Vertical variation in the amplitude of the seasonal isotopic content of rainfall as a tool to jointly estimate the groundwater recharge zone and transit times in the Ordesa and Monte Perdido National Park aquifer system, north-eastern Spain

The time series of stable water isotope composition relative to meteorological stations and springs located in the high mountainous zone of the Ordesa and Monte Perdido National Park are analyzed in order to study how the seasonal isotopic content of precipitation propagates through the hydrogeological system in terms of the aquifer recharge zone elevation and transit time. The amplitude of the seasonal isotopic composition of precipitation and the mean isotopic content in rainfall vary along a vertical transect, with altitudinal slopes for d18O of 0.9‰/km for seasonal amplitude and - 2.2‰/km for isotopic content. The main recharge zone elevation for the sampled springs is between 1950 and 2600 m·a.s.l. The water transit time for the sampled springs ranges from 1.1 to 4.5 yr, with an average value of 1.85 yr and a standard deviation of 0.8 yr. The hydrological system tends to behave as a mixing reservoir.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Combination of lumped hydrological and remote-sensing models to evaluate water resources in a semi-arid high altitude ungauged watershed of Sierra Nevada (Southern Spain)

Assessing water resources in high mountain semi-arid zones is essential to be able to manage and plan the use of these resources downstream where they are used. However, it is not easy to manage an unknown resource, a situation that is common in the vast majority of high mountain hydrological basins. In the present work, the discharge flow in an ungauged basin is estimated using the hydrological parameters of an HBV (Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning) model calibrated in a “neighboring gauged basin”. The results of the hydrological simulation obtained in terms of average annual discharge are validated using the VI-ETo model. This model relates a simple hydrological balance to the discharge of the basin with the evaporation of the vegetal cover of the soil, and this to the SAVI index, which is obtained remotely by means of satellite images. The results of the modeling for both basins underscore the role of the underground discharge in the total discharge of the hydrological system. This is the result of the deglaciation process suffered by the high mountain areas of the Mediterranean arc. This process increases the infiltration capacity of the terrain, the recharge and therefore the discharge of the aquifers that make up the glacial and periglacial sediments that remain exposed on the surface as witnesses of what was the last glaciation.Grup d'Hidrologia Subterrànea, Universitat Politècnica de Catalunya, EspañaInstituto Andaluz de Investigación y Formación Agraria, Pesquera, Alimentaria y de la Producción Ecológica de Andalucía, EspañaUnidad de Granada, Instituto Geológico y Minero de España, EspañaUnidad de Zaragoza, Instituto Geológico y Minero de España, EspañaAgencia de Medio Ambiente y Agua de la Junta de Andalucía, EspañaDepartamento de Ciencias Geológicas, Universidad Católica del Norte, Chil

Caracterización hidrogeoquímica del macizo de Betancuria. Fuerteventura, Archipiélago de Canarias

