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 A c u í f e r o s Costeros Almuñécar (Granada, España). 1988

LOS ISOTOPOS AMBIENTALES EN EL ESTUDIO DE LA INTRUSION MARINA

Roberto Gonfi a n t i n i L u i s Araguas Araguas Orqani smo I n t e r n a c i o n a l de 1 a Energía Atómica Viena, A u s t r i a

RESUMEN Las v a r i a c i o n e s en los i s ó t o p o s a m b i e n t a l e s ,

y e s p e c i a l m e n t e en

l o s i s ó t o p o s e s t a b l e s d e hidrógeno y oxígeno en el a g u a , 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 i g e n de l a s a l i n i z a c i ó n d e l a s aguas subterráneas, acuífcroc

incluyendo

costeros.

el

listo

caso

de

queda

la

intrusión

ilustrado

en

marina

esta

en

los

comunicación

mediante v a r i o s ejemplos y c a s o s e s t u d i a d o s , que a su vez s i r v e n p a r a estimar

las

contribución

limitaciones de

las

del

técnicas

método. basadas

cn

También

se

isótopos

estables

estudia

cn

la la

i n v e s t i g a c i ó n d e l a s aguas corinatac.

1.

INTRODUCCION.

agUa

i) (7) (8)

8orFbe aad O m r a ( 1 9 6 a i

Longinelli and Craig ( 1 9 6 7 ) ( 9 ) Craig (1969) (10) Tan and Stain ílS~~J_~ ( 1 1 ) Van D o M ei si I'JWI (12) Breegunov et al (1980) (13) Vetshtein et al (1914)

15

x

Promedio Ecuador 57

s

;

!

! -1.30 (10) I -3.80 (11) : -1.95 (12)

:

: : :

Promedio I Fosa del JapC>n : Prom. fosas ' 36 N -0.6 (7) -1.4 (5)

-1.7 (5)

I ARTICO

Promedio Cost. Canada Med. Norte Med. Sur

:

j

Sur 36 N 15 N

I ANTARTICO

_.

:

Islas Aleut : -0.17 tied. Norte I - 0 . 4 0 tied. Ecuad. : -0.15

INDICO

:

ii

Ecuador

P R O F U N D I D A D D Situacion

Árgenbina

+1.4 (7) +3.0 (7)

!

E N 0-18

Groenlaodia ! +0.12 (1) Cost. Canada: -0.08 ( 2 ) 44 N ! +0.10 ( 8 ) +3.0 (5) +6.0 ! 35 N Portuaal : +4 9 (3)

-0.80 (2) +0.30 (1) +0.50 (1) +0.50 a -0.40 (:;

:

: :

+ 2 . 2 (5)

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 Fritercnnexión entre agua marina y agua s u h t e r r h e i . El

e i t l i d i o r d e !a

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 e s trabajos geoquímicos, y no

utilizado en

raramente

considerado en

es

esta

comunicación. F:l

océano, que contiene más del 97% del agua

terrestre,

presenta

un

contenido

en

isótopos

en la corteza

estables

bastante

Por esta razón, y también porque e l océano representa el

uniforme.

punto de partida y de llegada en e l ciclo hidrológico, la composición isotópica media expresar

las

del océano ha

concentraciones

sido en

tomada

como referencia para

oxígeno-18 y

deuterio

en

los

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 n o t i r i 6 n ( A ! .

6Oioo = (R

donde

R

=

d r u t e r i o en

180/160

as

o

SAMPL~~VSNOW D/H.

Las

'

'Ooo

variaciones

en

oxígeno-18

y

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

____~ REF

__-

Mares con salinidad superior a la del ocbano)

MAR MEDITERRANEO 1.30 1.30 0.15 1.00 0.83 1.30 1.54 0.68 1.33 1.40 1.75 1.51

Francia.Niza Francia Gibraltar Mar Adriatico id. nar Jbnico id. Mar Tirreno id. Israel. Este id. Grecia

1.6 a 2.0 1.46 7.5 9.0 1.3 a 1.4

9.0

1 2 2 2 3 3 4 4 5 6 6 1

MAR ROJO Golfo de Aqaba

8

0.60 1.80 2.07

4.0 8.0

0.91 0.76

7.0 6.3

10 11

10.3 15.5 14.5

12 13 14 15 9

8

2.8

9

rlAR CARIBE

Jamaica Aaiti GOLFO PERSIGO Abu Dhabi

0.40 0.80 1.43 2.10 2.70

U.A.E. Qatar

:(Hares con salinidad inferior a la del oc&ano)

:

;

MARNEGRO llar de Amov Rumania id. Turquia Rumania

MAR BALTICO

:

:

: I : : :

-2.10 -3.10 -3.25 -3.35 -5.40

-20.o -26.7 -27.O -31.8

-5.30 a -7.00

-41.0 a -81.o

Datos tomados de: Fontes et al. (1965) Longinelli (1972) Cotecchia et al. (1974) Stahl et al. (1914) Longinelli and Craie (1967) Arad et al. (1975) Payne et al. (1973) ( 8 ) Craig (1966) 1 9 ) Anati and Gat (1988) 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) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

139

-

Las

aguas

superficiales del

océano

están

ligeramente

enriquecidas en isótopos estables como consecuencia de la evaporación,

ya

que

este

isotópicamente menos

proceso

pesada.

Por

elimina la misma

preferencialmente razón,

los mares

agua con

limitada comunicación con el océano. donde la evaporación excede al flujo de escorrentía más la precipitación, están también ligeramente enriquecidos

en

oxígeno-18

deuterio.

y

Por

ejemplo,

el

War

Mediterráneo, el Mar Rojo. el Golfo Pérsico o el Caribe muestran enriquecimientos 1o0/oo

y

io/oo

en deuterio y oxígeno-18 respectivamente.

