El agua subterránea en acuíferos cársticos es un caso muy especial debido a que en muchas regiones del planeta los sistemas cársticos son buenas zonas de recarga y excelentes acuíferos por su capacidad para almacenar y trasmitir agua, debido a que tienen una rápida infiltración (Antigüedad et al., 2008). En el acuífero cárstico, la permeabilidad primaria de las rocas carbonatadas reside en la propia matriz rocosa y es aumentada en gran medida cuando las rocas son deformadas en una orogenia. El fracturamiento de los acuíferos asociados a formaciones carbonatadas durante el proceso de deformación genera permeabilidad secundaria que facilita el proceso de disolución propio de la carstificación (Kiraly y Müller, 1979; Andreo et al., 2004; Antigüedad et al., 2008). El sistema de conductos en acuíferos cársticos suele ser muy complejo debido a que suele estar formado por una intrincada red subterránea y su dinámica tiene cambios temporales (Benson y Yuhr, 2016).

Por lo general, las aguas que se captan en estos acuíferos son de un solo tipo (bicarbonatadas cálcicas), por lo que si se quiere conocer con mayor precisión si existe conexión entre dos puntos del acuífero, la hidrogeoquímica no es de gran ayuda y se deben utilizar otros métodos, como los trazadores hidrológicos (Arrate et al., 1992). Los trazadores hidrológicos son de utilidad en la comprensión de los procesos de transporte del sistema involucrado, así cómo de la interacción entre el agua superficial y el agua subterránea, ya que proporcionan información sobre la dirección del movimiento del agua en el acuífero y pueden ser muy eficientes en la caracterización de los complejos sistemas cársticos (Attinger, 1988; Leibundgut et al., 2009).

Entre los métodos más habituales se encuentra el uso de isótopos como trazadores hidrogeológicos, los cuales pueden ser naturales o artificiales (Rodgers et al., 2005). Los isótopos naturales se dividen en estables (2H, 18O, 13C, 3He, 39Ar) y radiactivos (3H y 14C). De los primeros se utilizan especialmente el deuterio (2H) y el oxígeno-18 (18O), debido a que la relación δ2H/δ18O es un reflejo de los fenómenos o procesos físicoquímicos que han afectado a la molécula de agua durante su circulación (Rodgers et al., 2005). Estos son inherentes al sistema hidrológico de la superficie, el suelo y el agua subterránea sin alterar el medio, por lo cual pueden ser utilizados para la definición de la procedencia de las aguas contenidas en las rocas, áreas de recarga, zonas de circulación y zonas descarga (Singhal y Gupta, 1999).

Entre los trazadores artificiales se encuentran los fluorecentes, de los cuales la Piranina y la Uranina son los más utilizados, porque se pueden detectar a simple vista en concentraciones de 0.01 ppm en la zona de descarga, el análisis en campo es sencillo, los costos son relativamente bajos y su toxicidad es baja (Smart y Smith, 1976; Gospodaric y Zötl, 1976; Smart y Laidlaw, 1977). Sin embargo, existen algunos problemas específicos para este tipo de trazadores, como son los efectos de la temperatura, el pH, los carbonatos, la salinidad y la concentración de sólidos disueltos sobre la fluorescencia (Smart y Laidlaw, 1977). Pernía-Llera et al. (1991) utilizaron fluoresceína y piranina como trazadores de suelos con buenos resultados, aunque esta última es relativamente inestable en suelos con altos contenidos en materia orgánica; además, la piranina no es tan fácilmente detectable como la fluoresceína, aunque es más resistente a la adsorción y a la decoloración (Drew y Smith, 1969).

También se han empleado los trazadores de origen físicoquímico tales como sales de Na+, K+, Li+, Cl–, Br–, y bórax; sin embargo, presentan la desventaja de requerir que, en la zona de inyección, el caudal de agua que entra al acuífero sea grande. Por otra parte, se necesita gran cantidad de estos trazadores (Lesser, 1978), los cuales alteran el sistema natural del medio.

