LOS ISOTOPOS AMBIENTALES EN EL ESTUDIO DE LA INTRUSION MARINA
Resumen 1. Introducción 2. Los isótopos ambientales más importantes en el ciclo del agua
2.1. El contenido en isótopos estables del agua del mar 2.2. El contenido en isótopos estables del agua dulce
2.3. Relaciones entre isótopos estables y salinidad
2.4. Tritio y Carbono-14 en el ciclo del agua
2.5. Azufre-34 y Oxígeno en los sulfatos disueltos
2.6. Conclusiones generales sobre los isótopos ambientales en la
identificación de la mezcla con agua marina
3. Aplicaciones de las técnicas isotópicas ambientales en la intrusión de agua marina y en la salinización del agua subterránea
3.1. Salinización en acuíferos calizos por intrusión marina
3.2. Intrusión de agua marina en acuíferos porosos
3.3. La identificación de aguas connatas
4. Ejemplos de identificación de agua dulce superficial en las aguas
subterráneas
4.1. Mezcla con agua sometida a evaporación 4.2. Mezcla con agua procedente de altitudes superiores
5. Conclusiones 6. Bibliografía
TIAC'88. Tecnología de l a I n t r u s i ó n en Acu í fe ros Costeros
Almuñécar (Granada, España). 1988
LOS ISOTOPOS AMBIENTALES EN EL ESTUDIO DE LA INTRUSION MARINA
Roberto Gonf i a n t i n i
L u i s Araguas Araguas
Orqani smo In te rnac iona l de 1 a Energía Atómica
Viena, A u s t r i a
RESUMEN
Las va r i ac iones en los i só topos ambienta les , y espec ia lmente en
l o s i só topos e s t a b l e s de hidrógeno y oxígeno en el agua , ayudan en l a
i d e n t i f i c a c i ó n y e s t u d i o d e l o r igen de l a s a l i n i z a c i ó n de l a s aguas
sub te r r áneas , incluyendo e l caso de l a i n t r u s i ó n marina en l o s
acu í f c roc c o s t e r o s . l isto queda i l u s t r a d o en e s t a comunicación
mediante v a r i o s ejemplos y casos e s tud iados , que a su vez s i r v e n pa ra
es t imar l a s l i m i t a c i o n e s d e l método. También se e s t u d i a l a
con t r ibuc ión de l a s t é c n i c a s basadas cn i só topos e s t a b l e s cn l a
i nves t igac ión d e l a s aguas corinatac.
1. INTRODUCCION.
i<n té tminos gene ra l e s , l a i n t r u s i ó n de agua marina en un cuerpo d e
L , T " * - L . C C - , L - * A . a A . - y L U L , L " . - " ' , o
i nc luso , en el caso más s imple , a p a r t i r d e l a medida d e
conduct iv idades . Por e s t a razón , uno puede c r e e r que l a a p l i c a c i ó n d e
l o s i só topos ambienta les debe r í a e s t a r reservada a l o s casos en que el
. . agUa püede ser ;der, t if icada T-A: ..-Al r: I niir- . r-0
origen de la salinidad en las aguas subterráneas puede ser atribuida a czl^sns 8ifere-tes a l a A-*-..-:&. L L I b L U = A " t L dc agüa d e l mar. Siri embargo, ia
experiencia muestra que l o s mecanismos de salinización en aguas
subterráneas son, en algunos casos, más complejos de l o esperado, y es
entonces cuando l o s isótopos ambientales contribuyen a la
determinación de estos mecanismos.
La base teórica en la investigación de la intrusión del agua
marina en las aguas subterráneas, o en términos más generales, la
mezcla de agua del mar con agua dulce, utilizando las técnicas
basadas en las variaciones de l o s contenidos isotópicos, es en
principio bastante simple. De hecho, uno de los términos de la
mezcla, el agua del mar. presenta composiciones químicas e isotópicas
tipicas y generalmente bien definidas. El otro término, que puede ser
por ejemplo, e l agua de un acuífero costero, o e l agua de un río que
fluye a través de un estuario, es también a escala local, uni€orme y
diferente del agua de mar en la composición química e isótopica. Por otra parte, en los casos más simples e l agua del mar y e l agua dulce
producen mezclas que presentan composiciones químicas e isótopicas
correlacionadas linearmente y fijadas por las proporciones de mezcla.
En otros casos, estas relaciones pueden ser más coniplejas, por
ejempio, a causa d e i o s iones disueltos, pero en cualquier caso,
aportan información geoquímica e hidrogeológica de interés.
b:n esta comunicación, se revisan las bases de la aplicación de las
técnicas de l o s isótopos ambientales en los estudios de la intrusión
marina y otros problemas relacionados con la salinización del agua
subterránea. iilgunos ejemplos tomados d e la bibliografía ilustraran
iüs diferentes apartados
I E N S U P E R F I C I E : E N : O C E A N O : 0-18 P Situacion : 0-18
: ATLANTICO
: P K I F I C O
: INDICO
!
I ANTARTICO
!
I ARTICO
-3.34 (1) -1.22 (2) -0.95 i i j +1.11 (1) +0.70 (3) +i.32 (ij +0.60 (1) 43.08 (1;
-0.80 (2) +0.30 (1) +0.50 (1) +0.50 a -0.40 (:;
+0.70 ( 9 )
0.0 (1) +0.25 (1)
: -0.13 (1)
-0.40 (1)
! -1.30 (10) I -3.80 (11) : -1.95 (12)
Groenlaodia ! +0.12 (1) Cost. Canada: -0.08 ( 2 )
44 N ! +0.10 ( 8 ) +6.0 +3.0 (5) (5) 35 N ! +4 9 (3) Portuaal : +3.0 ( 6 ) 28 ii j +5.0 (6) Ecuador : -1.1 ( 1 j Árgenbina
Islas Aleut : -0.17 tied. Norte I - 0 . 4 0 tied. Ecuad. : -0.15
Sur : +1.4 (7) 36 N I +3.0 (7) 15 N :
20 N I -0.18
1" 5 , 40 S 50 S !
-1.8 (7) 57 s ; -3.0 (5) 59-68 S I -0.45 (1)
: -0.21 (1)
Cost. Canada: -0.25 (1) Promedio : -0.08 (11) Cost. USSR : -0.35 (131
Patos tomados de (1) Craig and Gordon (1965) (2) Epstein and Hayedn (1953) (3) OIBA Patos no publicados !A! r a v i n a+ riq7?> ( 5 ) Redfield and Friedman (1965) ( 5 ) Frie"- (101>) (7) 8orFbe aad O m r a (196ai ( 8 ) Longinelli and Craig (1967) ( 9 ) Craig (1969) (10) Tan and Stain ílS~~J_~ ( 1 1 ) Van D o M ei si I ' J W I (12) Breegunov et al (1980) (13) Vetshtein et al (1914)
P R O F U N D I D A D D Situacion :
_.
+4.0 (61
+ l . 2 (5) -1.3 (5)
-1.4 (5)
-0.6 (7) c.5 ;7;
+2.0 (7) -0.5 (7)
-1.7 (5)
+2.2 (5)
Promedio : Cost. Canada : Med. Norte : Med. Sur :
Promedio I Fosa del JapC>n : Prom. fosas '
36 N 15 x
Promedi o Ecuador 57 s
Fondo Pacifico Promedio
Promedio id. id.
Bahia de Baffin
2 . LOS ISOTOPOS M I E N T A L E S MAS IMPORTANTES EN EL CICLO DEL AGUA.
2.1 El contenido en isótopos estables del agua del mar.
____ 2.1.1. - Entre los isótopos ambientales, los isótopos estables de
hidrógeno y oxígeno son l o s utilizados habitualmente en los e i t l i d i o r d e !a Fritercnnexión entre agua marina y agua suhterrhei . El
hidrógeno presenta dos isótopos estables de masas 1 y 2, siendo la
abundancia del segundo, denominado deuterio, próxima a unos 160 átomos
por millón. El oxígeno se compone de tres isótopos estables, de masas
16, 17 y 18, siendo la abundancia de este Último de aproximadamente
unos 2000 átomos por millón. L.1 isótopo de masa 17 es raramente
utilizado en trabajos geoquímicos, y no es considerado en esta
comunicación.
F:l océano, que contiene más del 97% del agua en la corteza
terrestre, presenta un contenido en isótopos estables bastante
uniforme. Por esta razón, y también porque e l océano representa el
punto de partida y de llegada en e l ciclo hidrológico, la composición
isotópica media del océano ha sido tomada como referencia para
expresar las concentraciones en oxígeno-18 y deuterio en l o s
compuestos naturales. Aquellas se expresan como diferencia en partes por mil de la relación D / H y 180/160 respecto a las mismas
relaciones en e l standard VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water);
patrh distribuido por 01 OIEA con e l propósito d e l intercalibrado
entre análisis isotópicos (Gonfiantini,l978). Esta diferencia se
expresa ri-imn rie.;viari6n ~n 11 not i r i6n ( A ! .
SAMPL~~VSNOW ' 'Ooo 6 O i o o = ( R
donde R = 180/160 o D / H . Las variaciones en oxígeno-18 y
druter io en as agiis n a t ~ - a ! e ~ p e d e n detem.in.zrco genera?mer?ti cst.
una exactitud entorno a 0.1 y l0/oo, respectivamente.
T A B L A 11
Composician isotbpica de mares cuya comunicacibn con el oceano e3 limitada _ _ _ _ ~
Mares con salinidad superior a la del ocbano)
MAR MEDITERRANEO Francia.Niza Francia Gibraltar Mar Adriatico
id. nar Jbnico
id. Mar Tirreno
id. Israel. Este
id. Grecia
MAR ROJO
Golfo de Aqaba
rlAR CARIBE Jamaica Aaiti
GOLFO PERSIGO Abu Dhabi
U.A.E. Qatar
1.30 1.30 0.15 1.00 0.83 7.5 1.30 9.0 1.54 0.68 1.33 1.40 1.75 1.51 9.0
0.60 4.0 1.80 8.0 2.07
0.91 7.0 0.76 6.3
0.40 0.80 1.43 10.3 2.10 15.5 2.70 14.5
:(Hares con salinidad inferior a la del oc&ano)
: MARNEGRO llar de Amov : -2.10 Rumania
id. Turquia Rumania
; MAR BALTICO
: -3.10 -20. o : -3.25 -26.7 I -3.35 -27. O : -5.40 -31.8
: -5.30 a -41.0 a : -7.00 -81. o
Datos tomados de:
(1) Fontes et al. (1965) (2) Longinelli (1972) ( 3 ) Cotecchia et al. (1974) (4) Stahl et al. (1914) (5) Longinelli and Craie (1967) (6) Arad et al. (1975) (7) Payne et al. (1973) ( 8 ) Craig (1966) 1 9 ) Anati and Gat (1988)
1.6 a 2.0
1.46
1.3 a 1.4
2 . 8
REF _ _ -
1 2 2 2 3 3 4 4 5 6 6 1
8 8 9
10 11
12 13 14 15 9
iió) Gonfiantini (1975) (11) Gonfiantini and Siaonot (1987) (12) McKenzie et al. (1980) en Anati and Gat (1988) (13) Llord (1966) (14) OIKA. Datos no publicados (15) Yurtsever and Payne (19781 (16) Tenu et al. (1975) (17) Tenu et al. (1987) (18) Prohlich et al. (1988)
139
- Las aguas superficiales del océano están ligeramente
enriquecidas en isótopos estables como consecuencia de la
evaporación, ya que este proceso elimina preferencialmente agua
isotópicamente menos pesada. Por la misma razón, los mares con
limitada comunicación con el océano. donde la evaporación excede al
flujo de escorrentía más la precipitación, están también ligeramente enriquecidos en oxígeno-18 y deuterio. Por ejemplo, el War
Mediterráneo, el Mar Rojo. el Golfo Pérsico o el Caribe muestran
enriquecimientos en deuterio y oxígeno-18 que generalmente alcanzan 1o0/oo y io/oo respectivamente. ~i enriquecimiento en isótopos
estables con respecto al flujo de escorrentía puede ser mucho mayor en lagos cerrados, donde la evaporación es el Único mecanismo para
eliminar agua de dichos sistemas.
Por el contrario, el agua del océano está empobrecida en isótopos pesados en la próximidad de la desembocadura de grandes ríos, ya que el agua meteórica muestra un contenido en isótopos pesados infarior.
