Residence time distribution in a large unconfined–semiconfined aquifer in the Argentine Pampas using ³H/³He and CFC tracers

Abstract

The Pampa region in Argentina includes vast unconfined–semiconfined aquifers that local economies depend upon, but detailed knowledge of the associated water resources is still lacking. The Pampeano aquifer in the Pampa plain of Argentina covers around 1.5 million km². In order to achieve a better understanding of the hydrogeological system through the estimation of mean residence times (MRT), water samples were taken from 12 monitoring wells, drilled at different depths in four locations, and analyzed for environmental tracers. The concentrations of ³H, tritiogenic ³He and chlorofluorocarbons (CFCs) can be explained by mixtures of young waters adjusted to exponential piston flow models (EPM) or dispersion models (DM), and different proportions of tracer-free waters (dead water). The sampling site located very close to the water divide shows a dominance of young waters: 85 % of water best represented by a DM model with a MRT of 3 years. For the shallow wells at other sites, best-fitting models result in a DM with MRT between 20 and 35 years, and proportions of dead water between 40 and 60 %. These results lead to important updates in the conceptual model of the Pampeano aquifer. Large proportions of dead water at a few meters depth can be the consequence of upward flows in a multilayered aquifer or diffusive retardation in the inter-bedded clay layers.

Résumé

La région de la Pampa en Argentine inclut de vastes aquifères libres et semi-captifs dont les économies locales dépendent, mais dont les ressources en eaux associées ne sont pas encore connues en détail. L’aquifère Pampeano dans la plaine de la Pampa en Argentine couvre une superficie de 1.5 million de km² environ. Afin de mieux comprendre le système hydrogéologique au travers de l’estimation des temps moyens de résidence (TMR), des échantillons d’eau ont été prélevés sur 12 forages de suivi de différentes profondeurs et localisés sur 4 sites. Les traceurs environnementaux ont été analysés pour ces échantillons. Les concentrations en tritium, ³He triogénique et chlorofluorocarbones (CFC) peuvent s’expliquer par un mélange d’eaux jeunes s’ajustant à un modèle piston ou de dispersion et différentes proportions d’eau pré-traceurs (eau morte). Le site échantillonné localisé très près de la ligne de partage des eaux montre une dominance d’eaux jeunes: 85 % de l’eau est bien représentée par un modèle de dispersion avec un temps moyen de résidence de 3 ans. Pour les forages peu profonds des autres sites, le modèle le mieux calé est le modèle dispersif avec un temps moyen de résidence des eaux compris entre 20 et 35 ans et une proportion d’eau « morte » variant entre 40 et 60 %. Les résultats conduisent à une importante mise à jour du modèle conceptuel de l’aquifère Pampeano. Une grande proportion d’eaux mortes à quelques mètres de profondeur peut être la conséquence d’un flux ascendant dans un aquifère multicouche ou d’un retard par diffusion dans les couches argileuses interstratifiées.

Resumen

La región Pampeana en Argentina incluye vastos acuíferos libres y semiconfinados que son la base del desarrollo económico, pero un conocimiento detallado de muchos aspectos hidrogeológicos no se ha alcanzado aún. El acuífero Pampeano tiene un extensión de alrededor de 1.5 millones de km². Para un mejor conocimiento del funcionamiento hidrológico del sistema a través de la estimación de tiempos medios de residencia (TMR) del agua subterránea, se tomaron muestras en pozos de monitoreo perforados a tres profundidades diferentes en cuatro sitios, y se realizaron análisis de trazadores ambientales. Las concentraciones observadas de ³H, ³He tritiogénico y de clorofluorcarbonos (CFCs) pueden ser explicadas por mezclas de aguas jóvenes ajustadas a modelos de flujo pistón-exponencial (EPM) o modelos de dispersión (DM), con diferentes proporciones de aguas libres de trazadores (aguas muertas). El sitio de muestreo situado más próximo a la divisoria de aguas presenta un 85 % de agua joven, bien representada por un DM y con un TMR de 3 años. En los pozos someros en los restantes sitios, los mejores ajustes se logran con DM y aguas de TMR de entre 30 y 40 años, con mezclas de proporciones de entre un 40 y 60 % de aguas muertas. Estos resultados llevan a rediscutir los modelos conceptuales del acuífero Pampeano. Importantes proporciones de aguas muertas a pocos metros de profundidad pueden ser consecuencia de flujos ascendentes en un sistema multicapas, o de un retardo difusivo en las capas de arcilla intercaladas.

摘要

阿根廷彭巴地区包括大量的非承压-半承压含水层,地方经济依赖于这些含水层,但相关的水资源详细信息匮乏。阿根廷彭巴平原的Pampeano含水层面积大约150万平方千米。为了通过估算平均滞留时间更好地了解水文地质系统,在位于四个地方不同深度的监测井中提取了水样并进行了环境示踪剂分析。³H、由氚产生的³He及含氯氟烃(CFCs)含量可以解释为是由年轻水混合造成的,以适用于指数活塞流模型(EPM)或弥散模型(DM)及无示踪剂水(死水)的不同比例。离分水岭非常近的采样点显示年轻水占优势:85%的水通过滞留时间为三年的弥散模型得到最好的描述。对于其他地方的浅井,最佳适合的模型为平均滞留时间为20到35年间、死水比例为40%到60%的弥散模型。这些结果致使对Pampeano含水层概念模型进行了重要更新。深度几米的死水大部分可能是多层含水层中的向上水流或交互粘土层中弥散阻滞造成的。

Resumo

A região do Pampa na Argentina, inclui vastos aquíferos livres–semiconfinados de que as economias locais dependem, entretanto, um conhecimento detalhado acerca dos recursos hídricos ainda é escasso. O aquífero Pampeano na planície dos Pampas Argentinos, abrange cerca de 1.5 milhões de km². A fim de aprimorar o conhecimento sobre o sistema hidrogeológico, por meio da estimativa do tempo médio de residência (TMR), amostras de água foram coletadas em 12 poços de monitoramento, perfurados em diferentes profundidades em quatro locais, e analisados os traçadores ambientais. As concentrações de ³H, ³He tritiogênico e clorofluorcarbonetos (CFCs) podem ser explicadas pela mistura de águas jovens ajustadas aos modelos de Fluxo Pistão Exponencial (FPE) ou Modelos de Dispersão (MD), e diferentes proporções de águas sem traçadores (águas antigas). O local de amostragem, localizado muito perto do divisor de águas, mostra uma predominância de águas jovens: 85 % da água melhor representada por um modelo MD com um TMR de 3 anos. Para os poços rasos em outros locais, o modelo mais apropriado resulta em um MD com TMR entre 20 e 35 anos, e proporções de água morta entre 40 e 60 %. Esses resultados conduzem a atualizações importantes no modelo conceitual do aquífero Pampeano. Grandes proporções de águas antigas em alguns metros de profundidade, podem ser consequências do fluxo ascendente de aquíferos multicamadas ou difusão, através das camadas de argila intercaladas.