Relación de aguas superficiales y subterráneas en el área

Revista Geológica de Chile, Vol. 33, No. 2, p. 299-325, 13 Figs., 3 tablas, Julio 2006.

Relación de aguas superficiales y subterráneas en el área

del lago Chungará y lagunas de Cotacotani,

norte de Chile: un estudio isotópico

Departamento de Ciencias Geológicas, Universidad Católica del Norte,

Casilla 1280, Antofagasta, Chile

[email protected]

Departamento de Geoquímica, Petrología y Prospección Geológica,

Facultad de Geología, Universidad de Barcelona, E-08028 Barcelona, España

[email protected]

Departamento Estratigrafía, Paleontología y Geociencias Marina,

Grupo de Geodinámica y Análisis de Cuenca,

Universidad de Barcelona, E-08028 Barcelona, España

[email protected]

Instituto Pirenaico de Ecología,

Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Zaragoza, España

[email protected]

RESUMEN

El lago Chungará y las lagunas de Cotacotani corresponden a cuerpos de aguas superficiales localizados al noroestede la Cuenca del Lauca, en el Altiplano del norte de Chile. Todas las aguas superficiales y subterráneas tienen unasalinidad baja a moderada con conductividades eléctricas variables entre 48,7 y 3090 µS/cm. Los lagos están conectadosa acuíferos situados en los flancos de los edificios volcánicos próximos, así como en los depósitos de brechas deavalancha del volcán Parinacota. Las composiciones isotópicas de δ18O y δD y su relación con las concentraciones decloruro de las aguas del lago Chungará, lagunas de Cotacotani, manantiales afluentes y del río Chungará, demuestranque: a. las aguas del lago Chungará presentan una composición química e isotópica homogénea tanto en la horizontalcomo en la vertical, lo que indica una buena mezcla de las aguas en el lago; b. una parte importante de la recarga hídricaque alimenta las lagunas de Cotacotani procede de aguas del lago Chungará, canalizada a través de un flujo lateralsubterráneo y c. el agua subterránea que da origen a los manantiales de la zona tiene su recarga principal en lasprecipitaciones que se registran durante los meses de primavera-verano (octubre-marzo). Los altos contenidos de tritio(3H) medidos en las aguas de los manantiales del sector indican que existe una recarga actual (durante los últimosdecenios) al sistema acuífero. La aplicación de modelos de parámetro agregado para la interpretación del tiempo deresidencia del agua en el acuífero indica que el modelo de flujo de pistón es el que mejor se ajusta a las característicasisotópicas de estas aguas subterráneas.

Palabras claves: Lago Chungará, Lagunas de Cotacotani, Aguas subterráneas, Recarga, Isótopos estables, Tritio, Chile.

Christian Herrera

Juan José Pueyo

Alberto Sáez

Blas L. Valero-Garcés

300 RELACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS EN EL ÁREA DEL LAGO CHUNGARÁ Y LAGUNAS DE COTACOTANI...

ABSTRACT

Relation of surface and underground waters in Chungará and Cotacotani lake districts, northern Chile: anisotopic study. Lake Chungará and Cotacotani lake districts are surface water bodies located to the northwest of LaucaBasin in the northern Chilean Altiplano. Surface and underground waters show low to moderate saline content and anelectrical conductivity in the range of 48.7 to 3090 µS/cm. The lakes are related to a system of aquifers on the nearbyvolcano flanks and debris avalanche deposits of Parinacota volcano. On the basis of δ18O and δD isotopic compositionand its correlation with the chloride content in Chungará and Cotacotani lake, spring, and Chungará river waters it isdemonstrated that: a. Lake Chungará’s waters show vertical and horizontal homogeneous isotopic composition, whichindicates a good mixture of waters in the lake; b. an important part of the Cotacotani lake recharge feeding come fromLake Chungará, that flows laterally as groundwater; c. the groundwater that feeds the springs of the area has its mainrecharge in the spring-summer (October-March) precipitation. The high content of tritium (3H) measured in spring watersof the area suggested a very recent recharge (last decades) of the aquifer system. The application of lumped parametermodels to interpret the water residence time in the aquifer indicates that the piston flow model shows the best fit to theisotopic composition of Chungará-Cotacotani groundwater.

Key words: Lake Chungará , Cotacotani Lakes, Groundwater, Recharge, Stable Isotopes, Tritium, Chile.

El Desierto de Atacama sensu lato es una de lasregiones más áridas del mundo. Mientras que en lazona costera del norte de Chile las precipitaciones sonprácticamente nulas (1 mm de promedio anual) éstasaumentan progresivamente hacia la zona altiplánica,donde alcanzan los 350 mm anuales. La extremaaridez de la región está condicionada por la existenciade un anticiclón permanente en el Océano Pacífico,frente a las costas del norte de Chile y por la Cordillerade los Andes que constituye una importante barreraorográfica para los frentes de humedad que proce-den del Océano Atlántico a través de la CuencaAmazónica.

El lago Chungará y las lagunas de Cotacotani seubican en la parte nororiental de la Región de Tarapacá(Chile), en el interior del Parque Nacional Lauca (Fig.1). El clima imperante en el sector es estepario dealtura y se caracteriza por ser extremadamente secola mayor parte del año, con excepción del períodocomprendido entre los meses de diciembre a marzo,cuando se producen las mayores precipitaciones(Montti y Henríquez, 1970). Este patrón de precipi-tación de verano es conocido informalmente como'Invierno Altiplánico' o 'Invierno Boliviano' y represen-ta la humedad proveniente del Océano Atlántico. Laprecipitación media anual en la zona del lago Chungarádurante los últimos 35 años es de 331 mm, de loscuales 300 mm caen entre los meses de noviembrey abril (Dirección General de Aguas (DGA), 1987).

Los primeros estudios de las aguas en la zonade Chungará-Cotacotani tuvieron como objeto el controlde la calidad química de las mismas para evaluar suuso en regadío (Mladinic et al., 1984). Risacher et al.(2003) estudiaron la hidroquímica de las aguas entodas las cuencas del Altiplano chileno con especialénfasis en las aguas de lagos salinos, aunque tambiénproporcionaron datos sobre las subcuencas del lagoChungará y las lagunas de Cotacotani. Dorador et al.(2003), en un estudio reciente sobre microfauna dellago Chungará, proporcionan datos relativos a lasvariaciones temporales de parámetros físicos y quí-micos de las aguas del lago Chungará.

Aparte de los trabajos hidroquímicos menciona-dos, no hay estudios hidrogeológicos previos en lazona. No hay pozos o sondeos que permitan conocerel sistema de circulación de las aguas subterráneas,como tampoco estudios sobre la relación de loscuerpos de agua superficial con las aguas subterrá-neas. Este desconocimiento hidrogeológico ha gene-rado problemas en la utilización de los recursos hídricosen la zona. Así, en los años setenta se intentó explotarel agua del lago Chungará, a través de un bombeointensivo, con objeto de abastecer de agua dulce laactividad agrícola que se desarrolla en el valle deAzapa. No obstante, esta explotación fue rápida-mente detenida a causa de un descenso significativodel nivel del agua en el lago, que comenzó a afectarla flora y fauna del lugar.

INTRODUCCIÓN

C. Herrera, J.J. Pueyo, A. Sáez y B.L. Valero-Garcés 301

FIG. 1. Mapa de ubicación de los manantiales, río Chungará, lagunas de Cotacotani y lago Chungará.

Este estudio tiene como objetivo establecer hipó-tesis fundadas sobre el sistema de circulación de lasaguas subterráneas en el área de Chungará-Cotacotaniy su relación con las aguas superficiales, mediante lautilización de técnicas isotópicas ambientales. Ade-

La caracterización química e isotópica de lasaguas de los manantiales, lagunas de Cotacotani ylago Chungará, se realizó en tres campañas demuestreo: enero del 2002, noviembre del 2002 yenero del 2004. En la primera campaña se muestrearonprincipalmente los manantiales y algunas de las lagu-nas de Cotacotani. En la segunda se muestrearon

más, se pretende establecer el tiempo de residenciadel agua en los lagos con objeto de su utilización enmodelos paleolimnológicos y paleoclimáticos que serealizan sobre el conjunto de los sistemas lacustresen los Andes Centrales.

METODOLOGÍA

nuevamente los manantiales y las lagunas deCotacotani, y se realizó un muestreo sistemático(tanto en superficie como en profundidad) de lasaguas del lago Chungará. La tercera campaña tuvocomo objetivo conocer la variabilidad en la composi-ción química e isotópica de las aguas de las lagu-nas y manantiales.



Las variables medidas in situ fueron laconductividad eléctrica, el pH, la temperatura y laalcalinidad del agua. Se analizaron químicamente loscomponentes mayoritarios de 32 muestras de agua(Tabla 1). Los aniones fueron determinados mediantecromatografía iónica (Cl-, SO4

2-, NO3-) y volumetría

(HCO3-), y los cationes mediante espectrometría de

emisión de plasma (ICP-OES). Los análisis se rea-lizaron a partir de muestras filtradas (0,45 µm) en elmomento del muestreo que, para el caso de loscationes, fue además acidulada (1% HNO3).