La Isla de Fuerteventura se sitúa en el borde oriental del Archipiélago de Canarias, a sólo 100 km del continente africano. Presenta un relieve topográfico relativamente suave respecto a las otras islas del Archipiélago, lo que unido a su proximidad a la costa del Sahara explican el carácter árido del clima imperante. El sector estudiado se sitúa en la parte central de la Isla y abarca el Macizo de Betancuria y la Depresión Central. A partir de la distribución de las unidades geológicas e hidrogeológicas más importantes se ha dividido en dos dominios principales: un Dominio Occidental, constituido por rocas volcánicas e intrusivas del Complejo Basal (Cretácico Superior - Mioceno Inferior) y un Dominio Oriental, compuesto por lavas del Edificio Gran Tarajal (Mioceno) y por depósitos volcánicos (Pleistoceno-Holoceno) que conforman el Malpaís.En el Dominio Occidental las aguas subterráneas presentan un aumento de la salinidad con la profundidad. Se diferencia una Unidad Superior, que contiene aguas de menor conductividad eléctrica (2.5-5.5 mS/cm) y temperaturas que varían entre los 18 y los 25 ºC, y una Unidad Inferior, compuesta por aguas de mayor conductividad eléctrica (5.5-24 mS/cm) y temperaturas variables entre los 25 y 30 ºC. Las aguas de la Unidad Superior son del tipo clorurado-sódico con una alcalinidad moderada y bajos contenidos de sulfato y sílice. La concentración de nitrato es variable de un punto a otro, pero en la mayoría de los casos se sospecha una componente antrópica asociada a usos agropecuarios. Las aguas más salinas de la Unidad Inferior son de tipo clorurado-sulfatado-sódico. Los contenidos de sílice son altos y los contenidos de nitrato están ausentes. La elevada salinidad en las aguas de la Unidad Superior responde principalmente al efecto de la aridez climática y localmente a efectos puntuales de retornos de riego. A partir de la modelación hidrogeoquímica realizada con el programa PHREEQC se deduce que la aridez climática tiene su efecto en una mayor concentración del agua de lluvia como consecuencia de la evaporación. En menor medida existe una aportación debido a la interacción agua-roca que implica una aportación de sodio como consecuencia de la alteración de plagioclasas. No obstante, para las muestras de la Unidad Inferior es necesario considerar otros orígenes para la salinidad. A partir de la interpretación de la relación rCl/rBr, del estudio de los isótopos del agua (18O y deuterio), de las relaciones iónicas y de la modelación hidrogeoquímica se ha deducido una salinidad debido a la mezcla con agua marina. Esta correspondería a agua marina relicta presente en las rocas intrusivas del Complejo Basal. La menor permeabilidad que presentan las unidades intrusivas explicaría la existencia de agua de origen marino por sobre el nivel del mar. Estas aguas también presentan contenidos elevados de sulfatos los cuales tienen un origen distinto, asociado a la disolución de sulfatos de origen ígneo. Las aguas de menor mineralización reconocidas en el Dominio Oriental son de composición clorurado-sódica, con valores de las relaciones iónicas más próximos a los valores de la precipitación. Los valores de las relaciones iónicas de estas aguas se aproximan más a los valores del agua de lluvia respecto a las aguas de la Unidad Superior, lo que se atribuye a la menor solubilidad de los materiales que componen las lavas del Malpaís. A partir de la integración del estudio de la piezometría, de la interpretación de los análisis químicos e isotópicos de las aguas, del análisis de perfiles de temperatura y conductividad eléctrica en sondeos y de la interpretación de la distribución de las unidades geológicas en el subsuelo se ha establecido un modelo conceptual de funcionamiento hidrogeológico del acuífero.The island of Fuerteventura es placed in the eastern limit of the Canarian Archipelago, only 100 km far from the African Continent. It has a relatively smooth topographic relief when compared to the other islands of the Archipelago. This and the closeness to the Sahara coast explain the dominantly arid climate. The study area is in the central part of the Island and comprises a large part of the Massif of Betancuria and the Central Depression. Following the distribution of the most important geological and hydrogeological Units, the study area has been divided in two main subareas: a western subarea formed by volcanic and intrusive rocks of the Basal Complex (Upper Cretaceous-Lower Miocene) and an eastern subarea formed by lavas of the Gran Tarajal Edifice (Miocene) and volcanic deposits (Pleistocene-Holocene) which form the Malpais (badlands).In the western subarea groundwaters are characterised by an increasing salinity with depth. Thus, it is possible to differentiate an Upper Unit, containing waters of lower electrical conductivity (2.5 to 5.5 mS/cm) and temperatures between 18 and 25ºC, and a Lower Unit, with groundwaters with a higher electrical conductivity (5.5 to 24 mS/cm) and temperatures between 25 and 30ºC. Groundwaters from the Upper Unit are of the sodium-chloride type with generally a moderate alkalinity and low sulphate and silica contents. Nitrate contents of these waters varies from point to point, but in most cases an anthropic component is suspected, which is associated to farming activities. The more saline groundwaters of the Lower Unit are of the sodium-chloride-sulphate type, except for some one which is more diluted as a consequence of the mixture of waters from the Upper and Lower Units inside the boreholes.The high salinity of groundwater from the Upper Unit is mainly the result of the island's climatic aridity, and locally to point effects of excess irigation water. From the hydrochemical modelling carried out with the code PHREEQC it is deduced that climatic aridity produces an intense evaporation concentration of rainfall. To a lesser extent there is a contribution due to rock-water interaction, which corresponds mostly to plagioclase weathering. However, the more saline waters in the Lower Unit have to be explained by means of other salinity origins. From the interpretation of the rCl/rBr ratio, the study of water isotopes (180 and deuterium), the most important ionic ratios and chemical modelling, the salinity can be linked to the admixture with sea water. This sea water seem to be relict and it is found in the intrusive rocks of the Basal Complex. The smaller permeability of the intrusive units may explain the presence of seawater above present sea level, as remnants of moments in which the ocean was relatively at a higher elevation. These waters also present high sulphate contents. The sulphate has a different origin, which is associated to the dissolution of sulphates of igneous origin. Groundwaters of a lower salinity found in the eastern subarea represent recharge water and also have a marked sodium-chloride composition, with ionic ratios which are closer to those of precipitation. Generally the ionic rations of these waters are closer to those of rainfall than the samples from the Upper Unit. This is explained by the faster turnover time and low solubility of the materials of the Malpais recent lavas.By integrating the piezometric study, the interpretation of water chemical and isotopic analyses, the analysis of temperature and electrical conductivity borehole logs, and the interpretation of underground distribution of geological units, a conceptual model of the aquifer hydrogeological functioning has been established, which explains reasonably well the results commented above.Postprint (published version

