E. García y G
Sección Hidrología Isotópica, OIEA
Viena, 1973
Una nueva herramienta en Hidrología: Isótopos Ambientales
Introducción.
La hidrología como ciencia ha sufrido varios cambios en las herramientas utilizadas para resolver sus problemas. En los últimos veinte años se han logrado una serie de resultados importantes en la solución de varios problemas hidrológicos mediante técnicas nucleares, especialmente técnicas de isótopos ambientales.
La hidrología basada en isótopos ambientales establece un campo de investigación realmente nuevo. Básicamente utiliza las variaciones observadas, por proceso natural, del contenido isotópico del agua. Estas características isotópicas se han determinado mediante varios estudios realizados en el ciclo hidrológico. El hombre no puede modificarlas, sólo puede ver e interpretar estas características con el fin de obtener información muy útil cuando está relacionado con el origen, la recarga y el tiempo de tránsito del agua en una región confinada. Esta información es frecuentemente imposible de obtener por métodos clásicos. Por otro lado, se puede decir que el costo de estas investigaciones es más barato que el de los estudios hidrológicos tradicionales.
Los isótopos de mayor interés, desde el punto de vista de la hidrología, son por un lado los isótopos estables: deuterio, carbono-13 y oxígeno-18, y por otro lado los isótopos radiactivos: tritio y carbono-14. Los isótopos de hidrógeno y oxígeno constituyen los trazadores geoquímicos geoquímicos ideales del agua, ya que sus concentraciones no suelen ser alteradas por la interacción con el propio acuífero. Por lo que se refiere a los compuestos de carbono en las aguas subterráneas, lo anterior es diferente porque, en ese caso, podría tener varias interacciones con el material del acuífero. Por lo tanto, la interpretación de los datos obtenidos por medio del carbono-14 se vuelve demasiado complicada.
Hace unos años, la investigación hidrológica de los isótopos se dirigió hacia la posibilidad de utilizar otros isótopos ambientales como el silicum-32 y la relación 238U/234U, aunque hasta ahora sus aplicaciones están muy restringidas y por lo tanto, todavía están por considerarse como nuevas herramientas hidrológicas.
Los isótopos estables Hidrógeno y Oxigen-18 en agua.
Los principales componentes isotópicos estables pesados del agua son HD 16 O, H2 16 O y H2 16 O. las variaciones de las relaciones isotópicas D/H y 18O/16O enmuestras de agua se expresan en términos de diferencia por milla con respecto a las proporciones isotópicas del agua media del océano, que constituye el estándar de referencia (SMOW). Así, los datos se expresan comounidades delta (δ) definidas de la siguiente manera:
donde R se refiere a la relación isotópica D/H o18O/16O que se determina comoespectrómetro de masas.
El valor principal de los datos isótopos estables en un sistema hidrológico es que es posible determinar el área de recarga del sistema cuando las variaciones isotópicas de precipitación y aguas superficiales son bien conocidas.
Los procesos naturales más importantes que cargan la composición isotópica estable del agua en la naturaleza son la evaporación y la condensación. Las moléculas más ligeras de agua, es decir, H216O, son más volátiles que las pesadas, por lo tanto, cuando la humedad atmosférica se enfría, las moléculas más pesadas son capaces de condensarse más fácilmente, y el vapor residual se agota en isótopos pesados. Esta condensación progresiva se produce cuando el aire que viene del mar llega al interior o se eleva a altitudes más altas. Por lo tanto, se puede observar una relación entre la temperatura de condensación y la composición isotópica más pesada de la precipitación: el contenido isotópico pesado disminuye a medida que disminuye la temperatura de condensación. Esto debido al hecho de que el vapor residual requiere temperaturas más bajas para condensarse.
La relación que se observa con respecto a la temperatura muestra tres efectos importantes. En primer lugar, variaciones estacionales en la composición isotópica de las precipitaciones; en segundo lugar, variaciones con latitud; y en tercer lugar, variaciones con altitud. Este último efecto tiene especial importancia en los estudios hidrológicos regionales, ya que, por ejemplo, permite diferenciar entre los procedimientos de aguas subterráneas de las zonas de recarga situadas a diferentes alturas.