En total se obtuvieron 43 muestras de agua paraanálisis de δ18O y δD (Tablas 2 y 3), de ellas 12corresponden a muestras de manantiales, 19 a mues-tras del lago Chungará y 11 a muestras de las lagunasde Cotacotani. A éstas se suman 5 muestras deprecipitación acumulada, obtenidas los meses demarzo de 2002 y noviembre de 2002. Tambiénfueron obtenidas 9 muestras de agua para análisis detritio en algunos manantiales y lagunas del sector.

Las muestras de precipitación fueron recogidas enrecipientes preparados para recuperar tanto la depo-sitación húmeda como la seca. En los recipientes severtió vaselina líquida para evitar los efectos de eva-poración en las muestras durante los períodos entrelas recolecciones. También se tomaron, en el momen-to de su caída (enero de 2004), dos muestras degranizo en la zona de las lagunas de Cotacotani.

Las muestras tomadas para análisis de δ18O y δD

fueron almacenadas en botellas de polietileno de 50mL. Las muestras obtenidas para análisis de tritio sealmacenaron en botellas de polietileno de dobletapón de 1 litro. Los análisis de δ18O y δD fueronrealizados en los laboratorios de los Servicios Cien-tífico-Técnicos de la Universidad de Barcelona. Paradeterminación de δ18O, se aplicó el método conven-cional de equilibrar con CO2, mientras que para ladeterminación de δD, se equilibró con H2 en presenciade platino como catalizador. La precisión es de 0,1‰para las medidas de δ18O y de 1,5‰ para δD. Lasdeterminaciones de tritio se realizaron en el Serviciode Radioactividad Ambiental de la Universidad Autó-noma de Barcelona.

Para la estimación del tiempo de residencia delagua en el acuífero se utilizó el código MULTIS(Ritchter et al., 1992), desarrollado para la interpreta-ción de datos isotópicos ambientales y radioactivosen estudios hidrogeológicos. Los dos modelos ex-tremos utilizados por este programa son elexponencial y el de flujo de pistón. El código tam-bién permite trabajar con distintas combinaciones enserie y en paralelo de estos modelos. Los cálculosque efectúa el código se pueden realizar tanto enforma directa como inversa. En forma directa se obtie-nen diferentes funciones teóricas de salida para losdistintos parámetros proporcionados, mientras queen forma inversa permite obtener los parámetros quemejor ajustan la función de salida teórica a la real.

TABLA 2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA DE LAS PRECIPITACIONES DEL ÁREA DE ESTUDIO.

Punto Fecha Altitudδ18OSMOW

(‰)δDSMOW

(‰)d

(‰)

Parinacota Mar-2002 4.380 m s.n.m. -15,03 -108,9 11,34

Lago Chungará Mar-2002 4.590 m s.n.m. -15,93 -117,5 9,94

Vn. Ajoya Mar-2002 5.000 m s.n.m. -19,40 -132,3 22,90

Parinacota Nov-2002 4.380 m s.n.m. -4,35 -16,5 18,30

Lago Chungará Nov-2002 4.590 ms.n.m. -16,27 -108,7 21,46

Cotacotani

(granizo)

Ene-2004 4.550 m s.n.m. -14,32 -91,6 22,96

Cotacotani

(granizo)

Ene-2004 4.550 m s.n.m. -14,62 -91,8 25,16


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MARCO GEOLÓGICO

El área del lago Chungará y de las lagunas deCotacotani se caracteriza por la intermitente actividadvolcánica desarrollada desde el Mioceno hasta laactualidad (Katsui y González-Ferrán, 1968; Wörneret al., 1988; Clavero et al., 2002). En la proximidadde los lagos existen tres importantes edificios volcá-nicos (los volcanes Parinacota, Ajoya y Quisiquisini;Fig. 2) que se levantaron sobre un basamento ignim-brítico de edad miocena que aflora al sur y este del lagoChungará (Wörner et al., 1988).

El volcán Parinacota es un estratovolcán de formacónica simétrica, que alcanza una altitud de 6.342m s.n.m., y muestra una buena conservación de lascoladas de lava y domos. Las coladas de lava másdistales del flanco sur del volcán corresponden al límitenorte del lago Chungará. Una serie de depósitos debrechas (debris avalanche) originados por colapsode este volcán se localizan al oeste del edificio volcá-nico y conforman el lugar sobre el que se sitúan laslagunas de Cotacotani (Clavero et al., 2002, Fig. 2).Las coladas de lava más recientes se localizan en losflancos sur y oeste del edificio volcánico, y correspon-den a lavas de composición andesítica-basáltica de

color gris oscuro y textura afanítica ('lava de Ajata'). Labuena conservación de las coladas de lava se debe,posiblemente, a que una parte importante del últimoedificio volcánico comenzó a ser construido hace unos18.000 años (Wörner et al., 1988).

El volcán Ajoya tiene edad miocena, se localiza enla parte sur del área de estudio y presenta un edificiovolcánico medianamente erosionado (Fig. 2). Aun-que se logra diferenciar parte de un antiguo cráter ensu cima, no se individualizan claramente las coladas delava que lo constituyen. Las lavas son principalmentede composición andesítica, de color gris, con texturasporfídicas con fenocristales de plagioclasa, hornblenday piroxeno (Katsui y González-Ferrán, 1968).

El volcán Quisiquisini tiene edad pleistocena, sesitúa al este del lago Chungará, y al igual que el volcánAjoya presenta un edificio volcánico medianamenteerosionado donde no se diferencian con claridad lasdistintas coladas de lava que lo constituyen. El volcánestá compuesto principalmente por lavas y tobas decomposición andesítica (Katsui y González-Ferrán,1968).

CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA HIDROLÓGICO DEL ÁREA DE CHUNGARÁ-COTACOTANI

El lago Chungará es un cuerpo de agua dulcesituado a 4.544 m s.n.m., con una superficie de 21,5km2 y una profundidad máxima de 36 a 40 m (Valeroet al., 2003). El lago se alimenta superficialmente porel río Chungará, que desemboca en el margen sur-oriental, con un caudal que varía entre 0,3 y 0,5 m3s-1

(Dorador et al., 2003). Además, el lago recibe apor-tes superficiales de una serie de manantiales situadosen las laderas de los volcanes que rodean el lago.Dado que en la zona de estudio no se han realizadoperforaciones, no se dispone de datos de permeabi-lidad y de gradiente hidráulico para estimar los aportesde agua subterránea que alimentan al lago Chungará.El volumen promedio del agua almacenada en el lagoes de 400 hm3 (Mühlhauser et al., 1995), y la evapo-ración media potencial anual en el lago de 1.230 mm(Risacher et al., 1999). Teniendo en cuenta sólo ladescarga anual por evaporación en el lago (aproxima-damente 26 hm3/año), se puede estimar un tiempomedio de residencia del agua en el lago de aproxima-

damente 15 años. Por otro lado, deben considerarselas descargas subterráneas de las aguas del lago, lascuales fluyen por un depósito de brechas (originadaspor colapso del volcán Parinacota), que serán estima-das en este trabajo mediante la aplicación deindicadores isotópicos.

Las lagunas de Cotacotani forman un complejosistema de cuerpos de agua, algunos de ellos desco-nectados entre sí, situado al noroeste del lago Chun-gará. El nivel medio de sus aguas se sitúa a 4.526 m,es decir 18 m por debajo del nivel del agua del lagoChungará. Las lagunas están separadas del lago poruna franja de brechas volcánicas, generadas duranteun evento explosivo holoceno que colapsó un anti-guo edificio del actual volcán Parinacota (Clavero et al.,2002, 2004). Estos depósitos están formados porbloques de lava de composición andesítica y riolíticaque, en algunos casos, pueden tener varios metrosde diámetro y que, en general, se encuentran distribui-dos de forma caótica. En el conjunto de las lagunas de


FIG. 2. Mapa geológico simplificado del área del lago Chungará y las lagunas de Cotacotani (modificado de Katsui y González-Ferrán, 1968;Clavero et al., 2002; SERNAGEOMIN, 2002)


Cotacotani se reconoce una gran laguna principal yotras de menor tamaño. La laguna principal abarca unasuperficie aproximada de 5,2 km2 que, durante losperíodos de menor aporte, reduce su superficie deagua libre a unos 4,1 km2. La profundidad máxima deesta laguna es de 20 m. Uno de sus tributarios super-ficiales más importantes es el río Benedicto Morales,situado en el extremo noreste de la laguna principal ycuyas aguas provienen de surgencias de manantialessituados en la parte nororiental del volcán Parinacota(Klohn, 1972; Fig. 1). Durante los períodos de nivelde agua bajo, un conjunto de lagunas de menor

tamaño quedan aisladas de la laguna principal deCotacotani, destacando la laguna Seca que tiene unaprofundidad máxima de 8 m cuando está conectadaa la laguna principal de Cotacotani, y de 1 m cuandoqueda aislada. En la vecindad de la laguna principal deCotacotani existen algunas lagunas de menor tamañoque están permanentemente desconectadas de lamisma. Las lagunas de Cotacotani tienen un desagüesuperficial hacia el bofedal de Parinacota a través deun umbral rocoso, con un caudal medio de 0,44 m3s-1

(DGA, 1987), que recibe el nombre de río Desa-guadero y da origen al río Lauca (Fig.1).

