Hidrogeologia de Aguas Subterranes

GEOQUIMICA EN AGUAS SUBTERRANEAS

POR:

JORGE ARMANDO CARDENAS

ERIKA TATIANA LOPEZ

ANGELA MOJICA AMAYA

HAROLD IVAN URRUTIA BONILLA

HIDROGEOLOGIA - INGENIERIA GEOLOGICA,

UPTC

• La Composición química de las aguas subterráneas puede aportar información sobre el comportamiento hidrológico regional.

• Los datos químicos ayudan a establecer datos de recarga y descarga, tiempos de permanencia en el terreno etc.

* EVOLUCION GEOQUIMICA DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS

*PRECIPITACIONES

*El agua lluvia tiene pequeñas cantidades de sustancias disueltas procedentes del polvo atmosférico (cantidades del orden de 0,2 a 0,4 mg/L de cada ion). O algo de Na+ en zonas costeras.

*LLUVIAS ACIDAS: en algunas regiones llegan a destruir la vegetación o la vida acuática en lagos. Por emisión de azufre en industrias y centrales eléctricas.

Produciendo las siguientes reacciones:

*Esas pequeñas concentraciones se concentran por destilación , por lo tanto parte de los iones en el agua subterránea proviene de la atmosfera

*EVOLUCION EN EL SUELO

*Gran parte de la personalidad geoquímica del agua subterránea se adquiere en los primeros metros de recorrido, debido a que el agua en el subsuelo es acida por la reacción del agua con el CO2.

*Esta acidez hace que el agua sea agresiva con los silicatos y carbonatos, en las reacciones de disolución de estos minerales intervienen lo H y la acidez disminuye.

*Mientras permanezca en el suelo el agua es acida, pero si esta llega a un acuífero, en el medio saturado no hay aporte de acidez, el agua se hace básica y pierde su capacidad de disolver carbonatos y alterar silicatos

*EVOLUCION EN LOS ACUIFEROS

*Desde que el agua alcanza el nivel freático hasta que sale a la superficie la evolución química de esta Dependerá de los minerales con los que entre en contacto y su duración. Que depende de la velocidad del flujo subterráneo.

*Mayor tiempo de permanencia, mayor salinidad del agua, esto es relativo : agua unas horas en contacto con cloruro de sodio será mas salina que otra que este en contacto con cuarzo.

*Las aguas subterráneas con menor permanencia en el subsuelo, son generalmente bicarbonatadas, después predomina el sulfato y las aguas mas salinas son cloruradas.

* Secuencia de Chevotareb

*Abundancia:*Probabilidad que existe de que el agua

encuentre minerales que le aporten bicarbonatos, sulfatos, cloruros.

Esta secuencia se debe a dos causas SOLUBILIDAD Y ABUNDANCIA.

El agua disuelve los minerales que encuentre en su recorrido y duración, hasta llegar a un equilibrio correspondiente y luego disolviera otros hasta su equilibrio y así sucesivamente. Solubilidad: Carbonatos<Sulfatos<Cloruros

*Solubilidad:

*Esquema trazado por Domenico:

*Distingue tres zonas en profundidad:

*Zona superior: Flujo activos recorridos cortos y tiempos de permanencia de años o decenas de años, aguas bicarbonatadas y poco salinas

*Zona intermedia: flujo menos activos, recorridos mas largos y tiempos de permanecia de miles de años, aguas mas salinas el anion predominante el sulfato

*Zona inferior: flujo muy lento, tiempos largos, millones de años, salinidad elevada y el agua es clorurada

En una misma zona se pueden encontrar composiciones muy distintas

Su química puede ser muy diferente

*Efecto ion común

*Un agua subterránea pasa de una formación de calizas a una de yeso.

