Geochemical and stable isotopic evolution of the Guarani Aquifer System in the state of São Paulo, Brazil

Abstract.

The purpose of this report is to explain geochemical and stable isotopes trends in the Brazilian unit of the Guarani Aquifer System (Botucatu and Piramboia aquifers) in São Paulo State, Brazil. Trends of dissolved species concentrations and geochemical modeling indicated a significant role of cation exchange and dissolution of carbonates in downgradient evolution of groundwater chemistry. Loss of calcium by the exchange for sodium drives dissolution of carbonates and results in Na–HCO₃ type of groundwater. The cation-exchange front moves downgradient at probably much slower rate compared to the velocity of groundwater flow and at present is located near to the cities of Sertãozinho and Águas de Santa Barbara (wells PZ-34 and PZ-148, respectively) in a shallow confined area, 50–70 km from the recharge zone. Part of the sodium probably enters the Guarani Aquifer System. together with chloride and sulfate from the underlying Piramboia Formation by diffusion related to the dissolution of evaporates like halite and gypsum. High concentrations of fluorine (up to 13.3 mg/L) can be explained by dissolution of mineral fluoride also driven by cation exchange. However, it is unclear if the dissolution takes place directly in the Guarani Aquifer System or in the overlying basaltic Serra Geral Formation. There is depletion in δ ²H and δ ¹⁸O values in groundwater downgradient. Values of δ ¹³C(DIC) are enriched downgradient, indicating dissolution of calcite under closed system conditions. Values of δ ¹³C(DIC) in deep geothermal wells are very high (>–6.0‰) and probably indicate isotopic exchange with carbonates with δ ¹³C about –3.0‰. Future work should be based on evaluation of vertical fluxes and potential for penetration of contamination to the Guarani Aquifer System.

Résumé.

Cet article a pour objet d'expliquer l'évolution de la géochimie et des isotopes stables dans l'unité brésilienne du système aquifère du Guarani (aquifères de Botucatu et Piramboia), dans l'État de Sao Paulo (Brésil). L'évolution des concentrations des espèces dissoutes et la modélisation géochimique ont fait apparaître le rôle notable des échanges de cations et de la dissolution des carbonates de l'amont vers l'aval des nappes. La perte de calcium par échange de cation avec le sodium pilote la dissolution des carbonates et donne naissance à des eaux souterraines à faciès Na–HCO₃. Le front d'échange de cation se déplace vers l'aval probablement plus lentement que la vitesse d'écoulement de l'eau souterraine et est actuellement situé à proximité des villes de Sertaozinho et de Aguas de Santa Barbara (respectivement puits PZ-34 et PZ-148), dans une zone captive proche de la surface, à 50–70 km de la zone de recharge. Une partie du sodium provient probablement du système aquifère du Guarani, associée aux chlorures et aux sulfates de la formation Piramboia sous-jacente, par diffusion liée à la dissolution d'évaporites comme la halite et le gypse. De fortes concentrations en fluorures (jusqu'à 13,3 mg/L) peuvent être expliquées par la dissolution d'un minéral fluoré également pilotée par l'échange de cations. Cependant, on ne sait pas bien si la dissolution intervient directement dans le système aquifère du Guarani ou dans la formation basaltique sus-jacente de Serra Geral. Les valeurs de δ ²H et δ ¹⁸O décroissent vers l'aval de la nappe. Les valeurs de δ ¹³C du carbone minéral dissous sont enrichies vers l'aval, indiquant qu'il se produit une dissolution de calcite en système fermé. Les valeurs de δ ¹³C du carbone minéral dissous dans les puits géothermaux profonds sont très élevées (supérieures à -6,0‰) et rendent probablement compte d'échanges isotopiques avec des carbonates possédant un δ ¹³C d'environ –3,0‰. De prochaines études devront s'attacher à évaluer les flux verticaux et le potentiel de pénétration de contamination du système aquifère du Guarani.

Resumen.

El propósito de este informe es explicar las tendencias geoquímicas y de los isótopos estables en la unidad brasileña del Sistema Acuífero Guaraní (acuíferos de Botucatu y Piramboya), en el Estado de Sao Paulo. Las concentraciones de especies disueltas y los resultados de modelaciones geoquímicas indican que el intercambio catiónico y la disolución de carbonatos desempeñan un papel importante en la evolución aguas abajo del acuífero. La disminución de calcio por el intercambio con sodio origina la disolución de carbonatos, dando lugar a aguas subterráneas de tipo bicarbonatado sódico. El frente de intercambio catiónico se desplaza a una velocidad probablemente mucho más lenta que la del flujo de agua; actualmente, se halla cerca de las ciudades de Sertaozinho y Aguas de Santa Bárbara (pozos PZ-34 y PZ-148, respectivamente), en una zona confinada somera que dista entre 50 y 70 km del área de recarga. Parte del sodio entra probablemente en el Sistema Acuífero Guaraní junto con el cloruro y el sulfato procedentes de la Formación Piramboia inferior, debido a la difusión relacionada con la disolución de evaporitas como la halita y los yesos. Se puede explicar las elevadas concentraciones de flúor (hasta 13,3 mg/L) por la disolución de fluoruro mineral, que sucede también por intercambio catiónico. Sin embargo, no está claro si la disolución ocurre directamente en el Sistema Acuífero Guaraní o en la Formación basáltica superior de Serra Geral. Hay una reducción de δ ²H y de δ ¹⁸O a favor del gradiente hidráulico. Hay un enriquecimiento en δ ¹³C inorgánico aguas abajo, lo que indica que la calcita se disuelve en condiciones de sistema cerrado. Los valores de δ ¹³C inorgánico en pozos geotérmicos profundos son muy altos (mayores que –6,0‰), y probablemente apuntan a un intercambio isotópico con carbonatos de δ¹³C que tiene un valor del orden del –3,0‰. Las líneas de investigación deberían centrarse en evaluar los flujos verticales y el potencial de penetración de contaminantes en el Sistema Acuífero Guaraní.