Tema Hidr..

Presentado por

Alfredo M. Huamaní Huaccán, M.Sc.Noviembre del 2012

Escuela de Ingeniería de Minas

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFacultad de Ingeniería Geológica, Minera, Metalúrgica y

Geográfica

Hidrogeoquímica de lasAguas Subterráneas

Introducción

1. Química de las aguas subterráneas naturales Sólo química inorgánica. La composición química de la precipitación juega un rol minoritario. Los procesos en la zona no saturada pueden ser muy importantes. Las aguas subterráneas son químicamente influenciadas por la

disolución de minerales solubles y el intercambio de iones con rocas. La condiciones ambientales (pH, Eh, T, CE) juegan un rol principal. La química cambia durante la permanencia en el subsuelo.

2. Química de aguas subterráneas influenciadas artificialmente Polución, contaminación, drenaje ácido de mina (metales pesados y

sulfato)

La hidrogeoquímica tiene dos areas típicas de interes:

Metales pesados (DAR: oxidación de sulfuros acidificación de aguas disolución de metales).

Compuestos de cianuro de la lixiviación y otros disolventes de almacenes.

Compuestos de nitrógeno (NH4+, NO3

-, NO2-) de

explosivos residuales y efluentes sépticos.Fluoruros (zonas volcánicas).Compuestos de fósforo (minas de fosfato).Hidrocarburos (fuga de almacenes de combustibles,

accidentes).Coliformes totales y fecales (aguas abajo de los

campamentos).

Contaminantes más comunesen zonas mineras

Importance and Uses• Las características químicas e isotópicas del agua y sus

solutos pueden ser usados para determinar: :– el origen de aguas subterráneas: zonas de recarga,

afluencia de acuíferos colindantes o mas profundos,infiltración de aguas superficiales, el origen decontaminantes

– aptitud de aguas subterráneas para diferentes usos– la tasa de recarga de aguas subterráneas– dirección y velocidad de flujo de aguas subterráneas

• Estudios hidráulicos, químicos e isotópicos puedencomplementarse mutuamente. No se debe hacer uno sin elotro.

Importancia y Uso

Interpretación de datos hidráulicos,químicos e isotópicos

Los resultados hidráulicos y modelos pueden ser precisados, si son comparados con lacomposición química e isotópica del agua y sus solutos.

El descenso del nivel de agua durante un ensayo de bombeo indica que hay unaafluencia de agua de los límites del acuífero, pero no se sabe si proviene de un ríocontaminado o de un acuífero profundo con aguas puras. Eso puede ser importantepara determinar el uso el agua. La composición química e isotópica del agua y sussolutos puede aclarar el origen del agua.

Definitions and UnitsSolución = Solvente (agua) + Soluto (componentes orgánicos e inorgánicos disueltos)

c (mg/l) = m/V c (mmol/l) = c (meq/l) = * carga del ion

Miligramos por litro (mg/l) – masa del soluto disuelto en un litro de solución

= Partes por millón (ppm, mg/l, mg/kg) – masa del soluto en mg disuelto en un kg del solvente

1 mol = 6.022 * 1023 atomos o moléculas de una sustancia (Avogadro Nr.)

Meq (miliequivalente) – Expresa la concentración de las substancias en la solución en terminos de sus equivalentes químicos. Se aplica solamente a solutos iónicos, no a substancias no iónicas en la solución(p.ej. silica y hierro)

Definiciones y unidades

MVm

MVm

Parámetros físico-químicos más importantes para medir en el campo

pH (-log[H+]):Características ácidas / básicas del agua. Depende mucho de la interacciónentre roca y agua, del tipo de roca, p.ej. más ácido en rocas de granito.

Potencial redox Eh (mV):Indica la tendencia a liberar o recibir electrones, si el ambiente es oxidante oreductor para diferentes compuestos, si un compuesto predomina en formaoxidada o reducida. Es frecuentemente el parámetro que más tiemponecesita (hasta ½ h) para estabilizarse durante el bombeo de aguassubterráneas.

Alcalinidad (mg/l):Capacidad de neutralizar ácidos mediante HCO3

- (+CO32- + OH-).

