Hydrogeochemistry and cation-exchange processes in the coastal aquifer of Mar Del Plata, Argentina

Abstract

El acuífero de Mar del Plata es un acuífero libre, formado por sedimentos limosos o arenosos finos.La fracción arena se compone de plagioclasas, cuarzo, feldespato potásico, calcedonia y yeso. En la fracción limo (40–60%) se destaca el predominio de trizas de vidrio volcánico, mientras que las arcillas son del tipo de las esmectitas e illita. El CaCO3 constituye entre 10–20% del sedimento en forma de concreciones y costras. El flujo subterráneo regional es de oeste a este, con descarga en el Océano Atlántico. Como consecuencia de la sobreexplotación, se produjo la intrusión de agua de mar en el acuífero, afectando una franja de 3,5 km de ancho. Las aguas subterráneas son de composición CaHCO3 en el área de recarga, haciéndose NaHCO3 hacia las zonas de descarga. En el proceso de salinización por intrusión marina se produce un incremento general en la concentración de iones y una tendencia a aumentar la concentración de calcio y a disminuir la de sodio con respecto a la mezcla conservativa. El estudio de los procesos hidrogeoquímicos se ha efectuado por medio de la modelación hidrogeoquímica utilizando los códigos NETPATH Y PHREEQM. El equilibrio con los minerales calcita y yeso y el intercambio de cationes han sido identificados como los principales procesos hidroquímicos. El intercambio de cationes fue particularmente analizado. La capacidad de intercambio catiónico de la fase sólida fue determinada por métodos empíricos y experimentales. La afinidad de los cationes por la matriz del acuífero presenta un orden Ca> Mg> Na en el caso del flujo regional. En el caso de la intrusión marina el orden de afinidad es inverso. La modelación con el código PHREEQM del transporte reactivo es útil para analizar el intecambio catiónico en procesos de intrusión marina.

The aquifer of Mar del Plata is unconfined and composed of silt and fine sand. The sand fraction is mainly quartz, potassium feldspars, chalcedony, and gypsum. Volcanic-glass shards (40–60%) dominate the silt fraction, and the clays are of the smectite and illite groups. Calcium carbonate, in caliche form, constitutes about 10–20% of the sediment. Groundwater flow is from west to east, and discharge is in the Atlantic Ocean. Because of overexploitation, the flow direction was reversed in a coastal belt about 3.5 km wide, and this has resulted in seawater intrusion. The groundwater is the CaHCO3 type in the recharge zone, and becomes NaHCO3 type towards the discharge area. Salinization by marine intrusion and seawater/ fresh-water mixing produces an increase in the major-ion concentrations of the groundwater. The calcium content of the groundwater is higher and the sodium content is lower than those that would be expected if the mixing is considered as just the addition of seawater and fresh water in determined proportions without reactive processes taking place. Hydrogeochemical modeling was applied to the study of hydrogeochemical processes, mainly cation exchange, using the codes NETPATH and PHREEQM. Calcite and gypsum equilibrium, together with cation exchange, are the main hydrogeochemical processes. Cation-exchange capacity of the solid phase was determined by empirical calculations and experimental methods. The affinity order for the groundwater in contact with the aquifer matrix is Ca>Mg>Na in the regional-flow system, but the order is reversed in the salinization process. Reactive transport modeling using the code PHREEQM is useful for analyzing cation exchange in a marine-intrusion process.

L’aquifère de Mar del Plata est libre et constitué de silt et de sable. La fraction sableuse contient principalement du quartz, des feldspaths potassiques, de la chalcédoine et du gypse. La fraction silteuse contient des fragments de verre volcanique (40–60%) et les argiles appartiennent aux groupes des smectites et des illites. 10–20% du sédiment sont du carbonate de calcium, sous forme d’un caliche. L’écoulement de la nappe s’effectue de l’ouest vers l’est, pour se décharger dans l’Océan Atlantique. Du fait de la surexploitation, l’écoulement s’est inversé dans une bande littorale large d’environ 3,5 km, ce qui a produit une intrusion marine. Le faciès de l’eau souterraine est bicarbonaté calcique dans la zone de recharge et devient bicarbonaté sodique dans la zone de décharge. La salinisation par intrusion marine et par mélange eau douce/ eau salée produit un accroissement des concentrations en ions majeurs de l’eau souterraine. La concentration en calcium de l’eau souterraine est plus élevée et celle en sodium est plus faible que ce que devrait donner un simple mélange d’eau de mer et d’eau douce en proportions bien définies, en l’absence de processus réactifs. Une modélisation hydrogéochimique a été réalisée afin d’étudier les processus hydrogéochimiques, principalement des échanges de cations, au moyen des codes NETPATH et PHREEQM. Les équilibres de la calcite et du gypse sont, avec les échanges de cations, les principaux processus hydrogéochimiques. La capacité d’échange de cations de la phase solide a été déterminée par des calculs empiriques et des méthodes expérimentales. L’ordre d’affinité de l’eau souterraine au contact de la matrice de l’aquifère est Ca> Mg> Na, dans le système aquifère régional ; mais cet ordre est inversé dans le processus de salinisation. La modélisation du transport réactif au moyen du code PHREEQM est utile pour analyser l’échange de cations dans un processus d’intrusion marine.