Groundwater recharge and chemical evolution in the southern High Plains of Texas, USA

Abstract.

The unconfined High Plains (Ogallala) aquifer is the largest aquifer in the USA and the primary water supply for the semiarid southern High Plains of Texas and New Mexico. Analyses of water and soils northeast of Amarillo, Texas, together with data from other regional studies, indicate that processes during recharge control the composition of unconfined groundwater in the northern half of the southern High Plains. Solute and isotopic data are consistent with a sequence of episodic precipitation, concentration of solutes in upland soils by evapotranspiration, runoff, and infiltration beneath playas and ditches (modified locally by return flow of wastewater and irrigation tailwater). Plausible reactions during recharge include oxidation of organic matter, dissolution and exsolution of CO₂, dissolution of CaCO₃, silicate weathering, and cation exchange. Si and ¹⁴C data suggest leakage from perched aquifers to the High Plains aquifer. Plausible mass-balance models for the High Plains aquifer include scenarios of flow with leakage but not reactions, flow with reactions but not leakage, and flow with neither reactions nor leakage. Mechanisms of recharge and chemical evolution delineated in this study agree with those noted for other aquifers in the south-central and southwestern USA.

Résumé.

L'aquifère libre des Hautes Plaines (Ogallala) est le plus vaste aquifère des états-Unis et la ressource de base pour l'eau potable de la région semi-aride du sud des Hautes Plaines du Texas et du Nouveau-Mexique. Des analyses de l'eau et des sols prélevés au nord-est d'Amarillo (Texas), associées à des données provenant d'autres études dans cette région, indiquent que des processus intervenant au cours de l'infiltration contrôlent la composition de l'eau de la nappe libre dans la moitié septentrionale du sud des Hautes Plaines. Les données chimiques et isotopiques sont compatibles avec une séquence de précipitation épisodique, avec la reconcentration en solutés dans les sols des hautes terres par évapotranspiration, avec le ruissellement et l'infiltration dans les playas et les fossés (modifiée localement par l'écoulement en retour des eaux usées et des laisses d'irrigation). Des réactions probables intervenant au cours de la recharge sont l'oxydation de la matière organique, la dissolution et le dégazage du CO₂, la dissolution du CaCO₃, l'altération des silicates et l'échange de cations. Les données concernant Si et ¹⁴C laissent penser qu'il existe une drainance descendante à partir d'aquifères perchés vers l'aquifère des Hautes Plaines. Des modèles vraisemblables de bilan de matière pour l'aquifère des Hautes Plaines prennent en compte des scénarios d'écoulement avec drainance mais sans réactions, des écoulements avec réactions mais sans drainance et des écoulements sans réactions ni drainance. Les mécanismes de recharge et d'évolution chimique déterminés dans cette étude sont en accord avec ceux mis en évidence dans d'autres aquifères du centre sud et du sud-ouest des états-Unis.

Resumen.

El acuífero libre de High Plains (Ogallala) es el mayor de los Estados Unidos y supone la fuente principal de abastecimiento en la región semiárida del sur de High Plains (Texas) y de Nuevo México. Los análisis de agua y suelos realizados al nordeste de Amarillo (Texas), junto con los datos de otros estudios regionales, indican que los procesos que tienen lugar durante la recarga del acuífero controlan la composición de las aguas subterráneas en la mitad septentrional de los High Plains del Sur. Los datos isotópicos y hidroquímicos son coherentes con una secuencia de episodios de precipitación, concentración de solutos en la parte superior del suelo por evapotranspiración, escorrentía, e infiltración a través de 'playas' y zanjas (modificadas localmente por los flujos de retorno de aguas residuales y de excedentes de riego).