Migration of recharge waters downgradient from the Santa Catalina Mountains into the Tucson basin aquifer, Arizona, USA

Abstract

 Aquifers in the arid alluvial basins of the southwestern U.S. are recharged predominantly by infiltration from streams and playas within the basins and by water entering along the margins of the basins. The Tucson basin of southeastern Arizona is such a basin. The Santa Catalina Mountains form the northern boundary of this basin and receive more than twice as much precipitation (ca. 700 mm/year) as does the basin itself (ca. 300 mm/year). In this study environmental isotopes were employed to investigate the migration of precipitation basinward through shallow joints and fractures. Water samples were obtained from springs and runoff in the Santa Catalina Mountains and from wells in the foothills of the Santa Catalina Mountains. Stable isotopes (δD and δ¹⁸O) and thermonuclear-bomb-produced tritium enabled qualitative characterization of flow paths and flow velocities. Stable-isotope measurements show no direct altitude effect. Tritium values indicate that although a few springs and wells discharge pre-bomb water, most springs discharge waters from the 1960s or later.

Résumé

La recharge des aquifères des bassins alluviaux arides du sud-ouest des États-Unis est assurée surtout à partir des lits des cours d'eau et des playas dans les bassins, ainsi que par l'eau entrant à la bordure de ces bassins. Le bassin du Tucson, dans le sud-est de l'Arizona, est l'un de ceux-ci. La chaîne montagneuse de Santa Catalina constitue la limite nord de ce bassin et reçoit plus de deux fois plus de précipitations (environ 700 mm/an) que le bassin (environ 300 mm/an). Dans cette étude, les isotopes du milieu ont été utilisés pour analyser le déplacement de l'eau de pluie vers le bassin au travers des fissures et des fractures proches de la surface. Des échantillons d'eau ont été prélevés dans les sources et dans l'écoulement de surface de la chaîne montagneuse et dans des puits au pied de la chaîne. Les isotopes stables (δD et δ¹⁸O) et le tritium d'origine thermonucléaire permettent de caractériser qualitativement les cheminements de l'eau et leurs vitesses. Les isotopes stables ne mettent pas en évidence un effet d'altitude. Les teneurs en tritium indiquent que quelques sources et certains puits fournissent une eau ancienne, alors que l'eau de la plupart des sources date des années soixante ou est plus récente.

Resumen

Los acuíferos en las cuencas aluviales áridas del sudoeste de los Estados Unidos de América se recargan principalmente por la infiltración procedentes de los arroyos y playas de las propias cuencas y por entradas a lo largo de los límites de las mismas. La cuenca de Tucson, en el sudeste de Arizona es una de ellas. Las Montañas de Santa Catalina forman el contorno septentrional de esta cuenca y reciben una precipitación de más del doble (700 mm/año) que la media de la propia cuenca (unos 300 mm/año). En este estudio, se utilizaron isótopos ambientales para investigar la infiltración a través de fracturas y juntas superficiales. Se obtuvieron muestras de manantiales y de la escorrentía en las Montañas de Santa Catalina, así como de pozos ubicados al pie de las mismas. Los isótopos estables (Deuterio y Oxígeno-18) y el Tritio procedente de las bombas termonucleares permitieron la caracterización cualitativa de las líneas de flujo y de las velocidades. Los datos procedentes de la medida de isótopos estables no parecen presentar un efecto de altitud. Los valores de Tritio indican que aunque algunos pozos y manantiales descargan agua previa a los ensayos termonucleares, la mayoría descargan aguas de fecha posterior a 1960.