. Principales zonas con afloramientos de cuarcitas con fenómenos kársticos CUARCITAS Y CUARCIARENITAS EN EL MUNDO Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

8. KARST EN CUARCITAS En condiciones particulares los afloramientos de cuarcitas presentan: - hidrografía discontinua, con sumideros y resurgencias ; - depresiones (dolinas) y pozos superficiales; - formas superficiales de disolución; - cavidades subterráneas. Tales características hidrogeológicas y geomorfológicas hacen que se tengan que considerar estos ambientes como kársticos. Algunos autores mantienen que es preferible hablar de pseudokarst . Por otra parte, los procesos de disolución del cuarzo son clave para la formación de los sistemas de drenaje subterráneo y por lo tanto se puede hablar claramente de karst . Resurgencia Aonda, Venezuela (foto: Arch. La Venta) Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

9. LA DISOLUCIÓN DE LA SÍLICE El proceso de disolución del cuarzo es un clásico fenómeno de hidratación. La sílice SiO 2 reacciona con el agua (H 2 O) para formar ácido silícico (H 2 SiO 4 ), el cual es soluble en agua. Mucho más soluble es la sílice amorfa (no cristalina). La solubilidad aumenta sensiblemente, en casos extremos, a pH básico (pH > 9) y fuertemente ácidos (pH < 2). Solubilidad de la sílice amorfa y cristalina en función del pH. (tomado de Doerr, 1999, rediseñado. curvas de Siever, 1962 y Fuchbauer, 1988) Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

10. El cuarzo es uno de los minerales menos alterables y poco solubles que existe en la naturaleza. Tanto es así que su abundancia como componente clástico de las rocas sedimentarias se considera como señal de alto nivel de madurez. En condiciones ambientales normales, la solubilidad del cuarzo oscila entre 5-10 mg/L, mientras que la de la sílice amorfa es de unos de 200 mg/L. Se trata de equilibrios que se alcanzan muy lentamente, por lo que en aguas naturales el contenido de SiO 2 es escasamente de unos pocos mg/L, alcanzando los mayores valores en aguas termales de origen volcánico. Con estos valores de solubilidad, los fenómenos kársticos en cuarcitas solo pueden desarrollarse en determinadas condiciones. Veamos cuáles. LA DISOLUCIÓN DEL CUARZO Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

11. Un área es considerada kárstica si la meteorización de la roca (normalmente por disolución), actuando también subterráneamente, ha determinado una desactivación general de la red de drenaje surperficial, aportando aguas a un complejo sistema de conductos subterráneos. Esto sucede generalmente con determinados tipos de rocas más o menos solubles (especialmente calizas, dolomías y evaporitas). Para permitir que esto suceda también en rocas cuarcíticas han de darse tres condiciones: - presencia de discontinuidades con una buena transmisividad inicial; - escasa eficacia de los procesos de erosion superficial; - capacidad del agua subterránea para evacuar los productos de la meteorización. KARST EN CUARCITA Espeleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

13. En los climas cálido-húmedos del cinturón intertropical, pero también bajo climas templados, las superficies de cuarcita desnuda pueden presentar formas similares a las típicas morfologías de los terrenos kársticos. Las formas más comunes son las de pequeña escala (microformas), como las cubetas de disolución y los canales. El proceso genérico es la disgregación de la arenisca, por disolución del cemento silíceo; este proceso recibe el nombre de arenización . FORMAS KÁRSTICAS SUPERFICIALES Leyenda de la figura: 1 – cubetas de disolución; 2 – acanaladuras (rillenkarren); 3 - surcos ( rinnenkarren ); 4 – mesetas ( tables ); 5 – fisuras; 6 – fisuras ampliadas; 7 - alveolos. (según Tognini, 1995, modificado) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

14. Cubetas de disolución y canales en cuarcita PEQUEÑAS FORMAS DE SUPERFICIE Estas formas son muy abundantes sobre superficies rocosas llanas y desnudas. Auyantepui, Venezuela (foto: L. Piccini) Auyantepui, Venezuela (foto: L. Piccini) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

