High Plains groundwater isotopic composition in northeastern New Mexico (USA): relationship to recharge and hydrogeologic setting

Abstract

In the High Plains (HP) region of northeastern New Mexico (NE NM), USA, underlying bedrock aquifers are utilized where the High Plains Aquifer is thin, absent, or unsaturated. These usage patterns, aquifer depletion, and increasing regional aridity imply that NE NM is a possible analogy for more easterly portions of the central HP. To examine the relationship between recharge, residence time, and hydrogeologic setting, 85 well and spring samples were analyzed for environmental tracers (δD, δ¹⁸O, δ¹³C, and limited tritium and carbon-14 activities). Approximately half of the wells were open to strata of the Dakota Group. δD was −105.0 to −41.7‰ (median −58.2‰) and δ¹⁸O was −13.7 to −4.4‰ (median −8.1‰). Overall, isotopic composition is correlated with elevation and influenced by hydrogeologic setting. Ten anomalously depleted waters, most near volcanic-capped mesas, may represent higher-elevation or winter-biased recharge, a different modern precipitation source, or recharge from a cooler climate. Recharge, estimated by chloride mass balance using groundwater chloride concentrations, averages 6 mm/year below 2,000-m elevation and 16 mm/year above 2,000 m. Tritium (nondetectable to 5.7 tritium units) and carbon-14 activities (modern carbon fraction 0.23–1.05) suggest that Holocene to modern waters occur, possibly as mixtures, and that alluvial channels and other surficial features promote recharge, likely at higher rates than regional averages. It is noteworthy that isotopically depleted waters in this study tended to be tritium-free. Additional residence time tracers and seasonal precipitation isotopic sampling could address recharge and the origin of depleted waters.

Résumé

Dans la région des Hautes Plaines (HP) du nord-est du Nouveau Mexique (NE NM), Etats-Unis d’Amérique, les aquifères du substrat rocheux sont utilisés là où l’aquifère des Hautes-Plaines est de faible épaisseur, absent ou non saturé. Ces modes d’utilisation, la baisse des niveaux d’eau dans l’aquifère, et l’augmentation de l’aridité régionale indiquent qu’il est possible d’y voir une possible analogie entre le NE NM et les parties plus à l’est de la partie centrale des HP. Pour examiner les relations entre la recharge, le temps de résidence, et les paramètres hydrogéologiques, 85 échantillons d’eau de puits et de sources ont fait l’objet d’analyse des traceurs environnementaux suivants (δD, δ¹⁸O, δ¹³C, et activité en tritium et carbone-14). Approximativement la moitié des puits capte les formations du groupe Dakota. Le δD est compris entre –105.0 à –41.7‰ (médiane –58.2‰) et le δ¹⁸O entre –13.7 et –4.4‰ (médiane –8.1‰). Globalement, la composition isotopique est corrélée à l’altitude et influencée par les paramètres hydrogéologiques. Les 10 eaux anormalement appauvries, la plupart situées près des mesas recouvertes de formations volcaniques, pourraient représenter des altitudes élevées ou une recharge hivernale dominante, une origine de pluies actuelles différentes ou une recharge sous un climat plus froid. La recharge moyenne, estimée par le bilan de masse des chlorures en utilisant les concentrations en chlorure des eaux souterraines, est de 6 mm/an à une altitude inférieure à 2,000 m et 16 mm/an au-dessus de 2,000 m. Le tritium (inférieur à la limite de détection à 5.7 unités tritium) et les activités de carbone-14 (fraction du carbone moderne entre 0.23–1.05) suggère une recharge de l’Holocène jusqu’à aujourd’hui, sans doute avec des mélanges, et avec les chenaux de rivières et autres éléments de surface favorisant la recharge, probablement à de plus forts taux que les moyennes régionales. Il est à noter que les eaux isotopiquement appauvries de cette étude sont globalement sans tritium. Des traceurs additionnels de temps de résidence et un échantillonnage des pluies saisonnières pour analyses isotopiques pourraient répondre à la question de la recharge et de l’origine des eaux isotopiquement appauvries.

