Características hidrológicas del ambiente periglacial de montaña y estructura interna de glaciares de escombros en los andes centrales de San Juan

Abstract

En la provincia de San Juan el ambiente periglacial se desarrolla en forma extensa en la cabecera de las cuencas andinas, las cuales constituyen las fuentes de recarga de los sistemas hídricos que abastecen de agua a toda la población. Si bien los aspectos geomorfológicos, hidrológicos, climáticos y paleoclimáticos, entre otros, del ambiente periglacial han recibido mayor atención en los últimos años, aún resta mucho para comprender las complejas interrelaciones entre los diferentes procesos actuantes. En este sentido, el presente trabajo constituye la primera investigación que combina estudios hidrológicos, hidroquímicos, isotópicos, geofísicos, geomorfológicos y dinámicos en una cuenca netamente periglacial con el objetivo de determinar los patrones espacio-temporales de los flujos superficiales, las características y el origen de las diferentes fuentes de agua que constituyen los ríos cordilleranos e identificar la estructura interna de glaciares de escombros y sus flujos de circulación. Para lo cual, se han considerados dos escalas de trabajo, escala de cuenca y escala de geoforma (glaciar de escombros).El tramo superior de la cuenca del río Santa Cruz, área de estudio del presente trabajo, es una cuenca con condiciones actuales netamente periglaciales. Habiendo sufrido en el pasado condiciones glaciarias, evidenciado a partir de diferentes rasgos morfológicos. Existe una amplia variedad de geoformas periglaciales que van desde la micro a la meso escala. Entre ellas se tiene a los glaciares de escombros, los cuales constituyen una de las geoformas más notorias. De los 180 glaciares de escombros inventariados, 83 son activos, 90 inactivos y el resto fósiles o relictos. Los cuales ocupan un área de 8,15 Km2, 4,34 Km2 y 0,37 Km2 respectivamente, y presentan una distribución altitudinal que varía desde 3576 y 3438 m s.n.m. hasta 4673 y 4571 m s.n.m. para los límites inferior y superior de los glaciares de escombros activos e inactivos, respectivamente. Además, se han inventariado 210 geoformas consideradas como protalus rampart, las cuales poseen en conjunto un área de 1,54 Km2 y una altura promedio de 3980 m s.n.m.La fusión nival constituye uno de los principales componentes del hidrograma de ríos cordilleranos y muestra su pico de descarga a finales de primavera o principio de verano, con caudales cercanos a los 6 m3/s en el río Santa Cruz, que decaen a casi la mitad durante el período de sequía hídrica (2010-2015). Otro aspecto importante a destacar del hidrograma es la presencia de una pequeña inflexión (aumento) en la curva de caudales a finales de verano-principios de otoño (marzo-abril). Este aumento estaría vinculado a la fusión del hielo subterráneo presente principalmente en capa activa de áreas con permafrost, el cual presenta un retardo respecto a la fusión nival. En los períodos de sequía, el caudal aportado por fusión de hielo subterráneo llegaría a representar hasta el 63% del flujo total.Los valores de conductividad eléctrica de las diferentes fuentes de agua constituyen una buena aproximación para determinar su origen. Existe una alta variabilidad entre los valores de diferentes fuentes, pero también en ocasiones existe alta variabilidad entre muestras de la misma fuente de agua. Por lo cual, es un parámetro que necesita ser complementado. El río Santa Cruz presenta un comportamiento de decaimiento en sus valores de conductividad a partir de valores altos cerca de la cabecera de la cuenca, influenciado principalmente por los flujos salinos provenientes de la quebrada donde se localiza el glaciar de escombros El Gigante. Mientras que en su tramo medio e inferior los valores de conductividad van disminuyendo, debido a la buena calidad de sus afluentes, los cuales tienen sus cabeceras en sectores elevados. Los