16. MESO Y MACROFORMAS DE ARENIZACIÓN En la superficie se dan formas residuales especialmente relacionadas con una eliminación gradual de la roca que comienza en las fracturas y juntas. La figura muestra un perfil ideal de la zona marginal de una montaña tabular, en la cual capas más resistentes (a) alternan con otras más erosionables (b), teniendo como capa límite una sucesión arcillo-arenosa basal (c) (situación típica de los tepui de Sudamérica). Los números muestran algunas situaciones morfológicas típicas: 1) bloques residuales aislados, 2) áreas con grietas, 3) áreas con columnas, 4) torres aisladas, 5) caos de bloques, 6) simas, 7) resurgencia de contacto en pared vertical. (según Piccini, 1995) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

17. Son típicas las áreas con grietas y trincheras. Éstas son a menudo muy profundas y, debido a las tensiones se fracturan aún más y la roca sigue meteorizándose. FORMAS KÁRSTICAS SUPERFICIALES altra foto Con el tiempo, las grietas adquieren mayor tamaño y coalescencia dejando picos aislados de forma rectangular. Auyantepui, Venezuela (foto: L. Piccini) Auyantepui, Venezuela (foto: L. Picini) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

18. El fenómeno de meteorización prosigue en profundidad a lo largo de las fracturas (a). En correspondencia con el nivel de baja permeabilidad se origina un flujo horizontal, con la formación de cuevas de contacto (b). La presencia de simas amplía este proceso al tiempo que la progresiva meteorización superficial conduce a la forma-ción de grandes depresiones, amontonamientos de bloques y zonas con torres rocosas (c). FORMACIÓN DE CUEVAS (según Martini, 1979, modificada Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

19. FORMACIÓN DE CUEVAS Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008 El proceso que da lugar a la formación de conductos subterráneos se llama piping (tubificación), y se caracteriza por la progresiva movilización de roca meteorizada en la intersección de planos de estratificación y fracturas. Modelo de formación de cuevas por arenización subterránea y piping (según Galan & Lagarde, 1988, modificado) cuarcita no alterada infiltración flujo libre cuarcita alterada conducto

20. SISTEMAS KÁRSTICOS SUBTERRÁNEOS La estructura de las cavidades subterráneas está profundamente influenciada por factores estructurales, tanto en perfil como en extensión. En perfil se dan a menudo escalones producidos por la estratigrafía. Los niveles de conductos se forman a lo largo de las capas de grano más fino y con intercalaciones arcillosas. Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008 (según Piccini, 1995) PERFIL

21. En planta, las cuevas muestran un recorrido angular, con predominio de conductos rectos que siguen líneas de fisuración o de debilidad estructural. A cierta profundidad la conductividad hidráulica de las juntas de estratificación es despreciable, y por ello las cuevas se ven obligadas a seguir discontinuidades verticales, que corresponden a fracturas tensionales. Plano del sistema de cuevas Auyan-tepui Noroeste (Venezuela), incluyendo un diagrama del desarrollo preferente expresado como número de segmentos (a) y como longitud en metros (b) SISTEMAS KÁRSTICOS SUBTERRÁNEOS Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

22. Las grandes simas constituyen la más destacable característica de las áreas kársticas desarrolladas en cuarcitas. Su origen está casi siempre relacionado con la presencia de fracturas verticales, abiertas por efecto de la distensión. El agua, al infiltrarse (1), provoca la meteorización de la roca, mientras que los productos resultantes son retirados de las cavidades que se van formando, mediante fenómenos de sufusión, en el contacto con niveles impermeables (2). El progresivo ensanchamiento a causa de hundimientos que se propagan desde el fondo (3), conduce en algunos casos al desarrollo de enormes pozos (4). FORMACIÓN DE SIMAS Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

23. Gran pozo, sobre una fractura ensanchada por hundimiento (a la derecha). Sumidero activo, desarrollado a favor de una fractura (abajo). SIMAS Y SUMIDEROS Sima Auyantepui Noroeste, Venezuela (foto: L. Piccini) Auyantepui, Venezuela (foto: L. Piccini) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