Los instrumentos (marca Hanna) son calibrados cada día con solucionesestándares de pH 4 y 7, CE 1413 µS/cm y Eh 230 mV.

• Parámetros estándar (químicos y físicos)– Oxígeno disuelto (O2, mg/l): Presente en aguas con un potencial redox de Eh

> 400 mV y sirve sobre todo para aclarar procesos redox y biológicos. O2 en aguas subterráneas indica aguas recién recargadas o en contacto con aguas superficiales, escasez de materia orgánica y en general una buena calidad

– CO2 (disuelto / o libre): Establece equilibrio con carbonato. Ocurre en diferentes fases (libre/disuelta). Depende de presión, temperatura, pH y controla procesos de corrosión, precipitación, ‐obturación.

– Dureza: Dureza total, dureza carbonatada. Ca2+, Mg2+, Carbonatos, Sulfatos. Tener cuidado con las unidades diferentes y con el significado en los diferentes paises.

– Color y Turbidez (ntu): Indica la falta de transparencia del líquido, debido a presencia de partículas en suspensión y es así proporcional al contenido de sólidos totales suspendidos (STS, mg/l) analizados en el laboratorio.

– Olor, sabor: obvio, subjetivo.

Standard ParametersParámetros estándar

• La dureza es la suma de los cationes divalentes

• principalmente Ca2+ + Mg2+

• en menor grado Fe2+ , Mg2+

• expresado como equivalente de CaCO3, mg CaCO3 /l, a veces como mg Ca /l

Standard Parameters Dureza

Dureza Descripción(mg CaCO3 /l)

0 - 50 suave50 - 100 moderadamente suave100 - 150 Ligeramente dura150 - 200 moderadamente dura200 - 300 dura> 300 muy dura

Standard ParametersDescripción de la dureza del agua

1 %

100 %

10 %

Alcalinidad (moleq/l)

pH

= [HCO3-] + 2 [CO3

2-] + [H3SiO4-] + [aniones orgánicos] + ….. + [OH-] - [H+]

Porcentaje de las especies de carbono inorgánico disuelto (DIC) en función del pH.

(a) Formula (b) Molécula (c) Dipolo

H2O

O2-

H+H+ +

-

La molécula del agua no es totalmente simétrica

El anion de oxigeno se ubican en un lado y los cationes de hidrógeno en el otro.

Esto produce un efecto dipolar y permite que H2O actúe como un solvente particular

Standard ParametersEl agua como solvente

Cationes principales• Sodio, Na+

• Potasio, K+

• Calcio, Ca2+

• Magnesio, Mg2+

Aniones principales• Cloruro, Cl‐

• Sulfato, SO42‐

• Bicarbonato, HCO3‐

Por lo menos un 99.99% de los STD proviene de 7 iones principales

Standard ParametersIones principales

Además de los iones principales, se presentarán otros iones pero en menores cantidades

Metales comunes• hierro, Fe• Manganeso, Mn• Cobre, Cu• Zinc, Zn• Plomo, Pb• Aluminio, Al• Níquel, Ni• Cromo, Cr

Otros• Floruro F• Fósforo, P• Arsenico, As• Cadmio, Cd• Mercurio, Hg• Boron, B• Bario, Ba

Standard ParametersIones y metales

secundarios

pH = 5.7,STD = 7 mg/l

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Na K Ca Mg Cl SO4 HCO3

conc

entr

atio

n (m

g/l)

Standard ParametersPrincipal composición del ion

Agua de lluvia

pH = 6 - 8,STD = 100 - 300 mg/l (fresca,potable)La composición es altamente variabledependiendo de la geología

0

10

20

30

40

50

60


conc

entr

atio

n (m

g/l)

Standard ParametersPrincipal composición de

aguas subterráneas y superficiales

pH = 8.2,STD = 34,400 mg/l

0

5000

10000

15000

20000


conc

entr

atio

n (m

g/l)

Standard ParametersPrincipal composición del ion

Agua de mar

Caracterización de Tipos de Aguas

Concentraciones de los principales iones

0.1

1

10

100

1000

Cl SO4 HCO3 Na Mg Al K Caiones

C (m

g/l)

