Mineralogical and Sedimentological Characterization of the Clay-Rich Sediments from Ases Cave (Cova Dets Ases, Mallorca, Spain): Origin and Classification

The Mallorca coastal caves present large amounts of speleothems that have been studied for decades. However, the sedimentary deposits also present in these cases have not been given the same attention. This work is the first study entirely focused on these deposits, specifically the ones found in the Ases cave. These deposits are formed by clay minerals (illitic phases, kaolinite, smectite, and chlorite), calcite and quartz, and minor proportions of dolomite, albite, orthoclase, hematite, and goethite. The grain size and the electron microscopy studies suggested the presence of different sedimentation processes (bedrock degradation, creep or saltation, and suspension) and different origins (authigenic and detrital origins) for the different sediments. Based on these differences, two types of deposits were characterized: autochthonous and allochthonous deposits. The first ones are located on the floor of chambers and corridors in subaqueous zones, indicating the stability of the mixing zone (and therefore the sea level) over time. The second ones appear filling voids on the walls and the ceiling in the terrestrial zone, evidencing the filling of the cavity in the presence of water (during a wet period). These results are very important to complete the understanding of the caves and their evolution and support the relevance of these materials in paleoenvironmental studies

Modelización geoquímica de cauces naturales afectados por retornos de riego. El caso del barranco de Lerma (Zaragoza, 2004-2020)

Zonas geológicamente “salinas” y con escasa pluviometría, ya en si propensas a salinizar su drenaje natural, pueden ver acelerado el proceso de salinización de los sistemas hídricos receptores por la puesta en marcha del regadío. El objetivo de este trabajo es analizar la evolución a largo plazo del comportamiento geoquímico del drenaje de una de estas áreas potencialmente salinas por su transformación en riego.La zona de estudio corresponde al área regable de la cuenca de Lerma (Bardenas, Zaragoza) donde se han ejecutado balances hidrosalinos desde el año hidrológico 2004, previo a su transformación en riego, hasta el año 2020, con el regadío ya consolidado. Adicionalmente, se ha realizado un estudio geoquímico del sistema para la evaluación de los principales procesos controladores de su salinidad.La puesta en regadío de la cuenca de Lerma ha duplicado la masa de sales exportada hasta alcanzar, para todo el periodo de estudio, una media de 3177 kg/ha regable·año, de las cuáles un 55 % se corresponden con el resultado de un proceso global de disolución de minerales salinos cuya tendencia es a disminuir conforme éstos son lavados del suelo.El estudio pone de manifiesto la disolución de algunas fases minerales (halita, yeso, dolomita), y la precipitación de otras como la calcita. Adicionalmente, la composición final de los retornos de riego no se explica sin el intercambio catiónico Na Ca por el cual parte del Ca2+ disuelto en las aguas pasa al suelo que, por su parte, aporta Na+ a la solución.La consolidación del regadío está conllevando una progresiva disminución de la salinización inducida sobre los sistemas hídricos receptores de los retornos de riego, si bien, la formación de petrocálcicos por la precipitación de calcita podría llegar a provocar la posterior salinización de suelos en zonas donde el drenaje llegase a estar impedido.<br /

Caracterización geoquímica de un sistema hidrotermal de aguas alcalinas en el Pirineo

