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Dinámica de piping y sistemas complejos de cuevas en arcilla: Bardena Blanca.

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Recent explorations in canyons of the White Bardena have allowed to study new examples of systems of caves in clay, with developments and features of some complexity. These raise some questions about the diversity of forms and modes of action of
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    D INÁMICA DE PIPING Y SISTEMAS COMPLEJOS DE CUEVAS EN ARCILLA :   B ARDENA B LANCA . Dynamics of piping and complex cave systems in clay: White Bardena. Carlos GALÁN. Sociedad de Ciencias Aranzadi. Octubre 2017.  D INÁMICA DE PIPING Y SISTEMAS COMPLEJOS DE CUEVAS EN ARCILLA :   B ARDENA B LANCA . Dynamics of piping and complex cave systems in clay: White Bardena.  _________________________________________________________________________________________________________ Carlos GALÁN. Laboratorio de Bioespeleología. Sociedad de Ciencias Aranzadi. Alto de Zorroaga. E-20014 San Sebastián - Spain.   E-mail: cegalham@yahoo.es Octubre 2017. RESUMEN Recientes exploraciones en barrancos de la Bardena Blanca han permitido estudiar nuevos ejemplos de sistemas de cuevas en arcilla, con desarrollos y rasgos de cierta complejidad. Estos plantean algunos interrogantes sobre la diversidad de formas y modos de actuación de los procesos de piping. Y sobre el tipo de cavidades resultantes de tales acciones. A pesar de su homogeneidad aparente, la litología de los materiales arcillosos, disposición topografía y gradiente hidráulico locales, producen comportamientos propios de sistemas complejos y dinámica no-lineal, generando una multiplicidad de cavidades a distintas escalas y ejemplos de naturaleza fractal. Estos aspectos son discutidos en la presenta nota. Palabras clave:   Espeleología física, Karst, Cuevas en arcilla, Piping, Hidrogeología, Geomorfología, Sistemas complejos. ABSTRACT Recent explorations in canyons of the White Bardena have allowed to study new examples of systems of caves in clay, with developments and features of some complexity. These raise some questions about the diversity of forms and modes of action of piping processes. And on the type of cavities resulting from such actions. Despite their apparent homogeneity, the lithology of clayey materials, topography and local hydraulic gradients, produce behaviors specific to complex systems and non-linear dynamics, generating a multiplicity of cavities at different scales and examples of fractal nature. These issues are discussed in the present note. Keywords:   Physical Speleology, Karst, Caves in clay, Piping, Hydrogeology, Geomorphology, Complex systems. INTRODUCCION La exploración de nuevas cavidades en arcilla en la parte Norte de la Bardena Blanca muestra ejemplos análogos a otros descritos previamente (Galán & Nieto, 2015; Galán et al, 2016), pero también casos con rasgos curiosos, más complejos, que plantean nuevos interrogantes. Como en otros casos de investigación en geomorfología del karst y fenómenos kársticos en litologías inusuales, los primeros pasos consisten en descubrir los procesos fundamentales que actúan para generar los nuevos tipos de cavidades hallados. Cuando esto parece haberse logrado satisfactoriamente, el hallazgo de nuevos ejemplos y el examen en detalle de las evidencias obtenidas permite nuevos avances en las formulaciones teóricas. De modo que se logran mayores precisiones, congruentes con los datos de campo, y cuyo poder explicativo es progresivamente mayor. En el caso que nos ocupa, sobre karstificación y formación de cavidades en arcilla, el mecanismo genético fundamental es el proceso de tubificación o piping. Pero este no actúa solo. Participa también cierto grado de disolución intergranular de las arcillas, sobre todo en las fases iniciales, y procesos erosivos en el crecimiento volumétrico posterior. En una dinámica no-lineal, propia de sistemas complejos, que interactúa con el modelado de superficie, en un contexto general influido por la climatología de la región y su evolución geomorfológica anterior. En el caso de la Bardena Blanca, las cuevas se desarrollan en materiales arcillosos, de consistencia variable, relacionadas con una red de cañones y barrancos (excavados en una planicie) los cuales forman una red hídrica de carácter temporal. La erosión es muy activa (en caso de fuertes lluvias) y determina la progresiva excavación de barrancos, su entallamiento vertical y la erosión remontante hacia sus cabeceras. Las tasas de erosión son elevadas y alcanzan 32 Tm/Ha/año (toneladas métricas por hectárea al año) para materiales Terciarios y 77,2 Tm/Ha/año para materiales Holocenos, exportando anualmente hasta 12 Hm 3  de sedimentos al río Ebro (Desir & Marín, 2007).  