Hidrogeología de la Península de Yucatán

Tópicos selectos sobre la hidrogeología
de la Península de Yucatán
Emiliano Monroy Ríos
PhD candidate in Geochemistry
emiliano@earth.northwestern.edu

•Hidrogeología básica de la península de Yucatán.
Líneas de investigación
1) Descarga submarina de agua subterránea (SGD) / Flujo de nutrientes a la
zona costera (Fe, P).
2) Modelo conceptual sobre la formación del anillo de cenotes.
3) Estabilidad tectónica de la península de Yucatán.

71% de su
superficie está
cubierta de
agua.
35% hierro
30% oxígeno
15% silicio
13% magnesio
7% el resto de los
elementos que
componen este complejo
y maravilloso mundo.
OJO: En masa, el agua
representa apenas 4
milésimas partes del total
del planeta.

http://curiosidadcientifica.files.wordpress.com/2009/02/aireagua.jpg

Sistemas acoplados.
“Esferas”
Ciclos biogeoquímicos

El Bloque Maya / Bloque de Yucatán

• Plataforma de carbonatos
(calcárea, caliza)
• Carbonatos  Biogénicos
(son producidos por
organismos vivos)
• “Los carbonatos nacen, no
se hacen”
Plataforma de Yucatán

Campeche/Yucatán
Quintana Roo

Estratigrafía secuencial
Secuencias de carbonatos • La variación en el nivel del mar produce patrones
característicos de sedimentación (facies)
• El conocimiento de estos patrones ayuda a identificar
horizontes (estratos de sedimentación)
Caliche

Estratigrafía secuencial III
• Podemos reconstruir diversas
condiciones de sedimentación en el
pasado.
• Por ejemplo, ¿cómo ha crecido la
Península?
(Ward&Weidie, 1985)
Caliche

¿Cómo crecen las plataformas de carbonatos?

Estratigrafía general de la plataforma de Yucatán y Golfo de México. Diagrama basado en literatura publicada sobre núcleos
geológicos realizados por Pemex, UNAM y IODP/ICDP (Ward et al., 1995; Gulick et al., 2013); geometría y dimensiones del
impacto de Kring (2005); corte transversal Golfo de México de H. Levin (2013); interpretación de corteza profunda de Christeson
et al. (2009). [EMR, 2016.]

¿Qué es el karst?
Carst ‘alpino’ en Nueva Zelanda
Luisiana, EEUU

Abundancia de regiones cársticas en el planeta
~ 10% de la superficie
~25% de las reservas de agua ‘dulce’ en el planeta
~45% de las reservas de hidrocarburos
Regiones cársticas

Carso | Carst | Karst
• Proceso geomorfológicoPuede
formarse en:
• Sal
• Yeso
• Carbonatos
“Paisaje con drenaje subterráneo
mediante redes organizadas
de disolución…”
CaCO3(s) + CO2 (g) + H2O(ac) ↔ Ca2+
(ac) + 2HCO3
-
(ac)

¿Qué es el karst?
“Paisaje con drenaje subterráneo
mediante redes organizadas
de disolución…”
Area
"3D"
Water in matrix
STORAGE %
"1D"
FLOW in conduits,
%
Lower Paleozoic Dolostone
Smithville, Ontario
Canada's largest PCB spill. $32 million +
99.7 97
Upper Paleozoic Limestone
Mammoth Cave, Kentucky
96.4 99.7
Mesozoic Limestone
English Chalk
London's main water supply
99.9 94
Cenozoic Limestone
Nohoch Nah Chich, Yucatan
96.6 99.7
(Worthington,Ford&Beddows2000)

Carst: Difícil manejo urbano
debido a su heterogeneidad
Tomando un núcleo en el suelo no es la mejor manera de obtener una
muestra representativa. Los resultados son sesgados.

CARSTIFICACION
(no confinada)
La disolución empieza
de arriba hacia abajo.