MARCO HIDROQUÍMICO DE LAS AGUAS SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS

Se muestrearon y analizaron las aguas superficia-les y subterráneas del área del lago Chungará y laslagunas de Cotacotani (Tabla 1). La calidad de losresultados analíticos se ha evaluado mediante elcálculo del error porcentual para todos los análisisquímicos (excepto para aquellos en los que faltaba elanálisis de algún electrolito) según la siguiente expre-sión (Custodio y Llamas, 1983):

La mayoría de las muestras presentan erroresinferiores a 8%. Considerando que la mayoría de lasmuestras tienen conductividades eléctricas inferioresa 500 µS/cm, son tolerables errores de hasta 8%(Custodio y Llamas, 1983), aunque en este trabajo seha considerado una muestra con un 10 % de error.

Una primera aproximación a la composición quími-ca de las aguas superficiales y subterráneas indica unabaja a moderada mineralización de las aguas, conconductividades eléctricas variables entre 48,7 y 3090µS/cm. Las aguas de los distintos manantiales del áreade estudio tienen temperaturas comprendidas entrelos 4,5 y 10,8 °C y conductividades eléctricas bajas,entre 48,7 y 955 µS/cm. Las temperaturas más bajasfueron medidas en el manantial 5 ubicado en el frentede la colada de 'Lava de Ajata', lo que hace suponerque la recarga que da origen a las aguas de estemanantial se produce en cotas altas, donde las tem-peraturas de las aguas de infiltración son más bajas.Todas las aguas de los manantiales son del tipobicarbonatado-cálcico con contenidos variables desodio, sulfato, magnesio y potasio (Ordenes, 2004).

El manantial que presenta una mayor mineralización esel 6, que se ubica en la ribera de laguna Seca, y cuyacomposición química y relaciones iónicas respondenal agua de la laguna principal de Cotacotani. Así, elorigen del agua de este manantial correspondería a ladescarga del almacenamiento en ribera, de agua dela laguna principal de Cotacotani, cuando el nivel deesta laguna desciende. Las muestras de los manan-tiales más diluidos muestran valores elevados de larelación rNa/rCl, que posiblemente están relaciona-dos con un mayor aporte de sodio como consecuen-cia de la alteración de plagioclasas. Esta hipótesis escoherente con el mayor contenido de sílice que pre-sentan estas aguas.

Las aguas del lago Chungará presentan una com-posición química muy homogénea, tanto en su distri-bución de superficie como en profundidad. Son aguasde tipo sulfatado-sódico-bicarbonatado-magnésico,con bajos contenidos de calcio, potasio y cloruro. Losvalores de las relaciones iónicas rNa/rCl, rSO

4/rCl yrMg/rCl de todas las muestras del lago presentan muypoca variación.

La composición química de las aguas de las lagu-nas de Cotacotani varía significativamente si estas seencuentran conectadas o no a la laguna principal. Lasaguas de la laguna principal de Cotacotani son de tiposulfatado-magnésico. Los valores de las relacionesiónicas rNa/rCl, rSO4/rCl y rMg/rCl de la laguna prin-cipal de Cotacotani y del manantial 6 (correspondientea la descarga de agua de almacenamiento en ribera dela laguna principal) se aproximan a los valores deestas relaciones obtenidos en el lago Chungará (Ta-bla 1). Dada la mayor mineralización de las aguas dellago Chungará, sugiere que la laguna principal de

∑ ∑∑ ∑

+−

=ancat

ancaterror 200(%)


Cotacotani recibe una aportación significativa de aguadel lago Chungará.

Con objeto de verificar si la composición químicadel agua de la laguna principal de Cotacotani corres-ponde a mezcla de agua subterránea y de aguaprocedente del lago Chungará, se ha realizado unamodelación hidrogeoquímica aplicando el programaPHREEQC (Parkhurst, 1995). En la simulación de lacomposición química del agua de la laguna principal seha mezclado en primer lugar agua de un manantial, conuna composición química representativa del aguasubterránea, y agua del lago Chungará, a fin dealcanzar las concentraciones de cloruros de las mues-tras de las lagunas de Cotacotani. Posteriormente seha puesto en contacto el agua resultante de estamezcla con algunas fases minerales reconocidas en elmedio geológico. Para evaluar los resultados de lasolución resultante se ha seguido la evolución del pH,

pCO2 y los índices de saturación de la calcita, ladolomita, el yeso y la magnesita.

La reproducción de la muestra del punto 15 corres-ponde a una muestra obtenida en el área de lagunaSeca, cuando sus aguas forman parte de la lagunaprincipal (noviembre de 2002). La reproducción deesta muestra se obtiene al mezclar 60,5 % de agua delmanantial 3 y un 39,5 % de agua del lago Chungarádel punto 19. Los resultados de esta mezcla simplereproducen razonablemente bien los contenidos desodio, sulfato, magnesio y potasio, mientras que loscontenidos de carbono y calcio muestran un ligerodéficit (Fig. 3). A continuación se ha disuelto 0,31mmol/L de calcita, obteniéndose un mejor ajuste delos contenidos de calcio y carbono. En este sentido,es posible reproducir la composición química de lasaguas de la laguna principal de Cotacotani sin consi-derar efectos de evaporación en la simulación.

FIG. 3. Representación de las muestras (enmmol/kg) manantial 3, Chungará 19,Cotacotani 15 y de las simulacionesde la composición química deCotacotani 15.

CARACTERÍSTICAS ISOTÓPICAS DE LA PRECIPITACIÓN

La caracterización isotópica de la precipitaciónse ha realizado utilizando datos propios, datoscorrespondientes a la ciudad de La Paz para elperíodo 1995-1998 [International Atomic EnergyAgency (IAEA/World Meterorological Organization(WMO)]1 y datos de precipitación correspondien-

tes a distintas localidades del norte de Chile(Aravena et al., 1999), de los que sólo se hanconsiderado los correspondientes a localidadessituadas a más de 4.000 m s.n.m. Se han utilizadolos datos de precipitaciones de la ciudad de La Pazdebido a su relativa proximidad al lago Chungará

1 2003. The Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP) database. Accessible at: http://isohis.iaea.org


(distante 220 km) y por la gran cantidad de informaciónexistente para los distintos meses del año, lo quepermite tener un conocimiento estadístico consisten-te. Todas las muestras presentan una buena correla-ción entre δ18O y δD en todos los puntos de muestreo,independientemente de la cercanía al área de estudio.Descartadas las muestras sospechosas de enrique-cimiento isotópico por evaporación, se ha calculadouna línea meteórica local por interpolación lineal me-diante mínimos cuadrados: δD = 7,9δ18O + 14 (Fig. 4).Si se comparan los valores isotópicos de las muestrasde precipitación obtenidas en el área de Chungará -Cotacotani con los valores isotópicos de las muestrasde la ciudad de La Paz, se observa que éstos últimosse ajustan bien a la misma línea meteórica. Esta líneameteórica local varía ligeramente respecto a otraslíneas calculadas en sectores próximos: δD = 7,8δ18O+ 10,3 para la Pampa del Tamarugal, a partir de datosde precipitación obtenidos en 1973 y 1974 (Fritz etal., 1981); δD = 7,8δ18O + 9,7 para el norte de Chile apartir de datos de precipitación obtenidos en 1983y 1984 (Aravena et al., 1999); δD =8,0δ18O+15,2 parala parte oriental del Altiplano (Gonfiantini et al., 2001).

En el caso de la línea meteórica obtenida por Fritzet al. (1981) en la Pampa del Tamarugal se hanconsiderado muestras de precipitación obtenidas, enla mayoría de los casos bajo los 4.000 m s.n.m. Lalínea meteórica obtenida por Aravena et al. (1999)para el norte de Chile también incorpora datos deprecipitaciones obtenidas bajo los 4.000 m s.n.m. Porotro lado, Gonfiantini et al. (2001) obtiene una rectameteórica para la parte oriental del Altiplano máspróxima a la obtenida para el área del lago Chungará.Al comparar el valor de exceso de deuterio (d=δD -8δ18O) de las muestras de precipitación de la parteoriental del Altiplano y las muestras del área Chungará-Cotacotani se observa una buena correspondenciade los valores. La similitud entre las respectivas líneasmeteóricas y la proximidad entre el valor del excesode deuterio de las precipitaciones en la parte orientaldel Altiplano (Gonfiantini et al., 2001), la ciudad de LaPaz y los valores obtenidos para las precipitacionesdel área Chungará-Cotacotani, hace suponer que lasmasas de aire que originan las precipitaciones en elárea del lago Chungará proceden exclusivamente delOcéano Atlántico a través de la cuenca amazónica, deacuerdo con el patrón entendido de la precipitación'diciembre a marzo'. En este sentido también esposible que los valores más altos de exceso dedeuterio de estas precipitaciones reflejen un origenmás continental de la masa de humedad atmosférica,

como puede ser el agua evaporada en el lago Titicacay en otros cuerpos de aguas superficiales del Altiplano.

