Modelo geoquímico conceptual de la evolución del agua subterránea en el valle de México

Antonio Cardona

Universidad Nacional Autónoma de México

Noel Hernández

Comisión Nacional del Agua

A partir de la interpretación de resultados de análisis químicos (elementos mayores y traza) de agua subterránea de la cuenca del valle de México, del reconocimiento de la interacción agua-roca, y de cálculos de balance de masa (modelación geoquímica inversa), se propone un modelo conceptual de la evolución química del agua subterránea con la identificación de los pro- cesos geoquímicos dominantes en el contexto hidrogeológico y dinámico del área de estudio. Las principales reacciones que condicionan la evolución de la composición química del agua subte- rránea en la dirección de flujo analizada son: mezcla de aguas entre diferentes miembros extre- mos inducida por el bombeo de pozos, intercambio iónico fijando calcio y magnesio en la matriz arcillosa del acuífero y liberando sodio y potasio al agua subterránea, procesos de oxidación-re- ducción que condicionan las concentraciones de sulfato, bicarbonato, nitrato, hierro, manganeso y posiblemente arsénico. El conocimiento de estas reacciones naturales permitirá diferenciar en- tre zonas de agua de mala calidad natural y zonas con efectos de contaminación antropogénica. Los resultados indican que en la región identificada como acuífero semiconfinado y la zona de Iztapalapa-Santa Catarina, continuará la evolución detectada en la calidad del agua bombeada por pozos de abastecimiento.

Palabras clave: análisis químico, agua subterránea, valle de México, interacción agua-roca, ba- lance de masa, procesos geoquímicos, contaminación antropogénica.

Introducción

La zona metropolitana de la Ciudad de México está asentada en un valle cerrado, situado a más de msnm, en donde viven alrededor de de personas que utilizan un volumen del orden de m3/s de agua potable para satisfacer sus necesidades.

Aproximadamente el del volumen total que se consume, es agua subterránea que se explota por me- dio de pozos profundos ubicados dentro del valle de México que a su vez se localiza en la porción surocci- dental de la cuenca de México, ilustración

La cuenca de México abarca aproximadamente km2 y oscila entre los msnm, en la planicie

del Valle, y los más de msnm, en las montañas y

sierras adyacentes conformadas por rocas volcánicas pertenecientes al cinturón volcánico mexicano.

La precipitación media anual en el Valle es de alre- dedor de mm, mientras que en las partes monta- ñosas alcanza mm. Mazari y Mackay (1993), es- tablecen tres zonas fisiográficas para la zona del valle de México:

Lacustre De transición Montañosa

El agua subterránea en la cuenca de México es de vital importancia para el abastecimiento a la población. Como se requiere que este recurso sea apto para con-

sumo humano, el conocimiento de los procesos que afectan su calidad es indispensable en la búsqueda de sitios idóneos para la perforación de nuevos apro- vechamientos.

Los estudios de cuantificación y manejo de recursos hidráulicos subterráneos dependen en gran medida de la comprensión del funcionamiento hidrodinámico de los sistemas de flujo subterráneo. Es aquí donde la hidrogeoquímica se utiliza directamente como una he- rramienta en la definición de dichos sistemas y en el establecimiento de los cambios en la calidad del agua, provocados por el bombeo durante el transcurso de la operación de los pozos.

Existen varios trabajos relacionados con el agua subterránea de la cuenca de México: Cruickshank et al., Herrera et al., Herrera et al., (1989) y la Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica, DGCOH (dependencia del Departamento del Distrito Federal, DDF) han realizado mode- lación aplicada al agua subterránea para proponer es- trategias en cuyas evaluaciones no consideran la va- riación de la calidad del agua con respecto al tiempo de bombeo, debido a los esquemas de explotación propuestos.

Como esquema conceptual, estos trabajos involu- cran únicamente la modelación del flujo de agua sub- terránea sin considerar su calidad, por lo tanto pueden sobrestimar el volumen de agua subterránea disponi- ble de calidad aceptable para consumo humano.

Por otra parte, la mayoría de los estudios hidrogeo- químicos han sido dedicados a definir la calidad del agua en pozos y manantiales con respecto a normas y estándares de diversos organismos nacionales e inter- nacionales. En ellos se menciona si el recurso es o no apto para algún uso específico; además de definir la familia a la que pertenece, de acuerdo con la clasifi- cación del ión dominante.

También, es muy común que se describan planos de isovalores de concentración de diversos iones o de sus relaciones, o de ambos. Entre los principales tra- bajos hidrogeoquímicos se tiene el de Lesser et al.,

que presenta mapas con curvas de isovalores para diferentes iones, así como información de la va- riación en la calidad del agua con respecto al tiempo.

El Instituto de Geofísica de la Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM analiza los posi- bles efectos de la contaminación por aguas negras en el agua subterránea con base en isótopos y química de elementos mayores. Cortés et al., estudia- ron la variación estacional y el contenido isotópico y químico de manantiales ubicados principalmente en la zona de recarga de la cuenca de México.

En cuanto a la mineralogía y química de las rocas que interaccionan con el agua subterránea, los datos principales se obtuvieron de Vázquez y Jaimes (1989) quienes con base en análisis estructural y petroquími- co proponen la evolución geológica de la cuenca de México. Un estudio detallado de los sedimentos arci- llosos del valle de México lo realizó Lozano (1989) quien analiza el contenido palinológico, de un sondeo de m de profundidad, ubicado en el exlago de Tex- coco y mediante difracción de rayos X, detecta los mi- nerales más abundantes.

En este trabajo se identifican los procesos dominan- tes responsables de la evolución química del agua subterránea en el valle de México, a partir de informa- ción compilada. Dichos procesos serán señalados con base en la interpretación de la química de los elemen- tos mayores y algunos elementos traza, cálculos de balance de masa e identificación de reacciones quími- cas entre minerales y agua subterránea.

Adicionalmente la comprensión de los procesos geo- químicos que afectan al agua subterránea, permitirá determinar conceptualmente si es factible esperar una evolución en su calidad química y, de esta manera, comprobar si son congruentes las evaluaciones realiza- das con respecto al volumen disponible dentro del Valle.