~i

que generalmente alcanzan

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

evaporación.

la escorrentía es superior a

la tasa de

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

-

W I O

438400

1025

-2.22

T*YDu(IU

sasw

1410

r1.3 a

*24

28IW

185

+l.B +2.1

*ll tl1

UUAW

lIl'1wu

8100

CBLD

aocao

-

rssn-ra MI

. .

+1.z

101 4. -1.1 281

a.

Y..

I

+mo -0.4

8too

W 8 d .

lo00

s25 .yi r4.4

su IY.

-

+an

-za

-18 rQ.1

-15

-11%

-1s

-11 4.3

-1.8

.

-11 -1s

->.o.

111

-28

121

111

1s)

411

(0

s.00

-

(51

-10.

181

2S8

1-

-100 -25.

111 L (01

-189

-so ............................................................................................................. D.to.

140

-1.0

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

El contenido en isótopos estables del a w a dulce.

2.2.

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. el vapor procedente del océano

-

atmósfera

-

Por otra parte,

que es la mayor fuente de

agua en la

está siempre empobrecido en oxígeno-18 y deuterio en una

cuantia que depende de varios factores, siendo el d s importante la

En realidad. la evaporación en la

humedad relativa de la atmósfera.

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

fraccionamiento isotópico

tarde

la

precipitación,

el

proceso

de

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 T a b l a s 1 y 11 se p r e s e n t a n l a s composiciones i s o t ó p i c a s d e los

océanos

También

y

a l g u n o s mares

se muestran

las

en d i s t i n t o s

composiciones

lugares

y profundidades.

isotópicas

de

algunos

lagos

c e r r a d o s en l a Tabla 111

__-E l c o n t e n i d o e n i s ó t o p o s e s t a b l e s d e l agua d u l c e .

2.2.

-2 .~ .2.1 -

Como ya se c i t ó pasa

a

la

evaporación, ya que

a n t e r i o r m e n t e , e l agua

isotópicamente l i g e r a

f a s e vapor d e un modo p r e f e r e n c i a l p r e s e n t a una

p r e s i ó n de vapor

superior frente

l a s moléculas de agua que c o n t i e n e n i s ó t o p o s p e s a d o s .

el vapor p r o c e d e n t e d e l océano atmósfera

-

durante

la a

Por o t r a p a r t e ,

que es l a mayor f u e n t e d e

agua en l a

e s t á siempre empobrecido e n oxígeno-18 y d e u t e r i o e n una

-

c u a n t í a que depende d e v a r i o s f a c t o r e s , s i e n d o e l más i m p o r t a n t e l a humedad r e l a t i v a d e l a a t m ó s f e r a . naturaleza

no

F:n r e a l i d a d ,

l a e v a p o r a c i ó n en l a

o c u r r e en c o n d i c i o n e s d e 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 d e f r a c c i o n a m i e n t o i s o t ó p i c o entre

las

fases

líquido

y

atmósfera marina no muestra

vapor. grandes

i s ó t o p o s e s t a h l e s , ya que a q u é l ,

se

Sin

embargo,

variaciones

el

vapor

en

la

en e l c o n t e n i d o d e

o r i g i n a a p a r t i r d e una f u e n t e

isotópicamente uniforme y v i r t u a l m e n t e i n f i n i t a .

Cuando e l lugar

las

vapor

nubes

y

atmosférico mas

fraccionamiento isotópico

tarde

se

la

condensa

para

formar en p r i m e r

precipitación,

el

proceso

de

se i n v i e r t e con r e s p e c t o a l a e v a p o r a c i ó n ,

y 01 agua i s o t ó p i c a m e n t e pcsada se condensa con mayor f a c i l i d a d . La

condensación s a t u r a c i ó n y,

de

este

vapor

s i n embargo,

se produce

sólo

cuando

se

alcanza

la

se t r a t a d e un p r o c e s o que o c u r r e en

condiciones d e e q u i l i b r i o termodinámico. En e s t e c a s o , no o b s t a n t e , l a f u e n t e no es i n f i n i t a , y s u c e s i v a s condensaciones a p a r t i r d e 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 isótopos e s t a b l e s .

141

grado

P:1

temperatura:

de y

condensación d e una así,

La

composición

masa

de

isotópica

la

vapor

depende d e

de

precipitación,

la

extremadamente v a r i a b l e en e l tiempo y e s p a c i o , e s t a c o n t r o l a d a s o b r e t o d o p o r l a t e m p e r a t u r a de formación d e e s a masa d e v a p o r .

Este hecho

e x p l i c a l a mayoría de l o s " e f e c t o s "

observados en l a p r e c i p i t a c i ó n ,

tales

cantidad,

como

latitud,

estacionalidad.

altitud,

continentalidad

y

se e x p r e s a n g r á f i c a m e n t e l o s

Kn l a s F i p s . 1 A y 1B

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 la

precipitación,

s u dependencia d e l a t e m p e r a t u r a y l a

mostrando

latitud.

Las v a r i a c i o n e s en oxígeno-18 y d e u t e r i o en l a s aguas d u l c e s

-2 . 2 . 2 . -

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 tipo :

dD =

Con a Observados

= 8 y

en

a *

b = 10 ' / o 0

las

aguas

618ü t

b

, r e p r e s e n t a n d o l o s v a l o r e s normalmente

naturales.

Esta

línea

denominada

"World

H e t e o r i c Water Line" (WMWL) f u e d e f i n i d a p o r C r a i g ( 1 9 6 1 ) .

Por o t r a p a r t e ,

l a s variaciones

isotópicas

de l a

precipitación

son en g e n e r a l i n t e g r a d a s d u r a n t e el p r o c e s o d e l a i n f i l t r a c i ó n e n l a r e c a r g a de l o s a c u í f e r o s .

En l o s c a s o s 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 s u b t e r r á n e a e s un r e f l e j o d e l v a l o r medio ponderado d e l contenido isotópico de l a precipitación.

Las aguas d u l c e s sometidas 18

6D/6

varía

O

citada entre

4

en y

(l), 6

a

sino

como

evaporacion no que

la

consecuencia

d e s e q u i l i b r i o antes expresadas.