La composición isotópica del agua de lluvia de LaPaz se caracteriza por una amplia variación de δ18O(entre 1,2 y -21,1‰) y de δD (entre 22,5 y -160,1‰).Los valores isotópicos más ligeros tendrían su origenen el fuerte fraccionamiento cinético que sufren lasmasas de aire provenientes de la Amazonía que, alascender por el margen oriental del Altiplano, se venafectadas por una disminución progresiva e importan-te de temperatura. Esto permite una condensaciónpreferencial, la separación del sistema de las molécu-las isotópicamente más pesadas y, consecuente-mente, un aligeramiento del vapor atmosférico resi-dual. Así, al continuar su desplazamiento hacia eloeste, el vapor atmosférico puede alcanzar una com-posición isotópica muy ligera.

Los valores de δ18O y δD de las precipitaciones deLa Paz, Pampa Lirima, Puchuldiza, Collahuasi y delárea de estudio, agrupadas según muestras obteni-das en los meses de octubre-marzo y los meses deabril-septiembre, muestran claramente que duranteoctubre-marzo tienen una composición isotópica másligera que en los meses más fríos (Figs. 4 y 5). Así,se pueden diferenciar variaciones estacionales en lacomposición isotópica de las aguas de lluvia. Losvalores isotópicos más pesados de las lluvias delperíodo abril-septiembre en La Paz, están relacio-nados con la menor cantidad de precipitaciones regis-tradas durante ese período, y el consecuente inter-cambio isotópico con la humedad ambiental si sucomposición isotópica es diferente. Este fenómenotiene importancia en lluvias de pequeña intensidad oen los primeros momentos de lluvias intensas y noafecta a la precipitación en forma de nieve (Custodioy Llamas, 1983). La relación entre δ18O y precipitación(mm) en las lluvias de la ciudad de La Paz (Fig. 6)muestra como tendencia general que a mayor canti-dad de precipitación, la composición isotópica es másligera. Esta relación entre la cantidad de precipitacióny la variación de la composición isotópica también hasido descrita por Aravena et al. (1999) para lasprecipitaciones del norte de Chile.

Las muestras obtenidas en este estudio corres-ponden a precipitación acumulada durante los mesesde enero-marzo de año 2002, abril-noviembre de2002 y enero de 2004 (Tabla 2). Las muestras fueronobtenidas a distintas cotas y estaban localizadas en elpoblado de Parinacota (4.380 m s.n.m.), en el refugiode la Corporación Nacional Forestal (CONAF) en elmargen sur del lago Chungará (4.590 m s.n.m.) y en


FIG. 4. Composición isotópica (δ18O y δ2D) de las muestras de precipitación obtenidas en la ciudad de La Paz por el Organismo Internacionalde Energía Atómica (IAEA, 2003) para el período 1995-1998, datos de precipitación obtenidos por Aravena et al. (1999) en distintaslocalidades del norte de Chile (sólo se han considerado los datos de localidades situadas a más de 4.000 m s.n.m.) y las muestrasobtenidas en esta investigación. LML: Línea meteórica local.

FIG. 5. Diagramas de caja de las muestras de lluvia (diferenciadas según la estación húmeda y seca), nieve (Nevado Sajama) y manantialesdel área de estudio. En cada caja achurada está englobado el 50% de los datos de δ18O para cada una de las variables, con elvalor mediano representado por la línea horizontal que divide la caja. El límite inferior de la caja corresponde al percentil 25 de lamuestra y el límite superior al percentil 75. La línea que se extiende hacia abajo y hacia arriba de cada caja marca el rango de losvalores máximos y mínimos comprendidos entre la diferencia del valor de la mediana y 1,5 veces el valor intercuartil (rangocomprendido entre los percentiles 75 y 25). Los valores extremos se indican con círculos y asteriscos. Relación entre el valor deδ18O y la cantidad de precipitaciones medias mensuales de la ciudad de La Paz (período 1995-1998).


las cercanías de la cumbre del volcán Ajoya (aproxi-madamente a 5.000 m s.n.m.). Los datos muestran elefecto altitudinal en la composición isotópica de estasmuestras, que se caracteriza por un elevado gradienteisotópico respecto de la altitud. Así, la precipitaciónacumulada en el verano de 2003 en la estación deParinacota tiene una δ18O de -4,35‰, valor que estámuy enriquecido respecto a la muestra de lluvia ob-tenida para el mismo período en la estación del volcánAjoya, que tiene una δ18O de -19,4‰. Si se consideralos valores de δ18O de las muestras correspondientesa la estaciones de Parinacota y del volcán Ajoya, seobtiene un gradiente altitudinal de 2,4‰/100 m,mientras que si se consideran las muestras de laestaciones del lago Chungará y del volcán Ajoya, elgradiente altitudinal de la δ18O se reduce a 0,76‰/100 m. Estos gradientes de composición isotópicaobtenidos en el área de estudio son extremadamentealtos si se comparan con los existentes en otrasregiones del mundo y que, en general, oscilan entornoa 0,25‰/100 m (Plata, 1994). Aravena et al. (1999)también describe elevados gradientes isotópicosrespecto de la altitud para las precipitaciones deverano en distintos sectores del norte de Chile que,en el caso del δ18O, alcanzan -1‰/100 m. Gonfiantiniet al. (2001) a partir del muestreo de agua de lluviamensual también ha determinado gradientes isotópi-cos respecto de la altitud en el margen oriental delAltiplano que alcanzan los -0,26‰ / 100 m. Aparen-temente, el valor del gradiente isotópico altitudinal es

más alto si se consideran las muestras de lluvia obte-nidas a una altitud más baja, que si se consideran lasmuestras de gran altitud. Según Gonfiantini et al.(2001) las marcadas diferencias de los gradientesisotópicos con la altitud de la parte oriental y occidentaldel Altiplano indican el aporte de una segunda fuentede humedad procedente del Océano Pacífico. Noobstante, esta hipótesis se contradice con los datosmeteorológicos, según los cuales las masas de aireque originan las precipitaciones en el Altiplano delnorte de Chile provendrían del Océano Atlántico víacuenca amazónica (Aravena et al., 1999).

Los valores de la composición isotópica de mues-tras de granizo del área de las lagunas de Cotacotanicoinciden con la composición isotópica de las mues-tras de lluvia correspondientes a esta misma altitud(ca. 4.500 m s.n.m.) (Fig. 7a). Estos valores indicanque el fraccionamiento isotópico de este agua sigueel modelo de Rayleigh para el agua de lluvia con unacondensación preferencial, y renovación del sistema,de las moléculas de agua más pesadas. Una explica-ción para este fenómeno fue dada por Gonfiantini etal. (2001) quien, a partir de una modelación delfraccionamiento isotópico de las precipitaciones en laparte oriental de la Cordillera de los Andes de Bolivia,deduce que el hielo se formó por congelación degotas de agua de lluvia ya separadas de la fase vapory que, por tanto, no sufrieron un nuevo fraccionamien-to isotópico significativo.

FIG. 6. Relación entre el valor de δ18O y la cantidad de precipitaciones medias mensuales de la ciudad de La Paz (período 1995-1998).


δδδδδ18O Y δδδδδD DE LAS AGUAS SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS

En la figura 7a se representan todos los datosdisponibles de δ18O y δD de las muestras de aguassuperficiales y subterráneas del área de estudio,donde se comparan con la línea meteórica mundial (δD= 8δ18O+10) y la línea meteórica local (δD= 7,9δ18O+14) que mejor se ajusta a los datos de precipitaciónque no han sufrido evaporación. Este gráfico incluyetodas las muestras obtenidas en los distintos puntosde muestreo y en distintos períodos, con el fin deevaluar posibles variaciones en la composición isotópicade las aguas. En general, se observa que las variacio-nes en la composición isotópica de δ18O y δD en lasaguas superficiales y subterráneas obtenidas en dis-tintos períodos de tiempo son mínimas y sólo sedetectan algunas variaciones significativas en algunaslagunas de Cotacotani, específicamente aquellas la-gunas aisladas temporalmente de la laguna principal.