* Los procesos de contaminación marina son un riesgo presente en todo acuífero costero, por lo tanto es vital determinar el estado actual y la susceptibilidad a la contaminación salina en el acuífero costero del Eje Bananero de Urabá ubicado en la zona noroccidental del Departamento de Antioquia, Colombia conocida como el Golfo de Urabá en jurisdicción de los municipios de Turbo y Apartadó, ya que al respecto se tiene poco conocimiento y lo único que se ha determinado con claridad es la presencia de un nivel subsuperficial de arcillas salinas, las cuales pueden ser causadas por la dinámica de la influencia marina actual o por procesos de génesis de dicha capa.

SUSCEPTIBILIDAD A LA

CONTAMINACIÓN SALINA DEL ACUÍFERO COSTERO DEL EJE

BANANERO DE URABÁ CON TÉCNICAS HIDROGEOQUÍMICAS

*SOLUCIONES…

*Se propone realizar una correlación entre la hidrogeología, que permita conocer las características hidráulicas del acuífero, su geometría, funcionamiento, balance y todos aquellos aspectos que contribuyan al mejor conocimiento del acuífero y los indicadores hidrogeoquímicos e isotópicos, los cuales constituyen una herramienta complementaria a la hidrogeología, para ello se va a realizar un análisis de los componentes iónicos del agua y la elaboración de mapas de isocontenidos; determinación de índices hidrogeoquímicos y determinar la existencia de ciertos procesos hidrogeoquímicos.

GENERALIDADES DEL AREA DE ESTUDIO

*El área del proyecto se encuentra ubicada al nor-occidente del departamento de Antioquia, cubriendo una extensión total aproximada de 6300 km². La zona plana, objeto principal del estudio, tiene alturas menores de 50 msnm y una extensión el resto del área lo ocupan las cadenas de colinas pertenecientes a la Serranía de Abibe con alturas que no superan los 1000 m.s.n.m.

*El relieve es plano con una leve inclinación hacia el NW, donde las alturas varían entre los 50 m.s.n.m. en Mutatá y los 0 m en el Golfo de Urabá. La temperatura promedio es de 28°C, la humedad relativa del 85% y precipitación que se incrementa de norte a sur entre 2200 mm/año y 3800 mm/año.

HIDROGRAFIA

*La zona se caracteriza por la presencia de una topo-grafía suave a ligeramente ondulada con alturas máximas de 50 metros sobre el nivel del mar, está limitada al oriente por la Serranía de Abibe, al noroc-cidente por El Golfo de Urabá y al occidente por el río León

*Los principales drenajes que cruzan el área pertenecen a la cuenca del río León, éste sigue un recorrido en di-rección sureste - noroeste para luego doblar hacia el norte y desembocar en el Golfo de Urabá. En aquel vierten sus aguas ríos que llevan una dirección prefe-rencia aproximada este-oeste

GEOLOGIA

*En el noroccidente de Antioquia, dentro del área de estudio afloran rocas pertenecientes a unidades geoló-gicas terciarias (38 a 1.8 millones de años) y cuaterna-rias (1.8 m.a. hasta hoy). De acuerdo a la evaluación del agua subterránea en la región de Urabá, realizada por INGEOMINAS la geología de la zona está compuesta por depósitos aluviales del cuaternario subyacidos por una secuencia sedimentaria terciaria. El material cuaternario es una secuencia alu-vial compuesta por capas finas de arcillas y limos in-tercaladas con gruesos tipo grava y arena cuyo espesor varía entre los 10 y 30 metros

HIDROGEOLOGIA

*INGEOMINAS (1995) propone la siguiente clasifica-ción de las unidades hidroestratigráficas para la región de Urabá:

RESULTADOS

*Los resultados de la relación de Mg / Ca, están entre 0,80 y 1,76, valores que caen dentro del intervalo es-tablecido para aguas continentales (0,2 – 1,8). En el mar la relación se aproxima a 5.

*La relación de Cl / CO3H, presenta resultados entre 0,016 y 0,138, valores que caen dentro del intervalo establecido para aguas continentales (0,1 – 6).