Métodos de investigación control de resultados que se maneja en el laboratorio de la DGCOH (periódicamente se analizan muestras

Manejo de la información química por duplicado), se considera que un error menor al indicará un análisis químico de buena calidad.

La DGCOH cuenta con un laboratorio de calidad del agua, que regularmente realiza análisis de muestras Hidrogeología de la cuenca de México de agua subterránea. Los resultados de los análisis fí- sicos y químicos básicos que se utilizaron para este Para cumplir con los objetivos de este trabajo, es ne- trabajo, provienen de alrededor de setenta pozos de la cesario conocer los modelos geológico e hidrogeoló- red de observación que maneja la DGCOH, corres- gico que servirán de referencia para apoyar la inter- pondientes al año La información adicional de la pretación hidrogeoquímica. A continuación se presen- química del agua subterránea se obtuvo de las refe- tan los aspectos más relevantes de la información bi- rencias publicadas en este trabajo. bliográfica disponible.

El principal objetivo que persigue la DGCOH con el muestreo periódico del agua subterránea, a través de Geología su red de pozos de observación, es determinar si la calidad del líquido con que abastece a la población es Con base en los estudios geológicos realizados por apta para consumo humano. Por esta razón, el perso- Vázquez y Jaimes Mooser Mooser y nal encargado de tomar las muestras, no realiza medi- Molina (1993) y DGCOH se puede establecer ciones de campo necesarias para estudios hidrogeo- que la cuenca de México está constituida por una se- químicos como cuencia deformada de rocas cretácicas de origen ma-

rino (espesor: m), dispuestas en estructuras Temperatura tectónicas distensivas producidas durante el terciario Conductividad eléctrica temprano, cubiertas por depósitos volcáicos (lavas, to- PH bas, ignimbritas y brechas) de composición interme- Eh dia-máfica, predominantemente, y edad variable entre Oxígeno disuelto el paleoceno y el reciente.

En asociación con estos eventos volcánicos se tie- nen sedimentos clásticos de granulometría variada que rellenan las depresiones formadas en el pleistoce- no, cuando materiales volcánicos de la sierra Chichi- nautzin obstruyeron el drenaje natural en el sur del valle, con Io que se desarrolló un ambiente lacustre.

Hidroestratigrafía

Las rocas y depósitos no consolidados del valle de México, pueden dividirse en tres unidades hidrogeoló- gicas principales:

Rocas y sedimentos consolidados de alta conducti- vi dad hidráulica Rocas consolidadas de baja conductividad hidráu- lica Depósitos lacustres no consolidados de baja con- ductividad hidráulica

En el cuadro aparecen las unidades geológicas que se agrupan en cada unidad hidrogeológica de acuerdo con la clasificación propuesta por la DGCOH (1994).

La mayor parte de las rocas consolidadas que aflo- ran en las sierras son de tipo volcánico con edades en-

Estos parámetros medidos en laboratorio no repre- sentan las condiciones originales del agua subterrá- nea, por lo que en este caso no se calcularon índices de saturación.

Para comprobar la relativa exactitud de los resulta- dos de los análisis químicos, se utilizó la técnica del ba- lance iónico o condición de electroneutralidad, funda- mentada en la neutralidad eléctrica de las muestras de agua, de tal modo que el total de cargas de aniones y cationes calculados con base en los resultados de la- boratorio, debe de ser igual o al menos muy similar.

El total de cargas positivas y negativas se obtiene sumando los equivalentes de aniones y cationes, res- pectivamente. El error de balance iónico se expresa por la diferencia, como un porcentaje de la suma, de acuerdo a la siguiente expresión:

Todos los análisis químicos utilizados presentan un error menor al Es probable que dos errores analí- ticos en la determinación de un anión y un catión se cancelen, y por lo tanto el porcentaje de error no deno- te anomalías. Sin embargo, de acuerdo con el estricto

sina, relictos de anfíbol y magnetita, en una matriz des- vitrificada (Vázquez y Jaimes, 1989).

Es importante resaltar que las referencias no repor- tan el porcentaje de matriz vítrea o fina con respecto al de fenocristales en las muestras analizadas petrográfi- camente, pero considerando que son rocas extrusivas, se estima como máximo, que el del total está constituido por fenocristales. En el cuadro aparecen los análisis químicos de las principales formaciones volcánicas del área.

Los depósitos aluviales, (Qal), resultado de la ero- sión de las montañas que rodean al Valle, están com- puestos por partículas que oscilan entre el canto roda- do y la arena fina. No se tiene el porcentaje ni el tipo de minerales que componen esta unidad, pero se sabe que son derivados de rocas basálticas y andesí- ticas.

Para el caso de los depósitos lacustres, (Qla), los análisis de difracción de rayos X en tres muestras to- madas a diferentes profundidades en un sondeo de

m de profundidad (Lozano, indican la pre- sencia de illita, esmectita, kaolinita, anfíboles, cristoba- lita, plagioclasa, calcita y una cantidad apreciable de material no cristalino.

Pitre reporta que los sedimentos lacustres, presentan esmectita, alófano, illita, biotita, cuarzo, fel- despato cálcico, hornblenda, vidrio volcánico, sulfuros y calcita-dolomita, con capacidad de intercambio ca- tiónico de ceq/kg y de carbono orgánico total.

tre el terciario y el cuaternario, con la conspicua carac- terística de su textura porfirítica en una matriz vítrea muy abundante. Las sierras Chichinautzin y Santa Ca- tarina, en la porción sur del valle de México, consisten de derrames andesítico-basálticos (Qb) con fenocris- tales de olivino y piroxenos en una matriz vítrea y microcristalina. También se encuentran andesitas de labradorita e hiperstena. Esta unidad está distribuida ampliamente tanto en la superficie como en el subsue- lo, en donde ha sido cortada por numerosos pozos (Vázquez y Jaimes, 1989).

La sierra De las Cruces, al occidente de la zona de estudio, consiste de derrames Iávicos (TQv) que pre- sentan intercalaciones de tobas, brechas y aglome- rados.