Carst continental
En ambientes
continentales, los
pasajes profundos
son los más jóvenes.
(No aplica para
ambientes
costeros…)

¿Qué es un acuífero?
Porosidad media
de la roca:
14 - 23 %
(Harris, 1984)
Cualquier formación geológica que contenga agua
(rocas de las que se puede obtener agua).

Acuífero cárstico costero estratificado por densidad
Fuerzas terrestres
-nivel freático
-flotabilidad
Fuerzas marinas
-marea
-flotabilidad
-gradiente térmico
Emiliano Monroy-Ríos 2013
“Haloclina”
Zona de vadosa
Zona freática

Emiliano Monroy-Ríos 2013
Acuífero cárstico costero estratificado por densidad

‘Lente’ de agua dulce
Imagen: Jill Heinerth
Los espeleotemas se formaron
cuando la cueva estaba seca

La teoría detrás del “lente de agua dulce”
Ecuación de Dupuit-Ghyben-Herzberg (DGH)
z = 40h
¿Cuánta agua hay?
1:40

El acuífero cárstico costero es muy vulnerable
Intrusión salina aumenta con:
• Incremento en el nivel del mar.
• Sobre-explotación de pozos de captación.
• Excavación de trincheras, canales, marinas.
Florida,EEUU
¿…disponible?
USGS
Wikimedia Commons

Carst en la zona costera
Quintana Roo tiene la MITAD
del agua dulce predicha. Las
cuevas la drenan
eficientemente.
Modelo (DGH) 1 : 40
Solidaridad 1 : 23
Bahamas 1:16 a 1:32
(PA Beddows, 2004)
Wikimedia Commons

A y B. Pasajes en el lente de agua dulce con abundantes espeleotemas,
montes de calcita flotante sobre base de coladas (flowstone).
C. Pasaje en la zona de mezcla (haloclina) con paredes y espeleotemas
corroídos. Cortesía de H. Hicks
Agua y sal: mezcla corrosiva

Haloclina: mezcla corrosiva
Curva de saturación de calcita para mezcla de
masas de agua (A y B) con diferente salinidad
con varios valores de pCO2.
(Modificado de Ford & Williams, 1989)
Aguadulce
Aguasalada

(Smith, Beddows et al, 2003)
Se puede investigar la velocidad de disolución de
la mezcla in situ empleando tabletas de mármol
Agua dulce
haloclina
Agua Salada

Diferentes tipos de pasajes
A. Extenso Pasaje lateral en Casa
Cenote, sistema Nohoch Nah
Chich.
(Foto: A. Kuecha)
B. Pasaje vertical sobre fractura en
sistema Abejas.
(Foto: S. Gerrard)

Cuevas “Poligenéticas”
Smart, Beddows, et al. 2006
Morfología sobrepuesta de los pasajes…
1. Elipses
2. Ensanchamiento
3. Colapso (cenote)
4. Sedimentación
haloclina

Buzos exploran el sistema de cuevas subacuáticas Sac Actun, debajo
del área de Tulúm.
Foto: Proyecto Gran Acuifero Maya.

Quintana Roo: cuevas subacuáticas
http://www.caves.org/project/qrss/qrlong.htm

Más de 1,600 km subacuáticos a lo
largo de la costa
Quintana Roo: cuevas secas e inundadas

Distribución de descargas costeras
y ojos de agua en el noreste de
Quintana Roo. Los punto negros
son ojos de agua y las líneas rojas
son sistemas de cuevas.
(Kambesis&Coke, 2016/ Datos de cuevas: QRSS).
¿Ríos subterráneos?
Flujo laminar
Flujo turbulento
Interfase agua dulce – agua salada
¡Estuarios subterráneos!