En este Trabajo Fin de Grado se han determinado los caracteres fisicoquímicos del sistema geotermal de San Vicente, ubicado en el Pirineo leridano, tanto en condiciones de surgencia como en su reservorio (temperatura, estados de equilibrio mineral y pH). También se han evaluado algunas de las modificaciones composicionales que sufren las aguas durante su ascenso. Para ello se han empleado cálculos de modelización geoquímica (especiación-solubilidad) y técnicas geotermométricas (geotermómetros clásicos y simulaciones geotermométricas).Las aguas estudiadas presentan, en condiciones de surgencia, una temperatura de 38Cº, elevados valores de pH (8´8 a 9´5), bajos contenidos en el total de solidos disueltos, sodio como catión dominante y ningún anión en concentraciones preponderantes sobre los demás. Todos estos caracteres son comunes al resto de aguas termales alcalinas presentes en otras zonas del Pirineo.Los cálculos de especiación-solubilidad indican que las aguas termales, en condiciones de surgencia, presentan unos valores muy bajos de presión parcial de CO2 (por debajo del valor de presión parcial atmosférica), la sílice se encuentra parcialmente ionizada, la distribución de las especies carbonatadas está dominada por el HCO3- y la especie Al (OH4)- es la forma dominante de aluminio en la solución. Por su parte, los valores de índice de saturación (I.S.) indican que las aguas del manantial se encuentran sobresaturadas respecto a cuarzo, calcedonia, feldespato potásico y albita.Las simulaciones geotermométricas realizadas indican que, en profundidad, las aguas de San Vicente se encuentran en equilibrio respecto a una asociación mineral constituida por albita, cuarzo, feldespato potásico, calcita, caolinita y algún aluminosilicato cálcico como la zoisita, a una temperatura de 85±7ºC y con un valor de pH más bajo (8´8 ± 0´1) que el determinado en condiciones de surgencia. Estos resultados refinan y mejoran los obtenidos mediante la aplicación de los geotermómetros clásicos y, específicamente, resuelven los problemas provocados por la presencia de especies silíceas parcialmente ionizadas en los geotermómetros de la sílice, ayudando a conocer cuál es la fase silícea con la que se establece el equilibrio en el reservorio.Durante el ascenso y enfriamiento de las soluciones termales a la superficie se produce un incremento del pH (con tasas de variación de 0´009 a 0´015 unidades de pH por grado centígrado) controlado por el reequilibrio de los pares ácido-base (H4SiO40 - H3SiO4-, HCO3- - CO32-, etc) activos en estas aguas. Asimismo, se produce una precipitación de caolinita aunque no de magnitud suficiente como para influir significativamente en la sílice disuelta o en la variación de pH de las aguas. La calcita se mantiene en equilibrio sin que se produzcan procesos de disolución durante el ascenso, ya que el aumento en la solubilidad de la calcita se ve compensado por un incremento en las concentraciones de CO32- asociado al aumento de pH de las aguas.A partir del gradiente geotérmico de la zona se ha estimado la profundidad del reservorio de las aguas de San Vicente, en torno a los 2 Km. Finalmente, se recomienda la realización de nuevas de campañas de muestreo que mejoren las ya realizadas e incluyan en el análisis datos de Al y Li, así como la realización de un estudio isotópico (δ18O y δ2D en las aguas) para determinar la altitud del área de recarga del sistema.<br /

Application of chemical geothermometers to a low temperature thermal system

The Tiermas geothermal system is one of the areas with the greatest geothermal potential in Aragón, however, its hydrogeological and geochemical features are still poorly known. In this study, the main hydrochemical features of these waters are presented and the reservoir temperature is approached by applying chemical geothermometers. These waters have a sulphate chloride sodium affinity, with nearly 40 ºC of spring temperature and an approximate flow rate of 200 l/s. The most likely aquifer seems to be located in the Paleocene and Eocene carbonates. However, due to the structural complexity of the area, the waters would also interact with the evaporitic facies present in the Eocene–Oligocene boundary. Two different hydrochemical groups have been distinguished based on their salinity, Na/Cl ratios, SO4 concentrations and TDS values. Despite the compositional variations detected in the springs, the geothermometric calculations allow to infer a reservoir temperature of 85 ± 17 °C. Good consistency has been obtained with the cationic geothermometers, which is an unusual situation for a geothermal system in carbonate–evaporitic materialsEl sistema geotermal de Tiermas representa una de las zonas con mayor potencial geotérmico de Aragón y, sin embargo, se sabe todavía poco acerca de sus características hidrológicas y geoquímicas. En este trabajo se presentan los principales rasgos hidroquímicos de estas aguas y se determina su temperatura en profundidad mediante la aplicación de geotermómetros químicos. Estas aguas tienen una afinidad clorurada sulfatada sódica, una temperatura de surgencia de casi 40 °C y un caudal de unos 200 l/s. El acuífero más probable se localizaría en los carbonatos del Paleoceno y Eoceno, pero debido a la complejidad estructural de la zona, las aguas entrarían en contacto con la facies evaporítica del tránsito Eoceno–Oligoceno, adquiriendo así dicha afinidad. Se han distinguido dos grupos hidroquímicos con una diferente salinidad, relación Na/Cl y concentraciones de SO4 y TSD. A pesar de las variaciones composicionales detectadas en las surgencias, los cálculos geotermométricos realizados permiten establecer un rango de temperaturas en el reservorio de 85 ± 17 °C, habiéndose obtenido buenos resultados con los geotermómetros catiónicos, situación poco habitual en sistemas termales instalados en materiales carbonatados – evaporítico

Caracterización geoquímica del sistema termal de Ariño (Teruel)