Flujo de agua subterránea en la parte central de la isla de Fuerteventura, archipiélago de Canarias, España

La isla de Fuerteventura es la más antigua del Archipiélago de Canarias y está constituida por materiales que reflejan eventos geológicos desarrollados desde el Cretácico Superior hasta el Reciente. Con el objetivo de evaluar el modelo hidrogeológico conceptual se ha simulado el flujo del agua subterránea mediante el código MODFLOW. La calibración se realizó a partir de los niveles piezométricos. Los resultados de las simulaciones muestran que el agua subterránea se mueve preferentemente a través de lavas de origen submarino situadas sobre rocas intrusivas.Postprint (published version

Origin of waters from small springs located at the northern coast of Chile, in the vicinity of Antofagasta

The origin of waters from small springs located at the hyper-arid northern coast of Chile, in the vicinity of Antofagasta, is discussed after hydrogeochemical and isotopic studies and supported by groundwater flow hydrodynamic considerations. Spring water is brackish to saline, with electrical conductivity ranging from 2 to 25 mS/cm. Chemical and water isotope data (O-18 and H-2) show that the rainfall events that produced part of the recharge could correspond to wetter conditions than at present. Their origin could be related to the emplacement of warm sea currents facing the coast of northern Chile, possibly associated to incursions of El Nino Southern Oscillation (ENSO). Radiocarbon dating and preliminary groundwater hydraulic calculations indicate that these spring waters could be remnants of a more significant recharge in the Cordillera de la Costa than that produced today during the less arid period about 5,000 to 3,000 years ago. The exception is Las Vertientes spring which is the only one that receives water transferred from the Central Depression. The springs are the visible discharge of a regional groundwater body in the very low permeability Cordillera de la Costa, whose hydraulic conductivity decreases downward and flow is dominantly though fissures and storage in the low porosity rock matrix

Flujo de agua subterránea en la parte central de la isla de Fuerteventura, archipiélago de Canarias, España

La isla de Fuerteventura es la más antigua del Archipiélago de Canarias y está constituida por materiales que reflejan eventos geológicos desarrollados desde el Cretácico Superior hasta el Reciente. Con el objetivo de evaluar el modelo hidrogeológico conceptual se ha simulado el flujo del agua subterránea mediante el código MODFLOW. La calibración se realizó a partir de los niveles piezométricos. Los resultados de las simulaciones muestran que el agua subterránea se mueve preferentemente a través de lavas de origen submarino situadas sobre rocas intrusivas

New chemical and original isotopic data on waters from El Tatio geothermal field, northern Chile