Las aguas del lago Chungará presentan una bue-na agrupación de los valores de δ18O y δD y estánconsiderablemente enriquecidas respecto a las aguasde los manantiales (Fig. 7a). El valor medio de la δ18Oes de -1,4‰ y el de δD, de -43,4‰. Las aguas del lagose caracterizan por presentar una composiciónisotópica muy homogénea en la vertical, indicando unabuena mezcla de las aguas del lago, al menos duranteel período de muestreo. Sólo las muestras obtenidasa más de 20 m de profundidad, muestran una compo-sición de δ18O y δD algo más ligeras respecto que lasmuestras obtenidas a menor profundidad (Tabla 3).No obstante, estas diferencias no superan el 4‰ parala δD, y el 0,2‰ para la δ18O, diferencias que sonpróximas al error analítico.

Las composiciones isotópicas de δ18O y δD en lasaguas subterráneas, caracterizadas a partir del aguade los manantiales, presentan una composiciónisotópica muy ligera, con un valor medio de δ18O de-15,8‰ y un valor de δD de -115‰. Estos valoresresponden a la composición isotópica de las precipi-taciones más ligeras que ocurren en los meses deverano (Fig. 7a). Todas las muestras se sitúan muypróximas entre sí y sobre la línea meteórica local, oligeramente por debajo de la misma. Esto indica enalgunos casos la posibilidad de un moderado efectode evaporación durante la infiltración del agua de lluvia.Las bajas temperaturas que se registran en el áreadurante todo el año no favorecen una evaporaciónimportante a pesar de la escasa cobertura vegetal.

Esto es coherente con los bajos valores estimados deevaporación media mensual potencial durante losmeses de verano de apenas 135 mm (DGA, 1987).En aquellas muestras de manantiales que no presen-tan efectos de evaporación, el valor de exceso dedeuterio (d) de las aguas varía entre +14‰ y +19‰,siendo estos valores iguales o ligeramente inferioresa los valores de exceso de deuterio reconocidos enlas precipitaciones (Tablas 2 y 3). Esto muestra elorigen más continental de las masas de humedad queoriginan la recarga de los acuíferos.

La composición isotópica del agua del río Chungaráes similar a la de las aguas de los manantiales (Fig. 7a).Esto es afín con el hecho de que las aguas que danorigen a este río son esencialmente aguas subterrá-neas que afloran en los distintos bofedales del sector.Al comparar los valores de exceso de deuterio de lasaguas del río Chungara con las aguas de los manan-tiales se observa una buena correspondencia devalores y demuestra la ausencia de efectos de eva-poración en las aguas del Río, a pesar de que lasmuestras fueron tomadas en verano y en el curso finaldel río, poco antes de desembocar en el lago Chungará(Tabla 3).

Las aguas de las lagunas de Cotacotani presentanunas composiciones de δ18O y δD variables segúnestén conectadas, temporal o permanentemente, a lalaguna principal. Así, las aguas de la laguna principaltienen una composición isotópica constante en eltiempo, caracterizada por presentar valores interme-dios entre la composición isotópica de las aguas dellago Chungará y las aguas subterráneas muestreadasa partir de los distintos manantiales (Fig. 7a). Lacomposición isotópica de las muestras de la lagunaprincipal de Cotacotani, tienen valores medios deδ18O de -7,5‰ y de δD de -75,1‰. Del mismo modoque la composición isotópica de δ18O y δD de la lagunaprincipal, las concentraciones de cloruro de estasaguas son aproximadamente intermedias entre lasconcentraciones de las aguas de los manantiales y lasaguas del lago Chungará (Fig. 7b). Por otro lado, laslagunas de Cotacotani presentan valores de excesode deuterio (d) negativos que permiten deducir efec-tos de evaporación. No obstante, en el caso de lalaguna principal de Cotacotani y otras lagunas, losvalores de exceso de deuterio no son determinantespara definir si las aguas han sido afectadas por evapo-


FIG. 7. a. Composición isotópica (δ18O/δD) correspondiente a la precipitación, lagunas de Cotacotani, lago Chungará y manantiales delárea de estudio. LMM: Línea meteórica mundial; LML: Línea meteórica local; LM: Línea de mezcla; LE: Línea de evaporación; b.Composición isotópica (δ18O/δD) y concentración de cloruro (entre paréntesis) de las lagunas de Cotacotani, lago Chungará ymanantiales.


ración, debido a que corresponden a la mezcla deagua subterránea y agua del lago Chungará que yatiene efectos de evaporación.

La mayoría de las muestras de agua correspon-dientes a lagunas que tienen una conexión intermiten-te con el sistema de la laguna principal, muestrancomposiciones isotópicas de δ18O y δD con un clarofraccionamiento por evaporación (muestras 16 y 17;Fig. 1). También presentan mayores contenidos encloruro respecto a las aguas de la laguna principal deCotacotani (Fig. 7b). Estas muestras se proyectanalineadas según una pendiente de evaporación de4,1 (Fig. 7a) que resulta ser la correspondiente aevaporación a partir de agua libre, con una humedadrelativa entre 25 y 50% (Gonfiantini, 1986). Por otrolado, las aguas de las lagunas que están permanen-temente aisladas de la laguna principal pueden tenercomposiciones isotópicas muy variables, depen-diendo del grado de mezcla de aguas del lagoChungará con aguas subterráneas y mostrando, ge-neralmente, importantes fraccionamientos por eva-poración.

Algunas muestras de las lagunas de Cotacotanimás próximas al lago Chungará, como es el caso delos puntos 9, 10, 11 y 12 (Fig. 1), presentan compo-siciones isotópicas δ18O y δD que se alejan de laagrupación de puntos anteriormente descrita (Figs. 7ay 7b, Tabla 3). La muestra del punto 9 correspondea una laguna aislada situada en los depósitos volcáni-cos de brecha. Su composición isotópica más enri-quecida y su mayor concentración de cloruro respectoa la agrupación de puntos de la laguna principal deCotacotani, indican un fraccionamiento isotópico porevaporación. La muestra obtenida en el punto 10corresponde a una laguna aislada, situada al sur delresto de lagunas, cerca del lago Chungará, y secaracteriza por presentar composiciones isotópicasmás ligeras, que la sitúan en la línea de mezcla de lasaguas de los manantiales y del lago, pero muy próxi-ma a la composición isotópica del agua de los manan-tiales (Tabla 3). Esta muestra tiene una composiciónisotópica y un contenido en cloruro que indica un mayoraporte de agua subterránea respecto a la contribuciónde agua del lago Chungará. El punto 11 correspondea una pequeña laguna, de escasa profundidad (0,5m), situada a 80 m del lago Chungará que, muyprobablemente, está alimentada por agua del mis-mo, en períodos en que el nivel del lago sube, y porlas precipitaciones que caen directamente sobre lamisma. La composición isotópica más próxima a la

línea meteórica local y la menor concentración decloruro respecto al agua del lago Chungará, hacesuponer un aporte importante de agua de lluvia a estalaguna. Por esa razón, la evaporación que posterior-mente ocurre en la laguna, la obliga a seguir una líneaevolutiva que partiría de una composición isotópicadistinta al agua del lago Chungará. El punto 12 corres-ponde al agua de una pequeña laguna formada por ladescarga de un manantial en el frente de la coladade 'Lava de Ajata', siendo su composición isotópica máspesada y su contenido en cloruro mayor respecto alagua de los manantiales (Fig. 7b). Las composicionesisotópicas del agua en esta laguna muestran los efec-tos de la evaporación, sobre el agua subterránea, delos acuíferos de los flancos de los volcanes (represen-tados por los manantiales) sin sufrir mezcla con el aguaprocedente del lago Chungará.

El punto 18 corresponde a una pequeña laguna depoca profundidad (0,2 m) ubicada en la parte sur delsistema de lagunas. Por su mayor altitud, esta lagunapermanece desconectada permanentemente de lalaguna principal de Cotacotani. El mayor enriqueci-miento isotópico que presenta, así como su menorconcentración en cloruros, hace suponer que la lagunacontiene, esencialmente, agua de los acuíferos situa-dos en los flancos de los volcanes que incorporan enparte agua de las precipitaciones que caen directa-mente en la laguna. Esto también es coherente con lacomposición química y relaciones iónicas de estaagua, que la sitúan más próxima a la composiciónquímica de las aguas de los manantiales que a laslagunas de Cotacotani, aunque muestra evidentesefectos de concentración por evaporación.