142

siguen l a

pendiente de

las

en

relación

estos

casos

condiciones

de

Relaciones entre isótopos estables y salinídad.

2.3.

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

distintos contenidos químicos y i o disolución de sales

y

intercambio químico e representación de 6-Salinidad

con otras masas

isotópicos; ( 3 ) evaporación; (4)

lixivinrin d e miner-les isotópico con

éstos procesos

en

y

(5)

la matríz del acuífero.

La

PE

las

los diagramas

presenta en las Pigs. 2 y 3 .

se

acuosas de

pncas;

6l8O

-

6D

y

Otros procesos, que

afectan a las aguas subterráneas con tiempos de residencia largos en una

formación

geológica,

como

la

ultrafiltración

en

membranas

arcillosas, s e discutirán en el Capitulo 3 . 3 , donde se estudia el agua connata.

2.3.2

-

En

el diagrama

(ecuación 1) oceánica (VSHOW),

6

18

la denominada línea meteórica

O-dü

no intersecta el punto que representa el agua

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 disponen a l o

se

largo de una línea recta que conecta la composición

isotópica del primero la del segundo íFig. 2 ) .

generalmente sobre la línea meteórica

-

con

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 v a r e f l e j a proporciones de mezcla.

i44

las

40

30

20 10

O -10

-20

uitrafiltraciOn

-30 -40

-50

-60 -70

w

-8

-10

v -4

-6

_

O

-2

2

1

4

Oxígrno-18 (oloo)

-

b’ig.2

Kelaciones

generales

entre

la

composición

isotópica

del

hidrógeno y oxígeno e n l a s aguas n a t u r a l e s . En l a mayoría d e l o s c a s o s obedrctm a l a denominada

6D

=

World Meteoric Water L i n e cuya e c u a c i ó n es E s t a l í n e a no p a s a s o b r e e l punto que

6180 t 1 0 ( C r a i g , l 9 6 1 ) .

r e p r e s e n t a La composición i s o t ó p i c a d e l agua marina como c o n s e c u e n c i a de

los

e € e c t o s c i n e t i c o s que o c u r r e n d u r a n t e

la

e v a p o r a c i ó n en

el

oci5ari0, mayor f u e n t e d e vapor. E l grado d e empobrecimiento en i s ó t o p o s pesados depende p r i n c i p a l m e n t e de, l a t e m p e r a t u r a d e formación d e l a precipitación.

2.3.3 -

Las

aguas

sometidas

a

evaporación

s i g u e n en

general

una

t e n d e n c i a d i f e r e n t e , con un e n r i q u e c i m i e n t o i n i c i a l r á p i d o e n isotópos

pesados,

que

tiende

a

alcanzar

un

valor

estacionario

dependiendo d e l a humedad r e l a t i v a en l a a t m ó s f e r a y l a composición isotópica

del

vapor

atmosférico.

evaporación, s i l a s a l i n i d a d

SP

En

las

Últimas

etapas

de

la

aproxima a l a s a t u r a c i ó n , e l c o n t e n i d o

en i s o t ó p o s e s t a b l e s d e l agua, puede i n c l u s o d e c r e c e r .

Un d e t a l l a d o

t r a t a m i e n t o a c e r c a d e l comportamiento d e l agua d u r a n t e l a e v a p o r a c i ó n puede e n c o n t r a r s e e n G o n f i a n t i n i ( 1 9 8 6 ) . 145

O

c

Salmuera

---Disolución y lfxiviado

-6-

-e

c

-

-10

I

O

1

m

1

I

I

Y)

Salinidad

1

I

a0

I

l

a0

100

(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 salinidad una línea paralela en el eje de abscisas en el diagrama 6

-

2.3.5 -

Finalmente, e l intercambio isotópico e n t r e acu;fero

enriquecimiento

en

fi agua

y

sutie.-ránea pro;ücr:

contenido

el

en

oxígeno-18

l a matriz

del

genera;menic un

de

ésta,

siendo

el

hidrógeno r e l a t i v a m e n t e e s c a s o en l a s t o c a s ( F i g . 2 . ) .

La c i r i e t i c a d e

las

a

reacciones

normales,

de

pero

intercambio e s

puede

llegar

a

ser

ambientes de a l t a s t e m p e r a t u r a s , observa

los

en

campos

generalmente

-

1erit.a

importante,

temperaturas

aiinque

sólo

p o r encima de l o s l S O ° C

geotermicos explotados

para

la

en

como se

obtención d e

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 f u e r t e m e n t e

energía.

a f e c t a d a , e i m p o r t a n t e s p e r d i d a s de vapor pueden o c u r r i r , produciendo un

enriquecimiento

inferiores termales

a de

3

adicional

en

alta

el

en

diagrama

temperatura

isótopos

6l8O es

de

pesados

6D.

~

con

limitado

pendientes

caso

El

de

interés

aguas

en

esta

e x p o s i c i ó n , p e r o p a r a una d e t a l l a d a r e v i s i r j n e l l e c t o r queda r e f e r i d o a Giggenbach e t a l . ( 1 9 8 3 ) .

2.3.6

-

De l a e x p o s i c i ó n p r e v i a se puede i n f e r i r que a contenidos

en

isótopos

estables

i n t r u s i b n de agua marina en un a c u i f e r o .

se

puede

p a r t i r de los i d e n t i.f i c a r

S i n embargo,

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 .

la

la principal

s i e1

Por ejemplo,

agua d u l c e con un c o n t e n i d o e n oxígeno- 18 d e - ? O / o o se mezcla con agua

marina

&"O

=

O,

la

fracción

de

este

úitiiiio

d e b e r í a e s t a r e n t o r n o a l S 4. ( u n c o n t e n i d o en c l o r u r o s gr/l)

para

ser d e t e c t a b l e con c e r t e z a .

Si

el

componente de

d u l c e no es i s o t i p i c a m e n t e uniforme en e l á r e a e s t u d i a d a relativamente frecuente

coniponent,e próximo a 1 agua

y e s t o es

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 d e h a s t a un 10%.