El sistema geotérmico de Ariño está situado al noroeste de la provincia de Teruel y se encuentra en el entorno del Parque Cultural del río Martín. Esta zona se enmarca en el extremo SE de la Rama Aragonesa de la Cordillera Ibérica. Se encuentra alojado en terrenos mesozoicos, extendiéndose por la denominada Cubeta o Depresión de Oliete. Además, se encuentra en contacto con la Facies Keuper evaporítica y en la parte inferior de este acuífero destacar la presencia de las anhidritas de la formación Lécera. Las aguas termales presentan una temperatura de descarga de unos 20 ºC y un pH de 7.2. El sistema termal de Ariño es un sistema carbonatado evaporítico de baja temperatura y por ello se han utilizado la combinación de varias técnicas geotermométricas (geotermómetros químicos e isotópicos y modelización geoquímica) y se han realizado cálculos geoquímicos inversos y prospectivos. Además, se han evaluado los principales procesos de interacción agua-roca responsables de la evolución química de estas aguas. <br /

Hydrogeochemical characterisation of the groundwater in the crystalline basement of Forsmark, the selected area for the geological nuclear repositories in Sweden

Numerous groundwater analyses from the crystalline bedrock in the Forsmark area have been performed between 2002 and 2019, together with thorough geological, geophysical, and hydrogeological studies, within the site investigations carried out by the Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company. The groundwater samples have been taken from boreholes down to ≈ 1000 m and the analysis include major- and trace-elements, stable and radiogenic isotopes, gases and microbes. The chemical and isotopic composition of these groundwaters evidences the presence of non-marine brackish to saline groundwaters with very long residence times (many hundreds of thousands of years) and a series of complex mixing events resulting from the recharge of different waters over time: glacial meltwaters, probably from different glaciations of which the latest culminated some 20,000 years ago, and marine waters from the Baltic starting some 7000 years ago. Later, meteoric water and present Baltic Sea water have recharged in different parts of the upper 100 m. These mixing events have also triggered chemical and microbial reactions that have conditioned some of the important groundwater parameters and, together with the structural complexity of the area, they have promoted a heterogeneous distribution of groundwater compositions in the bedrock. Due to these evident differences in chemistry, residence time and origin of the groundwater, several groundwater types were defined in order to facilitate the visualisation and communication. The differentiation (linked to the paleohydrological history of the area) was based on Cl concentration, Cl/Mg ratio (marine component), and δ18O value (glacial component). The work presented in this paper increases the understanding of the groundwater evolution in fractured and compartmentalised aquifers where mixing processes are the most important mechanisms. The model proposed to characterise the present groundwater system of the Forsmark area will also help to predict the future hydrogeochemical behaviour of the groundwater system after the construction of the repositories for the nuclear wastes

Discerning the interactions between environmental parameters reflected in d13C and d18O of recent fluvial tufas: Lessons from a Mediterranean climate region

d13C and d18O of recent, continuous tufa records, obtained during a monitoring period spanning 3 to 13 years, are compared with the corresponding, known environmental conditions. Three rivers in NE Iberia (located along a 200-km N–S transect) are used for this comparison. The isotopic variations through space and time are discussed in terms of the environmental and geological parameters that operate on different scales, focusing on discerning the interactions between these parameters and providing examples of possible misinterpretation of climatic conditions, which is important to past climate studies based on isotopic data. The calculation of the actual isotopic fractionation coefficients, and the comparison with the literature-derived coefficients, demonstrates that the studied tufa formation was close to isotopic equilibrium to reflect the water temperature. The difference between mean measured water temperature (Tw) and mean calculated Tw (based on d18Ocalcite and measured d18Owater) is less than 2.7 °C. Tendencies of these calculated Tw are similar to the regional air temperature (Tair) tendencies through time, in particular in the case of the 13-year record, although certain deviations exist over shorter time spans. The best agreement between measured and calculated Tw and between d18Ocalcite-based Tw tendencies and Tair tendencies corresponds to the tufa stromatolite facies. Differences between the d18Ocalcite records of the three rivers cannot be attributed to temperature changes, but to the varying influences of groundwater inputs and isotopic rainfall composition in each river.Without considering these parameters, d18Ocalcite-based Tw calculations yield inaccurate results when comparing the study sites. d13Ccalcite values do not exhibit distinct patterns over time, and d13Ccalcite variations are likely caused by local processes that do not reflect general environmental changes. These findings underscore the significance of accounting for both groundwater behaviour and rainfall stable isotope composition when interpreting climate parameters in carbonate systems, particularly when differences between the isotopic signatures of deposits exist in the same region

Mineral equilibria and thermodynamic uncertainties in the geothermometrical characterisation of carbonate geothermal systems of low temperature. The case of the Alhama-Jaraba system (Spain)