Las lavas consisten de andesitas con fenocristales de andesina, hiperstena y augita en una mesostásis pi- lotáxica de microlitos de plagioclasa. En algunas zo- nas de la Sierra existen dacitas con fenocristales de oligoclasa, andesina, cuarzo y pigeonita, en una matriz predominantemente vítrea.

Los depósitos piroclásticos están formados de ceni- zas cristalinas, vítreas y de pómez con o sin fragmen- tos y bloques accidentales de composición heterogé- nea (Vázquez y Jaimes, 1989).

Subyaciendo a la secuencia anterior se tienen rocas volcánicas del mioceno, (Tmv), que consisten en an- desitas con fenocristales de andesina, lamprobolita, feldespatos, augita, piroxenos y anfíboles, como mine- rales esenciales. Es común encontrar dacitas porfiríti- cas con fenocristales de oligoclasa, cuarzo, anfíboles y piroxenos en una mesostásis microlítica, asociadas con tobas cristalinas andesíticas que presentan ande-

Modelo conceptual del flujo regional de agua subterránea

Las manifestaciones naturales del agua subterránea, previo al desarrollo de la explotación, señalan que el sistema de flujo subterráneo en el valle de México pre- sentaba como principal zona de recarga a las monta- ñas circunvecinas y como zonas de descarga a las re- giones de transición y lacustres (Instituto de Geofísica, 1988). Resultados y discusión

Con base en modelación de redes de flujo en perfil, Ortega y Farvolden 989) proponen que la recarga en Diferenciación hidrogeoquímica y mezclas de agua las montañas que rodean al Valle es del orden de al

de la precipitación promedio. Antes de la cons- La química del agua subterránea del valle de México trucción del drenaje artificial del valle de México exis- fue diferenciada, en primera instancia, por medio de tían seis lagos y numerosos manantiales que paralela- diagramas de Stiff, ilustración construidos a partir de mente al consumo de agua por freatofitas, representa- los resultados de los análisis físicos y químicos del ban zonas de descarga natural ubicadas en la zona de cuadro Con base en la forma del polígono, es posi- transición de la descarga) y en la zona lacus- ble distinguir al menos cinco grupos de agua, cuyas tre de la descarga). características generales aparecen en el cuadro

Varias evidencias indican la presencia en el pasado, La distribución espacial de los pozos que explotan de gradientes verticales ascendentes en los depósitos agua subterránea incluida dentro del grupo Ill, se co- lacustres (Qla). Las primeras perforaciones realizadas rrelaciona con la porción del acuífero que para en la Ciudad de México invariablemente presentaba cargas hidráulicas mayores que la eleva- eran brotantes con aguas de mejor calidad organolép- ción de la base del acuitardo superior, esto es la zona tica que las más someras, aunque un tanto pestilentes. que se comporta como acuífero semiconfinado. En la

En todos los pozos de la carretera México- porción restante de la zona lacustre, de acuerdo con la Texcoco, fueron de tipo artesiano (Instituto de Geofísi- relación entre la base del acuitardo y las cargas hi- ca, 1988; Durazo y Farvolden, 1989). Piezómetros mul- dráulicas del acuífero, este funciona como acuífero de tinivel instalados en la zona lacustre por el Instituto de tipo libre. Ingeniería de la UNAM en la década de los años En la ilustración se aprecian los diagramas trian- permitieron la medición de gradientes verticales as- gulares con los grupos definidos previamente. En el cendentes en casi todos los sitios (Ortega y Farvolden, diagrama de cationes se observa una tendencia lineal 1989). hacia el vértice que representa el de rNa+ +

El intenso bombeo que se ha producido para abas- rK+, según una muestra de agua subterránea salina tecer de agua potable a la creciente población de la de la zona de Texcoco en donde operó una fabrica de Ciudad de México y zonas aledañas, ha ocasionado sosa cáustica. Dicha tendencia manifiesta una mezcla que la componente vertical de la dirección del flujo de aguas en diferentes proporciones, entre el agua de subterráneo en los depósitos lacustres del cua- los grupos I y II y el agua salobre o salada derivada del ternario sea actualmente descendente. acuitardo superior, inducida por el cambio en las

Para la subcuenca de Chalco, en la porción donde direcciones de flujo en el agua subterránea en el acui- el espesor de los depósitos lacustres (Qla) es grande tardo, debido al bombeo a que ha estado sujeto el

m), Ortega et al., (1993) midieron gradientes acuífero en explotación. De acuerdo a la distribución verticales hacia arriba en los primeros m de profun- de las cargas hidráulicas, también es posible una con- didad, aunque predicen que debido a la extracción de tribución horizontal de agua subterránea salobre deri- agua en el acuífero que subyace al acuitardo, el gra- vada de la zona de Texcoco. diente vertical se revertirá completamente en el trans- En el diagrama de aniones pueden observarse dos curso del tiempo. tendencias de distribución de las muestras de agua

Los gradientes horizontales también han sido modi- subterránea: una en dirección hacia la muestra de ficados por la explotación del agua subterránea en los agua salina tomada en Texcoco, y la otra hacia el vér- últimos cincuenta años. El análisis de datos de carga tice de de hidráulica de la red de pozos de observación, medidos La mezcla también se refleja en el contenido isotópi- periódicamente por la DGCOH, indica que la dirección co de deuterio y oxígeno-18. Ryan ( I 989) encontró que

de flujo en el plano horizontal es radial, concentrándo- se desde las regiones montañosas hacia el centro del Valle.

Considerando la elevación del nivel estático en po- zos, la DGCOH (1994) presenta a la sierra Santa Cata- rina como una zona de recarga local. También es noto- ria la dirección de flujo que proviene de la zona del ex- lago de Texcoco, otrora zona de descarga natural.

Los iones en este estrato pueden intercambiarse con los de la solución en contacto con el sólido, con la salvedad de que el balance de cargas se mantenga.

La carga en la superficie del mineral depende del pH de la solución con la que está en contacto. Existe un pH en el que la carga en superficie es nula y se le denomina punto de carga cero. Los minerales presen- tan capacidad de intercambio aniónico cuando el pH del agua está por abajo del punto de carga cero, y ca- pacidad de intercambio de cationes cuando el pH es mayor (Appelo y Postma, 1993).