Cuando d o s o mas p r o c e s o s d e l o s c i t a d o s o c u r r e n simultáneaniante,

e l panorama p a r e c e c o n f u s o ; s i n embargo, con e x p e r e n c í a y r a z o n a b l e comprensión pueden

del

alcanzar

funcionamiento interesantes

ejemplos d e l a Seccion 3 .

del

acuífero objeto

conclusiones,

como

se

de e s t u d i o , mues t r a

en

se los

d e l a!ua.

2 . 4 . T r i t i o y-C&%~n_o-14 en-el.cis!.o

2.4.1.

Tanto

-

tritio

el

como

activos

carbono 1 4

el

12.43

años,

5730

y

en l a s c a p a s a l t a s d e

continuamente producidos

r a d i a c i ó n cósmica s e c u n d a r i a .

son

riucleidos radio respect-ivamerite),

l a atmósfera por

Son tambikn producidos p o r c l tioiiibre y

s o n laiizados a l medio ambiente p o r los r c a c t o t - e s riuclcareo, o medida,

durante

atmósfera.

los

la

ensayos

termonucleares

mi niayor

r e a l izados

cn

1a

E l p e r í o d o 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 origen

termonuclear

fue

introducido

en

la

atmósfera

se p r o d u j o

Despuhs do e s t a f e c h a los t r e s p a í s e s n u c l t ? a r e s d e

e n t r e 1957- L962.

a q u e l p e r í o d o , U S A , 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 t m o s f é r i c o s . F:stos ensayos f u e r o n cniprcrididos d e nuevo p o r China cn 1 9 6 7 , y más t a r d e p o r Yrancia; sin embargo s u p o t e n c i a c s l i m i t a d a y a f e c t a n débilmente a l c o n t e n i d o en t r i t i o d e l a a t m ó s f e r a .

F:n

la

atmósfera

a

oxidados t r a v é s de

y

H20

t r i t i o y el

el

tritio

F:l

C02.

la precipitación,

carbono 1 4

entra

en

el

son

rápidanicnte

c i c l o del

agua

m i e n t r a s que e1 carbono 1 4 e n t r a m

a 6.1

c i c l o b i o l ó g i c o d e l carbón a t r a v é s d e l a f o t o s í n t e s i s .

pueden sor u t i l i z a d o s p a r a d e t e r m i n a r l a edad d e 1

Ambos i s ó t o p o s

Esto r e q u i e r e l a a d o p c i h d o modelos que d e s c r ban

agua s u b t e r r á n e a . de

un

modo

simplificado

comportamiento

a

~

menudo

demasiado

simple

C l

d e l a g u a s u b t e r r á n e a y sus i n t e r a c c i o n e s geoquím c a s

con l a m a t r í z d e l a c u í f e r o .

-___ 2.4.2 -

La

concentración

expresa

1 átomo mínimo

de de

en

tritio

por

detección

enriquecimiento

y

de

Unidades

con

cada

os

de

tritio de

las

en

aguas

l'ritio (T.U.):

LO1* 0.3

átomos TU

c o n t a d o r de

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

si gas,

la y

de

se

naturales

1 TU c o r r e s p o n d e a

hidrógeno.

medida entorno

se

K1

nivel

realiza

aL d o b l e

si

con se

rango d e l a c o n c e n t r a c i ó n d e t r i L i o en l a p r e c i p i t a c i ó n en el

b:l

hemisferio emisiones

norte, de

donde

tritio,

es

están

localizadas

la

mayor

parte

actualidad

de

10

30

la

en

hemisferio s u r y dentro del

cinturón tropical,

menor, aprÓxi.madamente en un f a c t o r d e 5 .

-

las

de En

TU.

el

su c o n c e n t r a c i ó n e s

En l a primavera d e 1963,

poco tiempo despues d e l a s e x p l o s i o n e s t e r m o n u c l e a r e s r e a l i z a d a s e n l a

atmósfera,

se

antcr-iorldid

alcanzaron

valores

a 1953, e1 n i v e l

de

hasta

10,000

Con

TU.

n a t u r a l de t r i t i o e n la p r e c i p i t a c i ó n

e s t a b a s i t u a d o e n t o r n o a 10 TU. c o n t e n i d o 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 e n d í a d e l

b:l

orden d e 10.20 TU en e l h e m i s f e r i o n o r t e y e n t o r n o a 5 en e l s u r .

Sin

el c o n t e n i d o cn t r i t i o e n el agua d e mar que p e n e t r a en un

twibargo,

a c i i í f e r o puede intrusión.

sor n u l o ,

otra

Por

en f u n c i ó n d e l

parte,

la

mezcla

tiempo en que o c u r r i ó entre

agua

marina

y

la

agua

s u b t e r r á n e a 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 c o n t e n i d o e n t r i t i o y

composición

la

en

isótopos

estables

o

con

la

concentración

en

cloruros.

. 2 ..-4 ..3

-

La c o n c e n t r a c i ó n

en

carbono- 14

se

expresa

en

tanto

por

cierit.0 de carbono “moderno” (pmc). Este Último c o r r e s p o n d e a la

concentración

en

1.890, q u e r e f l e j a

el

carbono- 14 d e

1.a c o n c e n t r a c i ó n

plantas

con a n t e r i o r i d a d

a

p r e v i a a l a d i l u c i ó n d e l 14C e n

(;o2 atmosft5rico causada p o r l a combustión d e carbón y p e t r ó l e o .

K 1 n i v e l mínimo d e d e t e c c i ó n d e l

Coiao cons(?ciiencia de los “‘f;

las

t-n

previo

cl

Cfj2

cn

el

hemisferio

14

e s de 1 pmc.

C

ensayos t e r m o n u c l e a r e s , el c o n t e n i d o e n

atniosfk-ico fue c a s i hemisferio

sur.