E-9 E-8 E-7 E-1 E-2 E-5 E-3 E-4 S-1

Cl SO4 HCO3 Na Mg Al K Ca

Concentraciones de los principales metales

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

Mn Fe Co Ni Cu Zn As Sriones

C (m

g/l)

E-9 E-8 E-7 E-1 E-2 E-5 E-3 E-4 S-1

Mn Fe Co Ni Cu Zn As Sr

Balance IónicoEl Balance Iónico significa que la suma de aniones debeser igual a la suma de cationes, expresados en meq/l.Sin embargo, siempre es posible que exista un cierto error,el cual se calcula con la fórmula de Error de Balance Iónico(EBI).

C(eq) [meq/l] = * carga][*]/[

][lVmolmgM

mgm=El Balance Iónico se calculade la siguiente forma:

lmeqoPesoAtómic

valencialm /*/

Error del balance iónico – EBI (%)

EBI [%] = * 100 %meq anions meq cations

meq anions meq cations

El Error del Balance Iónico (EBI) se calcula con lasiguiente fórmula y se expresa en %:

Para que un análisis químico de agua sea considerado comoadecuado, se admite un EBI <10%.Si el error es mayor, puede ser debido a errores analíticos oa la presencia de alguna sustancia no analizada.

Por ejemplo, hay aguas con contenidos alto de Al, Mn, Fe,Cu, Zn; que no son considerados en el balance, en este casose incluye para observar nuevamente el balance.

Error del balance iónico (%)

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

E 4

E 12

E 13 E

3

E 5

E 6

E 2

E 1

E 10

E 11 E

7

E 8

C 1

E 14 E

9

M 1

M 2

M 3

M 4

M 5

M 6 S1

EB

I (%

)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

sum

(m

eq)

IBE ± 10% sum cat sum an

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

E 4

E 12

E 13 E

3

E 5

E 6

E 2

E 1

E 10

E 11 E

7

E 8

C 1

E 14 E

9

M 1

M 2

M 3

M 4

M 5

M 6 S1

EB

I (%

)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

sum

(m

eq)

EBI ± 10% sum cat sum an

incluyendo también los mayores metales disueltos Al3+, Mn2+, Fe2+/3+, Cu2+ y Zn2+ en el balance

utilizando solamente los típicos mayores iones Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, HCO3- y SO4

2-

Nomenclatura Química del Agua SubterráneaCon los resultados químicos de laboratorio se elabora una Tabla. Generalmente los resultados están expresados en mg/l.

Nomenclatura Química del Agua Subterránea

Para nombrar al agua se sigue los siguientes pasos:1. Se suman individualmente los principales

aniones y cationes (en meq/l);

2. Se calcula el porcentaje que representan

cada uno de los iones;

3. Se nombra con los aniones >20% y

luego los cationes >20%, en forma

decreciente.

1

1

2

2

3

Por ejemplo:.HCO3-Cl-Na-CaAgua bicarbonatada clorurada sódica cálcica.SO4-Cl-HCO3-NaAgua sulfatada clorurada bicarbonatada sódica.

Evolución de las aguas subterráneas

El recorrido del agua subterránea desde la zona de recargahasta la zona de descarga (manantial, río o captación) puedeocurrir en días o miles de años, y éste puede ser muy corto ode varios kilómetros. Por lo que su evolución químicadependerá de los minerales con los que entre en contacto ydel tiempo. Por ejm. si atraviesa yeso se obtendrá SO4

2- yCa2+, si encuentra niveles salinos con sales cloruradasadquirirá Cl-, Na+, K+, y si pasa por calizas adquirirá CO3H-.


Evidentemente las reacciones y procesos químicos que sedesarrollan son muy variados, pero generalmente se observaque las aguas subterráneas con menor tiempo depermanencia en el subsuelo son generalmentebicarbonatadas, luego predominan las sulfatadas, yfinalmente las cloruradas.Esta evolución se denomina Secuencia de Chevotarev.