*VARIACIÓN ESTACIONAL DE LOS ISÓTOPOS EN LA PRECIPITACIÓN

*El H y el O, presentan el mismo comportamiento en los meses monitoreados. Los meses más húmedos son mayo y agosto.

CONCLUSIONES

*La calidad físico química del agua hasta donde se analizo no muestra que se esté produciendo avance de la cuña marina, excepto en un piezómetro (Pzc 10), que además presenta una litología diferente a los otros piezómetros, con escasos horizontes permeables y grandes espesores de arcilla.

*Según las características isotópicas de las muestras analizadas se podrían identificar tres tipos de agua, re-lacionadas con formaciones acuíferas diferentes, esta clasificación de tipo de aguas por composición isotópica, referida a unidades acuíferas, corresponde con el modelo hidrogeológico establecido para la zona.

*ADSORCION.INTERCAMBIO CATIONICO EN ARCILLAS

* Las superficies de los sólidos pueden estar cargadas eléctricamente por varias razones:

1. Valencias insatisfechas en los bordes de la estructura cristalina

2. Sustituciones atómicas dentro de la estructura de las arcillas(Al por Si;Fe,Mg por Al)

* Esto se presenta en diversos minerales, pero presentan especial interés las cargas negativas en la superficie de las arcillas. Estas cargas negativas atraen cationes, en una capa interior, fija y en una capa exterior, difusa, en equilibrio dinámico con la disolución.

* Este proceso de adsorción en arcillas es el origen de dos fenómenos importantes: el intercambio cationico y el efecto membrana.

* Los cationes adsorbidos no están fuertemente unidos, incluso los de la capa interior pueden llegar a intercambiarse con otros cationes de la solución.

El cambio se producirá cuando un catión en el agua tenga mas fuerza de adsorción y desplace a otros que estaban adheridos a la arcilla, por ejemplo:

los divalentes son adsorbidos mas fuertemente que los monovalentes, y dentro de cada grupo, mas fuerza los de menor radio iónico hidratado.la secuencia de mayor a menor fuerza es:

Ca++ > Mg++ > K+ > Na+

* PROCESOS DE OXIDACION REDUCCION

En las reacciones de oxidacion-reduccion algún elemento cambia su valencia perdiendo o ganando electrones.

Por ejemplo: si el Fe0 pierde dos electrones pasara a Fe2+ : Fe0 -- Fe2+ 2e- .en el Fe0 están equilibradas las cargas positivas(protones) y las negativas (electrones);por tanto, si pierde dos negativos se queda como Fe2+.

pero los electrones no se liberan como se indica en la reaccion anterior. Si uno pierde, otro los toma.el que pierde los electrones se oxida, el que los toma se reduce.

* ¿Qué sustancias son oxidantes y cuales reductoras?

*Una sustancia con facilidad para aceptar electrones se comportara, en general, como oxidante (e inversamente).pero todas las magnitudes son relativas (algo es grande o pequeño según con lo que lo comparemos):una sustancia que es buen donante de electrones (habitualmente se comporta como reductor,oxidandose el mismo), puede invertir su comportamiento, tomando electrones, si se enfrenta a otra que libera electrones con mayor facilidad.

*El poder oxidante de un agua (determinado por las sustancias oxidantes que contenga) se determina por el denominado potencial redox.

*En la evolución geoquímica de las aguas subterraneas,son muy importantes los procesos de oxidacion-reduccion.los oxidantes mas comunes son el oxigeno disuelto(O2) y los aniones No3

- Y SO4=

y los reductores habituales son la materia orgánica o el Fe2+ en minerales como la pirita.

* El esquema general es que el agua lleva los oxidantes(O2, NO3

= SO4=) y el terreno

dispone de los reductores(materia organica,pirita). El agua de lluvia es fuertemente oxidante, lleva oxigeno disuelto, y a lo largo de su recorrido, primero el suelo y después el acuifero,va participando en reacciones de oxidacion-reduccion perdiendo progresivamente su carácter oxidante haciéndose cada vez mas reductora. Primero interviene el oxigeno como oxidante, cuando se agota se comportan como oxidantes(se reducen) los sulfatos y nitratos.