Resumen

En la región de las High Plains (HP) del noreste de New Mexico (NE NM), EEUU, los acuíferos del basamento subyacente se utilizan donde el acuífero de las High Plains tiene un escaso espesor, está ausente o no está saturado. Estos patrones de uso, el agotamiento del acuífero y la creciente aridez regional implican que el NE NM es una posible analogía de las porciones más orientales del HP central. Para examinar la relación entre la recarga, el tiempo de residencia y el marco hidrogeológico, se analizaron 85 muestras de pozos y manantiales en busca de trazadores ambientales ((δD, δ¹⁸O, δ¹³C y actividades de tritio y carbono-14). Aproximadamente la mitad de los pozos estaban abiertos en estratos del Grupo Dakota. δD fue de –105.0 a –41.7‰ (mediana de –58.2‰) y δ¹⁸O fue de −13.7 a –4.4‰ (mediana de –8.1‰). En general, la composición isotópica está correlacionada con la elevación e influenciada por el marco hidrogeológico. Diez muestras de aguas anómalas, la mayoría cerca de las mesetas de origen volcánico, pueden representar una recarga a mayor altitud o con sesgo invernal, una fuente de precipitación moderna diferente o una recarga procedente de un clima más frío. La recarga, estimada por el balance de masas de cloruro utilizando las concentraciones de cloruro de las aguas subterráneas, tiene un promedio de 6 mm/año por debajo de los 2,000 m de altitud y 16 mm/año por encima de los 2,000 m. Las actividades de tritio (no detectable hasta 5.7 unidades de tritio) y de carbono-14 (fracción de carbono moderno 0.23–1.05) sugieren que las aguas del Holoceno a las modernas ocurren, posiblemente como mezclas, y que los canales aluviales y otras características superficiales promueven la recarga, probablemente a tasas más altas que los promedios regionales. Cabe destacar que las aguas isotópicamente empobrecidas en este estudio tendían a no tener tritio. Otros trazadores de tiempo de residencia y el muestreo isotópico de las precipitaciones estacionales podrían abordar la recarga y el origen de las aguas empobrecidas.

摘要

在美国新墨西哥州东北部(NE NM)的高平原(HP)地区, 在高平原含水层薄、缺失或不饱和的下伏基岩含水层被开发利用。开发利用方式, 含水层枯竭和区域干旱加剧, 意味着NE NM可能与中部HP偏东地区情况类似。为了分析补给、滞留时间和水文地质条件之间的关系, 分析了85口井和泉水样品的环境示踪剂(δD, δ¹⁸O, δ¹³C以及较少的氚和碳–14活度)。大约一半的井到达Dakota Group组地层。δD为–105.0至–41.7‰(中位数–58.2‰), δ¹⁸O为–13.7至–4.4‰(中位数–8.1‰)。总体而言, 同位素组成与海拔高度相关, 并受水文地质条件影响。十个极度耗竭的水域(大多数接近火山覆盖的台地)可能代表着海拔较高或冬季偏向的补给, 不同的现代降水源或较凉爽的气候补给。通过使用地下水中氯化物的氯质量平衡法来估算补给量, 在海拔2,000 m以下平均补给6 mm/year, 在海拔2,000 m以上平均补给16 mm/year。氚(不可检测限为5.7氚单位)和碳–14活度(现代碳分数为0.23–1.05)表明, 全新世可能以混合物的形式出现于现代水域, 冲积通道和其他地表特征促进了补给, 其速率可能高于区域性平均值。值得注意的是, 在这项研究中, 同位素贫化的水倾向于不含氚。增加的滞留时间示踪和季节性降水同位素采样可以确定枯竭水的补给和来源。

Resumo

Na região das Altas Planícies(AP) do nordeste do Novo México (NE NM), EUA, os aquíferos rochosos subjacentes são utilizados onde o Aquífero das Altas Planícies é fino, ausente ou insaturado. Esses padrões de uso, esgotamento do aquífero e aumento da aridez regional implicam que o NE do NM é uma possível analogia para porções mais a leste do AP central. Para examinar a relação entre recarga, tempo de residência e configuração hidrogeológica, 85 amostras de poços e molas foram analisadas para traçadores ambientais (δD, δ¹⁸O, δ¹³C e atividades limitadas de trítio e carbono-14). Aproximadamente metade dos poços foram abertos para estratos do Grupo Dakota. δD foi de –105.0 a –41.7‰ (mediana –58.2‰) e δ¹⁸O foi de –13.7 a –4.4‰ (mediana –8.1 ‰). Em geral, a composição isotópica está correlacionada com a elevação e influenciada pelo ambiente hidrogeológico. Dez águas anormalmente esgotadas, a maioria perto de planaltos com picos vulcânicos, podem representar recarga de maior altitude ou polarizada para o inverno, uma fonte de precipitação moderna diferente ou recarga de um clima mais frio. A recarga, estimada pelo balanço de massa de cloreto usando as concentrações de cloreto de água subterrânea, tem média de 6 mm/ano abaixo de 2,000 m de elevação e 16 mm/ano acima de 2,000 m. Trítio (não detectável a 5.7 unidades de trítio) e atividades de carbono-14 (fração de carbono moderna 0.23–1.05) sugerem que águas do Holoceno para modernas ocorrem, possivelmente como misturas, e que canais aluviais e outras características superficiais promovem recarga, provavelmente em taxas mais altas do que médias regionais. É digno de nota que as águas isotopicamente empobrecidas neste estudo tenderam a ser isentas de trítio. Traçadores de tempo de residência adicionais e amostragem isotópica de precipitação sazonal podem abordar a recarga e a origem das águas esgotadas.