Lo mismo sucede en mares con limitada comunicación con el océano, en los que el aporte de la escorrentía es superior a la tasa de evaporación. Esto sucede, por ejemplo, en el lar Negro y en Mar
Báltico. donde importantes ríos desaguan, como el Danubio (8,000 m3/s). Dnieper y Don en el primer caso, y el leva (2,500 m 3 /s) y
el Vístula en el segundo.
T A U L A 111
438400 1025 -2.22 - - 111 -28
1410 r1.3 a *24 - 121 111
28IW 185 +l.B . *ll . - 1s) 411
-15 -11% (0 s.00
CBLD aocao a . I + m o - 4 . 3 - (51 2S8 -1.8
-11 . -10. 181 1-
->.o. -25. 111 L (01 -189
W I O
+1.z +an T*YDu(IU sasw
+2.1 tl1
8100 101 4. -1.1 -za
UUAW
lIl'1wu -11 -1s 281 Y..
-1s -100 rssn-ra 8too W 8 d . -0.4 -18
MI - lo00 s25 .yi r4.4 rQ.1
su IY.
-1.0 -so .............................................................................................................
D.to.
140
Un las Tablas 1 y 11 se presentan las composiciones isotópicas de
los océanos y algunos mares en distintos lugares y profundidades.
También se muestran las composiciones isotópicas de algunos lagos
cerrados en la Tabla 111
2.2. El contenido en isótopos estables del a w a dulce.
2.2.1 - Como ya se citó anteriormente, el agua isotópicamente ligera
pasa a la fase vapor de un modo preferencial durante la evaporación, ya que presenta una presión de vapor superior frente a
las moléculas de agua que contienen isótopos pesados. Por otra parte,
el vapor procedente del océano - que es la mayor fuente de agua en la atmósfera - está siempre empobrecido en oxígeno-18 y deuterio en una
cuantia que depende de varios factores, siendo el d s importante la humedad relativa de la atmósfera. En realidad. la evaporación en la
naturaleza no ocurre en condiciones de equilibrio termodinámico, y
esto determina un incremento en el factor de fraccionamiento isotópico entre las fases líquido y vapor. Sin embargo, el vapor en la atmósfera marina no muestra grandes variaciones en el contenido de
isótopos estables, ya que aquél, se origina a partir de una fuente
isotópicamente uniforme y virtualmente infinita.
Cuando el vapor atmosférico se condensa para formar en primer
lugar las nubes y más tarde la precipitación, el proceso de fraccionamiento isotópico se invierte con respecto a la evaporación,
y el agua isotópicamente pesada se condensa con mayor facilidad. La
condensación de este vapor se produce sólo cuando se alcanza la
saturación y, sin embargo. se trata de un proceso que ocurre en condiciones de equilibrio termodinámico. En este caso, no obstante, la fuente no es infinita, y sucesivas condensaciones a partir de la misma
masa de vapor producen precipitaciones progresivamente empobrecidas en
isótopos estables.
141
En l a s Tablas 1 y 11 se p resen tan l a s composiciones i s o t ó p i c a s de
lo s océanos y a lgunos mares en d i s t i n t o s luga res y profundidades .
También se muestran l a s composiciones i s o t ó p i c a s de a lgunos l agos
cer rados en l a Tabla 111
2.2. __-- E l conten ido en i só topos e s t a b l e s d e l agua du lce .
- 2 . 2 . 1 .~ - Como ya se c i t ó an te r io rmen te , e l agua i so tópicamente l i g e r a
pasa a l a f a s e vapor de un modo p r e f e r e n c i a l du ran te l a
evaporación, ya que p re sen ta una p res ión de vapor s u p e r i o r f r e n t e a
las moléculas de agua que con t i enen i só topos pesados . P o r o t r a p a r t e ,
el vapor procedente d e l océano - que es l a mayor f u e n t e de agua en l a
atmósfera - e s t á siempre empobrecido en oxígeno-18 y d e u t e r i o en una
cuan t í a que depende de v a r i o s f a c t o r e s , s i endo e l más impor tan te l a
humedad r e l a t i v a de l a a tmósfera . F:n r e a l i d a d , l a evaporac ión en l a
na tu ra l eza no ocur re en condic iones de e q u i l i b r i o termodinámico, y
e s t o determina un incremento en el f a c t o r de f racc ionamiento i s o t ó p i c o
e n t r e l a s f a s e s l í q u i d o y vapor. S in embargo, e l vapor en l a
atmósfera marina no muestra grandes va r i ac iones en e l conten ido de
i só topos e s t a h l e s , ya que aqué l , se o r i g i n a a p a r t i r de una f u e n t e
isotópicamente uniforme y v i r tua lmen te i n f i n i t a .
Cuando e l vapor a tmosfér ico se condensa pa ra formar en pr imer
lugar l a s nubes y mas t a r d e l a p r e c i p i t a c i ó n , e l proceso de
f racc ionamiento i s o t ó p i c o se i n v i e r t e con r e s p e c t o a l a evaporac ión ,
y 01 agua i so tópicamente pcsada se condensa con mayor f a c i l i d a d . La
condensación de este vapor se produce s ó l o cuando se a l canza l a
s a tu rac ión y, s i n embargo, se t r a t a de un proceso que ocur re en
condiciones de e q u i l i b r i o termodinámico. En este caso , no o b s t a n t e , l a
fuen te no es i n f i n i t a , y suces ivas condensaciones a p a r t i r de l a misma
masa de vapor producan p r e c i p i t a c i o n e s progresivamente empobrecidas en
i só topos e s t a b l e s .
141
P:1 grado de condensación de una masa de vapor depende d e l a
tempera tura : y a s í , La composición i s o t ó p i c a de l a p r e c i p i t a c i ó n ,
extremadamente v a r i a b l e en e l tiempo y e spac io , e s t a con t ro l ada sobre
todo po r l a tempera tura de formación de e s a masa de vapor . Este hecho
e x p l i c a l a mayoría de l o s "e fec tos" observados en l a p r e c i p i t a c i ó n ,
t a l e s como l a t i t u d , a l t i t u d , can t idad , c o n t i n e n t a l i d a d y
e s t a c i o n a l i d a d . Kn l a s F i p s . 1 A y 1B se expresan gráf icamente l o s
rangos aproximados de v a r i a c i ó n en 1 a compocic-ión i s o t i p i c a media de
l a p r e c i p i t a c i ó n , mostrando s u dependencia de l a tempera tura y l a
l a t i t u d .
- 2 . 2 . 2 . - Las va r i ac iones en oxígeno-18 y d e u t e r i o en l a s aguas du lces
son e s t r i c t a m e n t e p a r a l e l a s y obedecen a una c o r r e l a c i ó n d e l
t i p o :
dD = a * 618ü t b
Con a = 8 y b = 10 ' / o 0 , representando l o s v a l o r e s normalmente
Observados en las aguas n a t u r a l e s . Es ta l í n e a denominada "World
He teo r i c Water Line" (WMWL) f u e d e f i n i d a po r Cra ig ( 1 9 6 1 ) .
Por o t r a p a r t e , l a s va r i ac iones i s o t ó p i c a s de l a p r e c i p i t a c i ó n
son en gene ra l i n t eg radas du ran te el proceso de l a i n f i l t r a c i ó n en l a
r eca rga de l o s a c u í f e r o s . En l o s casos más f r e c u e n t e s , l a composición
i s o t ó p i c a d e l agua sub te r r ánea es un r e f l e j o d e l v a l o r medio ponderado
d e l conten ido i so tóp ico de l a p r e c i p i t a c i ó n .
Las aguas du lces sometidas a evaporacion no s iguen l a r e l a c i ó n 18 6D/6 O c i t a d a en (l), s i n o que l a pend ien te en e s t o s casos
v a r í a e n t r e 4 y 6 como consecuencia d e l a s condic iones d e
d e s e q u i l i b r i o a n t e s expresadas .
142
2 . 3 . Relaciones entre isótopos estables y salinídad.
2.3.1 - Los principales procesos capaces de modificar el contenido
isotópico y10 la composición química del agua dulce son: (1)
mezcla con agua marina; ( 2 ) mezcla con otras masas acuosas de
distintos contenidos químicos y i o isotópicos; ( 3 ) evaporación; (4)
disolución de sales y lixivinrin d e miner-les PE las pncas; y ( 5 )
intercambio químico e isotópico con la matríz del acuífero. La
representación de éstos procesos en los diagramas 6l8O - 6D y
6-Salinidad se presenta en las Pigs. 2 y 3 . Otros procesos, que
afectan a las aguas subterráneas con tiempos de residencia largos en una formación geológica, como la ultrafiltración en membranas
arcillosas, se discutirán en el Capitulo 3 . 3 , donde se estudia el agua connata.
18 2.3.2 - En el diagrama 6 O - d ü la denominada línea meteórica
(ecuación 1) no intersecta el punto que representa el agua
oceánica (VSHOW), sino que pasa ligeramente por encima.(Fig. 2 ) . Este
hecho e s consecuencia de las condiciones de desequilibrio en las que
se produce el primer paso del ciclo hidrológico - evaporación del agua
del océano -. Los puntos que representan la composición isotópica de
mezclas en diferentes proporciones de agua dulce y agua del mar s e
disponen a l o largo de una línea recta que conecta la composición
isotópica del primero - generalmente sobre la línea meteórica - con
la del segundo íFig. 2 ) . Esta línea, sin embargo, puede aparecer muy
próxima y no ser fácilmente distinguible de la que representa a las
aguas sometidas a evaporación.
Asimismo, en el diagrama 6 - Salinidad La linea de mezcla se
establece a través de la recta que conecta los puntos que representan 10- miembros finales ( F ’ i g . 3 . ) ; y la distancia r e l a t . i va r e f l e j a las
proporciones de mezcla.
i44
40
30
20
10
O
-10
-20 uitrafiltraciOn
-30
-40
-50
-60 -70 w v _ 1 -10 -8 -6 -4 -2 O 2 4
Oxígrno-18 (oloo)
b’ig.2 - Kelaciones gene ra l e s e n t r e l a composición i s o t ó p i c a d e l
hidrógeno y oxígeno en l a s aguas n a t u r a l e s . En l a mayoría de l o s casos
obedrctm a l a denominada World Meteoric Water Line cuya ecuac ión es
6D = 6180 t 10 (Cra ig , l961) . Es t a l í n e a no pasa s o b r e e l punto que
r ep resen ta La composición i s o t ó p i c a d e l agua marina como consecuencia
de l o s e € e c t o s c i n e t i c o s que ocur ren du ran te l a evaporac ión en e l
oci5ari0, mayor f u e n t e de vapor. E l grado de empobrecimiento en i só topos
pesados depende pr inc ipa lmente de, l a tempera tura de formación de l a
p r e c i p i t a c i ó n .
2 . 3 . 3 - Las aguas sometidas a evaporación s iguen en g e n e r a l una
tendencia d i f e r e n t e , con un enr iquec imiento i n i c i a l r áp ido en
i so tópos pesados , que t i e n d e a a l canza r un v a l o r e s t a c i o n a r i o
dependiendo d e l a humedad r e l a t i v a en l a a tmósfera y l a composición
i so tóp ica d e l vapor a tmos fé r i co . En l a s Últimas e t a p a s de l a
evaporación, s i l a s a l i n i d a d S P aproxima a l a s a t u r a c i ó n , e l conten ido
en i so tópos e s t a b l e s d e l agua, puede inc luso dec rece r . Un d e t a l l a d o
t r a t amien to ace rca d e l comportamiento d e l agua du ran te l a evaporac ión
puede encon t ra r se en Gonf i an t in i ( 1 9 8 6 ) .
145
O c
Salmuera
- - - - Disolución y lfxiviado
-6- c
-e - I l -10 I 1 1 I I 1 I
Y) a0 a0 100 O m Salinidad (gr./l.)
Figura. 3. - Variaciones de la composición isotópica y salinidad de
las aguas dulces.