La densidad de cuevas es MUY alta
Densidad de cuevas
Ox Bel Ha
4.3 km/km2
Dentro de 8-9 km
de la costa
1.8 km/km2
Transmisión
de mareas
40% a 5 km
tierra adentro.
Kambesis&Coke(2016)

Controles geológicos – El caliche determina las profundidad del techo de la
cueva, volumen de descarga, espeleogénesis…
Slide Prepared by S. Richards

Smart, Beddows et al, 2006
Espeleogénesis: formación de sistemas de cuevas

¿Qué tan profundas son las cuevas?
Barton, H, Quintana Roo
Speleological Survey et al., 2000.
El Pit
Sistema
Dos Ojos
120 m
Profundidad(m)

Cambios en el nivel del
mar a finales de la época
del Pleistoceno. Al
cambiar el nivel del mar,
también cambia la
posición de la haloclina y
sobre ella se empiezan a
formar y extender los
sistemas de cuevas que
hoy buceamos.
Modificado de González-González et
al. (2008) y Blanchon & Shaw (1995).
+ +
Procesos físicos Cambios en el nivel del mar
Procesos químicos Agua ácida + suelo de caliza = disolución
¿Por qué hay varios niveles de cuevas?

¿Qué es un cenote?
• La Península de Yucatán presenta un gran número de cuevas y dolinas
(bóvedas colapsadas) secas e inundadas de origen sedimentario calcáreo.
Miles de cenotes de diversas formas abundan en la Península de
Yucatán, proveyendo fácil acceso al agua subterránea
Cenote Kankirixche

Hoy en día, el término “cenote" se emplea para designar cualquier espacio
subterráneo con agua y que contenga una ventana hacia el exterior. Los
cenotes se forman cuando delgadas secciones del techo sufren derrumbes,
colapsan sobre las cavidades a lo largo de la cueva, creando nuevas entradas al
mundo subterráneo.
Cenote Samulá. Fotografía:@Caminomascorto.
Cenote Suytun. Imagen: Fun&Travel
Cenote Ik Kil . Fotogafía: @Caminomascorto

Las secciones del techo que colapsan pueden ser pequeñas o muy grandes,
conduciendo bajo la tierra hacia amplias galerías o estrechos pasajes llenos de
agua. Los cenotes también son entradas de luz y materia orgánica dentro del
sistema hidrogeológico, interactuando con el agua subterránea.

Cenote Xtacumbilxunan, en
Bolonchén (‘nueve pozos de agua’)
Campeche. Este pueblo escapó a la
epidemia de cólera de 1833. La única
fuente de agua dulce fluye en las
profundidades debajo de gruesas
capas de roca caliza.
Litografía por H Warren. Imagen publicada en
“Views of Ancient Monuments in Central
America, Chiapas and Yucatan” – Frederick
Catherwood (1844).

La mujer de Las Palmas
Hallazgos arqueológicos…
Debido a las características químicas del agua, la falta de luz y los
sedimentos finos y mineralizados, estos espacios han favorecido
la preservación de vestigios arqueológicos y paleontológicos.

Hoyo negro (~12,000 años)
Hallazgos arqueológicos…

Losrestosde«Naia»seencontrarona40metrosdeprofundidadenla
cueva«HoyoNegro»,enMéxico-PAULNICKLEN/NATIONAL
GEOGRAPHIC

Recreación:JamesChatters,AppliedPaleoscience;TomMcClelland
Ilustración:JonFoster

http://chirag3065world.blogspot.com/2010/08/cool-
sinkhole-videos-and-pictures.html
Hoyos azules (“Blue hole”) – también
son cenotes.
La palabra ‘cenote’ se está
empleando en la descripción
de sistemas en otros países
(Bahamas, Australia).

Los cenotes son formaciones cársticas
comunes
CenoteTamcachHa

Hay diferentes nombres locales utilizados para designar colapsos en diferentes regiones:
“cenote" en México, “obruk" en Turquía, “cockpit" en Jamaica o “dahl" en la Península
Arábiga. Muestran amplia diversidad morfológica y alcanzan cientos de metros de diámetro
y profundidad.

