Stratigraphic and geochemical controls on naturally occurring arsenic in groundwater, eastern Wisconsin, USA

Abstract

High arsenic concentrations (up to 12,000 μg/L) have been measured in groundwater from a confined sandstone aquifer in eastern Wisconsin. The main arsenic source is a sulfide-bearing secondary cement horizon (SCH) that has variable thickness, morphology, and arsenic concentrations. Arsenic occurs in pyrite and marcasite as well as in iron oxyhydroxides but not as a separate arsenopyrite phase. Nearly identical sulfur isotopic signatures in pyrite and dissolved sulfate and the correlation between dissolved sulfate, iron, and arsenic concentrations suggest that sulfide oxidation is the dominant process controlling arsenic release to groundwater. However, arsenic-bearing oxyhydroxides can potentially provide another arsenic source if reducing conditions develop or if they are transported as colloids in the aquifer. Analysis of well data indicates that the intersection of the SCH with static water levels measured in residential wells is strongly correlated with high concentrations of arsenic in groundwater. Field and laboratory data suggest that the most severe arsenic contamination is caused by localized borehole interactions of air, water, and sulfides. Although arsenic contamination is caused by oxidation of naturally occurring sulfides, it is influenced by water-level fluctuations caused by municipal well pumping or climate changes, which can shift geographic areas in which contamination occurs.

Résumé

De fortes concentrations en arsenic, jusqu'à 12000 μg/L, ont été mesurées dans l'eau souterraine d'un aquifère gréseux captif, dans l'est du Wisconsin. La principale source d'arsenic est un horizon à cimentation secondaire (SCH) comportant des sulfures, dont l'épaisseur, la morphologie et les concentrations en arsenic sont variables. L'arsenic est présent dans la pyrite et dans la marcassite, de même que dans des oxy-hydroxydes de fer, mais non pas dans une phase séparée d'arsénopyrite. Les signatures isotopiques du soufre presque identiques dans la pyrite et dans les sulfates dissous et la corrélation entre les concentrations en sulfates, en fer et en arsenic dissous laissent penser que l'oxydation des sulfures est le processus dominant contrôlant la libération de l'arsenic dans les eaux souterraines. Cependant, les oxy-hydroxydes contenant de l'arsenic sont susceptibles d'être une autre source d'arsenic si des conditions réductrices apparaissent ou s'ils sont transportés dans l'aquifère sous forme de colloïdes. L'analyse des données provenant de puits montre que l'intersection entre le SCH et les niveaux statiques des puits domestiques est fortement corrélée à de fortes concentrations en arsenic dans les eaux souterraines. Des données de terrain et de laboratoire conduisent à penser que la contamination en arsenic la plus forte est causée par l'interaction localisée aux forages entre l'air, l'eau et les sulfures. Bien que la contamination en arsenic soit causée par l'oxydation de sulfures présents naturellement, elle est influencée par les fluctuations du niveau piézométrique causées par les pompages du captage municipal ou par les variations climatiques, ce qui peut conduire au déplacement des zones géographiques où se produisent les contaminations.

Resumen

Se han medido concentraciones de arsénico muy altas (de hasta 12000 μg/L) en las aguas subterráneas de un acuífero confinado, en areniscas, localizado en la parte oriental de Wisconsin (EEUU). La fuente principal de arsénico es un horizonte de cementación secundaria (SCH) con un alto contenido en sulfuros, y con una gran variabilidad en espesor, morfología y concentraciones de As. El arsénico aparece en piritas y marcasitas, además de en oxihidróxidos de hierro, pero no como una fase independiente de arsenopiritas. El hecho que la marca isotópica de piritas y sulfatos disueltos sea muy similar, y que exista una gran correlación entre las concentraciones de sulfato disuelto, hierro y arsénico sugiere que la oxidación de sulfuros es el proceso que controla la aportación de arsénico al agua subterránea. Sin embargo, los oxihidróxidos con alto contenido en arsénico podrían suponer otra fuente de arsénico si se llegaran a desarrollar condiciones reductoras o si se transportaran como coloides por el acuífero. De los datos procedentes de pozos, se ve una fuerte correlación entre la presencia de altas concentraciones de As en el agua y que el nivel freático intersecte el SCH. Los datos de campo y de laboratorio indican que los puntos con mayor contaminación de arsénico son debidos a interacciones de carácter local y en los propios pozos entre aire, agua y sulfuros. Aunque la contaminación por As está causada por la oxidación de sulfuros presentes de manera natural, también está muy influenciada por las fluctuaciones en los niveles freáticos causadas por bombeos o cambios climáticos.