• La evolución del potencial redox del agua a lo largo del recorrido en el terreno depende de muchos factores:1) si la carga es a través de un suelo sin materia orgánica, llegara al acuífero con oxigeno, con un elevado poder oxidante, si se infiltra lentamente a través del suelo rico en materia organica,perdera el oxigeno al atravesar el suelo, eso marcara el comportamiento posterior en el medio saturado.2) de la existencia de bacterias y sus nutrientes, muchas de estas reacciones ,aunque termodinámicamente deban producirse, si la presencia de bacterias se producirán a una velocidad muy lenta.3)de la existencia en los acuíferos de materia orgánica y otros agentes reductores.4)de la velocidad del flujo, que determina el tiempo de permanencia del agua en un tramo determinado.

* Evaluación hidrogeoquimica del acuífero de Morrosquillo

Es la principal fuente de abastecimiento de agua para consumo humano y para el desarrollo de las actividades económicas de la zona costera del departamento de sucre. por esta razón ha sido y sigue siendo el objeto de estudios realizados por diferentes instituciones a nivel local, departamental y nacional. Actualmente se encuentra en ejecución el proyecto “evaluación y modelación hidrogeoquimica del acuífero de Morrosquillo” el cual se lleva a cabo mediante convenio entre la CARSUCRE y la universidad de Antioquia

*Zona de estudio

*Modelo hidrogeológico conceptual

*La geología de la región de morrosquillo corresponde principalmente a depósitos marino-aluviales, se compone de un relleno litoral y fluvial en paleocauces,conformado por arenas cuarzosas finas, gravas y guijarros con intercalaciones de arcillas depositadas discordantemente sobre formaciones terciarias de carácter impermeable.

*Estructuralmente hay evidencias de actividad tectónica que ha causado plegamiento y fallamiento sobre las rocas regionales.se destacan el anticlinal de Toluviejo y las fallas longitudinales de Palmito, Guaimí y Toluviejo.

*Superficie piezometrica y red de monitoreo

*Información disponible

*Inventarios de puntos de agua.

*Cartografía base y temática.

*Datos piezometricos.

*Modelo geológico geofísico del golfo de Morrosquillo. En el cual se analizan 158 sondeos eléctricos verticales.

*Diagnostico ambiental del acuífero.

Aunque se cuenta con pocos ensayos de bombeo la conductividad hidráulica variaría entre 0.2 y 2.5 m/dia. Se infiere que las zonas donde este valor es mayor están asociadas a paleocauces.

*Gutiérrez 2004, mediante balance hídrico, calculo para el acuífero de Morrosquillo una recarga proveniente de la precipitación de 282mm/año, no se descarta la existencia de una recarga lateral desde la formación Toluviejo en las estribaciones de los Montes de María.

* Caracterización hidrogeoquimica

Diseño de la red de drenaje

Apartir de un modelo conceptual se reunieron los criterios para diseñar una red de monitoreo hidrogeoquimica, apartir de la cual se obtuvieron datos que permitieran fundamentalmente validar las condiciones de flujo de agua subterránea y hacer una primera interpretación.

La red constituida por 24 puntos subterranos,4 superficiales,2 manantiales en la formación Toluviejo, muestra de agua de lluvia y de mar se construyo teniendo en consideración los siguientes factores:

*1) Direcciones de flujo.2) diseño técnico de las captaciones.3) posibles diferencias en la composición química relacionada con la profundidad: para esto se tomaron muestras en piezómetros ubicados en el mismo lugar pero a diferentes profundidades.4) posible recarga lateral desde la formación Toluviejo.5) relación aguas superficiales-aguas subterráneas.