Utilizando los valores medios de δ18O de laslagunas de Cotacotani, y una vez descartadas lasmuestras sospechosas de haber sido afectadas porevaporación, se ha efectuado un balance de masascon objeto de evaluar la contribución a las mismas, deaguas del lago Chungará y de aguas subterráneas.Se asigna valor 1 a las aguas de las lagunas deCotacotani, valor X a la contribución de las aguassubterráneas, y valor 1-X a la contribución del lagoChungará. La contribución de estos tipos de aguaa las lagunas de Cotacotani será:

X(-15,8) + (1-X) (-1,4) = 1(-7,5)

El resultado de este balance indica que las aguasde las lagunas no aisladas de Cotacotani están cons-tituidas aproximadamente por un 42% de agua subte-


rránea de los acuíferos que flanquean los volcanesy por un 58% de aguas procedentes del lago Chungaráen el acuífero del depósito volcánico de brechas.Estos valores son muy cercanos a los resultadosobtenidos con la modelación hidrogeoquímica pre-sentada anteriormente. Si se considera que la lagunaprincipal de Cotacotani descarga sus aguas en el ríoDesaguadero, con un caudal medio de 0,44 m3s-1

(DGA, 1987), y se desprecian las pérdidas porevaporación (dado que existe un flujo continuo deagua en la laguna principal), se obtiene que la descar-ga subterránea del lago Chungará hacia las lagunas esde aproximadamente 0,25 m3s-1.

El hecho de que aproximadamente el 58% delagua de las lagunas de Cotacotani provenga del lagoChungará demuestra la existencia de un importanteflujo de agua subterránea a través de los depósitos debrechas volcánicas, desde el lago Chungará hacia laslagunas. Si bien no existen pozos que permitan definirlas características de este flujo subterráneo, se haestimado el gradiente piezométrico medio de lasaguas subterráneas considerando el desnivel exis-tente entre ambos cuerpos de aguas superficiales yla distancia horizontal que los separa. Así se obtieneun bajo gradiente hidráulico de sólo 0,004, que indica-ría una alta permeabilidad de los depósitos de bre-chas que separan a ambas subcuencas.

Se ha demostrado la existencia de flujos de aguasubterráneos entre cuencas cerradas, en terrenosvolcánicos en otras cuencas del Altiplano del norte deChile. Es el caso de las cuencas de los Salares deMichincha y de Coposa, situadas 200 km al sur dellago Chungará; entre ellas se ha calculado un flujosubterráneo de 0,2 m3s-1 a partir de un estudioestratigráfico y piezométrico detallado (Montgomeryet al., 2003).

La comparación mediante diagramas de cajas delos valores de δ18O de todas las muestras de agua demanantiales obtenidas en Chungará-Cotacotani con

los valores isotópicos de la precipitación (Aravena etal., 1999) y los valores isotópicos de la nieve deNevado Sajama (Thompson, 2000) muestran lasmarcadas diferencias de los valores medianos deδ18O de la lluvia correspondiente a los meses deprimavera-verano (octubre-marzo) con los meses deotoño-invierno (abril-septiembre; Fig. 5). Los valoresisotópicos de las precipitaciones de primavera-vera-no, que en general se ajustan a un valor de δ18O de -16‰,se aproximan más al valor mediano de δ18O de lasaguas de los manantiales respecto a las muestras delluvia de otoño-invierno. Si se tiene en cuenta la mayorcantidad de muestras lluvia correspondientes a laciudad de La Paz para la primavera-verano, se obser-va que la correspondencia con el valor mediano deδ18O de los manantiales es aún más clara. Esto permiteafirmar que la recarga del agua que da origen a losmanantiales del área de Chungará-Cotacotani se pro-duce casi exclusivamente como consecuencia de laslluvias ocurridas en los meses de primavera-verano.

El Nevado Sajama se localiza 40 km al noreste delárea de estudio y alcanza una altitud de 6.540 m s.n.m.Sus muestras corresponden a un sondeo en hielo de150 m de profundidad, realizado en el glaciar y en elque se han diferenciado dos unidades (Thompson etal., 2000): a. Las muestras de la unidad superior, quecorresponden a los últimos 12.000 años, tienen unacomposición isotópica muy estable, en torno a unvalor de δ18O de -17,2‰, y b. Las muestras de launidad inferior, con una edad entre 12.000 y 20.000años, se caracterizan por presentar una δ18O media de-21,5‰. Las composiciones isotópicas de las mues-tras de agua subterránea de los manantiales deChungará-Cotacotani se corresponden bien con lacomposición isotópica de la nieve que ha caído duran-te los últimos 12.000 años, por lo que inicialmente sepuede afirmar que estas aguas han sido recargadascon posterioridad al último período de glaciación.

EDADES DE LAS AGUAS DE LOS MANANTIALES

La edad de las aguas que dan origen a los distintosmanantiales del área del lago Chungará se ha deter-minado a partir del análisis de su contenido en tritio. Eltritio es un isótopo radioactivo del hidrógeno (3H) quedecae a 3He por emisión de partículas beta, y tiene unperíodo de semidesintegración de 12,33 años

(Takaoka y Mizutani, 1987). El tritio producido en laatmósfera, ya sea de forma natural o artificial, pasa aformar parte de las moléculas de agua y se incorporaal ciclo hidrológico, donde se comporta como un trazador.Las explosiones termonucleares realizadas en losaños sesenta inyectaron en la atmósfera grandes can-


tidades de tritio, que sobrepasaron con creces lasconcentraciones naturales. De este modo se generóuna importante anomalía de tritio a nivel mundial en lasprecipitaciones registradas en los años 1963-1964,que en la estación de Ontario (Canadá) alcanzaron unmáximo de 10.000 U.T. Dicha anomalía fue muchomenor en América del Sur, alcanzando un valor máxi-mo de 290 U.T. en Río de Janeiro.

La distribución de los contenidos de tritio en lasprecipitaciones, durante los períodos en que se produ-ce la recarga, puede ser utilizada como función deentrada del trazador. Como se deduce del estudio delas composiciones isotópicas (δ18O y δD) en Chungará-Cotacotani, la recarga al sistema acuífero se produceprincipalmente por las precipitaciones correspondien-tes a los meses de primavera y verano. Por tanto, lafunción de entrada de los valores de tritio ha sidoponderada respecto al valor medio mensual de laprecipitación.

Una de las dificultades para la construcción de lafunción de entrada de tritio en el área de estudio esla falta de un control continuo de la actividad de tritioen el agua de lluvia desde 1954 hasta la actualidad.En Sudamérica no existe ninguna estación de obser-vación con una serie continua de datos, siendo las

más completas las del Organismo Internacional deEnegía Atómica (OIEA) situadas en Porto Alegre yRío de Janeiro. Hay cuatro estaciones de observa-ción a una latitud relativamente próxima al área deChungará-Cotacotani, cuyos datos han permitidocompletar de manera aproximada la función de en-trada de tritio: Cuzco (3.246 m s.n.m.) en Perú, LaPaz (4.071 m s.n.m.) en Bolivia, y Los Molinos(1.300 m s.n.m.) y Salta (1.187 m s.n.m.) en Argen-tina. No obstante, para poder interpretar correcta-mente los resultados de tritio es preciso conocer susconcentraciones en el agua de lluvia desde 1953,cuando se iniciaron los ensayos termonucleares en laatmósfera. Por esta razón, para el período compren-dido entre 1954 y 1968 la serie fue completada condatos de tritio de Puerto Alegre y Río de Janeiro, enBrasil. Los contenidos en tritio del agua de lluvia decada una de las estaciones indicadas anteriormenteponen de manifiesto la anomalía mundial de tritio demediados de los años sesenta (Fig. 8). Dichoscontenidos evolucionan de forma similar para lasdistintas estaciones consideradas, lo que permiteutilizar los contenidos en tritio de cada una de ellascomo referentes de una función de entrada del con-tenido del agua de lluvia.

FIG. 8. Concentración de tritio mensual del agua de lluvia medido en las estaciones del Organismo Internacional de Energía Atómica dePorto Alegre (Brasil), Cuzco (Perú), Salta (Argentina), Los Molinos (Argentina) y La Paz (Bolivia).


Los datos de la estación de Los Molinos muestranuna anomalía en el año 1986, con un aumento en elcontenido de tritio de 43,4 U.T. (Fig. 8), que no seobserva en otras estaciones de la región, lo que hacesuponer su carácter local. Dado que la estación de LosMolinos se ubica aproximadamente 1.000 km al surdel área de estudio, es difícil que los efectos de estaanomalía hayan afectado las precipitaciones en el áreaestudiada. No obstante, considerando esa posibili-dad, se ha trabajado con dos funciones de entrada: lafunción 1, que no considera la anomalía de tritio de LosMolinos (Fig. 9), y la función 2, que si la considera (Fig.10). En ambos casos, los contenidos de tritio anualeshan sido ponderados respecto al valor medio men-sual de las precipitaciones que se registran en lalocalidad de Parinacota, según:

Los contenidos en tritio de las aguas de losmanantiales, medido en el sector Chungará-Cotacotani, muestran variaciones según su localiza-ción (Tabla 3), pudiéndose diferenciar tres grupos demanantiales: a. los situados al norte del volcán Ajoya,con contenidos de tritio entre 1,5 y 2,5 U.T.; b. elmanantial 1 y el río Chungará, situados al este delvolcán Ajoya, con contenidos de tritio en torno a la 5U.T., y c. el manantial 5 situado al frente de una coladade lava del volcán Parinacota y que tiene una concen-tración de tritio de 8 U.T.

