Nuevas metodologías en la exploración del agua subterránea en base a la investigación del origen y la movilidad del arsénico en el acuífero pampeano

Abstract

El objetivo principal de esta tesis consiste en analizar del contenido de arsénico (As) del acuífero Pampeano que subyace el área periurbana de la ciudad de Tres Arroyos con el fin de evaluar herramientas de exploración para identificar sectores con bajo As. Se propone obtener un modelo hidrogeológico conceptual basado en el contenido de As de los sedimentos loéssicos y aguas subterráneas basado en un detallado marco geológicogeomorfológico con múltiples escalas de análisis. Este modelo conceptual se integra con una caracterización geofísica del subsuelo basada en métodos de superficie y de perfilaje de pozo con herramientas clásicas e innovadoras. El mapeo fotogeomorfológico detallado complementado con estudios de campo identificaron las unidades geomorfológicas, litológicas y de suelos, que fueron correlacionados con los factores hidrogeoquímicos involucrados en la liberación y movilidad del As y F al agua subterránea. Se reconoce un paisaje heterogéneo con lomadas loéssicos de edad mio-plioceno cubiertas por una costra calcárea espesa (unidad litológica 2, UL2) erosionadas por grandes valles. La UL2 posee bajo contenido de trizas de vidrio volcánico y calcita de grano fino abundante. Por lo tanto, el potencial de liberación de la UL2 en zonas de recarga local es bajo para el As y alto para el F. Los valles aluviales están rellenos de depósitos fluviales pleistocenos (UL3) y de loess (UL4) con trizas de vidrio volcánico formando las planicies de inundación actuales. Este perfil coincide con áreas de descarga de aguas subterráneas con nivel somero y flujo lento que favorecen la concentración de solutos en aguas salobres y alcalinas. La liberación y movilización de As se favorece de las trizas de vidrio volcánico poco meteorizadas y por la desorción alcalina de los oxi-hidróxidos de Fe. Por lo tanto, las características del suelo y de la zona no saturada controlan el contenido de As y F en las aguas subterráneas someras: suelos hapludoles petrocálcicos (lomadas de UL2) son fuente de F, argiudoles típicos (lomadas de UL4) son fuente de As y los suelos hidrohalomórficos poseen As y F movilizados y concentrados. Los detritos y testigos de una perforación nueva (TA6-1), se examinaron y analizaron para granulometría, petrografía, geoquímica, mineralogía total y de arcillas. La UL2 tiene continuidad regional hasta los 25 m profundidad con predominio de arenas limosas illíticas ricas en carbonatos pulverulentos. Por debajo y sin aflorar, la unidad litológica 1 (UL1) está compuesta por limos arcillosos esmectíticos con oxi-hidróxidos de Fe y calcretas aisladas hasta los 70 m de profundidad. La dirección de flujo del agua subterránea es de norte a sur, con líneas de flujo convergentes en las zonas de descarga de las planicies de inundación. El perfilaje de flujo (TA6-1) del acuífero Pampeano se determinó mediante un ensayo de trazador salino. Además, la presencia de gradientes hidráulicos verticales en los piezómetros de filtro corto (6, 16 y 65 m de profundidad) y el perfilaje del medidor de flujo (TA6-1), indican flujos ascendentes en la UL1 en posiciones intermedias del paisaje cercanas a la llanura de inundación. Esta condición se asocia a capas semiconfinadas con aguas salobres de contenidos de As y F bajos. La reinterpretación de la hidroquímica del área periurbana de Tres Arroyos basada en la geología y geomorfología, indica las posibles fuentes de solutos y los contenidos de As y F. De esta forma, predominan condiciones oxidantes (AsV) y alcalinas en las aguas subterráneas, con una correlación positiva del As y F con el HCO3 y pH, respectivamente. El pH presenta un control local, mientras el HCO3 (y As) aumentan en la dirección del flujo hacia las planicies de inundación donde se midieron las concentraciones máximas. En estas predominan la meteorización de los sedimentos loéssicos de la UL4 y la evapotranspiración reconocidas por un exceso de Na (Na/Ca) y condiciones locales subóxicas a reductoras (AsIII). Este modelo conceptual hidrogeológico se validó con un censo detallado en el área de estudio