Desde

norte, entonces

y

doblado con alcanzo ha

respecto a l nivel

hasta

comenzado

c o n c e n t r a c i ó n debido a l a d i s o l u c i ó n en e l océano.

en

el

descender

su

160

a

pmc

El carbono-.l4 e s básicamente d i s u e l t o p o r l a s aguas s u b t e r r á n e a s estas

cuando

los

atraviesan

infiltración.

En estas z o n a s ,

de

Órdenes

hasta

dos

atmósfera,

horizontes

la presión p a r c i a l de

d e magnitud

como consecuencia

edáf i c o s

superior

a

la

durante C02

la

puede ser

observada

on

la

de l a r e s p i r a c i ó n d e l a s p l a n t a s y

la

desintegración de l a materia orgánica. isótopo

tii

junto

al

estable Como

I4C.

expresan

Gei

carbono,

13c

isótopos

estables,

otros

sc

corisilc-rs

sus

geiiet-l=efite

variaciones

e n l a n o t a c i ó n 6 ( d e s v i a c i ó n en t a n t o p o r m i l ) ,

se

utilizando

como r e f e r e n c i a e l denominado PDB - ü e l e m n i t e d e l a formación Pee Dee d e l C r e t a c i c o d e C a r o l i n a d e l Sur- ( E p s t e i n e t a l . 1 9 5 3 ) .

13c/12c

La r e l a c i ó n

e n e i PDB es s i m i l a r a i a que se e n c u e n t r a en l a s c a l i z a s

marinas,

mientras

la

que

del

13C

bicarbonato

marino

es

aproximadamente i g u a l a - l o / o o .

_-2 . 2 . 4

-

En e l

caso

d e l carbono-13

y

carbono-14

las relaciones

de

mezcla en e l c a s o d e l agua d e mar s o n mas complejas que p a r a Cuando se c o n s i d e r a n e s t o s i s ó t o p o s tambien deben ser

otros isótopos.

tenidas en cuenta l a s concentraciones de l a s especies carbonatadas en

l o s d i s t i n t o s t i p o s de aguas, Denominando

con

A1 ,

Ap

y

$,

además d e el

s u composición i s o t ó p i c a .

contenido

isotópico del

carbono

i n o r g á n i c o d i s u e l t o en l o s dos t i p o s d e aguas y cn l a m e z c l a , y con C1,

y

C2

las

CM

concentraciones

del

carbono

inorgánico

disuelto,

se o b t i e n e :

A

donde

dos

x

es

términos

C

1 1

x + A ~ C ~ ( ~ - X ) C= A N M

l a fracción presentan

del

componente 1

diferentes

en l a

composiciones

mezcla.

isotópicas

Si

los

en

el

carbono y d i s t i n t a s c o n c e n t r a c i o n e s e n e l carbono i n o r g á n i c o d i s u e l t o , las

relaciones

e n t r e e l 13C

o

14C

d e una p a r t e ,

y

e1

cloro,

180

o ü d e o t r a , se d i s p o n d r á n a l o l a r g o d e una c u r v a . E s t o f u e mostrado, p o r ejemplo, p o r Mook (1970)

e n e l e s t u a r i o d e l Hio s c h e i d t ( t í o i a n d a j .

150

Debe r e s a l t a r s e que l a v a l i d e z d e l a e c u a c i ó n ( 2 ) c s d e c a r a c C e r general.

Si

C1

C2

=

como

Cpl,

z

ocurre

por

ejemplo

con

el

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 l a composición i s o t ó p i c a es l i n e a r

2.5

Azufre-34

2 .5.1 -

1

6.

Oxígeno-18 en 102s - u l f a t o s di-elt,ogl

y

a z u f r e 34 es

El

-.

A

un

isótopo

estable

con

una

abundancia

media en l o s compuestos n a t u r a l e s d e a z u f r e d e 4 . 2 1 % . isótopos

pesados

utilizados

se

de

azufre

en geoquímica.

expresan

utilizando

en

como

la

son

Las

fornia

referencia

33S

variaciones

usual el

(0.014%), no 34 3ZS l a relación S/

en

(desviación

llamado

La

en

que

CTD,

Otros

36S

y

(0.76%)

notación

corresponde

a

A), la

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 c o n t e n i d a en

el M e t e o r i t o d e l Cañon d e l Di.ablo. Las r e a c c i o n e s de oxidación- r e d u c c i ó n pueden a f e c t a r notablemente la

composición

disuelto.

hecho,

De

oxidación

isotópica

de

del

la

sulfuros,

oxígeno

producción o

la

y

de

reducción

controlada por l a actividad bacteriana

sulfatos de

el

contrario,

el

partir

a

a

sulfato de

la

menudo

son p r o c e s o s que general.mentc

.

intercambio c m

el

sul.fatos

e s t á n acompañados d e grandes fraccionarnientos Por

en

azufre

del

isotópicos (cineticos).

isótopos

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 p a r a pHs mayores d e 7 y t e m p e r a t u r a s not'niales.

___ 2.5.2

-

rl

sulfato

disuelto

en el

agua d e l

composición oxígeno. CDT

y

i s o t ó p i c a uniforme, 34 v a l o r e s medios son: 6 S

Los 6l80

=

t

9.5'/00

respecto

a

mar

tanto =

VSMOW

+

presenta

una

azufre,

cumo

en

respecto

al

en 21

'/o0

(Leone

et

al.

1987).

Debe d e s t a c a r s e e l hecho d e l a no e x i s t e n c i a d e e q u i l i b r i o i s o t ó p i c o

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 e n c u e n t a es l a

v a r i a c i ó n Sei contenido i s o t á p i c ü 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 g e o l ó g i c a (Claypool e t a 1 . , 1 9 8 0 ) .