La erosión es así muy importante y la evolución del paisaje está controlada por la litología y las características climáticas, siendo a su vez estas últimas las que condicionan los procesos de erosión en los que participa activamente el piping. La tubificación o piping consiste en la formación de conductos tubulares (= pipes) por remoción de partículas de la roca por flujos de aguas subterráneas en materiales granulares y rocas poco solubles (Parker & Higgins, 1990; Dunne, 1990). En su forma pura el piping es el extremo teórico de un espectro espeleogenético, con 100% de disolución kárstica en el extremo opuesto (Halliday, 2004). Entre ambos extremos hay toda una gama de situaciones intermedias, donde disolución y piping pueden actuar juntas, en variables proporciones, existiendo un continuo entre cuevas de tubificación y cuevas de disolución, en rocas de distintas solubilidades. Los materiales arcillosos de las Bardenas poseen altos valores de sodio intercambiable y cambian sus propiedades físicas según su estado de hidratación. Al haber un predominio de arcillas expansivas, se favorece el agrietamiento y se canaliza la escorrentía hacia el interior del sedimento. La disolución del sodio acelera la pérdida de coherencia y desflocula las arcillas, produciendo piping. Los flujos de infiltración se canalizan y generan conductos tubulares (pipes) en los cuales se produce remoción intergranular. Las aguas infiltradas verticalmente, al encontrarse con niveles progresivamente menos permeables en profundidad, tienden a circular horizontalmente formando redes de galerías, con líneas de flujo determinadas por el gradiente hidráulico. Si los procesos persisten llegan a formarse simas y cuevas a escala humana (macrocavernas). Tanto la capacidad de hinchamiento de las arcillas como la dispersión son factores importantes en el desarrollo de los distintos procesos de erosión ya que ambos causan agrietamiento. Las arcillas y limos Holocenos tienen composiciones similares a las arcillas Miocenas de la Formación Tudela (de las cuales derivan), un índice de dispersión medio y altos valores de SAR (Sodium Adsortion Ratio) y sodio intercambiable (ESP: Exchangeable Sodium Percentage). La presencia de arcillas expansivas y elevados valores de SAR y ESP son suficientes para definir un lugar como altamente susceptible al piping y la razón principal para su ocurrencia (Marín & Desir, 2010; García-Ruíz, 2011). Cuando el sodio representa un alto porcentaje del total de cationes puede producirse piping y colapsos. El piping en estos casos coincide con materiales poco coherentes: limos y arcillas con un elevado contenido en sales. Estos materiales pueden verse afectados por la disolución del sodio, de manera que se acelera la pérdida de coherencia y se facilita la exportación de materiales finos en los conductos iniciales por los que fluye el agua, siguiendo unas líneas preferentes de flujo (Gutiérrez et al, 1997). El proceso de piping en arcilla comúnmente comienza con el transporte laminar de partículas a través de pequeñas grietas, pudiendo ocurrir una cantidad limitada de disolución intergranular de la matriz o de las partículas (Striebel & Schäferjohann, 1997). Una vez que se establece un conducto continuo, el transporte se vuelve turbulento y la socavación aumenta el mecanismo erosivo. A medida que los tubos se hacen más grandes, aumenta el volumen de flujo. El hundimiento y colapso local del techo pueden permitir la entrada de volúmenes adicionales de escorrentía, ampliando aún más los conductos, e incorporar fragmentos de la superficie, lo que lleva al desarrollo de conductos tortuosos. Los tubos resultantes pueden propagarse verticalmente o con cierta inclinación, y pueden desarrollarse trenzados y redes dendríticas. En otros casos, los conductos incipientes desarrollan en su parte inferior otras hendiduras, dando lugar de novo   a la remoción de partículas, con una tendencia final a la horizontalidad, determinada por el nivel de base local impuesto por el fondo del barranco hacia el cual desaguan. Cada ciclo de lluvias permite la actuación del piping, pero también erosiona y amplía los conductos, genera colapsos, y remueve los materiales desprendidos. Introduciendo distintos niveles de base locales que generan mayor complejidad y diversidad de formas en las galerías subterráneas. En una evolución dinámica con múltiples rasgos de naturaleza fractal, producida por una clase de proceso de retroalimentación no-lineal conocido como iteración, en el que una función opera reiteradamente sobre sí misma. Estos aspectos serán tratados a lo largo de la presenta nota. MATERIAL Y METODOS En la exploración de cavidades se utilizaron frontales con iluminación de Leds y técnica vertical de cuerda estática y jumars. En las topografías se utilizó instrumental de precisión Suunto (brújula y clinómetro). Fueron tomadas fotografías a color con una cámara digital Canon a fin de ilustrar las principales características de las cavidades y su entorno. RESULTADOS Los sectores prospectados se localizan en la parte Norte central de la Bardena Blanca (Navarra) y comprenden el Barranco de las Cuevas, partes del Barranco Grande y Barranco de las Bodegas, y parte de una red de pequeños cañones afluentes de los barrancos principales. Se trata de un territorio extenso, donde los cañones prospectados cubren varios kilómetros (Figuras 01 á 04). A lo largo de los recorridos encontramos numerosas cuevas-simas que perforan las paredes de los barrancos, varias cuevas que forman túneles en los cauces de afluentes menores, dos sistemas de cavidades de mayor complejidad en zonas de unión de cañones y diversas geoformas. Sus rasgos a menudo repiten los mismos patrones, a distintas escalas, y poseen atributos curiosos, que suscitan diversos interrogantes.    Figura 01.  Aspecto general del área de estudio en la parte Norte de la Bardena Blanca. La red de barrancos surca la desértica planicie central.    Figura 02.  Zona de cabecera de la red de barrancos, con arcillas de distintos colores, niveles con guijarros y clastos angulosos, e intercalaciones de estratos delgados de calizas y margas, que colapsan en bloques.
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