The El Tatio geothermal field is located at an height of 4200-4300 m on the Cordillera de los Andes (Altiplano). Geysers, hot pools and mudpots in the geothermal field and local meteoric waters were sampled in April 2002 and analyzed for major and trace elements, delta(2)H, delta(18)O and H-3 of water, delta(34)S and delta(18)O of dissolved sulfate, delta(13)C of dissolved total carbonate, and Sr-87/Sr-86 ratio of aqueous strontium. There are two different types of thermal springs throughout the field, that are chloride-rich water and sulfate-rich water. The chemical composition of chloride springs is controlled by magma degassing and by water-rock interaction processes. Sulfate springs are fed by shallow meteoric water heated by ascending gases. In keeping with the geodynamic setting and nature of the reservoir rocks, chloride water is rich in As, B, Cs, Li; on the other hand, sulfate water is enriched only in B relative to local meteoric water. Alternatively to a merely meteoric model, chloride waters can be interpreted as admixtures of meteoric and magmatic (circa andesitic) water, which moderately exchanges oxygen isotopes with rocks at a chemical Na/K temperature of about 270 degrees C in the main reservoir, and then undergoes loss of vapor (and eventually mixing with shallow water) and related isotopic effects during ascent to the surface. These chloride waters do not present tritium and can be classified as submodern (pre-1952). A chloride content of 5,400 mg/l is estimated in the main reservoir, for which delta(2)H and delta(18)O values, respectively of -78 parts per thousand and -6.9 parts per thousand, are calculated applying the multistage-steam separation isotopic effects between liquid and vapor. From these data, the meteoric recharge (Cl approximate to 0 mg/l) of the main reservoir should approach a composition of 107 parts per thousand in delta(2)H and -14.6 parts per thousand in delta(18)O, when a magmatic water of delta(2)H = -20 parts per thousand, delta(18)O = +10 parts per thousand and Cl = 17,500 mg/l is assumed. The Sr-87/Sr-86 ratios of the hot springs are quite uniform (0.70876 to 0.70896), with values within the range observed for dacites of the Andean central volcanic zone. A water delta(18)O-Sr-87/Sr-86 model was developed for the main geothermal reservoir, by which a meteoric-magmatic composition of the fluids is not excluded. The uniform delta(34)S (SO42-) values of +1.4 to +2.6 parts per thousand, in the chloride waters agree with a major deep-seated source for sulfur, possibly via hydrolysis in the geothermal reservoir of sulfur dioxide provided by magma degassing, followed by isotopic exchange between sulfate and sulfide in the main reservoir. This interpretation is supported by the largely negative delta(34)S (SO42-) value in steam-heated water sulfate (-9.8 parts per thousand) and mass-balance calculation, which exclude leaching at depth of igneous iron-sulfides with delta(34)S near zero per mill. All the delta(13)C values of total carbonate in the chloride waters are negative, with variable values from -9.2 to -20.1 parts per thousand, pointing to an important proportion of biogenic carbon in the fluids. The interpretation of these data is problematic, and a number of alternative explanations are reported in the text

Investigaciones hidrogeológicas en la laguna Tuyajto perteneciente a la Reserva Nacional de los Flamencos (Atacama, Chile)

18 p. Incluye versión abreviada en inglésLa Laguna Tuyajto es un lago salino ubicado en la zona meridional de la reserva nacional de los flamencos (Atacama, Chile), en el Altiplano Andino del Norte de Chile. Esta laguna se encuentra a los pies del volcán Tuyajto. Está alimentada por una serie de manantiales que se encuentran en la zona Norte y Este de la laguna, que descargan agua procedente de un acuífero en materiales volcánicos recientes. El área se ubica en una zona árida donde las precipitaciones medias no exceden los 200 mm/año. El contenido en tritio de algunas muestras de agua indica la presencia en el acuífero de aguas de recarga con tiempos de tránsito cortos. Esta recarga procede de la infiltración del agua de fusión de nieve y en menor medida del agua procedente de eventos cortos pero intensos de precipitación en el verano austral. Los gradientes verticales de precipitación y su contenido isotópico ($\delta$$^1$$^8$O y $\delta$$^2$H) muestran que la zona de recarga de los manantiales ubicados al Norte de la laguna se encuentra en las laderas del volcán Tuyajto por encima de los 4900 m s.n.m., mientras que en los manantiales ubicados al Este de la laguna la recarga se produce a altitudes entre 4400 y 4700 m s.n.m. y procede de las cuencas aledañas de Pampa Colorada y Pampa Las Tecas. El agua de estos manantiales puede contener tritio medible. La composición química de las aguas subterráneas es el resultado de los procesos de evaporación de aguas meteóricas, interacción agua-roca a alta temperatura y la disolución de depósitos de antiguos salares enterrados. El nivel de las aguas subterráneas es somero, debido a la presencia de una capa ignimbrítica de baja permeabilidad que inhibe la formación de celdas convectivas de flujo de agua subterránea por efecto de la alta densidad de la salmuera. A nivel local, el funcionamiento de la laguna de Tuyajto es flujo de tránsito (flow-through) respecto al flujo regional del acuífero. La permanencia de los manantiales es esencial para la existencia de la lámina de salmuera y el mantenimiento de las condiciones ecológicas en cuanto a la avifauna.Departamento de Ciencias Geológicas, Universidad Católica del Norte, ChileUnidad de Zaragoza, Instituto Geológico y Minero de España, EspañaReal Academia de Ciencias, Grupo de Hidrología Subterránea, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad Politécnica de Cataluña, Españ