Un método que ha sido poco utilizado en México son los trazadores denominados “particulados”, como las bacterias (Leibundgut y Lüthi, 1977; Sabir et al., 1999; Auckenthaler et al., 2002; Flury y Wai, 2003; Zvikelsky y Weisbrod. 2006), esporas de Lycopodium (Back y Zotl. 1975; Benischke et al., 1980) y polen marcado (Käss y Reichert, 1986; Göppert y Goldscheider, 2008); sin embargo, la utilidad de usar trazadores particulados ha quedado resaltada en trabajos como el de Wanner y Pusch (2000), quienes reportan que en un río de tierras bajas en Spree, Alemania, aplicaron esporas marcadas con fluorescencia, con las cuales estimaron las distancias de transporte y las velocidades de depósito de partículas finas de materia orgánica. Estudios como el de Spandre et al. (2003) muestran el potencial de este método con esporas de Lycopodium clavatum como marcador de aguas subterráneas para un sistema cárstico, permitiéndo determinar las conexiones hidráulicas subterráneas y los puntos de inyección en las canteras de explotación de mármoles de los Alpes Apuanos y los manantiales de abastecimiento de agua potable del acueducto de Carrara (Italia). Por lo anterior, es ampliamente aceptado que el uso de polen y esporas como trazadores permite obtener información de conexiones hidrológicas, trayectorias de partículas, direcciones de flujo y velocidades (Mangin, 1975; IAEA, 1989; Clark y Fritz, 1997; Kehew, 2001; Aggarwal et al., 2005). Además, empleando este método se puede determinar la dispersión hidrodinámica: escorrentía, tiempo de residencia, infiltración, procesos de difusión en las aguas superficiales, simulación de zonas de descarga y transporte de contaminantes en sistemas cársticos (Leibundgut et al., 2009; Luhmann et al., 2012).

Una alternativa para estudios hidrogeológicos con estas condiciones es el uso de los isótopos estables 18O y 2H (en abundancia natural); estos trazadores conservativos son ideales para estudios de las aguas subterráneas, ya que pueden ser utilizados para determinar el tiempo de residencia del agua, conocer la fuente del agua y para ayudar en la generación de un sistema conceptual de circulación de agua en un acuífero (zona de recarga-circulación-descarga) (Singhal y Gupta, 1999). Las variaciones espacio-temporales en el enriquecimiento en isótopos pesados, 18O y 2H, en las moléculas del agua de lluvia se relacionan con el efecto de fraccionamiento que acompaña a la evaporación desde el océano y la condensación durante el transporte atmosférico del vapor de agua (Dansgaard 1964; Valencia, 2013). Los factores principales que determinan la composición isotópica de una muestra son la temperatura (mientras más elevada sea la temperatura, más se enriquece el agua en isótopos pesados; Dansgaard, 1961, 2004), la humedad atmosférica (al bajar el valor del parámetro, se incrementa la concentración de 18O y 2H en la fase de vapor; Dody et al., 1995), la cantidad de precipitación (al incrementarse la precipitación, se tiene menor enriquecimiento en isótopos pesados; Yurtsever y Gat, 1981; Bowen y Wilkinson, 2002; Lisowska-Gaczorek et al., 2017), altitud (al aumentar la altitud, se tiene menor enriquecimiento en isótopos pesados), el efecto estacional (las precipitaciones de verano están más enriquecidas en isótopos pesados que las precipitaciones invernales; Dansgaard, 1964 ; Mook, 2001; Vogel et al., 1975). La existencia de una termodependencia entre el 18O y 2H implica una correlación que ha sido bien definida por Craig (1961). La línea de agua meteórica global (Global Meteoric Water Line, GMWL) corresponde al promedio de muestras de líneas meteóricas locales, cada una de ellas influidas por los factores de fraccionamiento isotópico (Craig, 1961).