La interpretación de los datos de tritio se harealizado mediante modelos de parámetros agre-gados con la aplicación del código MULTIS (Ritchteret al., 1992). Generalmente estos modelos ignoranvariaciones espaciales y suponen que todo elacuífero se comporta homogéneamente. El princi-pal parámetro de estos modelos es el tiempomedio de residencia o de renovación, que corres-ponde al cociente entre el volumen de agua circulan-te y el caudal medio anual drenado por el sistemaen régimen estacionario (Lambán, 1998). Para apli-carlos y conocer el tiempo de residencia de lasaguas subterráneas es preciso establecer un mo-delo teórico de funcionamiento del sistema. Una

condición ideal para la aplicación de los modelosagregados se consigue con una observación prolon-gada en el tiempo de los contenidos de tritio en cadauno de los puntos muestreados. Esta condición per-mitiría evaluar la tendencia general de decaimiento delcontenido de tritio en cada uno de ellos y, por lo tanto,conocer cuál de los modelos agregados es el quemejor se ajusta al sistema acuífero en cuestión. Noobstante, una aplicación inicial de estos modelos,aunque no sea en las condiciones ideales menciona-das, permite obtener una primera aproximación deltiempo de residencia del agua en el acuífero.

Los modelos básicos corresponden al modelo deflujo de pistón y el modelo exponencial (Malozewskiy Zuber, 1982). El modelo de flujo de pistón suponeun medio homogéneo en que todas las líneas de flujotienen la misma velocidad y tanto la dispersión hidro-dinámica como la difusión molecular son desprecia-bles, de manera que el tritio se mueve desde lasuperficie con la velocidad media del agua. En estemodelo no se produce ningún tipo de mezcla y lasaguas más jóvenes van desplazando a las de edadesmayores (Iglesias, 1999). El modelo exponencialsupone una mezcla total de los diferentes componen-tes del área de recarga, desde los más recientes a losmás antiguos. El sistema acuífero se considera comoun almacén donde se produce la mezcla, aunquefísicamente no sucede así, sino que la mezcla seproduce en la zona de descarga (pozos o manantia-les), donde convergen distintas líneas de flujo condistintos tiempos de circulación en el acuífero.

La aplicación del problema directo con el modelode flujo de pistón para la función 1 de entrada que noconsidera la anomalía de tritio de Los Molinos, con lasfunciones de salida obtenidas para tiempos de per-manencia de 10, 20 y 35 años (Fig. 9), muestran queel mejor ajuste para el agua del manantial 5 correspon-de a un tiempo de residencia de aproximadamente35 años (la mayor anomalía a nivel mundial del año1964). La función 2 de entrada, que considera laanomalía de tritio de Los Molinos, con las funciones desalida obtenidas al aplicar el modelo de flujo de pistónpara tiempos de permanencia de 10, 15, 20, 35 y 40años (Fig. 10), muestran dos posibilidades de ajustepara el contenido de tritio medido en la muestra delmanantial 5: 15 y 35 años de tiempo de residencia. Enambos casos los contenidos en tritio de la función desalida que mejor se ajustan al contenido de tritiomedido en el manantial, son la anomalía mayor del año1964 y la anomalía de 1986 de Los Molinos. Como

∑∑=

i

iij P

PTTp

Tpj = contenido medio de T (en U.T.) de la lluvia del año j

Ti = contenido de T en la lluvia del mes i (U.T.)

Pi = precipitación del mes i (mm)


FIG. 9. Función de entrada 1 y funciones de salida a partir de la aplicación del modelo de flujo de pistón para tiempos de permanenciade 10, 20 y 35 años.

FIG. 10. Función de entrada 2 y funciones de salida a partir de la aplicación del modelo de flujo de pistón para tiempos de permanenciade 10, 15, 20, 35 y 40 años.


se indicó anteriormente, esta anomalía no se reconoceen otras estaciones de control del Organismo Interna-cional de Energía Atómica en la región, por lo que esposible que corresponda a un valor anómalo local.Así, el tiempo de permanencia más probable alaplicar el modelo de flujo de pistón es de 35 años.

Los contenidos de tritio medidos en el manantial 1y en el agua del río Chungará (Figs. 9 y 10) tambiénmuestran una aproximación relativamente buena conalgunas de las funciones de salida obtenidas al aplicarel modelo de flujo de pistón. En ambos casos lasmuestras presentan un contenido de tritio algo mayorrespecto a las funciones de salida con tiempos deresidencia de 10 y 20 años. No obstante, si seconsideran las incertidumbres de estas determinacio-nes (±σ), se puede asumir en este caso la validez delmodelo. Por otro lado, la mayor concentración de tritiomedida en el río Chungará (5,1 U.T.) hace suponerque las aguas que dan origen al mismo correspondena la descarga de agua de manantiales de pequeñosacuíferos colgados.

A partir de la resolución del problema directo conel modelo exponencial, considerando la aplicaciónde la función 2 de entrada, las distintas funciones desalida para tiempos de permanencia de 10, 25, 50 y100 años (Fig. 11) indican la poca influencia de laanomalía de tritio de 1986 de la estación de LosMolinos. Estos resultados muestran que se logra unbuen ajuste entre los 50 y 100 años de tiempo deresidencia para los manantiales situados en la partenorte del volcán Ajoya y cuya concentración de tritiovaría entre 1,5 y 2,5 U.T. Estos valores sugieren quelas aguas que afloran en esos manantiales obedecena una mezcla de aguas recargadas con anterioridad ala anomalía de tritio de 1964 y aguas recargadas conposterioridad a ese evento. Por otro lado, la aplicacióndel modelo exponencial no resulta factible para eva-luar el tiempo de residencia de las aguas del manan-tial 5, debido a que todos los tiempos de residenciaobtenidos al aplicar tanto la función de entrada 1 comola 2, son muy inferiores a la concentración de tritiomedida en este manantial.

FIG. 11. Función de entrada 2 y funciones de salida a partir de la aplicación del modelo exponencial para tiempos de permanencia de 10,25, 50 y 100 años.

A diferencia del manantial situado en el frente de lacolada de 'Lava de Ajata', los manantiales reconocidosal norte del volcán Ajoya (manantiales 2, 3 y 4) surgen

a una altitud similar, coincidiendo con las partes másbajas de los barrancos excavados por antiguosglaciares. Esta situación posiblemente indica que su


origen se debe a la intersección del nivel de saturaciónregional con la topografía y, por tanto, el agua quemana de los mismos corresponde a una mezcla deaguas recargadas a distintas cotas y en distintosmateriales volcánicos, que a su vez dan lugar a unamezcla de distintos tiempos de residencia de agua enel acuífero (Fig. 12). En este contexto, los resultadosobtenidos con la aplicación del modelo exponencial,o de mezcla total, se ajustan razonablemente bien alas concentraciones de tritio medidas en estos manan-tiales. Las aguas que surgen de manantiales situados

en la parte oriental del volcán Ajoya y que dan origenal río Chungará (manantial 1) muestran contenidos entritio más altos, que no pueden ser explicados por elmodelo exponencial (Tabla 3). En este sentido, elmodelo de flujo de pistón es el único que se ajustabien a los contenidos de tritio medidos. La aplicaciónde este último modelo al caso que nos ocupa hacesuponer que los manantiales corresponden a la des-carga de acuíferos colgados con un funcionamientosimilar al indicado para el caso del manantial 5 delvolcán Parinacota.

FIG. 12. Perfil hidrogeológico esquemático que muestra el modelo conceptual de circulación del agua subterránea en el volcán Ajoya.

DISCUSIÓN

Las composiciones isotópicas δ18O y δD de lasaguas de los manantiales, lagunas de Cotacotani y ellago Chungará muestran que las aguas que conformanla laguna principal de Cotacotani tienen su origen en losaportes de aguas subterráneas recargadas en losedificios volcánicos circundantes y de las aguas dellago Chungará, que circularían subterráneamente porlos depósitos volcánicos de brecha hacia las lagunas.La laguna principal de Cotacotani no manifiesta efec-tos significativos de evaporación, y lo mismo sucedeen el caso del río Chungará, en el que los efectos deevaporación de las aguas superficiales parecen ser

poco significativos. Además, las aguas de las lagunasde Cotacotani tienen un tiempo de renovación relati-vamente rápido, debido a que son descargadassuperficialmente aguas abajo, hacia el bofedal deParinacota a razón de 0,44 m3s-1 (DGA, 1987), motivopor el cual la incidencia de la evaporación es mínima.

Solamente algunas de las lagunas de Cotacotanique quedan aisladas temporalmente del flujo de circu-lación, como es el caso de lagunas de los puntos 16y 17, muestran composiciones isotópicas distintas yvariables en el tiempo que indican efectos de evapo-ración (Fig. 7a).