La fracción arcillosa de los sedimentos del valle de México está compuesta por kaolinita, esmectita e illita

el agua subterránea de los pozos de las cercanías de las zonas de recarga, presenta características isotópi- cas muy similares a la línea meteórica global, lo que indica que no han sido afectadas por evaporación. Por otro lado, el agua subterránea bajo la zona lacustre, denota una variación isotópica hacia la derecha de la línea meteórica global, que puede ser explicada por la mezcla con agua evaporada (como el agua intersti- cial de las arcillas) con alto contenido de isótopos pe- sados.

Intercambio catiónico y evolución geoquímica

Otro proceso geoquímico que puede causar la ten- dencia lineal observada en el triángulo de cationes, ilustración es la evolución natural del agua subterrá- nea en la dirección de flujo combinada con intercam- bio catiónico.

La capacidad de adsorción o intercambio en suelos y acuíferos, reside principalmente en la fracción arci- llosa pm), la materia orgánica y el contenido de Óxidos e hidróxidos.

La fracción arcillosa, tiene esta propiedad debido a las cargas en exceso (positivas o negativas) produci- das a partir de las substituciones de cationes en la es- tructura de los minerales arcillosos. Esta carga super- ficial es compensada por una acumulación de iones de carga contraria que permanecen adsorbidos a la superficie conformando un estrato bien definido (Free- ze y Cherry, 1979; Appelo y Postma, 1993).

(Lozano, 1989; Pitre, cuyo punto de carga cero Uno de los mejores indicadores de la evolución quí- es menor que el pH del agua con el que están en con- mica del agua subterránea en el valle de México es el tacto por lo que intercambian cationes. Las cloruro, por tener la ventaja de ser el ión menos afec- reacciones de intercambio catiónico más importantes tado por procesos de precipitación, adsorción o de en los sistemas de agua subterránea, son los que invo- oxidación-reducción. lucran cationes monovalentes y divalentes como Los cambios de composición y los procesos geo-

(Freeze y Cherry, químicos se observan con mayor claridad cuando se 1979). La siguiente reacción ilustra como se lleva a alude a este ión, en lugar de utilizar otra especie o cabo el intercambio catiónico, de acuerdo con la ley parámetro. Las concentraciones de cloruro se incre- de acción de masas: mentan paulatinamente entre los grupos I y Ill, como

consecuencia de la evolución en la dirección de flujo y a la mezcla de aguas inducida por el bombeo.

Los grupos IV y V presentan, en general, mayores concentraciones de cloruros, cuadro situación que manifiesta su mayor tiempo de residencia en el acuífe- ro que los grupos anteriores, además que por su ubi- cación en la ilustración se deduce que han transita- do hacia un medio geológico diferente.

La relación entre el sodio y el cloruro, ilustración 5, se puede interpretar conforme a la mezcla de aguas

En la ilustración se puede apreciar que existe in- tercambio catiónico a lo largo de la dirección de flujo subterráneo en la porción del acuífero compuesto por material granular, debido al incremento en la concen- tración de sodio y disminución notable de calcio y mag n es io.

propuesta y al proceso de intercambio catiónico mani- fiesto. El agrupamiento de los datos es aproximada- mente lineal, lo que sugiere que existe mezcla de aguas entre dos miembros extremos: un agua diluida (grupo II) con agua salobre o salina. La línea de dilu- ción representa la mezcla teórica entre esos dos miem- bros extremos.

Origen de la composición del agua del grupo I

De acuerdo con el modelo conceptual de flujo subte- rráneo propuesto y dada su ubicación espacial, la composición química del grupo I, se debe principal- mente a la interacción de agua de lluvia con las rocas volcánicas fracturadas de las sierras De las Cruces y Chichinautzin. En el cuadro aparece la concentra- ción promedio del grupo I. Para explicar las concen- traciones detectadas, se utilizará un balance de masa preliminar, de acuerdo con la siguiente reacción gene- ral (Drever, 1988):

Principalmente para algunas muestras del grupo Ill, existe una desviación notoria de la línea teórica de mezcla, que indica un enriquecimiento en sodio, fenó- meno atribuible al efecto del intercambio catiónico. Este proceso también aparece en el caso del potasio, ilustración pues como se observa, existe una fuerte desviación de la línea teórica de mezcla.

Fase reactante (roca) + Entrada atmosférica R o c a alterada + lones disueltos

No existen datos químicos para el agua de precipi- tación en el valle de México que se pudieran tomar como base para cuantificar la entrada atmosférica. Por ser un área continental muy alejada de la costa, a más de msnm, se puede inferir que los cationes y el cloruro en el agua de precipitación, presentan concen- traciones menores a mg/l. Las concentraciones de nitratos y sulfatos, seguramente presentarán valores mayores, debido a la contaminación atmosférica por los efectos de la gran actividad industrial y el tránsito de vehículos, común en la Ciudad de México.

Los resultados isotópicos de deuterio y oxígeno-18 de agua subterránea en las montañas muestran un bajo grado de evaporación (Quijano, 1978; DDF, 1984; Ryan, Cortés y Farvolden, lo que implica que el tiempo de residencia en la zona del suelo es corto, fenómeno congruente con la naturaleza de me- dio fracturado de esta porción del sistema.

De este modo se estima que para el caso de los ca- tiones, la modificación de la entrada atmosférica por efecto de la evapotranspiración en la zona del suelo, comparada con la aportación de cationes derivados de la interacción agua-roca, es mínima. Por lo tanto, la aproximación en la concentración total de cationes en el agua subterránea del grupo I, derivada de la inte- racción con la roca, se considera válida.

Uno de los principales minerales presentes en las rocas del área es la andesina. La disolución incon- gruente de este mineral a kaolinita (mineral detectado en los depósitos lacustres) está representada por la si- guiente reacción:

Por cada mol de catión liberado se producen tres moles de bicarbonato. El cuadro indica que el sodio es el principal catión disuelto, mientras que de acuer- do con los fenocristales detectados en las rocas, la alteración de la andesina sería la reacción que puede aportar cantidades significantes de ese catión, aunque si esto ocurriera la concentración molar de calcio y bi- carbonato debieran ser mucho mayor. Lesser et al., (1986) proponen esta reacción y la disolución incon- gruente de minerales de albita como las responsables del sodio presente en el agua subterránea; sin embar- go la albita es un mineral que no ha sido reportado en las rocas del área.