"El Zacatón" tiene una abertura de 116 m de diámetro y la
parte subacuática alcanza una profundidad de 319 m.

Diferentes tipos de cenotes
Comparación de distintos tipos cenotes con diferente
mecanismo de formación. A la izquierda, pit-cenotes que
predominan en el centro de la Península y sobre el Anillo de
cenotes. En ellos, seguramente intervienen flujos de agua
desde profundidades mayores, favoreciendo la disolución de la
roca desde abajo hacia arriba. Del lado derecho, morfología de
los cenotes más comunes en la costa oriental de Quintana Roo,
sobre la “Riviera Maya”. Estos cenotes son la entrada a sistemas
de cuevas menos profundos y con galerías anchas y
ramificadas. Monroy-Ríos (2015).
¡Diferente espeleogénesis!

Casa Cenote – Cuevas colapsadas de
tamaño mediano.
(PBeddows,2004)

Descarga subterránea mediante ojos de agua
y caletas. Cuevas colapsadas muy grandes.
Caletas – Descarga de agua subterránea
400 m
Xel Ha

Ojos de agua – No hay colapso aún…
Gary Walten / Locogringo.com

Vista aérea de Puerto Morelos
Arrecife
Laguna
arrecifal

Descarga de aguas
Imagen: Baird Consulting
PLAYA DEL
CARMEN
Puerto
Aventuras
Akumal
Chemuyil
TULUM
Puerto
Morelos
CANCUN
Ciudades y poblados en la
Riviera Maya, al sur de Cancún.
Áreas urbanas en negro y áreas
con desarrollos de hasta 200
habitantes/ha en rojo.
Problemas ambientales en las costas
de carbonatos
 Contaminación por
temperatura
 Drenaje (mat org)
/ Desechos
químicos
/combustibles
Nutrientes

Los NUTRIENTES son el gran problema real…
Velocidades de km/día

¿Dónde tomar la
muestra de agua?

El agua del cenote NO es la misma que el agua de la cueva
El caliche y la estratificación mantienen separados
diferentes cuerpos de agua en el acuífero. Para muestrear
la descarga subterránea, hay que meterse en la cueva.
Cenote Chac Mol

Preguntas fundamentales sobre la Península de Yucatán
 ¿Cuánta agua existe?
 ¿Cuál es el balance
hidrológico?
 ¿Cuáles son los patrones
de flujo de agua
subterránea?
 ¿Cuál es/será el efecto del
cambio climático?
Fuente: CONAGUA, 2017

Predicción de aumento en el nivel del mar: dos escenarios.
(ClimateCentral)

¿Para qué cartografiar las cuevas?

Provee información acerca de:
• Posición relativa de artefactos y osamentas.
• Estructura y dimensión de conductos y cuevas.
• Magnitud de descarga de agua subterránea.
• Análisis de estabilidad de terreno para grandes
construcciones.

Cenote Balankanché, Yucatán
http://archive.cyark.org/
Cartografía de cuevas y cenotes
LIDAR – Light
detection and
range.

WINTER PARK SINKHOLE – FLORIDA, 1981
Colapso en WINTER PARK - FLORIDA, 1981
En un sólo día creció 98 m de diámetro y 27 m de profundidad

Ciudad de
Guatemala, 2010

Las etapas del colapso
Initially sinkhole
forms as soil
collapses into
a crevice and is
carried away
through a
conduit by
water.
Then the soil
roof of the
developing
sinkhole falls
into the hole
to form a
cylindrical
cavity.
Further
collapse of the
soil cover from
below causes
circular cracks
to develop
at the surface
Erosion by water
flowing into this
new drain hole
smoothes the
hole's sharp edges
to form the typical
inverted cone- or
bowl-shaped
depression.
http://www.isgs.illinois.edu/maps-data-
pub/publications/geobits/geobit7.shtml