A medida que las precipitaciones se infiltran hacia abajo, aumentando así el agua subterránea, la mezcla que se produce en la zona insaturada compensa las variaciones isotópicas estacionales. Así, el agua de la zona insaturada tiene una composición que corresponde a la composición istópica media está relacionada con la de las precipitaciones que han caído en el área de recarga del acuífero durante el tiempo de recarga, y esto podría ser utilizado para determinar el área de recarga en relación con la altitud o la distancia al mar. Hay que tener en cuenta que todas las variaciones climáticas durante el tiempo de recarga que podrían haber causado una composición isotópica de la infiltración original diferirían de las observadas en ese momento.
Por otro lado, también es posible verificar la recarga de los acuíferos de aguas subterráneas por filtración lateral de aguas superficiales, como aguas fluviales y lacustoras, o por infiltración vertical de aguas encharcadas de forma permanente o temporal, ya que la composición isotópica de estas aguas es frecuentemente diferente de las recargas locales. Los ríos pueden recoger agua de la precipitación que ha caído a grandes altitudes y, por lo tanto, está muy agotada en isótopos pesados. El agua de lagos o estanques también puede enriquecerse en isótopos pesados a través de la evaporación (las moléculas de luz se evaporan más rápido que las pesadas), y la relaciónD-18O observadaserá diferente de las aguas no evaporadas en la región.
El isótopo radiactivo del hidrógeno en agua: Tritio.
El tritio de la atmósfera está formado por la acción de la radiación cósmica y también es liberado por las pruebas de termonuclear llevadas a cabo por el hombre. La mayor parte del tritio en la atmósfera se oxida rápidamente a la HTO y se incorpora en el ciclo hidrológico donde constituye un marcador muy útil para el agua que ha estado en la atmósfera en los últimos 20 años. La gran dilución a través de H2O da como resultado concentraciones de tritio muy bajas que sólo se pueden medir por medio de la radiactividad del tritio, generalmente después de un tratamiento de enriquecimiento isotópico. La vida media del tritio es de 12,26 años.
El contenido de tritio de las aguas naturales se expresa en unidades de tritio (T.U). una unidad de tritio corresponde a una concentración de 1 átomo de tritio por cada 1018 átomos de hidrógeno.
La radiación cósmica establece una concentración de aproximadamente 10 T.U. en aguas meteóricas continentales de zona templada. Esta fue la concentración observada antes de 1953, en la precipitación del hemisferio norte. Después de 1953, el contenido de tritio de precipitación aumentó como resultado de las pruebas termonucleares. En 1963 se alcanzaron valores de hasta 10.000 T.U. en el hemisferio norte después del extenso período de pruebas en los últimos dos años. A partir de ese año, el contenido de tritio ha disminuido como consecuencia de la moratoria establecida para la explosión de dispositivos termonucleares en la atmósfera. En las precipitaciones, el contenido de tritio presenta varias variaciones estacionales y geográficas considerables dependiendo de la zona donde se liberan grandes cantidades de tritio y también en ese entonces los mecanismos de transporte de la estratosfera a las aguas subterráneas.
En los estudios hidrológicos, las mediciones del tritio proporcionan la información sobre el tiempo de tránsito o el tiempo de renovación del agua en un sistema determinado. En un sistema de aguas subterráneas confinadas, se puede establecer una relación entre la concentración del tritio y la cantidad del isótopo que se ha depositado pero, por supuesto, teniendo en cuenta los posibles efectos de recarga y la mezcla dispersiva.
Desde un punto de vista cualitativo, las concentraciones por debajo de 3 T.U. en algunas regiones continentales del hemisferio norte, indican que la recarga de agua tuvo lugar antes de que se extendiera el tritio termonuclear,lo que significa que antes de 1953; las concentraciones de hasta 20 T.U. indican un flujo de agua mucho más rápido en el sistema. En un sistema hidrológico abierto, superficial o subterráneo, una mezcla de agua de diferentes edades es el componente principal y las concentracionesdetritio se interpretan en función del tiempo medio permanente.