Las variaciones espacio-temporales que presentan los isótopos estables hacen necesario incorporar un tercer elemento de análisis que ayuda a la interpretación de los isótopos estables en los estudios hidrogeológicos, el factor d-excess (exceso de deuterio). El factor dexcess se obtiene por cálculo a partir de los valores de δ18O y δ2H, y es un indicador de la génesis de vapor de agua (Rindsberger et al., 1983). En el área de interés de la presente investigación realizamos un estudio previo con la finalidad de caracterizar la conectividad hidráulica entre la zona de recarga y descarga en la zona media del Estado de San Luis Potosí, para lo cual inicialmente se implementaron dos metodologías particulares: i) las esporas de Lycopodium clavatum y ii) las esferas de unicel teñidas. Ambas zonas fueron monitoreadas durante un año, sin embargo, no se obtuvieron resultados satisfactorios, ya que las esporas y esferas no fueron identificadas en las muestras de agua de la zona de descarga, y suponemos que quedaron retenidas en las rocas carbonatadas o posiblemente se perdieron en el medio cárstico. A raíz de nuestra investigación previa, identificamos las siguientes limitantes: i) la necesidad de invertir mucho tiempo de muestreo para poder detectar el trazador; ii) utilizar grandes cantidades de esporas de Lycopodium clavatum y unicel marcadas y; iii) alto costos.

Debido al poco éxito de los métodos utilizados con las esporas de Lycopodium clavatum y las esferas de unicel teñidas, se desarrolló una tercera variante nombrada en este estudio como Metodología Polínica Ambiental (MEPAM), la cual consiste en caracterizar polínicamente la zona de recarga y descarga siguiendo un gradiente altitudinal de la vegetación para demostrar la conexión entre ambas zonas (Figura 1). Para validar la MEPAM se emplearon los trazadores isotópicos 2H y 18O y el índice de exceso de deuterio (d-excess), los cuales evidencian y confirman la conectividad hidráulica entre Joya de Luna (zona de recarga) y Guaxcamá (zona de descarga).

El enfoque que presentamos en este trabajo con la MEPAM, tiene el potencial de contribuir a la caracterización e identificación de la conectividad hidráulica entre zonas de recarga y descarga, rutas de migración (direcciones de flujo) y tiempos de residencia en sistemas cársticos complejos y así estudiar la relación entre una zona de recarga y la de descarga, utilizando granos de polen e isótopos estables. Al combinar ambos métodos se obtienen evidencias experimentales que coinciden y confirman la conectividad hidráulica entre ambas zonas. Es un método novedoso, de mediano costo y la ventaja sobre otras metodologías (trazadores de fluorescencia, isótopos radiactivos, bacterias y polen teñido) es que no altera el sistema natural.

De las 41 especies polínicas caracterizadas en la región, en el periodo de agosto 2013 – junio 2016, solo 22 se identificaron en las muestras de agua subterránea de la zona de recarga y descarga. Los granos de polen coinciden con el periodo fenológico de las especies y los meses de cultivo; por ejemplo, para la especie Cicar la preparación del terreno es en primavera y se cosecha en octubre, los granos de polen de esta especie se encontraron en las muestras de agua subterránea de la zona de descarga colectadas en el mes de agosto 2013, octubre 2013 y abril 2014 (3, 6 y 10 meses después). La siembra del Zeama es en octubre y la cosecha en abril, los granos de polen se encuentran en agosto 2013, noviembre 2013, enero 2014 y febrero 2014 (4, 7 ,9 y 10 meses después). Después de la siembra del maíz se prepara el terreno para Avesa la cual se cosecha en primavera (marzo), los granos de esta especie se encuentran en agosto 2013, noviembre 2013 y febrero 2014 (5, 7 y 11 meses después). El Quercus sp. solo se encuentra en la zona montañosa y su tiempo de floración es en abril, los granos de esta misma especie se identificaron en las muestras de agua subterránea colectadas en la zona de descarga en el mes de octubre de 2013 y en enero de 2014 (6 y 9 meses después) (Tabla 3). Los granos de polen de cultivo y característicos de la zona de recarga se identificaron en la zona de descarga de seis a siete meses después, lo cual representa el tiempo aproximado de residencia del agua subterránea en el área de estudio (Tabla 3). Este tiempo de residencia de 6 a 7 meses sugiere que la velocidad promedio es de 124 a 145 m/día. Cuatro especies características y propias de la zona de recarga que se presentaron en la zona de descarga (Quercus sp., Avesa, Cicar, Zeama) fueron tomadas como trazador clave para establecer conexión entre las zonas de recarga y descarga, siguiendo el gradiente de vegetación con BQ, TA, RA, MSM y VSa/BQ (ver Figura 1). El utilizar granos de polen naturales como marcadores en estudios hidrogeológicos ha proporcionado resultados muy satisfactorios.