24. La Sima Aonda (Auyantepui, Venezuela) es la cavidad vertical más grande del mundo excavada en cuarcitas. La flecha amarilla indica la posición de una surgencia interna que hay en el fondo de la sima. SIMA AONDA (VENEZUELA) Sima Aonda, Auyantepui, Venezuela (foto: Arch. La Venta) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

25. Los pozos y los espacios de las partes superiores de las cuevas se desarrollan a lo largo de fracturas verticales. GRANDES ESPACIOS SUBTERRÁNEOS Sima Aonda 3, Auyantepui, Venezuela (foto: Arch. La Venta) Sima Auyantepui Noroeste, Venezuela (foto: Arch. La Venta) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

26. Al nivel activo, donde el agua fluye horizontalmente, los conductos, generados a favor de fracturas, presentan formas típicas del flujo vadoso (como los cañones ). ESPACIOS SUBTERRÁNEOS EN NIVELES ACTIVOS Sima Aonda, Auyantepui, Venezuela (foto: Arch. La Venta) Sima Aonda, Venezuela (foto: Arch. La Venta) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

27. Las zonas de flujo basal muestran conductos laterales y derivaciones cuyas formas recuerdan las de los conductos epifreáticos propios de las rocas carbonáticas. Se trata normalmente de conduc-tos que solo permanecen activos durante las grandes crecidas. Entre las morfologías específicas de estos medios destacan las columnas cilíndricas de roca y las formas alveolares de disolución. FORMAS EN LA ZONA DE FLUJO BASAL Sima Auyantepui Noroeste, Venezuela (foto: Arch. La Venta) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

28. Entre los silicatos, los feldespatos potásicos (KAlSi 3 O 8 ) y las plagioclasas (CaAlSi 3 O 8 ) son los minerales que forman parte de las rocas magmáticas (especialmente granitos y dioritas) más fáciles de meteorizar. El proceso de meteorización de estos silicatos se denomina hidrólisis. Para la ortosa la reacción es: 2KAlSi 3 O 8 + 2H 2 O+CO 2 2AlHSi 4 . 2H 2 O + K 2 CO 3 + 4SiO 2 Esta reacción da lugar a la formación de un mineral arcilloso, el caolín, que tiende a impermeabilizar las fracturas, inhibiendo la meteorización de la roca en profundidad. Este hecho impone límites a la posibilidad de formación de cuevas subterráneas. METEORIZACIÓN DE ROCAS SILÍCEAS Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

29. FORMAS DE METEORIZACIÓN EN GRANITO En condiciones morfoclimáticas particulares y muy localizadas, los procesos de alteración pueden producir formas análogas a las típicas del karst, tales como cubetas y surcos. En los granitos estas formas son comunes. Mientras que para algunos autores se trata de auténticas formas kársticas, otros las consideran pseudokársticas. Isla de Elba, Toscana, Italia (foto: L. Piccini) Isla de Elba, Toscana, Italia (foto: L. Piccini) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

30. CUEVAS EN ROCAS SILÍCEAS La formación de cavidades subterráneas en granito debido a la circulación del agua es un fenómeno relativamente raro. En determinadas condiciones climáticas y geomorfológicas se pueden formar pequeñas cuevas a partir de fracturas que sean lo suficiente anchas como para permitir que el flujo del agua pueda retirar los productos de la meteorización durante las fases iniciales. Somalia Central (foto: P. Forti) Somalia Central (foto: P. Forti) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

31. LOS TAFONIS Tipo de cavidad particular causada por la alteración, común en el granito, pero también en otras rocas (areniscas, gneis, etc… ). Estas cavidades de forma generalmente hemisféricas (nichos) se desarrollan a partir de las irregularidades de la roca y están habitualmente controladas por procesos de condensación en un clima de elevadas temperaturas. Se trata, en realidad, de cavidades formadas por la asociación de varios procesos, entre ellos, además de la alteración química, pueden actuar también procesos mecánicos haloclásticos y termoclásticos . Isla de Elba, Toscana, Italia (foto: L. Piccini) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

32. LOS TAFONIS La erosión diferencial a lo largo de las fracturas y la coalescencia de varios tafonis puede dar lugar a la formación de estructuras peculiares con extrañas formas . En al imagen, el famoso “oso” de Capo d’Orso en Cerdeña. El Oso de Palau, Cerdeña, Italia (foto: P. Forti) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