_- 2.3.4 - El lixiviado o disolución de sales en la matriz del acuífero
no produce ningún cmnbio apreciable en la composición isotópica del agua. Este proceso se representa en la Fig. 3. mediante una línea paralela en el eje de abscisas en el diagrama 6 - salinidad
2.3.5 - Fina lmente , e l in te rcambio i s o t ó p i c o e n t r e l a ma t r i z d e l
acu;fero y fi agua sutie.-ránea pro;ücr: genera;menic u n
enr iquec imiento en e l conten ido en oxígeno-18 d e é s t a , s i endo e l
hidrógeno r e l a t ivamen te e scaso en l a s t o c a s ( F i g . 2 . ) . La c i r i e t i ca d e
las r eacc iones de in te rcambio e s generalmente 1erit.a a tempera turas
normales , pero puede l l e g a r a ser impor tan te , aiinque s ó l o en
ambientes de a l t a s t empera tu ras , - por encima de l o s l S O ° C como se
observa en los campos geotermicos explo tados pa ra l a ob tenc ión d e
e n e r g í a . F:n e s t a s c i r c u n s t a n c i a s l a química d e l agua e s t á fuer temente
a f e c t a d a , e impor tan tes pe rd idas de vapor pueden o c u r r i r , produciendo
un en r iquec imien to a d i c i o n a l en i só topos pesados con pend ien te s
i n f e r i o r e s a 3 en e l diagrama 6l8O ~ 6D. E l c a so de aguas
t e rma les de a l t a tempera tura es de l imi t ado i n t e r é s en e s t a
expos ic ión , pe ro p a r a una d e t a l l a d a rev is i r jn e l l e c t o r queda r e f e r i d o
a Giggenbach e t a l . (1983) .
2 . 3 . 6 - De l a expos ic ión p r e v i a se puede i n f e r i r que a p a r t i r de los
contenidos en i só topos e s t a b l e s se puede i d e n t i.f i c a r l a
i n t r u s i b n de agua marina en un a c u i f e r o . S i n embargo, l a p r i n c i p a l
l i m i t a c i ó n d e l método es s u b a j a s e n s i b i l i d a d . P o r e jemplo , s i e1
agua du lce con un conten ido en oxígeno- 18 d e - ? O/oo se mezcla con
agua marina &"O = O , l a f r a c c i ó n de este úit i i i io coniponent,e
debe r í a e s t a r en to rno a l S 4. (un conten ido en c l o r u r o s próximo a 1
g r / l ) para ser d e t e c t a b l e con c e r t e z a . S i e l componente de agua
du lce no es i so t ip i camen te uniforme en e l á r e a e s t u d i a d a y e s t o es
r e l a t ivamen te f r e c u e n t e l a f r a c c i ó n iiiíniiiia d e t c c t a b l e d e agua marina
pude ser de h a s t a un 10%.
Cuando d o s o mas procesos d e l o s c i t a d o s ocur ren simultáneaniante,
e l panorama pa rece confuso; s i n embargo, con experenc ía y razonable
comprensión d e l funcionamiento d e l a c u í f e r o o b j e t o de e s t u d i o , se
pueden a l c a n z a r i n t e r e s a n t e s conc lus iones , como se mues t r a en los
ejemplos de l a Seccion 3 .
2 .4 . T r i t i o y-C&%~n_o-14 en-el.cis!.o d e l a!ua.
2 . 4 . 1 . - Tanto e l t r i t i o como e l carbono 1 4 son r iuc le idos r ad io
a c t i v o s 12 .43 y 5730 a ñ o s , respect-ivamerite),
continuamente producidos en l a s capas a l t a s d e l a a tmósfera p o r l a
r a d i a c i ó n cósmica secundar i a . Son tambikn producidos por c l tioiiibre y
son laiizados a l medio ambiente po r los rcac to t -es riuclcareo, o mi niayor
medida, du ran te l o s ensayos te rmonucleares r e a l i zados c n 1 a
a tmós fe ra . E l per íodo cn que l a mayor p a r l e d e l t r i t i o y carbono 1 4
d e o r igen termonuclear fue in t roduc ido en l a atmósfera se produjo
e n t r e 1957- L962. Despuhs do es ta fecha los t r e s países nuc l t?ares de
aque l pe r íodo , USA, IJHSS y Gran Bretaña l l e g a r o n a l a c u c r d o de c e s a r
l o s ensayos a tmos fé r i cos . F:stos ensayos f u e r o n cniprcrididos de nuevo
por China cn 1 9 6 7 , y más t a r d e po r Yrancia; sin embargo s u p o t e n c i a cs
l imi t ada y a f e c t a n débilmente a l conten ido en t r i t i o de l a a tmósfera .
F:n l a atmósfera el t r i t i o y e l carbono 1 4 son rápidanicnte
oxidados a H20 y C02. F:l t r i t i o e n t r a en el c i c l o de l agua a
t r a v é s de l a p r e c i p i t a c i ó n , mien t r a s que e1 carbono 1 4 e n t r a m 6.1
c i c l o b io lóg ico d e l carbón a t r a v é s de l a f o t o s í n t e s i s .
Ambos i só topos pueden sor u t i l i z a d o s pa ra de te rminar l a edad
agua sub te r r ánea . Esto r e q u i e r e l a a d o p c i h do modelos que desc r
d e un modo s impl i f i cado ~ a menudo demasiado s imple
comportamiento d e l agua sub te r r ánea y sus i n t e racc iones geoquím
con l a m a t r í z d e l a c u í f e r o .
de 1
ban
C l
cas
-___ 2.4 .2 - La concent rac ión de t r i t i o en las aguas n a t u r a l e s se
expresa en Unidades de l ' r i t i o ( T . U . ) : 1 TU cor responde a
1 átomo de t r i t i o por cada LO1* átomos d e hidrógeno. K 1 n i v e l
mínimo d e de tecc ión os de 0 . 3 TU s i l a medida se r e a l i z a con
enr iquec imiento y con contador de g a s , y entorno aL doble si se
r e a l i z a mediante c e n t e l l e o l í q u i d o .
148
b:l rango de l a concent rac ión de t r i L i o en l a p r e c i p i t a c i ó n en el
hemis fe r io n o r t e , donde e s t á n l o c a l i z a d a s l a mayor p a r t e d e las
emisiones de t r i t i o , es en l a a c t u a l i d a d de 10 - 30 TU. En el
hemis fe r io s u r y d e n t r o d e l c i n t u r ó n t r o p i c a l , su concent rac ión es
menor, aprÓxi.madamente en un f a c t o r de 5 . En l a primavera d e 1963,
poco tiempo despues de l a s exp los iones te rmonucleares r e a l i z a d a s en l a
a tmósfera , se a lcanzaron v a l o r e s d e h a s t a 10,000 TU. Con
antcr - ior ld id a 1953, e1 n i v e l n a t u r a l de t r i t i o en la p r e c i p i t a c i ó n
e s t aba s i t u a d o en to rno a 10 TU.
b:l contenido en t t i t i o en l a s u p e r f i c i e d e l mar es hoy en d í a d e l
orden d e 10.20 TU en e l hemis fe r io n o r t e y en to rno a 5 en e l s u r . S i n
twibargo, el contenido cn t r i t i o en el agua de mar que p e n e t r a en un
ac i i í fe ro puede sor n u l o , en func ión d e l tiempo en que o c u r r i ó l a
i n t r u s i ó n . Por o t r a p a r t e , l a mezcla e n t r e agua marina y agua
sub te r r ánea genera c o r r e l a c i o n e s l i n e a r e s e n t r e e l conten ido en t r i t i o
y la composición en i só topos e s t a b l e s o con l a concent rac ión en
c l o r u r o s .
. 2 . 4 . 3 .- . - La concent rac ión en carbono- 14 se expresa en t a n t o p o r
cierit.0 de carbono “moderno” (pmc). Este Último cor responde a
l a concent rac ión en carbono- 14 de las p l a n t a s con a n t e r i o r i d a d a
1.890, que r e f l e j a 1.a concent rac ión p r e v i a a l a d i l u c i ó n d e l 14C en
e l (;o2 atmosft5rico causada p o r l a combustión de carbón y p e t r ó l e o .
K1 n i v e l mínimo de de t ecc ión d e l C es de 1 pmc. 14
Coiao cons(?ciienci a de los ensayos te rmonucleares , el contenido en
“‘f; t-n c l Cf j2 a tn iosfk- ico fue c a s i doblado con r e s p e c t o a l n i v e l
p r e v i o cn el hemis fe r io n o r t e , y a lcanzo h a s t a 160 pmc en el
hemisfer io sur. Desde en tonces ha comenzado a descender su
concent rac ión debido a l a d i s o l u c i ó n en e l océano.
El carbono-.l4 es básicamente d i s u e l t o po r l a s aguas s u b t e r r á n e a s
cuando estas a t r a v i e s a n l o s h o r i z o n t e s edáf i c o s du ran te l a
i n f i l t r a c i ó n . En estas zonas , l a p res ión p a r c i a l de C 0 2 puede ser
de h a s t a dos Órdenes de magnitud s u p e r i o r a l a observada on l a
a tmós fe ra , como consecuencia de l a r e s p i r a c i ó n de l a s p l a n t a s y l a
d e s i n t e g r a c i ó n d e l a m a t e r i a o rgán ica .
t i i i só topo e s t a b l e G e i carbono, 13c sc cor is i l c - rs geiiet-l=efite
j u n t o a l I 4 C . Como o t r o s i só topos e s t a b l e s , s u s v a r i a c i o n e s se
expresan en l a no tac ión 6 (desv iac ión en t a n t o po r m i l ) , u t i l i z a n d o
como r e f e r e n c i a e l denominado PDB -üe lemni t e de l a formación Pee Dee
d e l Cre t ac i co de Caro l ina d e l Sur- (Eps te in e t a l . 1953) . La r e l a c i ó n
13c/12c en e i PDB es s i m i l a r a i a que se encuent ra en l a s c a l i z a s
mar inas , mien t r a s que l a 1 3 C d e l b icarbonato marino e s
aproximadamente i g u a l a - lo /oo .
_- 2.2 .4 - En e l caso d e l carbono-13 y carbono-14 l a s r e l a c i o n e s d e
mezcla en e l caso d e l agua de mar son mas complejas que para
o t r o s i s ó t o p o s . Cuando se cons ideran e s t o s i só topos tambien deben ser
t e n i d a s en cuenta l a s concent rac iones de l a s e s p e c i e s carbonatadas en
l o s d i s t i n t o s t i p o s d e aguas , además de s u composición i s o t ó p i c a .
Denominando con A 1, Ap y $, e l contenido i s o t ó p i c o d e l carbono
inorgánico d i s u e l t o en l o s dos t i p o s de aguas y cn l a mezcla , y con
C1, C2 y CM l a s concent rac iones d e l carbono inorgánico d i s u e l t o ,
se ob t i ene :
A C x + A ~ C ~ ( ~ - X ) = A C 1 1 N M
donde x es l a f r a c c i ó n d e l componente 1 en l a mezcla. S i l o s
dos términos p re sen tan d i f e r e n t e s composiciones i s o t ó p i c a s en e l
carbono y d i s t i n t a s concent rac iones en e l carbono inorgánico d i s u e l t o ,
l a s r e l a c i o n e s e n t r e e l 1 3 C o 1 4 C de una p a r t e , y e 1 c l o r o , 180
o ü d e o t r a , se dispondrán a l o l a r g o de una curva . Es to f u e mostrado,
por ejemplo, po r Mook (1970) en e l e s t u a r i o d e l Hio s c h e i d t ( t ío iandaj .
150
Debe r e s a l t a r s e que l a v a l i d e z de l a ecuac ión ( 2 ) cs d e caracCer
g e n e r a l . S i C1 = C2 z Cpl, como o c u r r e p o r ejemplo con e l
hidrógeno y oxígeno en e l agua, l a r e l a c i ó n e n t r e l a f r a c c i ó n x y la
composición i s o t ó p i c a es l i n e a r A 1 6 .
2 .5 Azufre-34 y Oxígeno-18 en 102 s-u l fa tos di-elt,ogl
-. 2 . 5 . 1 - - El a z u f r e 34 es un i só topo e s t a b l e con una abundancia
media en l o s compuestos n a t u r a l e s d e azu f re de 4 .21%. Ot ros
i só topos pesados de a z u f r e son 33S (0.76%) y 36S (0.014%), no
u t i l i z a d o s en geoquímica. Las var i ac iones en l a r e l a c i ó n S/
se expresan en l a fornia u s u a l (desv iac ión en La notac ión A), u t i l i z a n d o como r e f e r e n c i a e l llamado CTD, que corresponde a l a
composición i s o t ó p i c a d e l a z u f r e p r e s e n t e en l a t r o i l i t a conten ida en
el Meteor i to d e l Cañon d e l Di.ablo.