El magnesio pudiera derivarse de la hiperstena o de Los experimentos de Gislason y Eugster la augita, o de ambos. La disolución incongruente de demuestran que la velocidad de disolución lineal estos minerales, produce únicamente un mol del ca- (mol/cm2s) del sodio en el vidrio basáltico es mayor tión correspondiente por cada mol de bicarbonato, por que para el potasio y el fluoruro; pero muy similar al de lo que comparando las concentraciones del grupo I, calcio y de magnesio. Sin embargo, la concentración se observa que los valores del bicarbonato tampoco de estos dos Últimos iones para temperaturas entre justifican esas reacciones como importantes en el con- y presentó valores estables con el tiempo debi- texto de la interacción agua-roca. do al equilibrio con minerales de alteración, fenómeno

De este modo se deduce que la composición quí- que pudiera ser el responsable de los menores valores mica del grupo I, no está controlada por la interacción de calcio y magnesio con respecto al sodio en el gru- entre el agua subterránea y los fenocristales de las ro- po I, cuadro cas basálticas y andesíticas. Una solución alterna, es Como no se cuenta con datos de concentración de suponer que la matriz vítrea (muy abundante en las sílice disuelto en el agua subterránea, no es posible rocas del área), sea la que interacciona con el agua realizar un balance de masa total que demuestre ple- subterránea y por lo tanto la principal responsable de namente que no es la disolución de fenocristales la su composición química. reacción responsable de la composición química del

En efecto, estudios experimentales de interacción grupo I. agua-roca, a elevadas temperaturas (Ellis y Mahon, Esta limitante, al igual que la carencia de datos de

1967) y a bajas temperaturas (Gislason y Eugs- campo de temperatura y pH, no permite que se pue- ter, han demostrado que los basaltos vítreos dan definir los minerales arcillosos que se originan a son más reactivos que los basaltos cristalinos. Para partir de la desvitrificación del vidrio volcánico, pues bajas temperaturas (alrededor de la disolución no es posible construir diagramas de estabilidad ni ob- experimental de basaltos cristalinos es al menos un or- tener índices de saturación con respecto a minerales den de magnitud menor que para basaltos vítreos, y es de alteración. independiente del pH en el rango de a

Gislason y Eugster encontraron en basaltos Sección hiúroquímica vítreos de Islandia que las concentraciones de sílice en las aguas son compatibles con la actividad del síli- El agua subterránea del valle de México evoluciona ce en el vidrio basáltico, con lo que justifican la impor- desde agua de baja salinidad (120-180 mg/l STD) y de tancia de la disolución de la matriz vítrea en la compo- tipo en las zonas de recarga, hasta sición del agua subterránea con la que interacciona. una salmuera (150 mg/l STD) de tipo Para

En el proceso de interacción agua-roca, los proto- comprender de manera detallada las reacciones que nes en solución se consumen a medida que los catio- originan esta evolución, se elaboró una sección hidro- nes son liberados de la matriz vítrea de la roca. El áci- química en la dirección de disminución de la carga hi- do carbónico en el agua subterránea, se disocia en dráulica desde la zona de recarga (sierra De las Cru- protones más bicarbonato para proveer una fuente de ces), hasta la antigua zona de descarga (zona de Tex- iones hidrógeno que equilibre en la roca los cationes coco). En la ilustración aparece la localización de la que pasan a la solución. De este modo el bicarbonato sección hidroquímica. es el principal anión disuelto en el agua subterránea Se analizaron paralelamente los elementos mayores del grupo I, cuadro y algunos elementos traza, así como la geología del

subsuelo y las características hidrogeológicas, esto con el fin de tener un adecuado modelo conceptual de referencia, ilustración Los diagramas de Stiff seña- lan una evolución de la química del agua en el sentido del flujo subterráneo entre los grupos I y II hecho rati- ficado por las curvas de sólidos totales disueltos y clo- ruros.

El incremento abrupto en las concentraciones de estas especies en la última porción de la sección (gru- po Ill), se correlaciona con la porción de acuífero semi- confinado, lo que demuestra la importancia de la mez- cla de agua derivada del acuitardo superior (Qla) y del agua salina de Texcoco, con el agua del acuífero.

Una cuantificación del porcentaje de los miembros extremos en la mezcla considerando el cloruro como conservativo, es difícil de realizar, pues la distribución horizontal del cloruro en el acuitardo no se conoce a detalle. Otra complicación reside en el hecho reporta- do por Ortega et al., quienes encontraron para la subcuenca de Chalco, valores máximos del orden de los mg/l entre los y de profundidad y concentraciones entre y mg/l de cloruro a pro- fundidades someras. Entonces, es claro que existe una variación tridimensional de las concentraciones de cloruros en los depósitos lacustres del valle de México.

Los iones sodio, calcio y magnesio, muestran resul- tados interesantes en la sección hidroquímica. El pri- mero se comporta similar al cloruro, aumentando su concentración en la dirección de flujo, por lo que tam- bién se considera como buen indicador del tiempo de residencia del agua subterránea en el acuífero.

En el segmento de la línea de flujo correspondiente al medio volcánico fracturado, el calcio y magnesio mantienen una tendencia general de incremento, que drásticamente se torna de decremento entre los pozos

y zona que corresponde al cambio de medio fracturado a medio granular. La concentración de cal- cio que presenta el pozo se considera anómala y no necesariamente invalida la tendencia presentada.

La reacción de intercambio catiónico (la fracción ar- cillosa del acuífero cediendo sodio y fijando calcio) justifican la evolución detectada para esos iones. El decremento de calcio no puede ser ocasionado por precipitación de calcita, pues las concentraciones son muy bajas.