Falta de exploración – ¿HAY CUEVA?
?
?
PDU Tulúm

-"Esta situación geológica no es suficiente para
impedir el proyecto, sino que se trata de un reto
técnico en el que los constructores deberán
definir cómo pasar sobre esas cuevas,
garantizando su preservación y sin que haya
accidentes fuertes al poner ese peso y vibración.”
(EMR)
• https://www.eluniversal.com.mx/estados/para-tren-maya-es-vital-
conocer-ubicacion-de-cavernas-y-cenotes-hidrogeologo
• https://www.eluniversal.com.mx/cultura/acuiferos-y-jaguares-en-
peligro-por-el-tren-maya
• https://www.yucatan.com.mx/merida/desafio-tecnico-para-el-tren-
maya
• https://www.yucatan.com.mx/yucatan/suelo-de-la-peninsula-otro-
obstaculo-al-tren-maya
• https://www.laotraopinion.com.mx/sac-actun-sistema-de-cuevas-
mas-grande-del-planeta-en-peligro-por-tren-maya/

1 Submarine Groundwater Discharge of phosphorus and
iron from carbonate coastlines under rising sea level
• As SL rises, reaction zones
in coastal aquifers will
shift, releasing geological
reserves of sequestered
elements with
downstream impacts on
coastal water chemistry
and coral reef systems.
• An unappreciated
consequence of SLR. May
provide an explanation for
the expansion of eutrophic
sites in regions with no
apparent anthropogenic
nutrient source.
Water-rock interactions and elemental flux to the coastal ocean
>300 samples (cave diving) / 32-element analysis (ICP-OES)
Bulkrockcomposition(mmol/kg)
Is there any chemo-
stratigraphic correlation?
Cross section of a carbonate platform

Colección de rocas de la Península
2.5 cm
RendzinaCalcita
Paleosuelo
Calcita/Aragonita
‘Fósil bivalvo’
2.5 mm

Ag Al As Be Bi Cd Co Cr Cs Cu Fe Ga In
K Li Mn Mo Na Ni P Pb Rb S Si Sr
Tl V Zn Ca Mg Sr

Heterogeneidad en la composición química
Rendzina
High-Mg Calcite
High-Mg Calcite / dolomite? Paleosol
Calcita
Paleosuelo
Calcita/Aragonita
‘Fósil bivalvo’
Roca
“promedio”

Hydrogeothermal
Convective
Model for
the Formation
of the Chicxulub
Ring of Cenotes
Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)/JPL/NASA (2000)
 The ROC is an aligned
arc of sinkholes
overlying the Chicxulub
Crater.
 Dolomitization/anhydriti
zation is followed by
hypogene karstification.
 Geophysics: slump
block faults and deeply-
2
From Gulick et al (2013)
Yucatán Block

Cráter de Chicxulub
Urrutia-Fucugauchi, J., Chavez-Aguirre, J.M., Perez-Cruz,
L., de la Rosa, J.L. (2008) Impact ejecta and carbonate
sequence in the eastern sector of Chicxulub crater.
Comptes Rend. Geosci. 341, 801–810.

http://www.fernandez-gamio.de/Massensterben/Massensterben.htm
Cráter de Chicxulub

Formación de cuevas
(últimas glaciaciones)
Impacto
Chicxulub
Wikicommons
Edades geológicas

~3 km
Chicxulub
Se formó la Tierra
Dinosaurios
Hoy
Cuevas

3 On the Tectonic Stability of the Yucatán Block
Evaluate YB
present
motion.
DATA:
GPS/UNAVCO
Geodetic
derived data
products.
NETWORKS:
• PBO
• COCONet
• TLALOCNet
Vertical rates:
~1 mm/year
10-15 yrs
of data
1.5 yrs
of data