Figura 4 Figura 4 Especies identificadas vs. el número de granos de polen presentes en muestras de agua subterránea colectadas de (a) norias de la zona de recarga y (b) manantiales de la zona de descarga, en el periodo de agosto de 2013 a junio de 2016. Las abreviaturas de los nombres de las especies se definen en la Tabla 2 y la localización de los sitios de muestreo se presenta en las Figuras 1 y 2.

La metodología MEPAM es un método novedoso, que permite obtener información de conexiones hidrológicas, trayectorias de partículas, direcciones de flujo, determinar de velocidades de flujo y, además, tiempos de residencia de 6 a 7 meses con distancias de hasta 26 km en un sistema cárstico. La MEPAM se puede emplear para el monitoreo de polen en trayectos largos en sistemas cársticos, por ejemplo para un enfoque más regional que considere las recargas en las sierras de Álvarez y El Coro (al este y noreste de la ciudad de San Luis Potosí), con sistemas mayores de descarga en la zona media del Estado de San Luis Potosí (p.ej., el manantial de la Media Luna, en Río Verde). Análisis más regionales han sido reportados por algunos autores (Peñuela-Arévalo y Carrillo-Rivera, 2013), utilizando la teoría de sistemas de flujo, donde la parte orgánica incluida en el análisis es realmente marginal y solo muy complementaria en la visión de caracterizar la conexión de sistemas de recarga y descarga de agua subterránea.

Tabla 3 Tabla 3 Especies presentes en diferentes puntos de muestreo siguiendo la ruta G2 de conexión hidráulica de la zona de recarga a la de descarga. Las celdas con líneas diagonales indican las especias que fueron utilizadas como trazadores. Las abreviaturas de los nombres de las especies se definen en la Tabla 2.

Una contribución científica del presente trabajo fue exponer la metodología MEPAM, la cual demuestra que el registro polínico en conjunción con isótopos ambientales tienen un enorme potencial para resolver problemas de conectividad hidráulica entre zonas de recarga y zonas de descarga o bien para identificar la conexión hidráulica entre dos cuencas hidrogeológicas en medios fracturados.

Los valores de .-excess indican las aproximaciones de las diferencias isotópicas asociadas a las agrupaciones de los diferentes aprovechamientos (Figura 6). El grupo G1, empobrecido en isótopos, es el que presenta la más alta diferencia isotópica entre las zonas de recarga y descarga (7.94 ‰ de diferencia). Su tiempo de residencia e interacción agua-roca refleja un recorrido mucho mayor y/o tiempo de descarga lento. Para el grupo G2 enriquecido medianamente en isótopos, la diferencia entre recarga y descarga es de 6.27 ‰, diferencia isotópica menor a la de G1 lo que sugiere que el tiempo de residencia e interacción agua-roca es ligeramente menor y por lo tanto su desplazamiento en el subsuelo es medianamente rápido. Esto se debe a que el agua atraviesa por un medio que esta más fracturado y/o poroso debido a la disolución de la roca, y la relación de la mezcla para un aprovechamiento como noria o manantial no es constante como lo indica Salameh (2004). Solo la recarga local puede explicar el enriquecimiento de isótopos (Salameh, 2004) y su fraccionamiento isotópico bajo. El grupo G3 presenta una diferencia isotópica entre recarga y descarga de 3.99 ‰, lo cual sugiere que su tiempo de residencia e interacción agua roca es menor y la descarga es rápida. En el grupo G4 la diferencia isotópica es mayor 6.36 ‰, por lo que se asume que el tiempo de residencia e interacción agua-roca es mayor y/o su descarga es menos rápida y de evaporación alta. Los grupos G1 y G2 son los grupos más representativos porque tienen una diferencia isotópica alta y mediana, un tiempo de residencia e interacción agua-roca mayor y el tiempo de descarga lento. Las firmas isotópicas con diferentes grados de fraccionamiento de los diferentes grupos G1 a G4 se muestran en la Figura 5, y son coherentes con lo que se muestra en gráfica de .-excess (Figura 6), que sugiere la conexión hidráulica entre la zonas de recarga y descarga de agua subterránea. Esto tambien concuerda con los resultados obtenidos con la MEPAM utilizando los granos de polen referidos en la Figura 4 y Tabla 2. Además, la estructura misma de la sierra donde se ubica Joya de Luna, y la ubicación de la zona de descarga presentan un sistema de fracturamiento asociado a la charnela de un pliegue mayor de dirección NW-SE, lo que sugiere que ambas zonas están conectados hidráulicamente a través de dicho sistema de fracturamiento (Figura 7).