34 3ZS
Las r eacc iones de oxidación- reducc ión pueden a f e c t a r notablemente
l a composición i s o t ó p i c a d e l oxígeno y d e l azufre en e l s u l f a t o
d i s u e l t o . De hecho, l a producción de s u l f a t o s a p a r t i r d e l a
ox idac ión de s u l f u r o s , o l a reducc ión de su l . f a tos a menudo
con t ro l ada po r l a ac t iv idad b a c t e r i a n a . son procesos que general.mentc
e s t á n acompañados de grandes fraccionarnientos i s o t ó p i c o s ( c i n e t i c o s ) .
Por el c o n t r a r i o , e l in te rcambio c m i só topos de oxígeno e n t r e el
s u l f a t ü y e l agua e s un proceso muy l e n t o , y se puede d e s p r e c i a r pa ra
pHs mayores de 7 y t empera turas not'niales.
___ 2 . 5 . 2 - rl s u l f a t o d i s u e l t o en el agua d e l mar p r e s e n t a una
composición i s o t ó p i c a uniforme, t a n t o en a z u f r e , cumo en 34 oxígeno. Los va lo res medios son: 6 S = + 2 1 ' / o 0 r e spec to a l
CDT y 6 l80 = t 9.5'/00 r e spec to a VSMOW (Leone e t a l . 1987).
Debe d e s t a c a r s e e l hecho de l a no e x i s t e n c i a de e q u i l i b r i o i so tóp ico
entre e l s u l f a t o y e l agua. Otro f a c t o r a t e n e r en cuenta es l a
v a r i a c i ó n Sei contenido i sotápicü del i ü l f a t o maí-iíio a l o l a r g a de ?e
e s c a l a geológica (Claypool e t a1 . ,1980) .
131
_ _ _ 2.5.3 - La composición isotópica del sulfato disuelto en las
aguas dulces refleja generalmente la de sus fuentes. Así, cuando el sulfato proviene de la disolución de materiales
evaporit-icos el contenido en 6 S suele estar próximo a
f 2 0 O / o o ; mientras que en el caso de la oxidación de sulfuros o
azufre orgánico, los valores obtenidos se encuentran en el rango
34
-20 ' / o 0 hasta O ' / o 0 (Pearson y Rightmire,l980). La composición
isotópica del oxígeno puede variar entre -5 y +20 O / o o , y está
fundamentalmente controlada por factores cineticos (desequilibrio).
Sin embargo, l o s procesos que afectan al contenido isotópico del
azufre en los sulfatos l o hacen también al del oxígeno, de modo que la
pendiente en la relación 34S/180 esta dentro del rango 3 - 4 .
2 . 6 . Conclusiones generales sobre los isótopos ambientales en la
identificación de la mezcla con a m a marina.
Entre todos los isótopos citados, sólo los isótopos estables
de oxigeno e hidrógeno son totalmente conservativos en el agua, y
son obviamente aquellas que se han utilizado frecuentemente en el
estudio de la salinización por intrusión del agua marina, junto a la
concentración en cloruros, que es también otro parámetro
conservativo. La correlación del oxígeno-18 y deuterio con el
contenido en cloruros es univoca, pero es necesario un porcentaje
entorno al 5-1049 para confirmar la identi€icaciÓn del proceso.
El tritio y el carbono-14 (junto a l carbono-13) pueden ser Útiles
en el caso de la mezcla con aguas marinas superficiales. Cuando la
intrusión se produce en aguas subterráneas, el tritio presenta la
problemática en la determinación de su abundancia inicial, ya que ha
sufrido grandes variaciones en épocas recientes. El carbono-14, además
de las variaciones en el contenido inicial, presenta la complicación
de la interacción con la matriz del acuífero, proceso que se
cuantifica mediante e1 uso del carbono-13. Por otra parte, tanto el
tritio como los isótopos del carbono se utilizan como indicadores
temporales, más que como indicadores de mezcla.
152
1.a composición i s o t ó p i c a d e l s u l f a t o d i s u e l t o e s un t r a z a d o r
e f i c a z para de t e rmina r e l o r igen d e l p rop io s u l f a t o , mas que e l d e l
agua. Por e jemplo , s i e l s u l f a t o d i s u e l t o procede d e l l i x i v i a d o d e
yeso de o r igen marino, su composición i s o t ó p i c a presumiblemente s e r a
s i m i l a r a La d e l s i i l f a t o marino - a menos que l a edad geo lóg ica d e las
evapor i t a s cor responda a una época con d i f e r e n t e r e l a c i ó n 34S/32S
de l a a c t u a l .
F;stas cons ide rac iones t a m b i h se a p l i c a n a l o s iones d i s u e l t o s ,
que pueden d e r i v a r asj.mismo de l a d i s o l u c i ó n de materiales. Por ello,
l a combinación de t é c n i c a s i s o t ó p i c a s y a n á l i s i s químicos pa rece
salvar e s t a ambigüedad.
3 . APLLCACLONES UE LAS TECNLCAS 1SOTOF’lCAS AMBI.b;NTALES K N LA INTRUSION
DE AGUA MARiNA Y li” LA SAI.lNlZAC1ON DEL AGUA SUBTERRANEA.
Los ejeiiiplos d e a p l i c a c i ó n d e e s t a s t é c n i c a s apa rec idos en l a
h i b l i o g r a f i a c i e n t í f i c a no son numerosos. Como ya se c i t ó
an te r io rmen te , s e c r e e que La i n t r u s i ó n de agua marina se d e t e c t a
faci.linente a p a r t i r d e l quimismo, o i n c l u s o , a p a r t i r de l a medida de
conduct iv idades , y no son necesa r i a s po r t a n t o medidas i s o t ó p i c a s .
Además, un conocimiento aproximado d e l s i s t ema i n d i c a r í a a un
hidrogeólogo experimentado l a p o s i b l e e x i s t e n c i a de o t r a s f u e n t e s de
s a l i n i z a c i ó n en e l a c u í f e r o c o s t e r o . Kn g e n e r a l , e l uso de l o s
i só topos queda reservado a e s t o s casos .
O t r k i a p l i c a i i ó n , de interiic para de t e rmina r e l o r igen de l a
ca l i i i i zac ión , os l a p re senc ia de agua connata a t r apada en las
formaciones sed imen ta r i a s mar inas , que se puede mezclar con l a s aguas
sub te r r áneas . Este hecho t i e n e en ocas iones impl icac iones con l a
pa l eoh id ro log ía y pa l eoc l ima to log ía d e l á r e a , sob re l a s c u a l e s l o s
i só topos ambienta les pueden a p o r t a r nueva información.
153
W
50
LO
50
20
10
O O
-3 O
1 0 intrusión
agda marina
3 o
3 O
5 o
2 o 0 1 1 1
O I
I I I 1 T
20 LO
Carbono-14 (pcm)
W
Pigura 4.- hh el acuífero de la isla Hilton Head, el área de intrusión
marina fuk definida claramente a partir de los contenidos en carbono-14 y cloruros. Los números se refieren a la profundidad del muestreo; 1. Zona superficial, inferior a 40 m.; 2. Zona intermedia, entre 40 y 60 m.; 3. Zona profunda, superior a 60 m. Se manifiesta en profundidad una fuente de salinidad, pero los contenidos en carbono-14 muestran l a falta de conexión con el agua marina actual (Hanshaw and Back. 1970).
La revisión de los casos tomados de la biblio6rafía conocidos por los autores, o a partir de varios trabajos desarrollados en el OIEA, ilustrarán con cierto detalle la mayoría de los aspectos, ventajas e inconvenientes, asi como limitaciones de las técnicas isotópicas.
3.1. Salinización en acuíferos calizos por intrusión marina.
Este es a menudo uno de los casos más simples, dada la limitada
interacción del asua con la matriz del acuífero (excepto en el caso
de los isótopos del carbono).
164
. 3 . 1 . 1 _- ~ Uno de l o s primeros e s t u d i o s pub l i cados t r a t a l a
contaminación s a l i n a de u n a c u í f e r o c a l i z o eoceno ce rca de
Brunswick,USA (Hanshaw e t a l . , 1 9 6 5 ) . El i nd icador u t i l i z a d o pa ra
dete:rminar l a p o s i b l e i n t r u s i ó n marina r e c i e n t e fue carbono-14 ;
presentando una a c t i v i d a d e n t r e 100 y 130 pmc el agua d e mar, f r e n t e a
l o s v a l o r e s obten idos en el a c u í f e r o no s a l i n i z a d o , que osc i l aban
e n t r e 2 y 3 pmc. F:l contenido en c l o r u r o s i n d i c ó una contaminación
máxiiiia d e l agua marina en torno a l 4%, que d e b e r í a e l e v a r el contenido
en carbono- 1 4 h a s t a 6- 8 pmc. Como t a l incremento no se observó en l a s
aguas s u b t e r r á n e a s , se concluyó que l a s a l i n i z a c i ó n no der ivaba de una
p o s i b l e i n t r u s i ó n marina, s i n o que f u e a t r i b u i d a a l a conexión con e l
a c u í f e r o in f r ayacen te . que con ten ía agua s a l i n a .
Aunque el contenido en carbono-14 debe ser usado con c a u t e l a , ya
que no es cor i serva t ivo , debe s e ñ a l a r s e que en este caso e r a l a Única
her ramienta d i s p o n i b l e pa ra p roba r o r echaza r l a con t r ibuc ión d e l agua
o c e h i c a . D e hecho, l a d i f e r e n c i a en i só topos e s t a b l e s e n t r e e l agua
sub te r r ánea y C L agua marina e r a demasiado pequeña, s o l o 15 ' / o 0 en
d e u t e r i o (medido r e s p e c t o a un pa t rón i n t e r n o ) .
- 3.1.2 -- - una i n v e s t i g a c i ó n s i m i l a r se l l e v ó a cabo po r l o s
mismos a u t o r e s unos años más t a r d e en o t r o a c u í f e r o c a l i z o
en l a i s l a H i l ton Head - C a r o l i n a d e l Sur- (Back e t a l . 1970), donde
se obtuvo hasicamente l a misma conclus ión ace rca d e l o r igen de l a s a t i n i d a d . Asi.mismo, se obtuvo información ace rca del cambio en l a
diriiniica de l a s aguas sub te r r áneas y en l a s condic iones de r eca rga ,
como consecuencia de l a sob re exp lo tac ión . Las á r e a s donde l a
i n t r u s i ó n marina e r a a c t i v a pudieron ser de l imi t adas como se a p r e c i a
en l a l ' i g .4 .
__ 3 . 1 . 3 .. - En dos casos en l o s s i s t emas k á r s t i c o s d e Clarendon, s u r de
Jamaica. y Cyrenaica, L i b i a , no f u é p o s i b l e e s t a b l e c e r , a
p a r t i r de l o s e s t u d i o s h idrogeológicos , s i e l a l t o conten ido s a l i n o
t e n í a o t r o o r igen además de l a i n t r u s i ó n de agua marina. En
Clarendón, l a s su rgenc ia s y pozos que conten ían agua con c i e r t o
contenido s a l i n o es taban re lac ionados con f a l l a s y e r a n l igeramente
155
t e rma les ( h a s t a 35OC en Milk Kiver Spr ing , con un conten ido en
c l o r u r o s similar iI agua marina!. E1 quimismo e r a s i m i l a r a l agüe d e l
Car ibe , excepto un d é f i c i t en magnesio y e l cor re spond ien te exceso en
c a l c i o , que se a t r i b u y ó a procesos de dolomit,izaciÓn.
En Cyrena ica , l a su rgenc ia de A y n zayanah (30 Km. a l e s t e d e
Bengasi) y e l s i s t ema k a r s t i c o próximo coritenian agua cuya s a l i n i d a d
pudo en p r i n c i p i o a t r i b u i r s e t a n t o a i n t r u s i ó n marina como a
d i s o l u c i ó n de m a t e r i a l e s e v a p o r í t i c o s .