Secuencia Chevotarev

HCO3-

↓HCO3

- + SO42-

↓SO4

2- + HCO3-

↓SO4

2- + Cl-↓

Cl- + SO42-

↓Cl-


Aumento continuo de la salinidad y conductividad eléctricahacia la composición química del mar:

Aumento en tiempo / distancia de la zona de recarga

La composición del agua y la salinidad del agua subterránea cambia mientras el agua se filtra de las áreas de recarga a las áreas de descarga.


Sin embargo, en una misma área pueden extraerse aguas decomposiciones muy distintas aunque la litología seahomogénea. Esto debido a que se puede estar captandoagua de un flujo regional (piezómetro A) y otro de un flujolocal (piezómetro B), por lo que sus químicas serán distintas.

Modos de Expresión de

los Resultados Químicos

(Gráficos)

Diagrama Piper de diferentes tipos de aguas

Ca Cl

M g SO4Na,K

Ca-M g,HCO3

Na-K,ClNa-K,SO4

100%100%

Ground w ater affected by sulphide or sulphate

Surface and ground w ater from Arcurquina Fm

0%

0% 100%

0% 0%100% 100%

HCO3

Na,K HCO3

0%

100% 0%

Ca-M g Cl-SO4 Surface w ater Señor MayoCa-Mg-SO4

Water from the Velille River Ca- Mg-SO4-HCO3

Agua afectado por sulfuro/sulfato

Agua subterránea y superficial de la Fm Arcurquina

Agua superficial río Señor MayoCa-Mg-SO4

Agua superficial río VelilleCa-Mg-SO4-HCO3

Análisis químicorepresentado por diagrama Stiff

La distancia del eje vertical marca los miliequivalentes de cada catión o anión por litro

Mg

Ca

Na+K

SO4

HCO3

Cl

meq/l

Diagrama Stiff

DIAGRAMA TIPICO DE STIFF

Agua subterránea en aluvial

Agua subterránea en caliza

Distribución de polígonos Stiff en un área

K

Ca

Mg?

Cl

Na

HCO3

SO4Na ?

KCl

Ca

SO4

HCO3

Mg

0

0.5

1

1.5

2

cationes aniones

cationesaniones

Gráfico circular y de barras

Influencia de los procesos de disolución en la química del agua subterránea

• La química de aguas subterráneas depende de la solubilidad de minerales y de las condiciones ambientales en los acuíferos:– Condiciones de pH / Eh = otras condiciones que la solución predominan

las reacciones químicas– Temperatura– Conductividad– Presión (por lo general indirecta)– Saturación– Presencia de otros iones, gases disueltos– Velocidad del flujo del agua subterránea (movimiento)– Intercambio de iones con la fase sólida– Tiempo / geología recorrida

Standard ParametersLa solubilidad de los minerales

afecta la química del agua

• Los procesos naturales añaden o remueven algunos iones del agua subterránea – conlleva a cambios en la composición.

• Iones conservativos – Una buena parte no está afectada por los proceso químicos, permanece en el agua subterránea (ej. Cl‐). Razón por el cual el mar tiene un alto contenido de cloro.

Standard ParametersEvolución de la composición

química del agua subterránea

Influencia litológica sobre la composición de aguas subterráneas

Roca - Típica Composición de las aguas subterráneas

Arenisca: Baja salinidad (300-500 mg/l); HCO3- anión dominante; Na+,

Ca2+, Mg2+ en concentraciones similares; buen sabor.

Caliza: Baja salinidad (500-800 mg/l); HCO3- anión dominante; Ca2+

catión dominante; buen sabor.

Dolomía: Baja salinidad (500-800 mg/l); HCO3- anión dominante; Mg2+

igual a Ca2+; buen sabor.

Granito: Muy baja salinidad (300 mg/l); HCO3- anión dominante; Ca2+ y Na+

cationes dominantes; muy buen sabor.

Basalto: Baja salinidad (400 mg/l); HCO3- anión dominante; Na+, Ca2+,

Mg2+ igualmente importante; buen sabor.

Influencia litológica sobre la composición de aguas subterráneas

Roca - Típica Composición de las aguas subterráneas(Cont.)