Los resultados del presente estudio mediante la metodología polínica ambiental (MEPAM) contrastada o complementada con el uso de isótopos estables, tiene el potencial de contribuir a la caracterización e identificación de la conectividad hidráulica en zonas de recarga y descarga, rutas de migración (direcciones de flujo) y tiempos de residencia en sistemas cársticos complejos y así, estudiar la relación entre una zona de recarga y la de descarga.

Con los análisis de frecuencia y presencia/ausencia, se determinó que el tiempo fenológico de las especies utilizadas como trazadores en la zona de recarga es de 6 a 7 meses, lo cual equivale al tiempo de respuesta del sistema. Ademas, se dio evidencia de la conexión hidráulica existente entre la zona de recarga Joya de Luna y la zona de descarga en Guaxcamá utilizando polen de las especies Zea mays, Avena sativa, Cicer arietinum . Quercus sp. como trazadores.

Figura 5 Figura 5 Relaciones isotópicas de las muestras de agua subterránea, normalizadas al patrón de Viena para la composición promedio del agua oceánica (VSMOV), y al patrón de precipitación ligera estándar del Antártico (SLAP). LMWL: Línea de agua meteórica local; GMWL: Línea de agua meteorológica global.

Figura 6 Figura 6 Exceso de deuterio (d-excess) para muestras de agua subterráneas de la zona de recarga Joya de Luna y de la zona de descarga Guaxcamá. Las flechas delgadas unen muestras de los grupos isotópicos G1 a G4 definidos en el texto y en la Figura 5. La flecha grande punteada indica la dirección del flujo subterráneo.

Figura 7 Figura 7 Mapa de lineamientos estructurales del área de estudio sobrepuesto al mapa de distribución de la vegetación. Se muestran las dos rutas de migración del polen en el agua subterránea definidas por los grupos G1 y G2 (ver Figuras 5 y 6).

Los grupos conformados por firmas isotópicas similares (G1 y G2), pero con diferentes grados de evaporación de δ18O y δ2H, permitieron relacionar sitios específicos de la zona de recarga y de descarga, sobre una línea de evolución del agua subterránea; estos grupos confirman la conectividad entre ambas zonas. Los resultados del exceso de deuterio evidenciaron la conectividad hidráulica entre las zonas de recarga y descarga, observandose en lo valores de los grupos G1 y G2; esto nos permitió también analizar el tiempo de residencia y la interacción agua-roca. Los valores de ambos grupos nos indican que el tiempo de residencia del grupo G1 es mayor que el de G2, lo cual corrobora los resultados obtenidos con la metodología polínica, permitiendo además inferirir las direcciones de flujo. El mapa geológico-estructural nos muestra que los sistemas de fracturas asociados al plegamiento que afecta a las rocas calcáreas donde se desarrolla el carst, delinean, de manera general, la dirección de flujo inferida con los trazadores utilizados (Figura 7).

Finalmente, las limitantes reflejadas en el presente estudio son las siguientes: i) la cantidad de fracturas y porosidad de la roca, ya que el polen puede quedarse atrapado o bien desplazarse en otra dirección que no se ha considerado para el muestreo, ii) el tiempo empleado (hasta dos años) para crear una guía polínica que sea útil para identificar los granos de polen, ya que lo ideal es contar con una especie clave que esté presente únicamente en la zona de recarga, para que tenga la función de trazador polínico.

El Suplemento Electrónico A1 "Taxonomía de las plantas" y Suplemento Electrónico A2 "Morfología de polen colectado en las zonas de recarga y descarga" están disponibles en el portal web , en la tabla de contenido de este número.