El contenido en tritio obtenido en las aguas de lamayoría de los manantiales indica que la recarga queda origen a los mismos es de sólo algunas decenasde años. Es el caso de las muestras de los manantiales1, 5 y del río Chungará, con contenidos en tritiosuperiores a las 5 U.T., se estiman tiempos de resi-dencia entre 30 y 40 años. Ello indica que parte de larecarga que da origen a estos manantiales se haproducido con posterioridad a la gran anomalía detritio, que se registra en las precipitaciones en ladécada de 1960 como consecuencia de la gran can-tidad de pruebas termonucleares realizadas duranteeste período (Clark y Fritz, 1997). La mayoría de losmanantiales y pozos muestreados en el norte deChile se caracterizan por la ausencia de tritio producidodurante las pruebas termonucleares, lo que se haexplicado suponiendo que la recarga que alimenta lamayoría de estos sistemas de agua subterránea esmás antigua, o bien que la circulación del agua en losacuíferos es muy lenta. Así, en muestras obtenidas enmanantiales y pozos en la Pampa del Tamarugal y elSalar de Atacama (Fritz et al., 1981), en manantialesy cursos de agua superficiales ubicados en cuencassituadas al oeste de la cuenca del lago Chungará(Magaritz et al., 1989), en manantiales y pozos de losmárgenes del Salar de Ascotán (Mardones, 1998) y,determinaciones recientes realizadas en manantia-les ubicados en las nacientes del río Loa (D. Villablanca,com. oral, Universidad Católica del Norte, 2006), lasconcentraciones de tritio son inferiores a las 2,8 U.T. yen la gran mayoría de los casos no tienen tritio. En estesentido es posible que los altos contenidos de tritio enlos manantiales del área del lago Chungará puedanexplicarse por la mayor cantidad de precipitacionesque se registra en esta zona, según lo indican losmapas de isoyetas medias anuales (DGA, 1987) ylas imágenes satelitales (Ammann et al., 2001), lo quepermitiría una mayor recarga de agua de lluvia en losacuíferos. Así, en las cimas de los volcanes del áreadel lago Chungará, las precipitaciones superan los400 mm anuales, mientras que los lugares indicadosanteriormente las precipitaciones en las partes máselevadas alcanzan como máximo los 250 mm y,frecuentemente, están por debajo de los 200 mm.

La aplicación de los modelos de parámetro agre-gado para la modelación de los contenidos de tritio delas aguas subterráneas indica que el modelo de flujode pistón es el que mejor se ajusta para las muestrasde agua con mayores concentraciones de tritio. Como

las aguas que surgen de estos manantiales lo hacenen el frente de las coladas de lava y en la base de lamisma, se puede considerar como modelo concep-tual, que la colada actúa como un conducto largo yestrecho, donde el agua es recargada en las cotas másaltas, donde las precipitaciones pluviales y nivalesson mayores, y circula a lo largo del mismo, hastaalcanzar la zona de descarga en los manantiales (Fig.13a). Esta situación es muy común en contextosvolcánicos, donde la heterogeneidad de los materia-les volcánicos genera importantes contrastes de po-rosidad y permeabilidad de los mismos (Custodio,1978).

El modelo de flujo de pistón es el que mejor seajusta al alto contenido de tritio medido en el manan-tial 5 (8 U.T.). Una implicación importante de dicho mode-lo es que no considera dispersión hidrodinámica en lacirculación de las aguas subterráneas. ¿Cómo sepuede prescindir del efecto de la dispersión hidrodi-námica en el caso de agua que circula por un mediofracturado en una colada de lava reciente muypermeable? Una posible explicación está en el climaárido que rige en la zona y en el régimen de precipi-taciones, que sólo son importantes en los meses deverano. Como se deduce de los datos de δ18O y δD,los episodios de recarga sólo suceden en los mesesde primavera-verano, cuando las precipitaciones sonsuficientemente importantes. También hay que con-siderar que en algunos años las precipitaciones pue-den ser escasas durante los meses de primavera-verano, siendo la recarga muy baja o nula. Por dicharazón se supone que el agua de la recarga se producede modo irregular y, por lo tanto, pueden producirsedistintos pulsos de agua que circulan por la zona nosaturada hasta alcanzar la base de la colada de lava ygenerar un nivel de saturación colgado que comienzasu descenso por la base de la colada hasta alcanzarel frente de la misma en el manantial 5 (Fig. 13b). Estasituación también explicaría el comportamiento inter-mitente que tiene el manantial 5, según cuentan loshabitantes de la zona, y cuya información fue corrobo-rada por los autores durante la campaña de enero de2004, cuando el manantial estaba seco. De estemodo no se produciría dispersión a gran escala y, porlo tanto, no existirían mezclas de aguas con distintasconcentraciones de tritio. La validación de este mode-lo sólo se logrará contando con mayor cantidad dedatos de las concentraciones de tritio en este manantiala lo largo del tiempo.


CONCLUSIONES

ha permitido calcular que aproximadamente un58% del volumen del agua que alimenta las lagu-nas proviene del lago Chungará, mientras que el42% restante lo hace de aportes subterráneos.. Los contenidos de tritio medidos en las aguas delos manantiales que afloran en los faldeos de losedificios volcánicos del sector, permite demostrarla existencia de una recarga actual a los acuíferospresentes en los edificios volcánicos. Esta recargatiene su origen en la mayor cantidad de precipita-ciones que se registran en esta zona y,mayoritariamente, procede de agua de lluvias deconvección que se producen durante los meses dediciembre a marzo.. La aplicación de distintos modelos de flujo, paraexplicar los contenidos de tritio obtenidos en losmanantiales del sector, permite establecer la exis-tencia de una circulación rápida de las aguas subte-rráneas en las rocas volcánicas antes de alcanzar laszonas de descarga. Los resultados de la modelaciónindican que la totalidad de las muestras de agua delos manantiales contienen tritio, que ha sido introdu-cido en el sistema debido a las pruebas termonu-cleares realizadas a principios de los años sesenta.

FIG. 13. Esquemas de funcionamiento del manantial 5 desde la zona de recarga hasta la zona de descarga considerando: a. una recargacontinua en la parte alta del volcán y b. considerando una recarga intermitente en la parte alta del volcán.

. La composición isotópica de δ18O y δD de las aguasde las precipitaciones en el área del lago Chungaráse caracterizan por ser muy cercanas a la compo-sición isotópica de las precipitaciones que se regis-tran en otras zonas del Altiplano y que han sidocaracterizadas a partir de datos isotópicos obteni-dos en la ciudad de La Paz.. La relación de δ18O y δD de los cuerpos de aguasuperficiales y de los manantiales, contrastado conlos contenidos de cloruro, permite demostrar laexistencia de un flujo de agua subterránea desdeel lago Chungará hacia las lagunas de Cotacotani,a través de los depósitos volcánicos brechosos.Las lagunas de Cotacotani, además de recibiraportaciones de agua del lago Chungará, recibenuna importante aportación de agua subterráneaque ha sido caracterizada isotópicamente por elestudio del agua de los manantiales. Además, lacomposición química del agua de la laguna principalde Cotacotani puede ser reproducida a partir de lamodelación de la mezcla de agua de los manantia-les y del lago Chungará. La realización de unbalance de masas de las composiciones isotópicasδ18O y δD de las aguas de las lagunas de Cotacotani


. De la aplicación de modelos agregados para re-producir las concentraciones de tritio medidas enlos manantiales, sólo el modelo de flujo de pistónse ajusta a los altos contenidos de tritio. Estoscorresponden a manantiales situados en cotasrelativamente altas que, posiblemente, están rela-

cionados con la descarga de pequeños acuíferoscolgados. Por el contrario, los manantiales situadosa cotas más bajas, que corresponden a la descargadel agua del nivel de saturación regional, muestranun mejor ajuste con el modelo exponencial.

AGRADECIMIENTOS

Este estudio ha sido financiado por el proyectoBTE2001-3225 del Ministerio de Ciencia y Tecnolo-gía del Gobierno español. Se agradece a los señoresG. Cisternas y J. Herreros, de la Corporación NacionalForestal de la ciudad de Arica, por la colaboraciónprestada para la realización del trabajo de terreno. Losautores expresan también su agradecimiento al Dr. E.Custodio (Universidad Politécnica de Cataluña), Dr.

B. Keller (Andalué Ambiental Ltda., Chile) y a unárbitro anónimo, por las valiosas sugerencias que hanpermitido mejorar sustancialmente este artículo. Seagradece al editor M. Suárez por todas las gestionesrealizadas para la publicación de este artículo. Tam-bién a R.O. Gibert, N. Herrero, B. Ordenes y A.Álvarez por su trabajo en las campañas de laboratorioy terreno.

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Manuscrito recibido: Noviembre 16, 2005 ; aceptado: Mayo 25, 2006.

Documents

Relación de aguas superficiales y subterráneas en el área