y la parcela experimental. Las aguas subterráneas someras de zonas de recarga local, presentan un mayor contenido de As con la abundancia de la UL4 con alto contenido de vidrio volcánico. En cambio, el F presenta contenidos mayores en las perforaciones ubicadas en las lomadas donde aflora la UL2 con elevado contenido de carbonato de calcio en la matriz. Además, los contenidos de As y F aumentan en la dirección de flujo. Perforaciones someras y profundas aisladas presentan contenidos anómalos de As (>100 μg/L) y F (>10 mg/L) asociados a elevada alcalinidad (975 mg/L), pH (8.8) y un exceso de Na (Na/Ca) vinculados a espacialmente a bosques de eucaliptos y planicies de inundación. Esta última presenta altos contenidos de iones movilizadores (fosfato, vanadato e indicios de materia orgánica disuelta) que favorecen la desorción de los sedimentos. Asimismo, presenta condiciones locales subóxicas a reductoras con hasta 47% de AsIII con respecto al As total. El estudio geofísico obtuvo la distribución en subsuelo y registros detallados de perforaciones de propiedades físicas, como la resistividad eléctrica y la radiación gamma natural, aplicables a la exploración de aguas subterráneas y la construcción de perforaciones. En particular, las tomografías de resistividad eléctrica (TRE) permitieron determinar la continuidad subsuperficial de las unidades litológicas y geomorfológicas. La continuidad del subsuelo se ajustó con datos litológicos y registros eléctricos (TA1, TA2 y TA6-1) y gamma natural (TA1 a TA5 y TA6-1). En particular, los registros de potasio (K) y torio (Th) del perfilaje de espectroscopia gamma natural coinciden con los análisis de laboratorio que permiten diferenciar las UL. Sin embargo, los registros de uranio (U) presentan una resolución baja consistente con un bajo contenido de los sedimentos. Una contribución principal de los registros de K y Th se reconocen en la unidad de loess poco meteorizada (UL4) y en los horizontes arcillosos con oxi-hidróxidos de Fe interpretados como horizontes de paleosuelos (UL1). Estas capas presentan alto contenido de As movilizable y son de fácil reconocimiento en los perfilajes geofísicos. Su diferenciación requiere estudios detallados, pero corresponderían a la presencia de oxihidróxidos de Fe/Mn y magnetita secundaria indicada por la susceptibilidad magnética, siendo muy frecuentes en los horizontes de paleosuelos.

The main goal of this thesis consists of the analysis of arsenic (As) content in the Pampean aquifer underlying peri-urban area of Tres Arroyos city in order to assess exploration tools for identification low-As groundwater sectors. It is proposed to obtain a conceptual hydrogeological model based on As content of loessic sediments and groundwaters in a detailed geological-geomorphological framework on multiple scales analysis. This conceptual model is integrated to a classic and innovative subsurface geophysical characterization based on surface and well logging methods. Detailed photo-geomorphic mapping supplemented by field studies allowed identification of geomorphological, lithological and soil units, which were correlated with hydrogeochemical factors involved in As and fluoride (F) release and mobility in the groundwaters. A heterogeneous landscape is composed by loessic hills of mio-pliocene age and covered by a thick calcareous crust (Lithological Unit 2, LU2) which are eroded by large valleys. The LU2 is depleted in volcanic glass shards and enriched with finegrained calcite. Therefore, release potential of LU2 in local recharge areas is low for As and high for F. The alluvial valleys are filled by late-pleistocene fluvial sediments (LU3) and loess deposits (LU4) enriched with volcanic glass shards that make up the presentday floodplains. This low-lying profile coincide with shallow and slow groundwater discharge areas which favors solute concentration in brackish and alkaline groundwater. As release and mobilization is favored by volcanic glass shards weathering and alkaline desorption from Fe oxy-hydroxides. Therefore, soil and unsaturated zone characteristics control local As and F content in the shallow groundwater: petrocalcic hapludol (LU2 hills) and typic argiudol (LU4 hills) soils