Groundwater recharge in a sedimentary basin in semi-arid Mexico

Recharge mechanisms and the hydrochemical evolution of groundwater in a semi-arid, 6,840-km², intermountain basin in central Mexico were investigated using stable isotopes and major chemical constituents. Ionic ratio analysis helped to conceptualize and quantify in part the subsequent geochemical evolution in the aquifer system. Mass balance models (PHREEQC) were used to interpret and rectify the geochemical properties of the aquifer. The recharge conditions have not changed noticeably during the last several thousands of years. The recharge mechanisms are accompanied by leaching of meteoric salts on and near the ground surface during major rain events, which previously accumulated after minor rain events. Rapid and diffuse infiltration can be excluded. Indirect infiltration from wadis (arroyos) and depressions (playas) with little mixing in shallow groundwater contrasts with a high degree of mixing for water with deep circulation. The prevailing source of major cations (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺) is weathering of carbonates and albite, followed by exchange reactions on clays and hydroxides. Ca²⁺/Na⁺ exchange may interchange along the flow path with reverse (Na⁺/Ca²⁺) exchange, although the Ca²⁺/Na⁺ option is prevalent. Meteoric Ca and Mg inputs are relatively small; however, meteoric Na is insignificant. Irrigation return flow plays an important role in the western part of the study area, giving rise to elevated sulfate and chloride concentrations.

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Resumen Se han investigado los mecanismos de recarga y la evolución hidroquímica de las aguas subterráneas en una cuenca semiárida e intermontanosa de México central, de 6.840 km². Para ello, se han utilizado isótopos estables y los constituyentes químicos mayores. El análisis de las relaciones iónicas ha servido para conceptuar y cuantificar en parte su evolución geoquímica posterior dentro del sistema acuífero. Se ha recurrido a modelos de balance de masas (PHREEQC) para interpretar y rectificar las propiedades geoquímicas del acuífero. Las condiciones de recarga no han cambiado de forma apreciable durante los últimos miles de años. Los mecanismos de recarga se ven acompañados por el lixiviado de las sales meteóricas sobre y cerca de la superficie del terreno durante los episodios principales de lluvia, las cuales son acumuladas en episodios menores de lluvia. Se puede excluir la infiltración rápida y difusa. La infiltración indirecta desde arroyos ( wadis) y depresiones ( playas), que apenas se mezcla con las aguas subterráneas someras, contrasta con un elevado nivel de mezcla con el agua de circulación profunda. La fuente dominante de cationes mayores (calcio, magnesio, sodio, potasio) es la meteorización de los carbonatos y albita, mientras que las reacciones de intercambio en las arcillas e hidróxidos son menos importantes. El intercambio ión calcio-ión sodio puede ser reemplazado a lo largo de una línea de flujo por el intercambio opuesto (ión sodio-ión calcio), aunque la primera es prioritaria. Las aportaciones meteóricas de calcio y magnesio son relativamente pequeñas, mientras que la de sodio es insignificante. Los retornos de riego desempeñan un papel importante en la parte occidental del área de estudio, dando lugar a concentraciones elevadas de sulfato y cloruro.

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Résumé Les mécanismes de recharge et lévolution hydrochimique de leau souterraine dans un bassin de montagne de 6 840 km² en zone semi-aride, dans le centre du Mexique, ont été étudiés au moyen des isotopes stables et des composés chimiques majeurs. Lanalyse des rapports ioniques a aidé à conceptualiser et à quantifier en partie lévolution géochimique qui en résulte, dans le système aquifère. Des modèles de bilan de masse (PHREEQC) ont été utilisés pour interpréter et corriger les propriétés de laquifère. Les conditions de recharge nont pas changé notablement au cours des derniers millénaires. Les mécanismes de recharge sont accompagnés, durant les épisodes majeurs de précipitation, dun lessivage, à la surface du sol et à son voisinage, de sels météoriques accumulés auparavant pendant les petits épisodes de pluie. Linfiltration rapide et diffuse peut être exclue. Linfiltration indirecte à partir des oueds (arroyos) et des dépressions (playas) avec un faible mélange dans la nappe superficielle contraste avec le degré élevé de mélange de leau avec les circulations profondes. La source prépondérante des cations majeurs (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺) est laltération des carbonates et des feldspaths ; léchange de cations avec les argiles et les hydroxydes est moins important. Léchange de Ca²⁺ avec Na⁺ peut sinverser le long des axes découlements pour donner un échange de Na⁺ avec Ca²⁺, bien que le cas Ca²⁺/Na⁺ soit prépondérant. Les apports météoriques de Ca et de Mg sont relativement faibles, cependant que celui de Na météorique est insignifiant. Lécoulement par retour dirrigation joue un rôle important dans la partie occidentale de la région étudiée, produisant un accroissement des concentrations élevées en sulfate et en chlorure.