Hydrochemical Evolution of Sodium-Sulfate and Sodium-Chloride Groundwater Beneath the Northern Chihuahuan Desert, Trans-Pecos, Texas, USA

Abstract:

Groundwater beneath the northern Chihuahuan Desert, Trans-Pecos, Texas, USA, occurs in both carbonate and siliciclastic aquifers beneath a thick unsaturated zone in shallow Rio Grande alluvium. Groundwater hydrochemical evolution was investigated by analyzing soils, soils leachates, bolson-fill sediments, water from the unsaturated zone, and groundwater from three major aquifers. Ionic relations, mineral saturation states, and geochemical modeling show that groundwater compositions are controlled by reactions in the unsaturated zone, mineralogy of unsaturated sediments and aquifers, position in the groundwater flow system, and extensive irrigation. Recharge to aquifers unaffected by irrigation is initially a Ca-HCO₃ type as a result of dissolving carbonate surficial salts. With continued flow and mineral-water interaction, saturation with calcite and dolomite is maintained, gypsum is dissolved, and aqueous Ca and Mg are exchanged for adsorbed Na to produce a Na-SO₄ water. Groundwater in Rio Grande alluvium is a Na-Cl type, reflecting river-water composition and the effects of irrigation, evapotranspiration, and surficial salt recycling. These results document two hydrochemical evolution paths for groundwater in arid lands. If recharge is dilute precipitation, significant changes in water chemistry can occur in unsaturated media, ion exchange can be as important as dissolution-precipitation reactions in determining groundwater composition, and mineral-water reactions ultimately control groundwater composition. If recharge is return flow of irrigation water that already contains appreciable solutes, mineral-water reactions are less important than irrigation-water composition in determining groundwater chemistry.

Résumé:

Il existe des eaux souterraines sous le nord du désert de Chihuahuan (Trans-Pecos, Texas) à la fois dans des aquifères carbonatés et détritiques siliceux, surmontés par une épaisse zone non saturée et dans les alluvions peu profondes du rio Grande. L'évolution hydrochimique des eaux souterraines a étéétudiée à partir d'analyses de sols, de lixiviats de sols, de sédiments de cuvettes endoréïques, d'eaux de la zone non saturée et d'eaux des trois principaux aquifères. Les relations ioniques, les états de saturation des minéraux dissous et une modélisation géochimique montrent que les compositions des eaux souterraines sont contrôlées par les réactions dans la zone non saturée, par la minéralogie des sédiments non saturés et des formations aquifères qui ne sont pas touchés par l'irrigation est à l'origine marquée par Ca et HCO3, du fait de la dissolution des sels carbonatés de surface. L'écoulement continu et les interactions eau-minéraux maintiennent la saturation vis-à-vis de la calcite et de la dolomite, produisent une dissolution du gypse et provoquent des échanges entre Ca et Mg dissous et Na adsorbé pour donner aux eaux un fadiès sulfaté sodique. Le faciès de l'eau souterraine des alluvions du Rio Grande est chloruré sodique, conformément à la composition de l'eau de la rivière et aux effets de l'irrigation, de l'évapotranspiration et de la reconcentration des sels en surface. Ces Résultats donnent des informations sur deux types d'évolution hydrochimique des eaux souterraines en zones arides. Si la recharge est due à des précipitations faiblement minéralisées, des changements significatifs du chimisme de l'eau peuvent se produire en zone non saturée, les échanges d'ions peuvent être aussi importants que les réactions de dissolution – précipitation dans la détermination de la composition chimique des eaux souterraines et les réactions eau – minéraux contrôlent à la fin la composition chimique des eaux souterraines. Si la recharge est assurée par l'eau d'irrigation dont la minéralisation est dès le début notable, les réactions eau – minéraux sont moins importantes que la composition de l'eau d'irrigation dans la détermination du chimisme des eaux souterraines.

Resumen:

Las aguas subterráneas bajo la parte norte del Desierto de Chihuahua, Trans-Pecos, Texas, se encuentran en acuíferos tanto cabonatados como silicoclásticos, bajo una zona no saturada de gran espesor y en el aluvial superficial del Río Grande. La evolución hidroquímica de las aguas subterráneas se estudió mediante los análisis de suelos, lixiviados, rellenos, agua de la zona no saturada, y aguas de tres acuíferos principales. Las relaciones iónicas, los estados de saturación del mineral y la modelación geoquímica muestran que la composición del agua subterránea está controlada por las reacciones en la zona no saturada, la mineralogía de sedimentos y acuíferos, la posición en el sistema de flujo subterráneo y el riego extensivo. La recarga a los acuíferos no afectados por riegos es inicialmente del tipo bicarbonatado-cálcica, como resultado de la disolución de sales carbonatadas en superficie. Bajo flujo e interacción agua-mineral continuados, la saturación con calcita y dolomita se mantiene, el yeso se disuelve y el calcio y magneso en disolución se intercambian con el sodio adsorbido, dando lugar a aguas sulfatado-sódicas. Las aguas subterráneas en el aluvial del Río Grande son del tipo clorurado-sódicas, reflejando composición de agua de río y los efectos de riego, evaportanspiración y reciclaje de la sal superficial. Estos resultados representan dos posibles caminos de evolución hidroquímica para las aguas subterráneas en zonas áridas. Si la recarga procede de la precipitación, pueden ocurrir cambios importantes en la química del agua en la zona no saturada, el intercambio íonico puede ser tan importante como las reacciones de disolución-precipitación para determinar la composición del agua y las reacciones agua-mineral son las que finalmente controlan la composición del agua. Si la recarga proviene del riego con un agua que ya contenía una cantidad apreciable de solutos, las reacciones agua-mineral son menos importantes que la composicón del agua de riego para determinar la química del agua.