E l conten ido en i só topos e s t a b l e s de v a r i a s mues t ras tomadas en
las su rgenc ia s k á r s t i c a s , sondeos y pozos pe r fo rados apor tó La prueba
d e f i n i t i v a s o b r e la i n t r u s i ó n marina como mecanismo respotisabLe de l a
s a l i n i z a c i b n de l a s aguas sub te r r áneas . F:n l a s E’igs. 5 y 6 , se
muestra l a c o r r e l a c i ó n e n t r e el contenido en i só topos e s t a b l e s y
c l o r u r o s o conduct iv idad en ambas á r e a s . ( G o n f i a n t i n i , 1975 y 1977) .
h
O
O . v
2
.3 M
O
L
x O
2
1 -
O
-1 -
-2 - -3
-5 Agua dulce
-8
10
I 1 1 1 1
- O O . v a
O Li al U 3 O
.3
Figuras TjA y 5 B . Hr iac iones e n t r e l a conduct iv idad y la composición
i s o t ó p i c a d c l a s aguas sub te r r áneas en e l a c u í f e r o k á r c t i c o en la
cos t a d e Cirexiaica, L i b i a . La i n t r u s i ó n de agua marina so muest ra
c la ramente d p a r t i r de las r e l a c i o n e s l i n e a l e s , ( G o n € i a n t i n i , l 9 7 7 ) .
. 3 . 1 . 4 - En o t r a área k á r s t i c a en Grecia , e l problema Fue i nve r so ;
e l conten ido en c l o r u r o s se u t i l i z ó p a r a e v a l u a r l a
f r a c c i ó n de agua marina en l a s mues t r a s , y de e s t a forma c a l c u l a r l a
composición i s o t ó p i c a d e l cmmponente de agua d u l c e a p a r t i r d e l d e l a
mezcla. A p a r t i r de e s t o s d a t o s , f u e p o s i b l e i d e n t i f i c a r l a zona de
recarga d e n t r o de l a r eg ión k á r s t i c a y su a l t i t u d media en base a la composición i s o t ó p i c a d e l agua (payne e t a1 . ,1978) .
157
definite proof that sea water intrusion was responsible f o r
groundwater salinization. Figures 5 and 6 show the correlation
between stable isotopes and chloride o r conductivity in the two
areas. (Gonfiantini, 1975 and 1977).
3.1.4 - In another karst area in Greece the problem was
inverse: the chloride content was used to evaluate the sea water fraction, and from this to calculate the isotopic
composition o€ the fresh water component from that of the mixure.
Yinally, it was pocsible to infer the altitude of recharge atid
therefore the recharge area o€ the karct aquifer on the bacis of the
isotopic composition o€ water (Payne et al., 1978).
Sea. /
x i x i n g - l i n e s
-6 f 1 1 1 1 1
O 300 400 600
Chlorlnliy (meqv/i)
FIGURE 6 - Relationchip between chloridc content and oxygcn isotopic composition in a karst coastal aquifer at Clarendon, .Jamaica
(Gonfiantini, 1975).
158
2
1 i O
h
O
O
s l
O
al M -3 X O
-0. - 1
v
3 - 2
.d
-4
-5
r<\ Líneas de - mezcla
-6 ! , 1 I 1 - 5
O 200 400
Cloruros (meqv/l.)
600
Figura. 6. Relación entre el contenido en cloruros y la composición
isotópica del oxígeno en un acuífero kárstico en Clarendon, Jamaica
(Gonf iantini.1975).
.- 3 . 1 . 5 - Un estudio más complejo fue llevado a cabo por Cotecchia et
al. (1974) en la península Salentina, en el sureste de
Italia. El irea cstudiada forma el extremo del "talón" en la
península italiana, y está constituida por una formación caicarea
karstiíicada de edad cretácica, con una longitud aproximada de 140 Km.
por 40 Km. de ancho, siendo la altitud entorno a l o s 30 - 50 m. En el
acuifero, el agua dulce se dispone como una lente "flotando" sobre
agua marina, con una interfase cuya profundidad se ajusta
aceptablemente a la conocida expresión de Ghyben-Herzberg.
. . I T - ^ ^ _ ^ ^ ^ ~ " . id C U ~ U ~ D L C L O ~ ~ i so tóp i c r . d e ?os distintos componentes se pi.iedc'
expresar del siguiente modo:
159
6180 6D
Agua subterránea dulce -5.00 -34.0
Agua subt. profunda (mar) +1.07 +8.5
lar Jónico +1.30 +9.0
Har Adriático +0.80 +7.5
c pmc 6% 14
95.0
1.8
112. o
81.0
-12.0
-6.0
-3.3
-2.6
El contenido en isótopos estables de las aguas subterráneas
profundas, bajo la interfase, es similar al que presentan los Uares
Jónico y Adriático, mientras que los contenidos en carbono-13 y carbono-14 son bastante distintos. Los valores obtenidos en 13C, más
negativos que los medidos en el agua marina actual, fueron atribuidos
a la migración (por difusión) de las especies carbonosas inorgánicas
disueltas, a partir del agua dulce, en la parte superior del acuífero. donde su concentración es d s del doble. Este hecho queda reflejado en la Pig. 7 . , donde se muestra la relación entre 13C y el carbono inorgánico total disuelto.
En principio, a partir del contenido en carbono-14 de las aguas profundas se puede estimar la época de intrusión, que resulta ser de
unos 25,000 años o más. Sin embargo, la concentración en carbono-14 está "contaminada" por las especies carbonosas que se han difundido
desde el nivel de agua dulce suprayacente,y por tanto, la edad del -a aurini en el icutfero debe ser diferente de los 25,000 años
calculados.
Es tanibián importante destacar que la difusión del carbono
inorgánico disuelto desde el agua dulce superficial hacia el agua
salada profunda no está acompañada por una difusión similar del agua, que debería originar un cambio paralelo en la composición isotópica de
la Última. Solo las especies carbonatadas sufren la difusión, con una
movilidad aparentemente mayor que la de otras especies.
160
Un punto i n t e r e s a n t e que seña lan Cotecchia e t a l . se r e f i e r e a
l o s cambios en l a i n t r u s i ó n d e l agua marina en func ión d e l a s
condic iones pa l eoh id ro lóg icas y pa l eoc l ima t i cas . D e hecho, du ran te l a
época de máxima r e g r e s i ó n hace u n o s 14 ,000 años B.P., l a anchura !ie l a
península S a l e n t i n a f u e considerablemente iiiayor, ya que e 1 n i v e l d e l
mar se encont raba unos 100 m. po r deba jo d e l n i v o l a c t u a l , po r l o que
i a i n t e r f a s e agua d u l c e agua s a l a d a e s t a r í a más profunda , y po r c ~ , , c v :. - I -. se .uí;a meyoc. entrns~iJn 4; e . ;p~sur de L a ieriie ae agua
dulce f lo t ando sobre el agua de mar.
7-1----- o
t : l u m '1
ni O 0 o Agua dulce y
con ba ja s a l i n i d a d
U U 0 0 0
Agua subterránea m p r o f . A l t a s a l i n . o + * Mar
Mar Adriático JÓnico
Figura 7 . - Contenido en carbono t o t a l d i s u e l t o f r e n t e a La
concent rac ión en c i rbsno- 13 e? l a pen ínsb la Saieritlr:a, Sttr de I t a l i a .
Es ta r e l a c i o n muestra e l cambio gradual de l a s e s p e c i e s carbonosas
d i s u e l t a s en l a s aguas sub te r r áneas hac ia el bicarbonato da1 agua de
mar. (Cotecchia e t a1.1974).
!E!
Esta situación fue modificada durante la última transgresión
marina (Ylandriense), que clevó el nivel del mar a su estado actual.
ilri remanente de agua marina antigua quizá permanece todavía bajo el
agua dulce, mostrado un ligero enriquecimiento isotópico - aunque de
hecho muy pequeño, y posiblemente dentro de la dispersión que se
observa en los sistemas hidrogeológicos - puesto que se han
encontrado en las partes profundas del acuífero contenidos isotópicos
superiores a l o s actuales. Es conocido el hecho de que durante las
glaciaciones los contenidos en oxígeno-18 y deuterio del océano - y probablemente del Mar Mediterráneo también - eran superiores entorno
a i y respectivamente, respecto a los valores actuales,
debido a la acumulación de agua isotópicamente ligera en los hielos
polares y continentales (Chappel y Shackleton, 1986; Mix y Pisias,
1988).
311.h ,dn .ui, esyu:io - - - ~ : - - i I - -- L ~ ~ L L L L ~ U V C I I La yctiírisula de Qakar, Yurtsever y
Payne (1978) pudieron demostrar que las aguas subterráneas
superficiales on las formaciones calcareas eocenas denominadas Hofuf y
Dam son el resultado de la mezcla de tres componentes. Estas derivan
de (i) l a recarga a partir de la precipitación local, (ii) la conexión
con el acuííero profundo dc Umm-Er-Haduma, y (iii) de la intrusión de
agua marina.
L a s características químicas e isotópicas de estos tres componentes
s o n :
Hecarga lluvia local < 10
I J m - Er- Hadiima 25- 50
Agua marina (G. Pdrsico) 700
6D T(TU)
-2 .32 -8 .6 5-9
-5.10 - 4 0 . O O
+2.16 t 1 5 . 5 -
162
E l s i s t ema r e s u l t a n t c es b a s t a n t e complejo, como puede obse rva r se
en e l diagrama c l o r u r o s - '*O de l a Yig. 8 , pero l a p re senc ia de
agua marina en e l a c u í f e r o s u p e r i o r es e v i d e n t e , a s í como l a d e agua
procedente d e l a c u i f e r o profundo en l a p a r t e s u r d e l a pen ínsu la . F:n
s u con jun to , l a información ob ten ida a p o r t a un a s p e c t o p r á c t i c o en el
d e s a r r o l l o d e l o s r ecu r sos sub te r r áneos , que c o n s t i t u y e n l a Única
f u e n t e de agua du lce en Qatar .
F igura 8.- Contenido en c l o r u r o s f r e n t e a l a concen t r ac ión en
oxígeno-18 en l a s aguas sub te r r áneas de l a pen ínsu la de Qa ta r . Es ta
r e l a c i ó n mues t ra una mezcla de tres componentes: agua du lce
sub te r r ánea s u p e r f i c i a l ; agua sub te r r ánea s a l a d a p roceden te d e l
a c u i f e r o profundo Unm-Er-Raduma; y , agua de mar (Yur t seve r and Payne,
1978).
163
3 . 1 . 7 .~ -- En el acuífero calizo de edad jurásica que forma el Judean
Group,en Zevulum Plain,(Norte de Israel), la mezcla del
agua subterránea con aguas del Mar Mediterráneo fue probada mediante
las correlaciones de oxígeno-18 y cloruros (Arad et al. 1975). La
presencia de salmueras en profundidad fue rechazada ya que la
concentración en cloruros nunca supera a l a d e l agua marina. Otros
posibles orígenes fueron tambien descartados con arguitientos
hidtogeológicos, químicos o isotópicos. De este modo, la hipótesis de
la intrusión durante la transgresión Flandriense, fue también
rechazada.
El agua marina parece ser transportada tierra adentro a través de
un sistema de fallas y fracturas, que llevan asociados planos
verticales brechificados. Este mecanismo de transporte es dispersivo y
la interfase agua salada - agua dulce no se mantiene como tal. A pesar
de importantes Lonibeos, no se detecta la aparición de aguas altamente
salinizadas.
. 3 . 2 ___ -_ Intrusión . - -. - de - . agua - marina en acuíferos poro=,
3.2.1 - Los isótopos ambientales y algunas técnicas hidroquímicas
fueron utilizadas para determinar e l origen de la
salinización en l as aguas subterrimeas en un acuifero aluvial costero
en e l area de Minjur, S E . de India (Nao et al. 1987). Este acuifero,
fori?ado por depósitos arcillosos y arenosos entrelazados, muestra
bast antr heteroeerieidad y un confinamiento diccont inuo.
La sobre explotación del acuifero crea un pronunciado descenso en
1 a superf icie piezométrica, particularmente durante la estación seca,
que puede incluso alcanzar cotas por debajo del nivel del mar y
detetminar así la intrusiijn marina. Otras posibles fuentes de
salinización del agua subterránea pudieron ser la presencia de bolsas
164
+ 2 0 .
+10
60%. o
-10
-?o.
-30 .
- 4 0 .
de aguas hipersalinas, la existencia de canales alimentados por agua
marina y actividad de salinas durante el pasado. Todas estas fuentes
potenciales de salinización contribuyen en diferente grado al
deterioro de las aguas Subterráneas, y para un correcto control de l o s
recursos hídricos, es importante conocer la contribución relai iva de
cada una de estas fuentes.