Otra reacción que puede remover calcio y magnesio es la precipitación de una zeolita de calcio denomina- da clinoptilolita (Thomas et al., sin embargo no se ha reportado la presencia de zeolitas en los sedi- mentos lacustres. De acuerdo con Gislason y Eugster

el basalto cristalino Únicamente se altera a zeolitas de calcio cuando la interacción agua-roca se desarrolla en un sistema cerrado.

La introducción de protones (modificación del pH) en el agua induce que los productos de alteración sean esmectita o kaolinita, o ambos, minerales que han sido reportados para los sedimentos lacustres del valle de México.

La evolución de los iones sulfato y bicarbonato y al- gunos elementos traza (hierro y manganeso), se anali- zan paralelamente. Para los iones bicarbonato y sulfa- to es posible distinguir dos tendencias de evolución. Nuevamente entre los pozos y (paso de medio fracturado a medio granular), el incremento en la con- centración de bicarbonato coincide con el cambio de una evolución positiva a una negativa para el sulfato. En este caso, se estima que el paso de condiciones oxidantes a reductoras a lo largo de la línea de flujo ocasiona la reducción del sulfato a sulfuro y el consi- guiente incremento del bicarbonato de acuerdo con la siguiente reacción:

Esta reacción está catalizada por bacterias del gé- nero Desulfovibrio. El término CH2O representa la for- ma más elemental de materia orgánica. La evolución del potencial de óxido-reducción (Eh) a lo largo de la línea de flujo, se puede resumir de la siguiente mane- ra: el agua de reciente infiltración contiene oxígeno en concentraciones muy cercanas a la saturación mg/l a 10ºC). A medida de que el agua subterránea se desplaza en el sentido del flujo, el oxígeno disuelto se reduce aceptando electrones derivados de reaccio- nes de oxidación. Mientras exista oxígeno disuelto, el Eh se mantendrá en valores de alrededor de

De acuerdo con la secuencia de reaccio- nes redox de Stumm y Morgan los óxidos de manganeso y el nitrato, se reducirán conjuntamente con el oxígeno.

Cuando el Eh muestre valores entre el oxígeno disuelto será mínimo y la materia orgánica presente se comenzará a oxidar, reduciendo hidróxi- dos de hierro y sulfatos. La presencia de materia orgá- nica en los sedimentos que conforman el acuífero, no ha sido investigada; pero en los sedimentos lacustres se ha encontrado en alto porcentaje Hansen, 1989; de carbono orgánico total, Pitre, 1994). Los valores de Eh medidos por Ryan (1989) validan el es- quema propuesto, ya que encontró una disminución gradual en este parámetro en el ramal Reyes-Ferroca- rril, en dirección hacia la zona lacustre. Esta evidencia comprueba la existencia de la secuencia redox esta- blecida. Para la parte central de la zona lacustre los valores de Eh fueron menores a mV, que de acuer-

do con Stumm y Morgan (1981) son propicios para la existencia de reacciones de reducción de sulfatos e hi- dróxidos de hierro.

Para este trabajo no se cuenta con datos de con- centración de nitratos disueltos en el agua subterrá- nea. Sin embargo, Ryan (1989) y el Instituto de Geofí- sica encontraron que los mayores valores (del orden de de aparecen en la periferia de la zona lacustre, generalmente en áreas de recarga y sugieren que esto es indicio de que pudiera estar ocu- rriendo contaminación de tipo antropogénico.

La existencia de la secuencia redox deducida a par- tir de la evolución del ión sulfato, puede ser la respon- sable de las bajas concentraciones de nitratos (meno- res a mg/l que se presentan en el acuífero en la zona lacustre, debido a reacciones de reducción (denitrificación).

El manganeso presenta problemas para el abasteci- miento de agua potable porque en el valle de México las concentraciones medidas en el agua subterránea de algunas zonas, sobrepasan la norma de la Secreta- ría de Salud (0.05 El Instituto de Geofísica (1988) encontró una buena correlación entre el Eh del agua y la concentración de manganeso con valores máximos para condiciones reductoras.

En la sección hidroquímica, se corrobora que el manganeso está controlado por las condiciones redox del agua subterránea, ya que presenta un incremento en las concentraciones en la dirección de flujo. La re- ducción de óxidos de manganeso, es la principal fuen- te del manganeso disuelto de acuerdo con la siguien- te reacción:

En la ilustración se observa una tendencia de incremento proporcional entre el cloruro y el mangane- so. Como el cloruro indica tiempo de residencia del agua subterránea en el acuífero, se deduce que dicha tendencia representa la reacción anterior, a medida que, a lo largo de la trayectoria de flujo, evoluciona la secuencia redox establecida previamente. Dicha ten- dencia es un reflejo de la ausencia de fuentes externas (contaminación) que adicionen manganeso al sistema.

Para la concentración del fluoruro, en la mayoría de los casos depende de la disponibilidad en las rocas o minerales que componen el acuífero. El flúor es un ele- mento lltófilo, que permanece en solución hasta las úl- timas etapas de diferenciación magmática, por lo que las rocas félsicas tienen mayor concentración que las máficas.

Las rocas volcánicas del valle de México son muy poco diferenciadas, por lo que es de esperar que la disponibilidad de flúor sea limitada, hecho que justifi- ca las bajas concentraciones máximas detectadas en la sección hidroquímica (0.3 mg/l). Como referencia y para demostrar la influencia del tipo de roca, se puede mencionar que en San Luis Potosí, existen concentra- ciones veces mayores (3.6 mg/l) en un acuífero constituido por riolitas fracturadas, derivadas de mag- mas originados por fusión parcial de corteza terrestre.

Para el caso de San Luis Potosí, el agua está sub- saturada con respecto a los minerales con flúor más comunes, por lo que para el valle de México, tiene sen- tido la hipótesis de que es la disponibilidad en la roca el factor limitante en los valores de fluoruro detectados.

Modelación geoquímica de la evolución del flujo de agua subterránea

El análisis de la sección hidroquímica permitió deter- minar el modelo hidrogeoquímico conceptual que con- diciona la evolución del flujo de agua subterránea. De este modo, se definió cualitativamente la importancia de las reacciones de oxidación-reducción e intercam- bio iónico. Una aproximación cuantitativa se puede ob- tener a partir de relaciones de balance de masa que consideren las reacciones que se llevan a cabo con los minerales que interaccionan con el agua subterránea.