termokarst o estructuras deprimidas, sobre glaciares de escombros, constituyen una de las fuentes de agua con mayor variabilidad entre sus valores, indicando la presencia de diferentes orígenes del agua y procesos. Por su parte, los valores de temperatura permiten identificar agua proveniente de la fusión de nieve o hielo subterráneo o en contacto con el permafrost.El contenido iónico de las diferentes fuentes de agua indica un tipo de agua bicarbonatada y sulfatada sódica, con alta variabilidad en el contenido de los aniones. La mayor correlación lineal se observa entre los valores de SO4-2 y Ca+ con desplazamiento hacia valores enriquecidos de SO4-2, indicando disolución de formaciones evaporíticas y oxidación de sulfuros. Los valores más elevados de concentración iónica fueron detectados en las muestras de glaciares de escombros, indicando que estos actúan como un medio de concentración.Por su parte, la composición isotópica de las diferentes fuentes de agua también constituye un trazador natural que permite, en combinación con la hidroquímica y los parámetros físico-químicos, determinar el origen del agua. Los manchones de nieve son los que presentan mayor variabilidad en su composición, con valores de entre -13,3? y -22,1? δ18O y de -104,2? y -172,2? δ2H. Además, se ha identificado el control de la elevación en la composición isotópica de la nieve a través del coeficiente de determinación (r2) con un valor de 0,58 y 0,68 para δ2H y δ18O respectivamente. Mientras que, procesos de redistribución isotópica por metamorfismo y fusión de la nieve han sido evidenciados principalmente en los bancos de nieve en la raíz de un glaciar de escombros. Los principales afluentes del río Santa Cruz reflejan en su composición la altitud de sus cabeceras, con valores de δ18O y δ2H más empobrecidos en los afluentes con sus cabeceras más elevadas.La aplicación de Tomografía de Resistividad Eléctrica (TRE), el método geofísico más ampliamente utilizado en permafrost de montaña, ha permitido identificar la presencia de hielo en glaciares de escombros y determinar su estructura interna. Sobre el glaciar de escombros El Gigante se han desarrollado 8 perfiles de entre 110 y 130 m de longitud en diferentes sectores del mismo. En general, la capa activa presenta una geometría irregular con espesores que varían de 3 a 10 m y valores de resistividad entre 200 y 8000 Ω.m e incluso llegando a valores de hasta 30K Ω.m. En los sectores de capa activa donde las resistividades disminuyen hasta valores de 80-90 Ω.m se infiere la presencia de agua. La capa de permafrost también presenta una geometría irregular con zonas de discontinuidad espacial y con valores de resistividad que varían entre 8 y 150 K Ω.m. Si bien estos valores se encuentran en el rango bajo de los registrados para otros glaciares de escombros, la cantidad, granulometría y tipo de detrito presente tendría una influencia importante. A pesar de no poder realizar una comparación directa con otros glaciares de escombros debido al contexto geológico local donde se desarrolla El Gigante, si ha sido posible identificar sitios con mayor contenido de hielo sobre la misma geoforma.Por su parte, el perfil de TRE realizado sobre el glaciar de escombros Ojotas I, de claro origen criogénico, indica una capa activa con espesor de 2 a 6 m y valores de resistividad de 700 a 20.000 Ω.m. Por debajo se desarrolla la capa de permafrost que alcanza los 172 K Ω.m de resistividad.Por último, la combinación de métodos hidroquímicos, isotópicos, geofísicos, geomorfológicos y dinámicos sobre una misma geoforma, el glaciar de escombros El Gigante, ha permitido identificar los flujos internos de circulación de agua a través de canales preferenciales, sin conexión entre ellos en algunos casos. Además, se ha podido establecer los sectores que presentan degradación de permafrost y determinar el diferente grado de actividad de los diferentes sectores de esta geoforma.