.
.
.
Desde e1 p m t n di vista químico, las aguas subterráneas profundas
son similares al agua de mar actual, al menos para l o s iones
mayoritarios; por el contrario, l o s minoritarios y l o s elementos-
-traza, muestran ciertas desviaciones, posiblemente debido a la
interacción con la matriz del acuífero. También las aguas hipersalinas
son quimicamente diferentes del agua de mar. Este hecho apoya la idea
de que la intnisiún ocurrió ya hace un tiempo, y está tm coricordancia
con l o s contenidos en tritio, generalmente por debajo d e l nivel de
detección.
A PROIUNDA loNA 1
/ -7 -6 -5 -L -3 -2 -1 o 4 +2 4 +L
6 ' 8 0 x.
Figura 9 . A . - Composición isotópica de las agua subterráneas en el
acuífero de Ninjur, SE. de India (Rao et a l , 1987). Dos niecanismos de
salinización pueden identificarse; mezcla con agua mariria y
evaporación. 165
PIEZOMETROS 1 A ZONA PROFUNDA
O Z.MEOIA
O Z.ALTA
AGUA
/' en/
Figura 9.B.- Los mecanismos identificados en la figura 9A son
confirmados en este diagrama cloruros - "0 (Bao et al, 1987).
Los isótopos estables muestran la existencia de tres tipos de
aguas: (i) agua dulce "no contaminada" del acuifero de Uinjur, dispuesta sobre la línea de agua meteórica en el diagrama 180-D;
(ii) aguas originadas a partir de la mezcla de agua dulce y agua
marina; y (iii), aguas sujetas a evaporación. Como era previsible, las aguas superficiales y los canales con agua marina, se disponen a lo
larlo de l~nepo de evaporación C M B.ndirikO8 d 0 - 0 5.5. (Fig. 9A).
Kn el gráfico '*O - cloruros se nuestra que la salinidad de las aguas subterráneas deriva, bien a partir de mezcla con agua del mar.
bien a partir de agua sujetas a evaporación, o como consecuencia de la disolución de sales cerca de antiguas salinas (F ig . 98 .). Por otra parte, el relativamente alto contenido en tritio de las aguas
subterráneas hipersalinas (3 TU) indica que Bstas derivan del lavado
de depósitos salinos y no se trata de agua connata.
100
3.2.2 - Los isótopos estables fueron asimismo utilizados para
averiguar el origen de la salinización en un acuífero
aluvial denominado “Puelchense” en la proximidad de la ciudad de La
Plata en Argentina (Levin et al. 1973). En este caso, la componente
marina de la posible mezcla sería el agua del estuario del Rio de La
Plata, que es ya una mezcla con agua oceánica.
F:l acuifero Puelchense esta compuesto de arenas finas y se dispone
a una profundidad comprendida entre los 25 y los 4 4 m. bajo el nivel del mar. Su salinidad incrementó considerablemente como consecuencia
de la explotación, y la identificación de su origen fue el principal
objetivo de dicha investigación.
LOS resultados indicaron que más de un proceso es responsable de la
salinización, siendo el lixiviado de sales el que parece más
importante. Por ejemplo, la muestra más salina mostró una composición
isotópica virtualmente idéntica al agua subterránea no salina dentro
del mismo sector. Por el contrario, otras muestras salinizadas se
disponen sobre una aparente línea de mezcla con el agua del Rio de La
Plata en el diagrama 180-D (Fig. en sales
no corresponde con las proporciones de mezcla indicadas por los
isótopos estables: es por ello razonable suponer que otro proceso
coexiste con la disolución de sales, como la evaporación parcial del
agua antes de La infiltración. Este proceso de evaporación podría
0curri.r en las zonas pantanosas que se extienden entre la ciudad y el rio. Así, la línea definida por las muestras de agua Subterránea en
dicho diagrama, no representa una línea de mezcla con las aguas del
R í o de l a Plata, qino una línea de evaporación.
10.). pero su contenido
En principio, en base a la composición química e isotópica, la
intrusión del agua del estuario puede ser significativa sólo en un sitio, (pozo “Depósito de la Hidraúlica), que es el situado m a s
próximo a la orilla del río: s i n embargo, también en este caso,
mLor!?o a1 40% d~ l a calinidad derivaría del lixiviado de sales. Finalmente, tomando todos l o s datos en su conjunto, la hipótesis de la
intrusión del Hío de La Plata no parece probable.
-30 -# 4 -a O
Oxigcna-I8 ( o / o o )
Figura 10.- Abundancias isotópicas en el acuíEero "Puelchense", La
Plata, Argentina (Levin et al, 1973). Se observa una línea de mezcla
aparente entre agua subterránea y agua del río de La Plata que en
realidad se debe a la evaporación del agua. La relación entre la
composición isotópica y la salinidad indica que la mezcla no es
responsable de la correlación mostrada en 1- figzre.
3.2.3 - Un estudio similar se llevó a cabo para determinar el origen
de la salinidad en el área del Mar del Plata, tambih en
Argentina (Figini et a1,1983). Los contenidos en oxígeno- 18 y
deuterio no se correlacionaron con las concentraciones en cloruros, y
p o r tanto se concluyó que las sales disueltas en el agua Subterránea
procedian del lixiviado de ia matriz del acuífeto y no de la
intrusión marina. Aunque esta conclusión, apoyada por los datos
químicos, es probablemente correcta, se debe señalar que los isótopos
e s t a b l e s Íueron medidos en muestras que contenian menos de 25 meqv/i
en cloruros, es decir, menos del 5% de agua marina. Este contenido
corresponde con unas variaciones isotópicas de 0.2 y 1.4 Oí00 en
oxígeno-18 y deuterio respectivamente, que son demasiado pequeñas
para ser detectadas con certeza.
3;2.4 - La presencia de agu2 marina en las fuentes termales en el
correlación entre cloruros y 18ü, Stahl et al (1974).
Valle de Sperkhios, Grecia, fué confirmada a partir de la
3.3 La identificgción de aIcuas connatas
3.3.1 - Los isótopos ambientales, y en particular los isótopos
estables, proporcionan también un medio para identificar
las aguas connatas, es decir, aguas marinas atrapadas en los'poros de
los sedimentos durante su deposición. Sin embargo, el problema es con
frecuencia complejo, por los procesos geoquimicos sufridos por el agua
antes y después de la deposición. De hecho, ciertos procesos c o m la
evaporación, la hidratación y deshidratación de minerales,
intercambios con la matriz (incluyendo intercambios con el agua de
cristalización de los minerales), ultrafiltración, mezcla y difusión, pueden afectar a la composición química e isotópica del agua de tal modo que sea difícil identificar BU origen.
3.3.2 - Efectos isotópicos producidos por procesos geoquímicos.
(1) La evaporación del agua marina esta acompañada,
especialmente en las Últimas etapas, cuando la salinidad se aproxima a
la saturación, por efectos isotópicos debido al descenso de la
actividad tennodinámica del agua y a los fraccionamientos entre el agua de hidratación de los iones y el agua. Una exposición detallada se encuentra en Gonfiantini (1986).
(2) 91 agua de cristalización de los minerales es , en general, isotópicamente diferente de la del agua madre. Por ejemplo, el agua de cristalización del yeso, que es el más importante de los minerales hidratedos, esta enriquecida en 0x5-18 un 4°ioa, y .ipobrueido un 15°/oo en deuterio con respecto a su agua madre (Gonfiantini y
Fontes. 1963; Fontes y Gonfiantini, 1967). Por otra parte, la
deshidratación del yeso, o hidratación de la anhidrita, puede añadir o eliminar del sistema agua con composición isotópica diferente, que no obedece la relación general (1) de las aguas meteóricas. Un ejemplo de
la hidratación de anhidrita es presentado por Bath et al. (1987),
donde en el agua de cristali%rc~bn del yeso se observa una pendiente de 3.5 en la relación '*O - D, muy próxima a la esperada según los factores de fraccionamiento.
170
3.3 ._ La identificación __ de aguas connatas
____ 3 . 3 . 1 - Los isótopos ambientales, y en particular los isótopos
estables, proporcionan también un medio para identificar
l as aguas connatas, es decir, aguas marinas atrapadas en los poros de
l o s sedimentos durante su deposición. Sin embargo, e l problema es con
frecuencia complejo, por los procesos geoquimicos sufridos por el agua
antes y despuhs de la deposición. De hecho, ciertos procesos como la
evaporación. la hidratación y deshidratación de minerales,
intercambios con la matriz (incluyendo intercambios con e l agua de
cristalización de los minerales), ultrafiltración, mezcla y difusión,
pueden afectar a la composición química e isotópica del agua de tal modo que sea difícil identificar su origen.
32.2 - Efectos isotópicos producidos por procesos geoquimicos
(1) La evaporación del agua marina esta acompañada,
especialmente en las Últimas etapas, cuando la salinidad se aproxima a
la saturación, por efectos isotópicos debido al descenso de la
actividad termodinámica deL agua y a los fraccionamientos entre el agua de hidratación de l o s iones y e l agua. Una exposición detallada
se encuentra en Gonfiantini (1986).
(2) K1 agua de cristalización de l o s minerales es , en general, iict6pi~iminfi r! i f~yentc de 12 de1 ~ Z L I ~ m e d r e F ' c r ejem?lcj el zgt.12 4 0
cristalización del yeso, que e s e l más importante de los minerales h i t i r - a t a d c s , r 'st i i r . n r i q i J r f i d n r n oxígeno 18 un 4'/0o, y empobrecido
un 15'/00 en deuterio con respecto a su agua madre (Gonfiantini y
Pontes, 1963; E'ontes y Gonfiantini, 1967). Por otra parte, la
deshidratación del yeso, o hidratación de la anhidrita, puede añadir o
eliminar del sistema agua con composición isotópica diferente, que no
obedece l a relacith general íij d e iss aguas meteóricas. Un ejemplo de
la hidratación de anhidrita es presentado por Bath et al. (1987),
donde en e 1 agua de cristalizacldn del yeso se observa una pendiente
de 3.5 en la relación '*O - D, muy próxima a la esperada según los
factores de fraccionamiento.
( 3 ) Los intcrcanibios i s o t ó p i c o s d e l agua con la m a t r i z d e l
a c u i f e r o son l e n t o s a b a j a tempera tura y en gene ra i no son
cons iderados . S in embargo, en e l caso de agua de formación, e l tiempo
d e r e s i d e n c i a nn el a c u i f e r o es a menudo muy grande y po r o t r a p a r t e ,
la c u p e r r i c i e de con tac to de los ini.nerales con e l agua es impor tan te .
F:ri e s t e caso , l o s e f e c t o s i s o t ó p i c o s por procesos d i a g e n é t i c o s pueden
ser de impor tanc ia . En t r e e l l o s , el más f r e c u e n t e es e l
enr iquec imiento on '*O en eL agua, ya que l o s sedimentos en
profundidad se encuent ran a una tempera tura s u p e r i o r en r e l a c i ó n con
l a época d e depos ic ión .
( 4 ) Los in te rcambios i s o t ó p i c o s con e l agua d e c r i s t a l i z a c i ó n
d e l o s mi-nerales son por e l c o n t r a r i o b a s t a n t e r áp idos . Los e f e c t o s
i s o t ó p i c o s producidos se rán impor tan tes s ó l o s i e l agua p r e s e n t e en e l
s i s tema no e s t á en e q u i l i b r i o con e l agua de c r i s t a l i z a c i ó n .
( 5 ) La u l t r a f i l t r a c i ó n a t r a v é s de membranas a r c i l l o s a s
produce un enr iquec imiento en i só topos pesados y un aumento en l a
concent rac ión de c a t i o n e s mul t iva l en te s en l a salmuera r e s i d u a l
(CopLen y Hanshaw,l913). Para so luc iones d i l u i d a s , l a r e l a c i ó n e n t r e
l o s f a c t o r e s d e f racc ionamiento d e l oxígeno-18 y d e u t e r i o es
aproximadamente 3 , y e s t o se debe r í a r e f l e j a r en l a desv iac ión d e l a
composición i s o t ó p i c a o r i g h a l . S in embargo, F l e i s c h e r e t a l . (1977)
sug ie ren que en l a s salmueras l o s e f e c t o s pueden no ser s i m é t r i c o s
para Los dos i só topos pesados con r e spec to a l o s f racc ionamientos
observados pa ra so luc iones d i l u i d a s , debido a l a r e t e n c i ó n
p r e f e r e n c i a l d e l oxígeno pesado, y el hidrógeno l i g e r o en l a e s f e r a d e
h i d r a t a c i ó n de l o s c a t i o n e s .