Geothermometrical characterisation of low-temperature, carbonate-evaporitic geothermal systems is usually hampered by the lack of appropriate mineral equilibria to successfully use most of the classical geothermometers and/or by the thermodynamic uncertainties affecting some of the most probable mineral equilibria in low temperature conditions. This situation is further hindered if the thermal waters are additionally affected by secondary processes (e.g., CO2 loss) during their ascent to surface. All these problems cluster together in the low-temperature Alhama-Jaraba thermal system, hosted in carbonate rocks, with spring temperatures about 30 °C and waters of Ca-Mg−HCO3/SO4 type. This system, one of the largest naturally flowing (600 L/s) low temperature thermal systems in Europe, is used in this paper as a suitable frame to assess the problems in the application of chemical geothermometrical techniques (classical geothermometers and geothermometrical modelling) and to provide a methodology that could be used in this type of geothermal system or in potential CO2 storage sites in similar aquifers. The results obtained have shown that the effects of the secondary processes can be avoided by selecting the samples unaffected by such processes and, therefore, representative of the conditions at depth, or by applying existing methodologies to reconstruct the original composition, as is usually done for medium to high temperature systems. The effective mineral equilibria at depth depend on the temperature, the residence time and the specific lithological/mineralogical characteristics of the system studied. In the present case, the mineral equilibria on which classical cation geothermometers are based have not been attained. The low proportion of evaporitic minerals in the hosting aquifer prevents the system from reaching anhydrite equilibrium, otherwise common in carbonate-evaporitic systems and necessary for the specific SO4-F geothermometer or the specially reliable quartz (or chalcedony) – anhydrite equilibrium in the geothermometrical modelling of these geothermal systems. Under these circumstances, the temperature estimation must rely on quartz (or chalcedony), clay minerals and, especially, calcite and dolomite. However, clay minerals and dolomite present important thermodynamic uncertainties related to possible variations in composition or crystallinity degree for clays and order/disorder degree for dolomite. To deal with these problems, a sensitivity analysis to the thermodynamic data for clay minerals has been carried out, comparing the results obtained when considering different solubility data. The uncertainties associated with dolomite have been addressed by reviewing the solubility data available for dolomites with different order degrees and performing specific calculations for the order degree of the dolomite in the aquifer. This approach can be used to find the most adequate dolomite thermodynamic data for the system under consideration, including medium-high temperature geothermal systems. Finally, the temperature estimation of the Alhama-Jaraba waters in the deep reservoir has been obtained from simultaneous equilibria of quartz, calcite, partially disordered dolomite and some aluminosilicate phases. The obtained value of 51 ± 14 °C is within the uncertainty range normally affecting this type of estimations and is coherent with independent estimations from geophysical data

Estudio geotermométrico de las aguas termales ricas en CO2 del acuífero de La Ermita del Saladillo (Murcia)

Las aguas del acuífero carbonatado de La Ermita del Saladillo representan una de las manifestaciones termales de aguas ricas en CO2 del sureste de la Península Ibérica. En este tipo de sistemas, la aplicación de las técnicas geotermométricas puede presentar problemas y por ello, en este trabajo se han verificado los resultados obtenidos mediante distintos geotermómetros en dos muestras de agua tomadas en este acuífero termal a partir de sondeos. Los geotermómetros catiónicos sobreestiman las temperaturas del reservorio ya que las aguas no parecen haber alcanzado los equilibrios en los que se basan esas técnicas. Sin embargo, los geotermómetros Ca-Mg y anhidrita – calcedonia, de uso en sistemas carbonatado – evaporíticos no carbónicos proporcionan resultados coherentes en las aguas estudiadas ricas en CO2. También el geotermómetro SiO2-calcedonia ha proporcionado resultados satisfactorios

Estudio geomorfológico e hidroquímico del valle de Mener (Huesca)

La cuenca del valle del Cinca, situada en el sector central de los Pirineos y en su zona axial, está dominada por rocas metamórficas paleozoicas con un claro predominio de esquistos y cuarcitas frente a pizarras. Esta zona ha sido explotada comercialmente desde la antigüedad por los romanos e íberos debido a la existencia de yacimientos minerales de Hierro, Cobalto y Cromo asociados a filones debidos a la formación de fracturas y a la circulación de agua hidrotermal durante el Mesozoico (Triásico) en las Minas Mener en las cotas de 1800 a 2200m.s.n.m. La cantidad de mineral extraído era de 500 a 600 quintales de cobalto al año. Según algunos estudios basados en las escombreras dejadas, la extracción total de cromo en toda la historia de estas minas alcanzaría más de 3.000 toneladas, según datos del Geoparque Mundial UNESCO Sobrarbe-Pirineos. Gracias a ello, se dispone de cartografías geológicas precisas que quedan recogidas en la hoja MAGNA 147 Liena (Ríos et al., 1982). Por el contrario, a fecha de hoy, no existen cartografías geomorfológicas de este sector, donde las morfologías glaciares y periglaciares son dominantes y condicionan la ubicación de los movimientos de ladera.<br /