10+ years of data for GNSS station UNPM located on the northeastern coast of the Yucatán Peninsula.
Geodetic data shows periodical displacement of the solid earth's tides. Clearing out main tidal
frequencies and correct for gravity gradients helps to handle data properly. Data from UNAVCO.
Displacement in mm.
Geodetic Data
• Explore present day Yucatán Block
motion.
• UNAVCO Data Archive Interface v2.0
(DAI v2) - PBO, COCONet, and
TLALOCNet GPS station networks.
• IGS08 reference framework weighted
average velocities with respect to the
Earth's core.
• Handling data - Earth Tides
Exploring the Tectonic Stability of the Yucatán Block
Emiliano Monroy-Ríos, Patricia A Beddows – Northwestern University

Geodetic Data
• The current motion is in the NW
direction.
• There are few stations on the Maya
Block, and one is short duration
record.
• Looking at the longer 10+ year
duration records (n=4), we see a NE
corner submersion and vertical rates
on the order of 1 mm/year.
• The present vertical rates are 3-orders
of magnitude higher than the
previously indicated subsidence since
Early/Middle Eocene.

NORTH COAST DOWN
Punta Canbalam
• Site is now submerged close to the southern tip of the
Celestún Peninsula, at a depth that cannot be explained
solely by estimated regional SLR.
• It was attributed to highly active erosional processes
during Late Holocene (Dahlin et al., 1998).
Vista Alegre
• Intact floor is 2.75 m below the ground surface but also
at/below sea level. 14C dates it to the Terminal Preclassic /
Early Classic.
Vista Alegre – Vista Alegre Site. Image courtesy Jeffrey B Glover, GSU.
Coastal Archaeology
Punta Canbalam – Image from Dahlin et al. (1998)

Tulum – Picture Matthew Karsten.
SOUTHERN EAST COAST UPLIFTED?
Tulum
• Quintana Roo. Eastern Caribbean coast. Site is on a cliff, a
unique feature in the area.
• Also, aerial view reveals a perched coastal spring? (drained
caleta).
Google Earth Imagery (2018)
Coastal Archaeology

Global Mangrove Watch (2016) Mangrove Restoration.
http://maps.oceanwealth.org/mangrove-restoration/
Mangrove succession
• Sea level rise has a prompt and direct effect on
ecosystems in the intertidal zone.
• During Holocene SLR had established the responses of
coastal systems such as mangroves. Species with
specific tolerances within the tidal spectrum had
migrated landward.
• NORTH COAST: Wetlands remain connected to ocean
and actively flush by tides.
• CARIBBEAN COAST: Wetlands seem to be perched
and above sea level, including coastal mangroves
decoupled form the ocean.
North coast drown coastline?
Caribbean coast perched mangroves decoupled form the ocean?
Google Earth Imagery (2018)
N
N

Photography by Jill Heinerth
After Pope et al. (1996); Abreu & Anderson (1998) ; Kinsland et al. (2000).
• The YB is tectonically stable in the strict sense, without
apparent deformation or rifting, yet the block is arguable in
tilt/subsidence motions.
• Persistence of motion is not in conflict with the long term
proposed subsidence back to Middle/Late Eocene. Rate of
plate motion seems to be 3-orders of magnitude higher at
present day.
• The observed 1 mm/year rate over the last 10 years is of
significance in interpretations sea level records from the
Yucatán Peninsula, and of the hydrogeology, speleogenesis,
paleoclimate records, and adaptation to climate change
driven sea level rise.
• Additional geodetic stations are required to assess the
whole block/platform motion, to further understand
geomorphological processes, and to address climate change
related sea level rise impacts.
Concluding Remarks

Predicción de aumento en el nivel del mar: dos escenarios (ClimateCentral)

Gracias por la invitación y su atención
CONTACTO
Correo-e:
emiliano@earth.northwestern.edu
emiliano.monroy.rios@gmail.com
Blog:
http://sites.northwestern.edu/monroyrios/
Twitter: @mantarayo

Dark Side of the Moon (Quintana Roo) - Steve Bogaerts

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