( 6 ) La mezcla de aguas puede también provocar cambios en las
coniposiciones químicas e i s o t ó p i c a s .
( 7 ) Los procesos d e d i f u s i ó n t i e n e n en gene ra l d i f e r e n t e s
ve loc idades pa ra iones e i só topos , d e modo que l a s aguas r e s u l t a n t e s
no obedecen l a r e l a c i ó n l i n e a r e n t r e e l contenido s a l i n o y l a
composición i s o t ó p i c a en las mezclas h a b i t u a l e s . Por e jemplo , e l
c o e f i c i e n t e de d i f u s i ó n d e l agua es aprox. 1 . 7 veces mayor que e l d e l
i ón sodio ( ü a r r y b;lrnessiery,l919).
171
La mayoría de los estudios en la bibliografía acerca de la
composición isotópica de las aguas de formacibn se refiere a las aguas
que coexisten con petróleo. Aquí, sin embargo, discutiremos s ó l o
algunos ejemplos seleccionados que están mas próximos al tema presente.
~- 3 . 3 . 3 - Las salmueras de las formaciones marinas del mesozóico del NW
de Polonia han sido estudiados por Dowgiallo y Tongiorgi
(1972). Las condiciones geológicas de estas formaciones, generalmente
estratos alternantes de areniscas y arcillas, indican que las
salmueras pueden derivar de aguas corinatas.
Los contenidos en sal aumentan con la profundidad y alcanzan
valores que exceden en varias veces los del agua del mar. lista
salinidad tan alta, así como l o s cambios en la composición química en
relación al agua del mar, se atribuyr al filtrado iónico por membranas
arcillosas durante la compactación de los sedimentos.
Existe una correlación estricta entre 1 3 composición isotópica de
la salmuera y su contenido salino, como se aprecia on la Fig.11A.;
para un contenido en oxígeno 18 de Oo/oo, la saliriidad es de
118 gr/l., unas tres veces la del agua marina. La correlación entre el
oxígeno-18 y el deuterio (Pig.llB) es también excelente.
Estas dos relaciones indican dilucibn por agua meteórica dulce de
la salmuera original que deriva del agua marina atrapada en los
sedimentos. E l proceso de ultrafiltracibn por membranas arcillosas,
que determina el incremento de la concentración en sales,
probablemente tambien afecta las relaciones de l o s isótopos estables, determinando a s í la débil desviaci5n de Id r.eldciÚn l8CJ - D de ld
composición isotópica del agua del mar.
La hipótesis alternativa sobre el origen de la salmuera, basada en
el lixiviado de sedimentos por aguas meteóricas puede ser
definitivamente descartado.
172
1 O0
90
80
70 h
rl > 10
~ 50
c m
M v
m Q .A
.rl ,-l
2 30
20
10
O
-10 -8 -8 -4 -2 O
Oxígeno-18 ( o / o o )
Figura ll.A. - Contenido en sales frente a la concentracih en
oxígeno-18 en unas salmueras en e1 NO de Polonia. (Dowgiallo arid
Tongiorgi, 1972). E1 incremento en la concentración do sales tin
relación al agua marina original connata se atribuye a la filtración
en membranas arcillosas.
3.3.4 - Relaciones muy similares a las expresadas 6 x 1 la sección
precedente fueron observadas por Bath arid F;dmurids ! 1981) fin
muestras de agua intersticiales, recuperadas mediante centti€ugación
a partir de un sondeo en la formación del Cretácico Superior al b: de Inglaterra. El quimismo indica que la fracción d e agua marina
(connata) incrementa con la profundidad. A s í , a una profundidad de
380 m. la concentración en cloruros alcanza 20,000 mg/l, ligeramente
por eccima del ague mzrina. E r t i c ~ n c e n t m r i ó n parece continuar
aumentando con la profundidad: por ejemplo, se encuentran 23,700 mg/l
a 530 m. También la concentración en sodio excede a la del agua del
mar a profundidades mayores d e 4 7 0 m.
/ 10
O
-10
-20
-30
-44
-50
-60
-70
-80 -10 -8 -4 -2 O
kigeno-18 (oloo)
Figura 11.8.- Correlación entre los contenidos en oxígeno-18 y
deuterio en salmueras en el 10 de Polonia (Dowgiallo and
Toiigiorgi.1972). La línea superior representa a la línea de agua
meteórica. 1.a línea de ajuste por mínimos cuadrados pasa próxima a la composición del agua marina, confirmando la presencia de agua marina en las salmueras.
El contenido en isotopos estables también aumenta con la profundidad
y 1. 8.linid.d (pis. U). Sin &-o, 108 v d o n s ri+ peSitiVO8 8011: O = -3.7 y D = -17°/00, a los que corresponde un contenido en 18
cloruros de unos 20 gr./l, a rlna profunaidad de 480 m. Estos
contenidos en isótopos pesados están muy por debajo del agua marina
actual, as í como del océano cretácico. De hecho, los océanos
pre-glaciales solo estuvieron empobrecidos un uno por mil y un 10 /o0 en deuterio respecto a la composición actual, como se deduce
de los datos isotópicos observados en foraminíferos (Shackleton y
Kennett,1975). También se obtienen valores similares asumiendo una
completa fusión de las masas de hielo.
O
174
+:stos autores creen que la ultrafiltración no puede producir
dichos fraccionamientos y efectos químicos en base al mayor tamaño en
l o s poros de los esquistos cuando se comparan con los de las arcillas.
!+&o está apoyado por l a ausencia de fraccionamientos elementales.
Tampoco los procesos diageriéticos pueden afectar simultáneamente al
contenido isotópico del agua intersticial. Por otra parte, la
difusión se cree que es el pr-Lncipal mecanismo que podría explicar las
correlaciones observadas entre salinidad y contenidos isotÓpicos.Sin
embargo, las concentraciones en sodio y oxígeno- 18 no parecen
ajustarse a tendencia que cabría esperar para un proceso de difusión.
De hecho, la desviación respecto a un proceso puro de mezcla aumenta
regularmente con la salinidad (Fig. 12), mientras que debería
alcanzar un máximo, y más tarde l o s valores deberían converger hacia
la composición isotópica del agua marina. Por otra parte, otros
procesos además de la difusión deben jugar un papel importante en la determinación de la composición química e isotópica del agua
intersticial de dicha formación.
. 3.3.5 _- - Las técnicas isotópicas fueron aplicadas para determinar el
origen del agua salina subterránea que aparece en la parte
norte d e ia lianura Cul-de Sac, Republica d e t ioi t i (Gof í f i an th i y
Simonot.1987). Estas aguas se cree que derivan de la mezcla de aguas
dulces recientemente infiltradas, con agua marina de formación
atrapada en los sedimentos arcillosos, cuando estos emergieron al
comienzo del Cuaternario.
La composición química de las sales disueltas muestra un origen
mai-inü. s i n eabargu, :a composici6n isotjpica del arda indica 1-
existencia de un proceso más complejo que la simple mezcla. De hecho,
el agua subterránea salinizada. aunque débilmente enriquecida en isótopos pesados con respecto al agua subterránea reciente, no muestra
una desviación apreciable de la línea meteórica (WMWL), es decir, no
presenta evidencias de mezcla con agua marina, o con agua sometida a
evaporación.
175
Figura 12.- Concentración en oxígeno-18 frente a sodio en el agua
intersticial extraida de un sondeo en la formación Chalk, Inglaterra
(Bath and Edmunds, 1981).
Una posible explicación es que e l agua subterránea salina derive
del agua de lluvia infiltrada durante e l Pleistoceno, cuya composición
isotópica estaría ligeramente enriquecida en isótopos pesados con
respecto a la precipitación actual. Ya se citó que durante las
glaciaciones la composición isotópica de l o s océanos era l0/oo y
10°/oo más alta que hoy en día, como consecuencia de la gran
cantidad de agua, isotópicamente ligera, acumulada en forma de hielo
sobre los continentes. De acuerdo con esta hipótesis, la salinidad de
las aguas subterráneas se debería al lixiviado de l o s sedimentos.
Una hipótesis alternativa se basa en l a existencia de lagunas y
albuferas como consecuencia del levantamiento al inicio del
Cuater-nario. El agua de la laguna, fundamentalmente alimentada por
la escorrentía y sometida a evaporación en condiciones de alta humedad
relativa, sufriría un leve enriquecimiento en isótopos pesados con
relación al agua de alimentación, pero sin una desviación apreciable
de la linea WMWL. Este agua se infiltraría para producir el agua Subterránea salada que se encuentra hoy en día.
176
Estas son las principales características d e l conjunto. pero
(jebe destacarse que existe por i o menos un pozo, en la parte NO
de la llanura, donde las variaciones químicas e isotópicas en el
tiempo no estan de acuerdo con la mezcla de agua salada connata.
I.:xiste también otro POLO en el sector NE de la llanura, que muestra un
contenido salino superior al agua del mar, y una composición isotópica
qae se desvía de la línea WMWL, de dificil interpretación
(ultra€ iltracion?) .
+6
3 . 3 . 6 Otro ejemplo de agua de formación en sondeos profundos es
descrito en lsrael por Vleischsr et al. (1977). En este
coso, se distinguen tres tipos de aguas:
124
- . MAR MUERTO
(a) En la llanura costera del Mediterráneo las aguas parecen
haberse originado en un ambiente marino de tipo lagoon, es decir, con
un quimisino similar al agua marina y un ligero enriquecimiento en
isótopos estables pesados debido a la evaporación. Es un caso similar
al ejemplo anterior de Haití.
A
Figura 13.- Salinidad frente a oxigeno- 18 en salmueras muestreadas en
sondeos profundos, lsrael (Fleischer et al, 1917) Las diferentes
tendencias indican cuando 01 orígen de estas salmueras e s t a
relacionado con un ambiente marino (lagoons) o con ambientes
continentales (como e l Mar Muerto).
111
(b) En el área montañosa entre el Mar Mediterráneo y el Rift
Valley, las formaciones superiores han sido lixiviadas por el agua
meteórica durante el Pleistoceno, mientras que las formaciones más
profundas de edad jurásica todavía contienen salmueras de agua marina
concentrada, que han sufrido procesos de ultraf iltcación. Esto parece
haber determinado el gran incremento de salinidad observado ~ que
puede alcanzar la saturacion en halita - y un 1.igero incremento en el
contenido isotópico.
(c) En e l Rift Valley las salmueras son ricas en magnesio, y son
similares a las encontradas en el área del Mar Muerto. La composición
isotópica i on f inna sil origen como se observa en la yig. 1 3 .
-~ 3 . 3 . 7 - Un Último ejemplo e s descrito por Knauth et 21. (1980). que
investigaron la geoquimica isotópica de las aguas subterráneas en l o s domos salinos del Golfo de México. Concluyen que s o l o aguas de
f o r a c i ó n son rompatlhles con 1c.s cmtenidss isotSpicos ~bsscvados.
Esta conclusión se basa en un estudio previo de Clayton et al. (19661, quienes caracterizaron isotópicamente las aguas de formación de este
área. Ciertos procesos de tipo diagenitico, como intercambio con
minerales arcillosos y ultrafiltración podrían afectar la composición
isotópica del agua, mientras que la evaporación, deshidratación de
yeso o intercambio con anhidrita se consideran menos importantes.
3 . 3 . 8 - De la discusion y ejemplos anteriores, asi como de otros
ejemplos tomados de la literatura, el lector puede tener la
impresión que, especialmente en e1 problema de la identificación del
agua connata, l o s isotopos ambientalcs son a menudo de d i f í c i l
interpretación y en ciertas ocasiones esa interpretación no es
convincente y no está en total acuerdo con los datos disponibles.
Hay obviamente parte de razón en esto. Las dificultades mostradas
por l o s isótopos ambientales en muchos aspectos deben ser admitidas,
pero esto no debe ser considerado como un inconveniente del uso de
técnicas isotópicas. Estas técnicas simplemente muestran l o s aspectos
complejos de los procesos naturales que otras técnicas no muestran, ya
que en base Únicamente a datos químicos suelen ser incompletos o
d e n i o s i d d o simples. Si rcestra i-terpretacid: actg.1 de I n s d s t o r
isotópicos no e s satisfactoria o dudosa, se debe a nuestro incompleto
conocimiento de l a geoquimica de l o s isótopos. Se espera que la
acumulación continuada de datos ayudará a clarificar muchos de estos
aspectos, e s decir, a mostrar l o s mecanismos de los procesos naturales
en tkrniinos genera les.