In the province of San Juan, the periglacial environment develops extensively in the headwaters of the Andean basins, which are the sources of recharge of the water systems that supply water to the entire population of the province. Although the geomorphological, hydrological, climatic and paleoclimatic aspects, among others, of the periglacial environment have received more attention in recent years, there is still much to understand the complex interrelations between the different processes involved. In this sense, the present work constitutes the first research that combines hydrological, hydrochemical, isotopic, geophysical, geomorphological and dynamic studies in a clearly periglacial basin with the objective of determining the spatio-temporal patterns of surface flows, characteristics and origin of the different sources of water that make up the Andean rivers and identify the internal structure of debris glaciers and their circulation flows. For which, two scales of work have been considered: basin scale and landform scale (debris glacier). The upper section of the Santa Cruz river basin, the study area of this work, is a basin with clearly periglacial current conditions. Having suffered in the past glacial conditions, evidenced from different morphological features. There is a wide variety of periglacial landforms ranging from the micro to the meso scale. Among them are the rock glaciers, which are one of the most notorious ones. Of the 180 inventoried rock glaciers, 83 are active, 90 inactive and the rest fossils or relicts, occupying an area of 8.15 km2, 4.34 km2 and 0.37 km2 respectively, with an altitudinal distribution that varies from 3576 and 3438 meters to 4673 and 4571 m.a.s.l. for the lower and upper limits of the active and inactive rock glaciers respectively. In addition, 210 landforms considered as protalus rampart have been inventoried, which together have an area of 1.54 km2 and an average height of 3980 meters above sea level. The snow melt is one of the main components of the cordilleran river hydrograph and shows its discharge peak at the end of spring or early summer, with flows close to 6 m 3 /s in the Santa Cruz River, which fall by almost half during the period of water drought (2010-2015). Another important aspect of the hydrograph is the presence of a small inflection (increase) in the flow curve in late summer-early autumn (MarchApril). This increase would be linked to the melting of the underground ice present mainly in the active layer of areas with permafrost, which presents a delay with respect to the snow melt. In periods of drought, the flow contributed by melting underground ice would reach up to 63% of the total flow. The electrical conductivity values of the different water sources are a good approximation to determine their origin. There is a high variability between the values of different sources, but there is also sometimes high variability between samples from the same water source. Therefore, it is a parameter that needs to be complemented. The Santa Cruz River shows a behavior of decay in its conductivity values from high values near the head of the basin, influenced mainly by the saline flows coming from the area where the El Gigante rock glacier is located. While in the middle and lower sections the conductivity values are decreasing, due to the good quality of its tributaries, which have their headwaters in high sectors. Thermokarst is one of the sources of water with high variability between its values, indicating the presence of different origins of water and processes. On the other hand, the temperature values allow identifying water coming from the melting of snow or underground ice or in contact with the permafrost. The ionic content of the different water sources indicates a type of bicarbonated and sulphated sodium water, with high variability in the content of the anions. The highest linear correlation is observed between the values of SO4-2 and Ca + with displacement towards enriched values of SO4-2 , indicating dissolution of evaporite formations and oxidation of sulfides. The highest values of ionic concentration are found in the samples of rock glaciers, indicating that these act as a means of concentration. For its part, the isotopic composition of the different water sources also constitutes a natural tracer that allows, in combination with hydrochemical and physical-chemical parameters, to determine the origin of water. The snow patches are those that present greater variability in their composition, with values between -13.3 ‰ and -22.1 ‰ δ 18O and -104.2 ‰ and -172.2 ‰ δ2H. In addition, control of the elevation in the snow isotopic composition has been identified through the coefficient of determination (R2 ) with a value of 0.58 and 0.68 for δ2H and δ18O respectively. While, isotopic redistribution processes by metamorphism and melting snow have been evidenced mainly in the snow banks at the root of a debris glacier. The main tributaries of the Santa Cruz River reflect in their composition the altitude of their headwaters, with more depleted values in the tributaries with their higher headwaters. The use of Electrical Resistivity Tomography (TER), the most widely used geophysical method in mountain permafrost, has made it possible to identify the presence of ice in rock glaciers and determine its internal structure. On the El Gigante rock glacier, 8 profiles of 110 m to 130 m in length have been developed in different sectors of the same. In general, active layer presents an irregular geometry with thicknesses ranging from 3 to 10 m and values of resistivity between 200 and 8000 Ω.m and even reaching values of up to 30K Ω.m. In the active layer sectors where the resistivities decrease to values of 80-90 Ω.m, the presence of water is inferred. While, the permafrost layer also presents an irregular geometry with zones of spatial discontinuity and with values of resistivity that vary between 8 and 150 K Ω.m. Although these values are in the low range of those registered for other debris glaciers, the amount, granulometry and type of debris present would have an important influence. Despite not being able to make a direct comparison with other rock glaciers due to the local geological context where El Gigante is developed, it has been possible to identify sites with higher ice content on the same landform. On the other hand, the TRE profile made on a Talus rock glacier of clear periglacial origin indicates an active layer with a thickness of 2 to 6 m and resistivity values of 700 to 20,000 Ω.m. Underneath, the permafrost layer that reaches 172 K Ω.m of resistivity is developed. Finally, the combination of hydrochemical, isotopic, geophysical, geomorphological and dynamic methods on the same landform, El Gigante rock glacier, has allowed to identify the internal flows of water circulation through preferential channels without connection between them in some cases. In addition, it has been possible to establish the sectors that present degradation of permafrost and determine the different degree of activity of the different sectors of this landform.