Es evidente que un balance de masa que tome en cuenta la evolución química del agua subterránea no rinde soluciones únicas; pero una solución que incluya fases mineralógicas así como reacciones posibles, desde el punto de vista termodinámico, definitivamen- te es de utilidad para ilustrar los procesos que contro- Ian la evolución química del flujo de agua Subterránea.

Los cálculos de balance de masa que identificaron la estequiometría de las reacciones, fueron realizados

con modelación inversa (Plummer, 1992) utilizando el programa BALANCE (Parkhurst et al., 1982). En la defi- nición de los minerales incluidos en las reacciones, se consideraron la mineralogía y los análisis químicos de las unidades geológicas involucradas. El balance de masa incluyó el agua subterránea en la porción del acuífero que corresponde al material granular entre los pozos y ilustración

Evolución desde el pozo No. hasta el No. La química del agua subterránea en el pozo es producto de la interacción con rocas volcánicas fracturadas de la sierra De las Cruces y representa la composición química inicial. En la zona de transi- ción el agua subterránea (grupo I), se pone en con- tacto con el material granular del acuífero.

Los tipos de reacciones que se consideran en la modelación incluyen intercambio iónico y oxidación- reducción. En este caso se supone que la totalidad del sodio se deriva de la reacción de intercambio con calcio, por lo que se requiere de la disolución de un mineral que aporte el calcio necesario para que esto ocurra.

La calcita que se ha detectado en los sedimentos lacustres se considera una mejor opción que una plagioclasa sódico-cálcica, ya que la anortita no ha sido reportada en las rocas del área. La oxidación de la materia orgánica presente en los sedimentos que componen el acuífero, es la fuente de los elec- trones que reducirá el azufre del sulfato, con lo que disminuye la concentración de esta especie y se ge- neran ácido sulfhídrico y dióxido de carbono. Un ba- lance de masa que ajusta los resultados observados (en mmoles/l) es el siguiente:

* Evolución desde el pozo No. hasta el No. Se consideran las mismas reaccciones que en el caso previo, además de incluir en las reacciones de oxidación-reducción elementos traza como el hierro y el manganeso.

En efecto, en algunas zonas del acuífero no se ha reportado la presencia del olor característico del ácido sulfhídrico en el agua subterránea, por lo que se puede inferir que el ácido sulfhídrico reacciona con el hierro disuelto Fe+2 para formar sulfuros que precipitan, por ser fases muy insolubles en las con- diciones de pH y Eh de esta zona del acuífero.

Pitre 994) reporta la presencia de estos minera- les en los sedimentos lacustres, por lo que la ocu- rrencia de esta reacción se considera factible. El modelo incluye a la pirita como un producto, pero de acuerdo con la temperatura y presión involucradas, la pirita representa diversas fases FeS semicristali- nas o amorfas, o ambas.

La reducción de la goethita representa la fuente principal del hierro, que reaccionará con el ácido sulfhídrico para formar sulfuros insolubles. Se inclu- yó la reducción del MnOOH como fuente del man- ganeso en solución, especie que incrementó su concentración en el tramo de prueba. Evolución temporal de la calidad del agua

Es notoria la gran cantidad de calcita que de acuerdo con el modelo debe de disolverse para Tomando como base los datos publicados por Lesser ajustar el intercambio de calcio por sodio, lo que su- et al., (1 986) acerca de la variación de la calidad del giere que puede existir otra fuente para el sodio. agua con respecto al tiempo, se realizó una interpreta-

Se incluyó a la andesina como fuente de sodio y ción que considera los diferentes sistemas de flujo calcio, pero en los resultados ningún modelo facti- subterráneo y los procesos asociados. ble consideró en forma conjunta a la calcita y a la La información indica los pozos en el centro de la andesina. La reacción que resume los procesos ciudad que presentaron incrementos notables de mencionados y que se ajusta a la composición quí- cloruros mientras que en otros pozos se detectaron mica observada en el agua subterránea, se presen- incrementos en casi todos los parámetros analizados ta a continuación: (Lesser et al., 1986) (sólidos totales disueltos, dureza

total, cloruros, nitratos, fierro y manganeso). La distribución geográfica de estos pozos indica

que se ubican en la región con evidencias geológicas e hidrogeológicas que corresponden a un acuífero de tipo semiconfinado. El incremento en la concentración de estas especies en el agua subterránea con respec- to al tiempo, puede corresponder al efecto de mezcla de agua del acuífero con agua salobre derivada del acuitardo superior o de la zona de Texcoco, o de am- bos, sin descartar la influencia de otro miembro extre- mo asociado a un sistema de flujo regional.

El agua salobre del acuitardo tiene bajas concentra- ciones de calcio y magnesio debido al proceso de intercambio iónico, por lo que el agua producto de la mezcla no deberá manifestar incrementos notables en la dureza total. Este razonamiento es congruente con las gráficas (Lesser et al., 1986) que evidencian que la dureza total es el parámetro que presenta los menores incrementos en el periodo analizado.

Lesser et al., (1986) también reportan que en la zona de Santa Catarina-lztapalapa, a diferencia de la zona anterior, se incrementaron notablemente las concentraciones de hierro y manganeso (ilustración 9).

La geología superficial y del subsuelo de esta zona indica que el acuífero está compuesto por rocas basál- ticas fracturadas, sin reportar la presencia de un hori- zonte arcilloso semiconfinante.

El análisis comparativo realizado previamente para el grupo V, indica que el cloruro se presenta en con-

El ácido sulfhídrico puede reaccionar con ele- mentos traza como el arsénico o el hierro, o con am- bos, para formar sulfuros insolubles, pero no se tie- ne información confiable respecto a la concentra- ción de estos elementos traza en el agua derivada del acuitardo.

De acuerdo con las limitantes involucradas en la modelación, estos resultados deben considerarse como una primera aproximación que intenta ilustrar la relativa importancia del volumen de agua deriva- da del acuitardo.