131

___ 2.5.3

La

-

composición

isotópica del

sulfato disuelto en

las

aguas dulces refleja generalmente la de sus fuentes. Así, cuando

sulfato

el

evaporit-icos f20

O/oo;

el

proviene

contenido en

'/o0

6

la 34 S

disolución suele

de

materiales

estar próximo a

mientras que en el caso de la oxidación de sulfuros o

azufre orgánico, los valores -20

de

hasta O ' / o 0

obtenidos se encuentran en

(Pearson y Rightmire,l980).

isotópica del oxígeno puede variar entre -5

el

rango

La composición

y +20

y está

O/oo,

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 2.6.

esta dentro del rango 3 - 4 .

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 estudio

se

han utilizado frecuentemente en el

de la salinización por intrusión del agua marina, junto a la

concentración

en

cloruros,

que

conservativo.

La

correlación

del

contenido en cloruros

es

es

también

oxígeno-18

univoca, pero

y

otro

parámetro

deuterio

con

el

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 u s o 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

composición

1a .

isotópica

del

sulfato

disuelto

un

es

trazador

e f i c a z p a r a d e t e r m i n a r e l o r i g e n d e l p r o p i o s u l f a t o , mas que e l d e l Por e j e m p l o , s i e l s u l f a t o d i s u e l t o p r o c e d e d e l l i x i v i a d o

agua. yeso

de

d e o r i g e n marino, su composición i s o t ó p i c a presumiblemente s e r a a menos que l a edad g e o l ó g i c a d e l a s

s i m i l a r a La d e l s i i l f a t o marino

-

evaporitas

época

corresponda a

una

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

c o n s i d e r a c i o n e s t a m b i h se a p l i c a n a

los

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 d e materiales. P o r ello, la

combinación

técnicas

de

isotópicas

y

análisis

químicos

parece

salvar e s t a ambigüedad.

3 . APLLCACLONES UE LAS TECNLCAS 1SOTOF’lCAS AMBI.b;NTALES K N LA INTRUSION DE AGUA M A R i N A Y li” LA SAI.lNlZAC1ON DEL AGUA SUBTERRANEA.

Los

ejeiiiplos

hibliografia

de aplicación

científica

anteriormente,

no

técnicas aparecidos

numerosos.

Como

ya

en la citó

se

La i n t r u s i ó n d e agua marina se d e t e c t a

c r e e que

se

de estas

son

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 d e l a medida d e conductividades, Además,

un

no son n e c e s a r i a s

y

conocimiento

aproximado

por

t a n t o medidas i s o t ó p i c a s .

del

sistema

indicaría

a

un

hidrogeólogo experimentado l a p o s i b l e e x i s t e n c i a d e o t r a s f u e n t e s d e salinización

en

el

acuífero

costero.

Kn

e l uso

general,

de

los

i s ó t o p o s queda reservado a e s t o s c a s o s .

Otrki

aplicaiión,

caliiiización,

os

la

de

interiic

presencia

para de

determinar

agua

el

connata

origen

atrapada

de

en

la

las

formaciones s e d i m e n t a r i a s m a r i n a s , que se puede m e z c l a r con l a s aguas subterráneas. paleohidrología

Este hecho

tiene

en o c a s i o n e s

y paleoclimatología del área,

implicaciones sobre

i s ó t o p o s a m b i e n t a l e s pueden a p o r t a r nueva información.

153

las

con

cuales

la

los

W

-3 O

50

1

0

intrusión agda marina

LO

3

o 50

20

3 O

5

o 10

2

o O

1

0 1

I

I

T

1

20

O

1

O I

I

W

LO

Carbono-14

(pcm)

Pigura 4.- hh el acuífero de la isla Hilton Head, el área de intrusión marina

fuk

definida

carbono-14 y cloruros.

claramente a

partir

de

los

contenidos

Los números se refieren a la profundidad

en 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 de los isótopos del carbono). 164

(excepto en el caso

. 3_ . 1 . 1-

Uno

~

los

de

primeros

estudios

publicados

trata

la

contaminación s a l i n a d e u n a c u í f e r o c a l i z o eoceno c e r c a d e Brunswick,USA dete:rminar

et

(Hanshaw

la

posible

El

a l . ,1965).

intrusión

marina

indicador reciente

utilizado fue

para

carbono-14 ;

p r e s e n t a n d o 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 valores

los

obtenidos

e n t r e 2 y 3 pmc.

en

a c u í f e r o no

el

salinizado,

que o s c i l a b a n

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 e n t o r n o a l 4%, que d e b e r í a e l e v a r el c o n t e n i d o en carbono- 1 4 h a s t a 6- 8 pmc.

Como t a l incremento no s e 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 d e r i v a b a d e 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 i n f r a y a c e n t e . que c o n t e n í a agua s a l i n a .

Aunque el c o n t e n i d o en carbono-14 debe ser usado con c a u t e l a , ya que no es c o r i s e r v a t i v o ,

debe s e ñ a l a r s e que en e s t e c a s o e r a l a Única

h e r r a m i e n t a d i s p o n i b l e p a r a p r o b a r o r e c h a z a r l a c o n t r i b u c i ó n d e l agua ocehica.

D e hecho,

l a d i f e r e n c i a en i s ó t o p o s e s t a b l e s e n t r e e l agua

agua marina e r a demasiado pequeña, s o l o 15 ' / o 0 en

subterránea y CL

d e u t e r i o (medido r e s p e c t o a un p a t r ó n i n t e r n o ) .

-3.1.2 -

una

-

investigación

similar

se

llevó

a

cabo

los

por

mismos a u t o r e s unos años más t a r d e e n 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 t o n Head - C a r o l i n a d e l Surse

obtuvo hasicamente

satinidad.

l a misma

(Back e t a l . 1970), donde

conclusión acerca d e l origen de l a

se obtuvo información a c e r c a del cambio e n l a

Asi.mismo,

diriiniica d e l a s aguas s u b t e r r á n e a s y en l a s c o n d i c i o n e s d e r e c a r g a , como

consecuencia

de

la

sobre explotación.

i n t r u s i ó n marina e r a a c t i v a pudieron ser

Las

áreas

donde

la

d e l i m i t a d a s como se a p r e c i a

en l a l ' i g . 4 .