Investigaciones hidrogeológicas en la Laguna Tuyajto, en la Reserva Nacional de los Flamencos (Atacama, Chile)

Texto en español con resumen y palabras claves en español e inglésLa Laguna Tuyajto es un lago salino ubicado en la zona meridional de la reserva nacional de los flamencos (Atacama, Chile), en el Altiplano Andino del Norte de Chile. Esta laguna se encuentra a los pies del volcán Tuyajto. Está alimentada por una serie de manantiales que se encuentran en la zona Norte y Este de la laguna, que descargan agua procedente de un acuífero en materiales volcánicos recientes. El área se ubica en una zona árida donde las precipitaciones medias no exceden los 200 mm/año. El contenido en tritio de algunas muestras de agua indica la presencia en el acuífero de aguas de recarga con tiempos de tránsito cortos. Esta recarga procede de la infiltración del agua de fusión de nieve y en menor medida del agua procedente de eventos cortos pero intensos de precipitación en el verano austral. Los gradientes verticales de precipitación y su contenido isotópico (δ18O y δ2H) muestran que la zona de recarga de los manantiales ubicados al Norte de la laguna se encuentra en las laderas del volcán Tuyajto que están por encima de los 4900 m s.n.m., mientras que en los manantiales ubicados al Este de la laguna la recarga se produce a altitudes entre 4400 y 4700 m s.n.m. y procede de las cuencas aledañas de Pampa Colorada y Pampa Las Tecas. El agua de estos manantiales puede contener tritio medible. La composición química de las aguas subterráneas es el resultado de los procesos de evaporación de aguas meteóricas, interacción agua-roca a alta temperatura y la disolución de depósitos de antiguos salares enterrados. El nivel freático es somero, debido a la presencia de una capa ignimbrítica de baja permeabilidad que inhibe la formación de celdas convectivas de flujo de agua subterránea por efecto de alta densidad. A nivel local, el funcionamiento de la laguna de Tuyajto es de flujo de tránsito (flow-through) respecto el flujo regional del acuífero. La permanencia de los manantiales es esencial para la existencia de la lámina de salmuera y el mantenimiento de las condiciones ecológicas en cuanto a la avifauna = The Tuyajto Lake is a saline lake located in the Andean Altiplano of northern Chile, at the foot of the volcano of the same name. It is fed by springs located on its eastern and northern boundaries. These springs discharge groundwater from a volcanic aquifer. Arid conditions dominate in the area, with an average precipitation of less than 200 mm/year. The tritium content in some groundwater samples shows the contribution of modern recharge to the total groundwater flow. Recharge occurs by infiltration of snowmelt in the austral winter months and to a lesser extent by short but intense precipitation events during the summer. According to the vertical gradients of precipitation and its rainfall isotopic content (δ18O, δ2H), the recharge zone of the springs is located at the northern area of the lake, above 4,900 m a.s.l., along the slopes of the Tuyajto volcano, whereas the recharge to the springs discharging on the eastern area of the lake originates in the adjacent basins of Pampa Colorada and Pampa Las Tecas, at altitudes of between 4,400 and 4,700 m a.s.l. The water of these springs may contain measurable tritium. The chemical composition of groundwater is the result of meteoric water evaporation processes, high temperature water-rock interaction and the dissolution of buried old salt flat deposits. The groundwater flow is shallow, due to the presence of a regional low permeability ignimbrite formation, which precludes the formation of deep convective groundwater flow cells due to the high density. At the local scale, the Laguna Tuyajto behaves as a flow-through system compared to the regional groundwater flow. The persistence of the springs is essential for the existence of the brine sheet and maintaining the ecological conditions for the waterfowl.Departamento de Ciencias Geológicas, Universidad Católica del Norte, ChileAquaGeo Proyectos, EspañaUnidad de Zaragoza, Instituto Geologico y Minero de España, EspañaReal Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de España, EspañaDepartament d'Enginyeria Civil i Ambiental, Universitat Politècnica de Catalunya, Españ