Evolución desde el pozo No. hasta el No. La interpretación cualitativa de la sección hidroquí- mica señala que la evolución natural en este tramo, está modificada por mezcla de agua inducida por efecto del bombeo. La principal limitante en la mo- delación es, de acuerdo con el modelo hidrogeoló- gico conceptual, la mezcla que puede incluir dos o más miembros extremos, y sólo se conoce a detalle la composición química del miembro extremo que representa el agua del acuífero.

Como una simplificación de las condiciones rea- les, se modeló la mezcla entre el agua del acuífero (pozo 92) y la derivada del acuitardo (composición química obtenida de un piezómetro). Las reaccio- nes involucradas son reducción de sulfatos e inter- cambio iónico. El resultado que se consideró más congruente con las situación natural se presenta a continuación:

Agua de/ acuitardo + agua de/ pozo + Na-intercambio + materia orgánica =

agua del pozo + ácido sulfhídrico + CO, gas

centraciones elevadas, Io que aunado a los valores de sulfato, amoniaco, fluoruro, y manganeso, entre otros, sugiere que se trata de agua subterránea con gran tiempo de residencia, que se puede asociar a un sis- tema de flujo regional (alta concentración de cloruro y fluoruro) con valores de potencial de óxido reducción bajos (elevados valores de amoniaco, hierro y manga- neso).

Estas evidencias hidrogeoquímicas permiten esta- blecer que la región de Santa Catarina-lztapalapa no corresponde a la zona de recarga local que se dedu- ce a partir del análisis piezométrico (DGCOH, 1994). El análisis del registro histórico del pozo ilustración ubicado en las estribaciones del cerro De la Estrella indica que cuando el pozo comenzó a operar en el año de presentó agua de buena calidad, sin embar-

go a medida que transcurrió el tiempo, y se incremen- tó el caudal de bombeo por la apertura de nuevos pozos, la calidad del agua decreció paulatinamente, debido a la inducción de agua del sistema regional (de mala calidad).

La tendencia reportada no sugiere que se haya al- canzado una mezcla estable, por lo que se espera que si se incrementa el bombeo, el efecto del sistema de flujo regional será cada vez más evidente.

Conclusiones

Los procesos y reacciones que ocasionan la evolución de la calidad del agua subterránea del valle de México a lo largo de la línea de flujo analizada son las siguien- tes:

Mezcla de agua inducida durante el bombeo de los Recibido: mayo, Aprobado: agosto, pozos Involucra dos aspectos:

Flujo vertical descendente desde el acuitardo ha-

Flujo lateral proveniente de la zona de Texcoco.

Agradecimientos

Agradecemos las facilidades otorgadas por la DGCOH, para el manejo de los resultados físicos y químicos de las muestras de agua subterránea, sin los cuales no se hubieran alcanzado los objetivos propuestos.

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De acuerdo con la distribución actual de las car- gas hidráulicas en el sistema, es de esperar que las proporciones de agua de mala calidad (salobre) au- menten en las mezclas, presentando una evolución de la composición química bombeada por los pozos en tiempo y espacio, sobre todo en la región del acuífero semiconfinado.

Para obtener una evaluación más apegada a la realidad del agua subterránea disponible para con- sumo humano, es conveniente realizar modelación de transporte de solutos. Intercambio iónico, fijando calcio y magnesio en la matriz arcillosa del acuífero y liberando sodio y pota- sio al agua subterránea. Estas reacciones son im- portantes porque pueden amortiguar la movilidad en el agua subterráea, de algunos elementos traza (cationes divalentes) que se pudieran presentar como contaminantes. Reacciones de oxidación-reducción, que disminu- yen el sulfato con un incremento paralelo del ión bi- carbonato. Estas reacciones también gobiernan la evolución y concentración del ión nitrato, así como de algunos elementos traza como el hierro, manga- neso, y posiblemente el arsénico.

Para la delimitación de zonas de vulnerabilidad del agua subterránea a la contaminación, es nece- sario considerar estas reacciones, debido que procesos redox condicionan la movilidad de algu- nos elementos y metales pesados. La ocurrencia de las reacciones detectadas, auna- das a un proceso de evaporación en un ambiente lacustre (justificado por estudios isotópicos), respal- dan la composición química de las salmueras de la zona de Texcoco, lo que es congruente con el mo- delo conceptual hidrogeológico del valle de México. La zona de Iztapalapa-Santa Catarina tiene una evo- lución química diferente a la detectada a lo largo de la sección hidroquímica, ya que las altas concentra- ciones de sulfato medidas, no concuerdan con el modelo de evolución química propuesto. El análisis de los datos químicos y su evolución en el tiempo, sugieren que se trata de agua derivada de un siste- ma regional, cuya presencia se espera cada vez más intensa, debido a la extracción de agua subte- rránea que se realiza actualmente Y que puede pro- seguir en el futuro.

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Abstract

Cardona, A. and N. Hernandez. ‘Conceptual Geochemical Model of the Evolution of Groundwater in the Valley of Mexico”. Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish), Vol. X, Num. pages May-August,

Based on the interpretation of the results of chemical analysis (major and trace elements) of the ground- water in the Mexican Valley Basin, the study of the water-rock interaction, and mass balance calculations (in- verse geochemical modelling), a conceptual model is proposed for the chemical evolution of the groundwater with the identification of the dominant geochemical processes, in the hydrogeological and dynamic context of the study area. The principal reactions that conditioned the evolution of the chemical composition of the groundwater flow direction were: mixing of water between different members end as a result of extraction, ionic exchange fixing calcium and magnesium in the clay matrix of the aquifer and freeing sodium and potassium to the groundwater; redox reactions that affect the concentrations of sulfate, bicarbonate, nitrate, iron, manga- nese and possibly arsenic. An understanding of these natural reactions allows for a differentiation between naturally poor quality water areas and areas affected by anthropogenic pollution. The results indicate that the groundwater quality in the semiconfined aquifer region and the Ixtapalapa-Santa Catarina area will change, as more regional flow is induced in the water extracted from the pumping wells in the area.

Key words: chemical analysis, groundwater; Valley of Mexico, water-rock interaction, mass balance, geoche- mical processes, anthropogenic pollution