Uso de los isotopos ambientales a problemas hidrogeologicos Caso de la Cuenca de Santiago Norte Sergio Iriarte

Para que son utiles los isotopos ambientales? Pueden entregar informacion respecto de: Origen de los compuestos Procesos que han experimentado dichos compuestos

Que son los isotopos? Isotopos: atomos del mismo elemento que tienen diferente numero de neutrones, lo que implica diferente masa.

Que son los isotopos?

Isótopos ambientales Ocurrencia natural Se encuentran en abundancia en el medio ambiente H, C, N, O y S

Isotopos ambientales Isotopos estables Isotopos Radioactivos No Decaen espontaneamente, son estables en el tiempo Ej: 18O, 2H, 13C Son usados como trazadores Isotopos Radioactivos Emiten particulas alfa y beta, decaen en el tiempo Ej: 3H (tritio), 14C Son usados para datar

Isótopos ambientales La medición de la abundancia absoluta no es fácil y requiere de equipos altamente sofisticados Problemas de comparación entre laboratorios Se mide una razón aparente mediante un espectrómetro de masa (muestra y referencia) 18O muestra = (((18O/16O)muestra / (18O/16O) referencia) – 1) * 1000 ‰ VSMOW Un valor de 18O = + 10 ‰ significa que la muestra tiene 10 por mil (1 %) mas 18O que la referencia

Como se miden los Isotopos ambientales?

Que produce que tengamos distintas señales isotopicas en los compuestos medidos?

Fraccionamiento Isotópico Ocurre en cualquier reacción termodinámica debido a diferencias en las tasas de reacción para diferentes especies moleculares Fisicoquímico: Cambios de estado o transformaciones químicas Difusión: difusión de átomos y moléculas debido a un gradiente de concentración

Factores que influyen en el fraccionamiento isotópico Temperatura!!!!

Factores que influyen en el fraccionamiento isotópico Condiciones fisiográficas Efecto de latitud Efecto de continentalidad Efecto de altitud Efectos estacionales

Evaluación de la recarga urbana y natural y su relación con la contaminación de aguas subterráneas en la parte norte del acuífero de Santiago

Area de Estudio Uso Urbano, industrial y agrícola Chile Argentina 2.000.000 habitantes Uso Urbano, industrial y agrícola Clima semi-arido (<300 – 500 mm/año), con constantes peridos de sequía

Situación del área de Estudio Crecimiento exponencial de la ciudad desde 1960 La población y la superficie de la ciudad ha crecido mas de 5 veces desde dicha época Intensa explotación de agua subterránea como agua potable e industrial Única fuente de agua en periodos de sequía

Red de Pozos en el area urbana

Variación de Niveles Descensos constantes de los niveles de agua subterránea en los últimos 15 años

Nitrato y Sulfato Contaminación de Nitrato y Sulfato en el agua subterránea

Preguntas a Responder ¿De donde proviene la recarga al sistema? ¿Cuáles son las fuentes de contaminación de Nitrato y Sulfato? ¿ El sistema es sustentable a largo plazo en las actuales condiciones? ¿ Que factores podrían influir en la sustentabilidad del sistema?

¿De donde proviene la recarga? Industrial Recarga Local Agricóla Pérdidas desde canales Pérdidas desde el sistema de agua potable y alcantarillado Recarga Regional Urbano

Metodología Geología (Distribución de facies) Hidrogeología (Dirección de flujo del agua subterránea) Hidroquímica (Similitudes químicas y evolución) Isótopos Ambientales (Características geográficas y geológicas de la cuenca)

Datos Químicos e hidrogeológicos Estratigrafía

Geología

Hidrogeología

Hidroquímica

Evidencia Hidroquímica de la recarga urbana

Que otra herramienta geologica se podra utilizar? Isótopos Ambientales

Isotopos de la molecula de agua 16O = 8 protones, 8 neutrones (99.76 %) 18O = 8 protones, 10 neutrones (0.2 %) 1H = 1 proton (99.985 %) 2H = 1 protones, 1 neutrones (0.015 %)

Isotopos ambientales La gran diferencia de relieve produce un efecto de altura sobre los isotopos de la molecula de agua (18O y 2H) -10 /-9 ‰ -12 /-14 ‰ -18 /-15 ‰

Composición Isotópica de la precipitación en Santiago

Composición Isotópica de las aguas superficiales

Isótopos ambientales

Evidencia isotópica de recarga urbana Oxígeno 18 (H2O)