__ 3.1.3 ..

En dos c a s o s e n l o s s i s t e m a s k á r s t i c o s d e Jamaica.

y Cyrenaica,

L i b i a , no f u é

p a r t i r de l o s estudios hidrogeológicos, tenía

otro

Clarendón,

origen las

además

surgencias

de y

la

pozos

si el a l t o contenido s a l i n o

intrusión que

Clarendon, s u r d e

posible establecer, a

de

contenían

agua agua

marina. con

En

cierto

contenido s a l i n o e s t a b a n r e l a c i o n a d o s con f a l l a s y e r a n l i g e r a m e n t e

155

termales

(hasta

35OC

en

Milk

Kiver

c l o r u r o s similar i I agua marina!.

Spring,

con

un

contenido

en

E1 quimismo e r a s i m i l a r a l agüe d e l

C a r i b e , e x c e p t o un d é f i c i t en magnesio y e l c o r r e s p o n d i e n t e exceso en c a l c i o , que se a t r i b u y ó a p r o c e s o s d e dolomit,izaciÓn. En C y r e n a i c a ,

la

surgencia

de

A y n zayanah

( 3 0 Km. a l

este de

Bengasi) y e l s i s t e m a k a r s t i c o próximo coritenian agua cuya s a l i n i d a d pudo

en

principio

atribuirse

tanto

a

intrusión

marina

como

a

disolución de materiales evaporíticos.

c o n t e n i d o en i s ó t o p o s e s t a b l e s d e v a r i a s m u e s t r a s tomadas en

El

las s u r g e n c i a s k á r s t i c a s , sondeos

y pozos p e r f o r a d o s a p o r t ó La prueba

d e f i n i t i v a s o b r e l a i n t r u s i ó n marina como mecanismo respotisabLe d e l a s a l i n i z a c i b n de l a s aguas s u b t e r r á n e a s .

la

muestra

correlación

entre

el

F:n l a s E’igs. 5

contenido

en

isótopos

y

6

, se

estables

c l o r u r o s o c o n d u c t i v i d a d en ambas á r e a s . ( G o n f i a n t i n i , 1975 y 1 9 7 7 ) .

2 1 -

O

.

h

O

-1

-

-2

-

O

v

2 O

L

-3

.3 M

x

O

-5

Agua d u l c e

-8

y

10

. O

O

a

v

O .3

Li al U

3 O

1

1

I

1

1

F i g u r a s TjA y 5 B .

H r i a c i o n e s e n t r e l a c o n d u c t i v i d a d y la composición

isotópica dc

aguas s u b t e r r á n e a s

las

c o s t a d e Cirexiaica, claramente

. 3.

1.4

-

d

partir

Libia.

en e l a c u í f e r o k á r c t i c o e n

La i n t r u s i ó n d e agua marina

muestra

d e 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 ) .

En o t r a área k á r s t i c a en G r e c i a ,

el

so

la

contenido

en

cloruros

se

e l problema utilizó

para

Fue

inverso;

evaluar

la

f r a c c i ó n de agua marina en l a s m u e s 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 d e 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 datos,

f u e p o s i b l e i d e n t i f i c a r l a zona d e

r e c a r g a d e n t r o d e l a r e g i ó n 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 a 1 . , 1 9 7 8 ) .

157

definite

proof

that

intrusion was

water

sea

groundwater salinization.

Figures 5

responsible

for

and 6 show the correlation

between stable isotopes and chloride o r conductivity in the two (Gonfiantini, 1975 and 1977).

areas.

3.1.4 - In another karst area in Greece the problem was inverse: sea

water

the chloride content was used to evaluate the

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

-6

f

1

O

i

x

1

1

i

n

g lines

1

400

300

1

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

-0.

-1

O

v

s 3

l

-2

r rl

10

M

v

50

~

m Q .A

c

.rl

m

,-l

2

30 20 10 O

-10

-8

-8

-4

Oxígeno-18 Figura ll.A.

-

O

-2

(o/oo)

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

relación al agua marina original connata se atribuye

a

sales tin

la filtración

en membranas arcillosas.

3.3.4 - Relaciones muy similares a las expresadas

6x1

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.

Erti

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

-8

-10

kigeno-18 Figura deuterio

Correlación

11.8.-

en

salmueras

Toiigiorgi.1972).

La

-2

-4

entre

en

el

O

(oloo)

los 10

contenidos de

en

Polonia

oxígeno-18

(Dowgiallo

y and

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: 18 O = -3.7 y D = -17°/00, a los que corresponde un contenido en

cloruros de unos

20 gr./l,

a

contenidos en isótopos pesados actual,

así

como

del

océano

rlna profunaidad

de

480 m.

Estos

están muy por debajo del agua marina cretácico.

De

hecho,

los

pre-glaciales solo estuvieron empobrecidos un uno por mil

océanos

y un

O

10 / o 0 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. 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.

mientras

12),

que

debería

un máximo, y más tarde l o s valores deberían converger hacia

alcanzar

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 i o i t i

(Gofífianthi 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 a r d a 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 respecto a

ligeramente enriquecida en isótopos pesados con

la precipitación actual. Ya

se

glaciaciones la composición isotópica de l o s 10°/oo

citó que durante las océanos era l0/oo y

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

Cuater-nario. El agua de la laguna, fundamentalmente alimentada

del 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 destacarse

(jebe

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 se

qae

desvía

de

la

línea

WMWL,

de

dificil

interpretación

(ultra€iltracion?) . Otro ejemplo de agua de formación en

3.3.6

sondeos profundos es

por Vleischsr et al. (1977). En este

descrito en lsrael

coso, se distinguen tres tipos de aguas: (a)

En la llanura costera del Mediterráneo las aguas

haberse originado en un ambiente marino de tipo lagoon, un

es

parecen

decir, con

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.

124

.