Los isótopos de carbono en el agua – carbono14 y carbono13.
El carabono-14, al igual que el tritio, es el resultado de la interacción entre la radiación cósmica y la atmósfera, también producida por la radiación liberada de las pruebas termonucleares. El carbono se oxida y forma dióxido de carbono que se mezcla con el dióxido de carbono atmosférico que entra en el ciclo global del carbono. Debido a su larga vida media (5730 años), es útil para el estudio de sistemas de aguas subterráneas con tiempos de tránsito muy largos. En términos generales, el carbono-14 producido por pruebas nucleares no es interesante desde el punto de vista hidrológico, porque el tritio es más eficaz como trazador en aguas recientes debido a la corta vida media.
El uso de carbono-14 para las dataciones de aguas subterráneas se basa en el hecho de que el dióxido de carbono, que es fround en el suelo, es de origen biológico y se produce a través de la respiración de las raíces de las plantas y la descomposición de las plantas y, por lo tanto, contiene carbono-14 derivado de las plantas que forman la atmósfera- este CO2 biogénico se disuelve en el agua de infiltración y se transporta por el depósito del suelo. Su contenido de carbono-14 disminuye a través de la descomposición radiactiva y la fracción restante de la cantidad original indica el período de tiempo desde que fue retirado de la zona del suelo donde su contenido de 14C fue tomado, en otras palabras, el tiempo desde la infiltración.
El carbono-14 se mide en relación con el contenido total de carbono de la muestra, por lo que debemos tener en cuenta el origen tanto del carbono-14 como del carbono estable de la muestra. Es importante tener en cuenta que no todo el contenido estable de carbono del carbonato de agua subterránea es del mismo origen que el carbono-14. El agua infiltrada, que contiene dióxido de carbono disuelto de la zona del suelo, disuelve los minerales de carbonato en el suelo. Sin embargo, el carbono procedente de la piedra caliza, en general, no contiene carbono-14 debido a su vejez, por lo tanto, el agua que llega al manto frecual contiene carbono disuelto con contenido de carbono-14 inferior al presente en el suelo biogénico CO2. El problema más difícil para determinar la edad del agua por medio de carbono-14 es la evaluación de la dilución del CO2 del suelo que originalmente contenía el 100% del carbono-14 moderno con carbonato libre de carbono-14, con el fin de estimar la concentración inicial en agua de recarga que llegó a la tabla de agua considerada.
La experiencia demuestra que, con respecto al agua reciente infiltrada antes de la prueba termonuclear, el contenido de carbono-14 moderno es aproximadamente del 85%. Con el fin de obtener una estimación más precisa de este valor es posible estudiar el contenido de carbono-13 de la muestra de carbonato de agua subterránea. Hay que tener en cuenta que el carbono-13 es un isótopo estable. Dado que el dióxido de carbono biogénico tiene un contenido mucho menor de carbono-13 que la piedra caliza, podría calcular las proporciones respectivas del carbono biogénico y los productos de piedra caliza que tienen en cuenta el contenido de carbono-13 de las aguas subterráneas de carbonato.
El método carbono-14 se puede utilizar para aguas menores de 30.000 años. Generalmente se aplica para estudiar el movimiento del agua en acuíferos confinados. Cuando la recarga se produce sólo en una zona de cultivo y la química del agua y la composición isotópica de las especies de carbono disuelto son relativamente uniformes, las diferencias de edad en el espacio no se ven afectadas por las incertidumbres que afectan a la determinación absoluta de la edad del agua. A continuación, es posible determinar la velocidad de flujo del agua determinando las diferencias de edad entre dos puntos de muestreo a una distancia consciente, es decir, conociendo la edad relativa del flujo. Esto permite estimar la permeabilidad media de la región. Las mediciones de carbono-14, junto con el agua con mediciones de tritio, también pueden proporcionar información sobre los procesos de mezcla de las edades del agua dentro de un acuífero determinado.