Como determinar la proveniencia de sulfato? Isótopos Ambientales 34S y 18O

Fuentes de Sulfato en la Cuenca Basado en las características geológicas de las hoyas hidrográficas. La interacción de tipos distintos de rocas productoras de sulfato con la precipitación produce sulfatos disueltos de diferentes composiciones isotópicas (34S and 18O) Disputada Mine World size porphyry copper and breccias. High pyrite content Minor gypsum and anhydrite veins Gypsum outcrops Oxfordian marine evaporites

Fuentes de Sulfato El sulfato desde el sector de la Mina Disputada de Las Condes es generado mayoritariamente por oxidacion de sulfuros (principalmente piritas) La oxidacion de pirita puede realizarse mediante dos reacciones principales: FeS2 + 7/2 O2(aq) + H2O  Fe2+ + 2 SO42- + 2 H+ (esta reaccion es controlada por la disponibilidad de oxigeno) FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O  15 Fe2+ + 2 SO42- + 16 H+ (esta reaccion es controlada por la tasa de transformacion de Fe2+ a Fe3+ ) Fe2+ + 1/4 O2(aq) + H+  Fe3+ (solid)+ 1/2 H2O En ambos casos la acidez del agua aumenta y generalmente son incorporados metales pesados

Fuentes de Sulfato El sulfato proveniente de depositos evaporiticos antiguos (Yeso Principal – Oxfordiano) es generado por disolucion de yeso y anhidrita por accion de las precipitaciones en la alta cordillera

Composición isotópica de 34S en diferentes materiales geológicos Sulfuros en depósitos pórfidos cupríferos 34S Volcánico y magmático: cercano a 0 ‰ 34S Minerales de Sulfato: a menudo valores positivos Evaporitas Jurásicas

Composición isotópica de 34S en el agua de mar

Composiciones isotópicas típicas de diferentes fuentes del sulfato

Incorporacion de oxigeno a la molecula de sulfato Las actividades minera aceleran los procesos de meteorizacion: exposicion y aumento en la poblacion bacteriana En estos ambientes se tendera a generar una molecula de sulfato con 18O(SO4(aq)) con alto porcentaje de 18O(H2O) respecto 18O(O2(aq))

Azufre 34 and Oxigeno 18

Como determinar la proveniencia de nitrato? Isótopos Ambientales 15N y 18O

Composición isotópica del Nitrógeno 15 en distintos ambientes

Evidencia isotópica de recarga urbana Nitrógeno 15 and Oxígeno 18

Environmental isotopes 34S (sulfate)= 12 ‰ 18O (sulfate)= 7 ‰ 15N (nitrate)= 10 ‰ 18O (nitrate)= 7 ‰ 34S (sulfate)= 2 ‰ 18O (sulfate)= 0 ‰ 15N (nitrate)= 6 ‰ 18O (nitrate)= 4 ‰ Mapocho River Regional recharge Natural Maipo River Leakage recharge Urban 18O (water)= -15/-16 ‰ 18O (water)= -13/-12 ‰

Modelo Hidrogeológico Conceptual

Red de Agua Potable, Alcantarillado y Canales

¿De donde proviene la recarga? Industrial Recarga Local Agricóla Pérdidas desde canales Pérdidas desde el sistema de agua potable y alcantarillado Recarga Regional Urbano

Conclusiones De la informacion geológica e hidrogeológica se establece que la zona no saturada bajo la ciudad tiene condiciones optimas para la recarga superficial. Los datos geoquímicos de las muestras superficiales bajo el nucleo urbano muestran una fuerte afinidad con aguas tipo Rio Maipo. Oxígeno 18, Azufre 34 y Nitrogeno 15 mostraron que hay una fuerte recarga desde aguas tipo Rio Maipo provenientes de las perdidas del sistema de agua potable y alcantarillado y subordinadamente desde la red de canales.

Conclusiones Preliminarmente se establece que la recarga urbana puede llegar a doblar a la recarga natural. Dentro de la recarga urbana las perdidas del agua potable son mucho mayores, sin embargo, las del alcantarillados producen un fuerte efecto sobre la calidad. Las perdidas del agua potable producen un aumento de las concentraciones de sulfatos, calcio y cloruros. Mientras que las del alcantarillados producen anomalías principalmente en nitrato. Estas perdidas están produciendo una atenuación en el descenso de los niveles producto de la explotación.