are source of F and As, respectively. Meanwhile shallow groundwater below hydrohalomorphic soils (floodplain) have high As and F mobilised and concentrated. Sediment and cored samples obtained from a newly borehole (TA6-1) were examined and analyzed for particle size distribution, geochemistry, total and clay mineralogy. The LU2 has subsurface regional continuity up to 25 m depth and is mainly composed by illitic silty sands with fine grained calcite. The subsurface UL1 unit is composed by smectitic clayey silts with Fe oxy-hydroxides in paleosols horizons, intercalated by sparse calcretes up to 70 m depth. Groundwater flow direction is from north to south with local flow lines converging in the discharge zones at the floodplains as determined by piezometric surveys. Borehole flow profile (TA6-1) of the Pampeano aquifer was determined by a saline tracer test. Besides, vertical hydraulic gradients were recognized at short‐screen piezometers (6, 16 and 65 m in depth) and flowmeter geophysical log (TA6-1) indicating upward flows in LU1 at intermediate landscape positions close to floodplains. This condition is associated to semi-confining layers with brackish water with relatively low contents of As and F. Groundwater hydrochemistry reinterpretation of Tres Arroyos peri-urban area based on geology and geomorphology, indicates the possible solutes sources and their relationship with As and F contents. Oxidizing (AsV ) and alkaline conditions predominate in groundwaters with As and F positively correlation with HCO3 and pH, respectively. The pH presents a local control, whereas HCO3 (and As) tends to increase in groundwater flow direction towards local discharge areas in the floodplains were maximum concentration were measured. Weathering of loessic sediments of UL4 and evapotranspiration predominates in floodplains recognized by an excess of Na (Na/Ca) and local suboxic to reducing conditions (AsIII). This hydrogeological conceptual model was validated with a detailed borehole surveys conducted in the study area and the experimental plot. Shallow groundwaters in local recharge areas, present an increase of As depending on the abundance of loessic sediments of the UL4 with high volcanic glass shards content. On the other hand, F content is higher in shallow borehole located in hills with UL2 with high content of calcium carbonate. In addition, As and F contents increase in the direction of local groundwater flows. Particular shallow and deep borehole have high anomalous As (>100 μg/L) and F (>10 mg/L) content associated to high alkalinity (975 mg/L), pH (8.8), and an excess of Na (Na/Ca) linked to eucalyptus forested and floodplain areas. The floodplain present oxidizing conditions and high contents of mobilizing ions (phosphate, vanadate and indications of dissolved organic matter) that favor the As desorption of the sediments. In addition, the floodplain possesses local suboxic to reducing conditions with up to 47% of AsIII respect total As. The geophysical survey obtained a subsurface distribution and detailed borehole logs of physical properties such as electrical resistivity and natural gamma radiation appliables to groundwater exploration and borehole construction. Particularly, the electrical resistivity tomography (TRE) allowed the determination of subsurface continuity of lithological and geomorphological units. The subsurface continuity was adjusted with lithologic data and electrical logs (TA1, TA2 and TA6-1) and natural gamma log (TA1 to TA5 and TA6-1). In particular, K and Th logs of natural gamma spectroscopy log are in agreement with laboratory analysis allowing LU differentiation. However, U logs present low resolution consistent with low content in the sediments. The main contribution to K and Th logs is associated to poorly weathered loess unit (LU4) and clayey silts horizons with Fe/Mn oxy-hydroxides interpreted as paleosols horizons (LU1). This recognizable beds with geophysical logging present higher As-mobilizable content. Their differentiation requires detailed studies, but they would correspond to Fe / Mn oxyhydroxides as well as secondary magnetite, indicated by magnetic susceptibility, both very frequent in paleosols horizons.