Esquisto: Baja salinidad (300 mg/l); HCO3- anión dominante; Ca2+, Na+

cationes dominantes; buen sabor.

Marga: Media salinidad (1200 mg/l); HCO3- y Cl- aniones dominante; Na+

y Ca2+ cationes dominantes; sabor pobre pero potable.

Arcilla y Cieno: Contiene frecuentemente sal y yeso de roca. Altasalinidad (900-2000 mg/l); Cl- anión dominante, seguido por SO4

2-; Na+

catión dominante; pobre sabor, a veces no potable.

Yeso/ anhidrita: Alta salinidad (2000-4000 mg/l); SO42- anión dominante;

Ca2+ catión dominante, seguido por Mg2+ o Na+; acre, no potable.

Drenaje Acido de Roca DAR

en Sistemas Naturales y Zonas Mineras

Descomposición de Pirita

4 FeS2 + 14 H2O + 15 O2 → 4 Fe(OH)3 + 8 SO42- + 16 H+

Hidróxido de hierro

Acidificación de las aguas con característico aumentode las concentraciones de SO4

2- y metales disueltos ysuspendidos

Pirita + agua + aire = pH bajo + metales

4 FeS2 + 30 H2O + 15 O2 → 4 Fe(OH)3 + 8 SO42- + 16 H3O+

Reacción 1: FeS2(s) + H2O + 7/2O2 Fe2+ + 2SO4 + 2H+

Reacción 2 :* Fe2+ + 1/4O2 + H+Reacción 2 :* Fe2+ + 1/4O2 + H+ Fe3+ + 1/2H2O Fe3+ + 1/2H2O

Reacción 3: FeS2(s)+ 8H2O + 14Fe3+ 15Fe2+ + 2SO4 + 16H+

Reacción 4: Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3(s) + 3H+

pyrite water sulfato acido

* Catalizado por bacteria

DAROxidación de Pirita

Fuentes de drenaje ácido de minas (DAM) y rocas (DAR)

Minas activas y abandonadas con botaderos y relaves

(DAM)

Manantiales y drenajes ácidos naturales en zonas hidrotérmicamente alteradas (DAR)

Extensas filtraciones ácidas naturales al pie del Nev. Lamparasi / Lampa/ Puno

H2S + 2 O2 2 H+ + SO42-

La degradación por DAM puede ser grave porque:

1) Las minas actuan como colectoras de agua subterránea

2) El agua está en contacto con depositos minerales de alto grado

3) Los botaderos y los relaves de mina proveen mucha superficie para la interacción de agua, oxígeno y minerales de sulfuro.Cuanto más finos los granos, mayor la superficie y más rápida la oxidación de los sulfuros

El drenaje ácido de mina (DAM) es generado en minas y de manera natural (DAR) donde hay sulfuros presentes y al exceder la capacidad buffer del agua.

Drenaje ácido de Mina (DAM)

Efluentes de mina afectan aguas superficiales y subterráneas aguas abajo.

Minas o tuneles atraen agua subterránea como un dren, incrementando el tiempo de residencia en las rocas con altas concentraciones de metales, y traen el O2 que oxida los sulfuros y acidifica el agua, lo que causa la disolución de metales.

DAM

Activo– Adición de un álcali para elevar el

pH– Costoso– Eficaz

Pasivo– No necesita otra energía que la del

sol y de las descomposiciones naturales

– Requiere poco mantenimiento– Controlado y limitado por el

volumen y la concentración de la contaminación

Tratamiento de DAR

Tratamiento pasivo

2 CH2O + SO42- 2 HCO3

- + H2SM2+ + H2S + 2 HCO3

- MS + 2 H2O + 2 CO2

Rapida reducción de O2, NO3

-, Mn4+, Fe3+

Intensa actividad microbiológica en pantano artificialCorg altamente biodegradable

En ambiente reductor de SO42-

(Eh << 160 mV) metales se precipitan como sulfuros

Formas de tratamiento activo de DAR- Oxidación,- Adición de una base para elevar el pH y/o- Sedimentación / Coagulación

Tema Hidr..

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