4 . EJKMPLOS UE lD~~N'i'lY1CAClON UE AGUA DULCE SUPEHYIClAL EN LAS AGUAS
SUBI'KHHANEAS .
Aunque, siendo estrictos, este tema no está relacionado con la
i.ntrusibn de agua marina, se discutirá aquí brevemente ya que, desde
e1 punto de vista isotópico, los dos problemas son análogos: para
ambos la solución se basa en el uso de las diferencias isotópicas d e
l o s componentes PUK-OS para identificarlos en la mezcla y estimar sus
proporciones relativas. Además en el caso de mezcla de aguas dulces la
composición química no es de gran ayuda.
No obstante, para utilizar el método isotópico. la condición
previa a satisfacer es que los componentes de la mezcla presenten
composiciones isotópicas diferentes. En el caso de aguas
superficiales, estas pueden ser diferentes de l a s aguas subterráneas
con l a s que se han puesto en contacto,como consecuencia de: (1) previa evaporacioti, ( i j proc-edencia &E üii Qrea d e recarga s i t u ~ d = z mayor
altitud Otros casos no son frecuentes y no son considerados.
El tritio ambicrital puede también ser iisado en alguna ocasión
como trazador del agua superficial.
En la revisión d e las aplicaciones que se han llevado a cabo, nos
limitaremos a los casos "positivos", es decir, aquellos en l o s que la
presencia de aguas superficiales ha sido efectivamente detectada en
ias aguas subterráneas, y no consideraremos los casos frecuentes en
que el método ha proporcionado resultados "negativos". Estos son los
casos en que la fracción de agua superficial en las aguas subterráneas rstá por debajo del límite de detección del dtodo - generalmente en el orden del 10%. Sin embargo, no se puede afirmar que los resultados “negativos“ no aporten información hidrogeolósica de interés.
4.1. Mezcla con a m a sometida a evavoración.
El agua de lagos cerrados está generalmente enriquecida en isótopos pesados como consecuencia de la evaporación. Este hecho ha sido utilizado para identificar la infiltraci6n del agua de los lagos en las aguas subterráneas.
4.1.1. - El Laso Chad, en el Africa Central. no tiene salida natural, 2
y su superficie - que varía desde 20,000 a 2000 Km dopende de la relación anual entradar/evaporación dentro de un ciclo de años. A pesar de ello, la conductividad del agua del lago no excede generalmente los 1000 S.cm , que parece mostrar la existencia de iqportantes pérdidas de aguas no super€iciales. En una investigacih lleV8d8 a cabo por Fontes et a l (1970) l a presencia de agua del lago en las aguas subterráneas superficiales fue identificada a partir de los contenidos en isótopos pesados. Sin embargo la fracción del agua del 1.80 decrece dpidamsnte con la distancia a la orilla y llega a ser virtualmnte despreciable a unos pocos cientos de metros.
-1
- 4.1.2. - E1 mdtodo isotópico no proporciona una estimación del flujo, a menos que las medidas se realicen frecuentemente
al objeto de identificar posibles variaciones estacionales en las aguas subterráneas. Esto fue realizado con éxito por Stichler and nosor (l9i9) m un p.pu”a 1.80 m la Itep6blica Peéeral de Alemanii. Los pozos localizados a una distancia que oscilaba entro unos pocos y 200 m. del lago, mostraron que 01 agua fluía principalmente hacia el norte, en cuya dirección se observaron los contenidos más
altos en deuterio en las aguas subterráneas. Las salidas nibnuperficiales resultaron ser pequeñas, pero todavía significantos hacia e1 O y E, mientras que hacia el sur eran minimas. Las variaciones estacionales en la composición isotópica de las aguas subterrineas, reflejando los cambios en e l lago, decrecen a distancies
180
crecientes y muestran un desfase, indicando una velocidad del agua
cubierránea hacia ei riorke eiitoi-iiü a 0.5 a 1 íri por d i a .
4.1.3. - En una investigación llevada a cabo en el Sur de Turquía,
Dincer and Payne (1971) pudieron provar la contribución de
los lagos de la Meseta de Anatolia a las surgencias karsticas al pie de Las Montañas del Taurus. A partir del contenido en deuterio del flujo base en el rio Koprucay €u6 posible deducir que el 31% del agua
procedía del lago Egidir. El error en esta estimación no se cita, pero
un razonable valor sería (31 + 10) X . Otras surgencias karsticas costeras no mostraron una contribución significativa de lagos y/o
aguas subterráneas en la Heseta Anatólica. Es también importante
señalar que la identificación isotópica del agua se basó en el alto exceso en deuterio (d>20 O i o o ) , característico de la precipitación
en las regiones costeras del Mediterráneo, mientras que en la Meseta
AnatÓlica, es tan so lo de un 10°/oo.
4 . 1 . 4 - En condiciones áridas, la evaporación puede afectar
significativamente a la composición del agua de los rios.
Por ejemplo, el agua del Nilo Blanco presenta un contenido en isótopos
pesados mayor que las del Nilo Azul, y esta diferencia ha sido
utilizada para investigar el origen de las aguas subterráneas en la península que forman la confluencia de estos rios en Khartum
(Harlberg and Shefi, 1975). Se cree que el enriquecimiento en isótopos
pesados en el NiLo Blanco ha sido adquirido a su paso por las regiones
pantanosas del sur del Sudan.
__ 4 . 2 Mezcla con aRua procedente de altitudes superiores.
Este es el caso de los rios que proceden de montañas en altas
cotas, que presentan, al alcanzar las tierras bajas, un contenido en
isótopos estables considerablemente inferior al de la precipitación
local, que es la otra posible fuente de recarga en las aguas
subterráneas. LOS ejemplos disponibles en la bibliografía científica
son muy numerosos, y por lo tanto solo nos referiremos a aquellos que
son considerados mas significativos.
181
4.2.1 - E l agua d e l r í o Chinibo en Ecuador procede mayormente de l a
C o r d i l l e r a Andina, alcanzando una a l t i t u d de 6 2 7 2 m. en e l
volcán Chimborazo. En base a l conten ido en i so topos e s t a b l c c de l a s
aguas s u b t e r r á n e a s , Payne and Schroe te r [ 1979) pudieron demostrar que
l a r eca rga d e aguas sub te r r aneas en l a l l a n u r a , e n t r e Bucay y Yaguachi
( 2 0 Km a l E. de GUayaqlJil) p rocedía en un 73% de l a i n f i l t r a c i ó n d e l
r í o .
-- 4.2.2 - En un caso complejo de contaminación de aguas sub te r r áneas
en e l v a l l e de Mexica l i , n o r t e de México, Payne c t a l
(1979) i d e n t i f i c a r o n v a r i a s f u e n t e s de r eca rga de l a s aguas
sub te r r áneas en base a sus contenidos i s o t ó p i c o s , incluyendo e l agua
d e l an t iguo Rio Colorado y e l agua de dos embalses a r t i f i c i a l e s de
r e c i e n t e c reac ión . Es to condujo también a l a de te rminac ión de l a s
f u e n t e s de contaminación. E:s de d e s t a c a r que e l agua d e l a c t u a l r í o
Colorado es d i f e r e n t e a l a d e l an t iguo , ya que a causa de los cxibalses
cons t ru idos a l o l a rgo d e s u curso se ha producido un enr iquec imiento
en i só topos pesados debido a l a evaporac ión .
En e l caso d e l r í o Reno, I t a l i a , no se d e t e c t ó una d i f e r e n c i a
s i g n i f i c a t i v a en i só topos e s t a b l e s con r e spec to a l a s aguas
sub te r r áneas de lo s a c u i f e r o s a l u v i a l e s de l a l l a n u r a de Bolonia
( C a r l i n e t a l . 1975). En este caso se u t i l i z ó e l t r i t i o pa ra
i d e n t i f i c a r l a r eca rga d e l r i o , sabiendo que e l conten ido en t r i t - i o
d e l r í o e r a mucho más a l t o que e l do l a s aguas s u b t e r r á n e a s . La
C O U L ~ I I ~ L dCi6n en t r i t i o dec rec io regularmente en l a s aguas
sub te r r áneas a mayores d i s t a n c i a s d e l r í o , alcanzando O T.U. a unos
600 m. T a l r eca rga B p P t i r de las agüas d e l r í o se debe
pr inc ipa lmente a l a i n t e n s a exp lo tac ión de l a s aguas sub te r r áneas p a r a
el sumin i s t ro de agua po tab le a Bolonia.
5 . CONCLUSIONES.
En t re l a s t é c n i c a s i s o t ó p i c a s d i spon ib le s para l a i n v e s t i g a c i ó n
de l a i n t r u s i ó n d e agua marina, las más Ú t i l e s son l a s basadas en l a s
variaciones de los contenidos en isotopos estables de oxígeno y
deuterio. Estos isótopos son incorporados a la molécula de agua y por
tanto son trazadores casi ideales del agua. Además, la composición en isótopos estables es una de las propiedades más conservativas de las
aguas subterráneas. Junto a la concentración en cioruros, permiten
discernir si la salinización de las aguas subterráneas en los acuíferos costeros se debe a la intrusión de agua marina como consecuencia de la explotación o por razones naturales. Este es en si, un proceso simple, que los isótopos pueden detectar sólo cuando la fracción del agua marina en las aguas subterráneas es del Órden de
5-10 z.
tos isótopos estables aportan información también sosire otros
mecanismos de salinización, como lixiviado de rocas, evaporación o
mezcla con otras aguas que no sean agua de mar. El estudio del agua connata es más complejo ya que los procesos que ocurren despues del
enterramiento de los sedimentos, como por ejemplo diagénesis, ultrafiltración, difusión, intercambio con la roca, dilución con agua dulce. etc. pueden alterar la composición química e isotópica del
agua. En este .caso, las técnicas isotópicas ayudan en la identificación de los procesos geoquímicos que tuvieron lugar desde
que el agua quedo atrapada en los sedimentos.
Como conclusión, a menudo las condiciones naturales en que se
produce la salinización de las aguas subterráneas no son fácilmente adscritas a un proceso simple de intrusión y mezcla con agua marina.
P:n estas circunstancias, los isótopos proporcionan una herramienta adicional a disposición de hidrogeólogos y geoquímicos, para ser
utilizada junto a otros métodos al objeto de clarificar algunos aspectos de los mecanismos de salinización, confirmando o anulando las hipótesis formuladas en base Únicamente a los datos geológicos e
hidroquímicos .
183
NOTAS COMPLEMENTARIAS A LAS FIGURAS
FIGURA 2
La composición isotópica del agua meteórica puede ser modificada
por l o s procesos siguientes:
- Mezcla con agua marina. - Evaporación: la relación lineal entre 6D y 6 O del agua
sometida a evaporación presenta una pendiente inferior a 8 ,
generalmente entre 4 y 6 ;
18
- Intercambio isotópico: a altas temperaturas las aguas
subterráneas puecien sufrir intercdmbiu CUII l d iridiilr L?i>CUSd, cuyo
contenido en hidrógeno es generalmente ínfimo; por tanto, solo es
modificada la composición isotópica del oxígeno, con un incremento en
el contenido en oxígeno 18.
UltrafiltraciÓn: la filtración por membranas arcillosas produce
enriquecimiento en isotopos pesados. La relacion linear entre b ü y
¿ O presenta una pendiente de 3 . 18
FIGURA 3
- La disolución y lixiviado de sales no producen cambios isotópicos
significativos
- Las mezclas producen en principio relaciones Lineares, siempre
que las aguas que se mezclan presenten diferentes composiciones
isotópicas y salinidades. Esta relación es univoca si el agua de mar
es uno de Los componentes dc ?a mczcla. La mezcla con una calmuere
mostrara una pendiente inferior.
- La evaporación produce en e l agua un enriquecimiento en isótopos
pesados inicial bastante rápido, que tiende posteriormente a un valor
estacionario dependiendo de la composici4n isotópica del vapor
atmosférico y l a humedad relativa en la atmósfera.
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