33. LA ARENISCA CON CEMENTO CALCÁREO Las areniscas con cemento calcáreo son mucho menos tenaces que las de cemento silíceo; además, el componente carbonático es fácilmente soluble. Por esta razón, albergan comúnmente cuevas de dos tipos: - cuevas eólicas , que se forman por la abrasión originada por el viento; - cuevas de flujo hídrico , que se forman por infiltración y escurrimiento de agua meteórica. Desierto de Akakus, cueva en arenisca (foto: P. Forti) Desierto de Akakus, cueva interestrato en arenisca (foto: P. Forti) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

34. CUEVAS EN CENIZAS VOLCÁNICAS Fenómenos de piping y la erosión ejercida por la infiltración de agua, en el interior de las capas de ceniza volcánica poco compactada, pueden generar el desarrollo de cuevas. Generalmente consisten en túneles achatados, sobre el limite de la lava o ceniza más coherente, que permite el flujos hídrico localizado. Un ejemplo clásico es la cueva del Monte Elgon , en el norte de Kenya, donde alcanzan notables dimensiones Monte Elgon, Kenia (foto: P. Forti) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

35. LAS FORMAS DE ALTERACION EN LA LAVA Algunas lavas, expuestas a ambientes tropicales y húmedos , sufren una rápida alteración provocada por el agua meteórica, desarrollando formas superficiales similares a las kársticas. Las formas más comunes son las kamenitzas – cubetas - (a la izquierda) y el rinnenkarren – surcos - (arriba). Isla de Pascua, Chile (foto P. Forti) Isla de Pascua, Chile (foto: P. Forti) Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

37. PARA SABER MÁS BOSELLINI A., MUTTI E., RICCI LUCCHI F. (1989), Rocce e successioni sedimentarie , Utet; DOERR S.H. (1999), Karst-like landforms and hydrology in quartzites of the Venezuelan Guyana shield: Pseudokarst or “real” karst?, Zeitschrift fur Geomorphologie, pp. 43, 1; GALAN C., LAGARDE J. (1988), Morphologie et evolution des cavernes et formes superficielles dans les quartzites du Roraima (Venezuela), Karstologia, pp. 11-12; MARTINI, J.E.J. (1979), Karst in Black Reef quarzite near Kaapsehoop , Eastern transvaal. Annals of South African Geological Survey, p. 13; Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

38. PARA SABER MÁS MECCHIA M., PICCINI L., PREZIOSI E. (1994), Idrogeologia dei sistemi Aonda , Auyántepuy Noroeste, Auyántepuy Norte 2, Progressione, p. 30; PICCINI L. (1995), Karst in siliceous rock: karst landforms and caves in the Auyán-tepui massif (Est. Bolívar, Venezuela), International Journal of Speleology, p. 24 (1-4); PICCINI L., MECCHIA M., (2008), Solution weathering rate and origin of karst landforms and caves in the quartzite of Auyan-tepui (Gran Sabana, Venezuela), Geomorphology (in stampa); TOGNINI P. (1995), Morfologie superficiali , in: Venezuela 1992 , Il Grottesco, num. spec. Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008

39. Esta lección ha sido preparada por Leonardo Piccini, con la colaboración de Paolo Forti y Jo De Waele. Traducción al español: José María Calaforra (coord.), Policarp Garay, Ángel Ginés y Josep Manuel Victòria. (Sociedad Española de Espeleología y Ciencias del Karst, SEDECK) Por la parte fotográfica se agradece a Paolo Forti y a la Associazione Geografica La Venta por haber puesto a disposición sus archivos. Cuando no se indica lo contrario los diseños han sido preparados por Leonardo Piccini Se agradece a la Associazione Geografica La Venta su colaboración y disponibilidad. © Società Speleologica Italiana Manteniendo intacto su contenido, cualquier parte de esta presentación puede ser reproducida bajo su responsabilidad. Es un buen hábito citar este proyecto Es peleogénesis en Cuarcitas y Rocas Silíceas – Società Speleologica Italiana 2008 CRÉDITOS