+6 -

MAR MUERTO

A

Figura 13.- Salinidad frente a oxigeno-18 en salmueras muestreadas en sondeos profundos, lsrael tendencias relacionado

indican con

un

cuando

(Fleischer et al, 1917) Las diferentes 01

ambiente

orígen marino

continentales (como e l Mar Muerto).

111

de

estas

(lagoons)

salmueras

o

con

esta

ambientes

(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 puede alcanzar la saturacion en halita

-

que

~

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 o n f i n n a

-~ 3.3.7 -

origen como se observa en la yig. 1 3 .

sil

Un Último ejemplo

es

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 foración

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

interpretación y

isotopos ambientalcs s o n en

ciertas

ocasiones esa

a menudo

de

difícil

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 l o s procesos naturales que otras técnicas no muestran, ya

que en base Únicamente deniosiddo

simples.

Si

a datos químicos suelen ser incompletos rcestra

i-terpretacid:

actg.1

de

Ins

o

dstor

satisfactoria o dudosa, se debe a nuestro incompleto

isotópicos no

es

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,

es

decir, a mostrar l o s mecanismos de los procesos naturales

en tkrniinos genera les.

4.

EJKMPLOS U E lD~~N'i'lY1CAClON U E 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

ambos la solución

isotópico, l o s d o s problemas son análogos: para 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 e s de gran ayuda. No

obstante, para utilizar el método isotópico. la condición

previa a satisfacer es que l o s 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 altitud

&E üii

Qrea d e

recarga s i t u ~ d = z mayor

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

l o s 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, y su superficie

-

que varía desde 20,000 a 2000 Km

2

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 -1 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.

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 4.1.3.

-

íri

por d i a .

En una investigación llevada a cabo en el Sur de Turquía, Dincer and Payne (1971) pudieron provar la contribución de

l o s 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

característico de la precipitación

Oioo),

en las regiones costeras del Mediterráneo, mientras que en la Meseta AnatÓlica, es tan s o l o 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 subterráneas.

la otra posible

LOS

fuente de

recarga en

las

aguas

ejemplos disponibles en la bibliografía científica

son muy numerosos, y por lo tanto solo nos referiremos a

son considerados mas significativos.

181

aquellos que

4.2.1 -

E l agua d e l r í o Chinibo en Ecuador procede mayormente d e l a

C o r d i l l e r a Andina, alcanzando una a l t i t u d d e 6 2 7 2 m. en e l volcán Chimborazo. En b a s e a l c o n t e n i d o en i s o t o p o s 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

S c h r o e t e r [ 1979) pudieron demostrar que

l a r e c a r g a d e aguas s u b t e r r a n e a s en l a l l a n u r a , e n t r e Bucay y Yaguachi ( 2 0 Km a l E.

d e GUayaqlJil) p r o c e d í a en un 73% de l a i n f i l t r a c i ó n d e l

río.

-4.2.2

En un c a s o complejo de contaminación de aguas s u b t e r r á n e a s

-

e n e l v a l l e d e M e x i c a l i , n o r t e d e México, (1979)

identificaron

varias

fuentes

de

recarga

Payne c t a l

de

las

aguas

s u b t e r r á n e a s en b a s e a sus c o n t e n i d o s i s o t ó p i c o s , incluyendo e l agua d e l a n t i g u o Rio Colorado y e l agua d e dos embalses a r t i f i c i a l e s d e

reciente

creación.

Esto

condujo también

a

l a determinación de

las

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

f u e n t e s d e contaminación.

Colorado es d i f e r e n t e a l a d e l a n t i g u o , ya que a causa d e los cxibalses c o n s t r u i d o s a l o l a r g o d e s u c u r s o se ha producido un e n r i q u e c i m i e n t o en i s ó t o p o s pesados debido a l a e v a p o r a c i ó n .

En e l c a s o d e l r í o Reno, significativa

en

subterráneas de (Carlin

et

isótopos

no se d e t e c t ó una d i f e r e n c i a con

acuiferos aluviales

los

al.

Italia, estables

1975).

En

este

i d e n t i f i c a r l a recarga d e l r i o ,

de

se

caso

dCi6n

C O U L ~ I I ~ L

en

tritio

decrecio

m.

Tal

recarga

B

pPtir

las

aguas

l l a n u r a de Bolonia

utilizó

el

de

las

tritio

para

aguas s u b t e r r á n e a s . La

regularmente

s u b t e r r á n e a s a mayores d i s t a n c i a s d e l r í o , 600

la

a

sabiendo que e l c o n t e n i d o en t r i t - i o

e r a mucho más a l t o que e l do

del r í o

respecto

las

en

las

aguas

alcanzando O T.U. a unos agüas

del

río

se

debe

p r i n c i p a l m e n t e a l a i n t e n s a e x p l o t a c i ó n d e l a s aguas s u b t e r r á n e a s p a r a

el s u m i n i s t r o d e agua p o t a b l e a Bolonia.

5 . CONCLUSIONES.

Entre l a s técnicas isotópicas disponibles para l a investigación de l a i n t r u s i ó n d e agua marina, las más Ú t i l e s s o n l a s b a s a d a s

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. discernir

si

la

Junto a la concentración en cioruros, permiten

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,

identificación

las

técnicas

isotópicas

ayudan

en

la

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 utilizada junto a otros métodos

geoquímicos, para ser

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

sometida

a

evaporación

presenta

una

pendiente

18

O del agua

inferior

a

8,

generalmente entre 4 y 6 ;

-

Intercambio

isotópico:

a

altas

subterráneas puecien sufrir intercdmbiu

CUII

temperaturas ld

iridiilr

las L?i>CUSd,

aguas cuyo

contenido en hidrógeno es generalmente ínfimo; por tanto, solo es modificada la composición isotópica del oxígeno, con un incremento en e l contenido en oxígeno 18.

UltrafiltraciÓn: la filtración por membranas arcillosas produce enriquecimiento en isotopos pesados. La relacion linear entre ¿

bü

y

18

O presenta una pendiente de 3 .

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

atmosférico y l a humedad relativa en la atmósfera.

del

vapor

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