Understanding arsenic and uranium sources and mobility in groundwater flow systems from two areas in San Luis Potosi, Mexico: Cerritos and Villa de Reyes Basins

  • Verständnis von Arsen- und Uranquellen und -mobilität in Grundwasserströmungssystemen von zwei Gebieten in San Luis Potosi, Mexiko: Cerritos- und Villa de Reyes-Becken

Cauich Kau, Dario del Angel; Rüde, Thomas R. (Thesis advisor); Cardona Benavides, Antonio (Thesis advisor); Castro Larragoitia, Guillermo Javier (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Arsen (As) und Uran (U) sind Spurenelemente, die in (Grund-)Wässern vorkommen. Weltweit wurden im Grundwässern erhöhte Konzentrationen von As und U festgestellt, die über den von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) festgelegten Referenzwerten liegen und die menschliche Gesundheit gefährden, insbesondere in ariden bis semiariden Gebieten, in denen das Grundwasser die Hauptquelle nicht nur für die Trinkwasserversorgung der Bevölkerung, sondern auch für die Industrie ist. Darüber hinaus werden das Wasser in der vadosen Zone und flaches Grundwasser durch Evaporation beeinflusst, insbesondere in diesen Regionen. Diese Arbeit befasst sich mit den geogenen, anthropogenen und den Evaporationseffekten auf die As- und U-Konzentrationen in zwei Regionen des mexikanischen Altiplano, dem Cerritos-Becken (CB) und dem Graben von Villa de Reyes (GVR), in denen erhöhte Konzentrationen von As und U im Grundwasser festgestellt wurden. Obwohl sie sich in verschiedenen physiografischen Einheiten mit unterschiedlichen geologischen, kalkhaltige Gesteine, die von einem mineralisierten granitischen Intrusivkörper betroffen sind, kennzeichnen das CB und magmatische Gesteine das GVR, und hydrogeologischen Merkmalen befinden, haben sie beide erhöhte As- und U-Konzentrationen im Grundwasser. Daher besteht das Hauptziel dieser Studie darin, die Prozesse und die Dynamik zu verstehen, die die Mobilität von As und U in Grundwasserströmungssystemen steuern, sowie die primären und sekundären Quellen und die Wechselwirkung zwischen den geologischen Medien und dem Grundwasser zu identifizieren. Die chemische Charakterisierung der Wasserproben ergab, dass der pH-Wert in beiden Gebieten in etwa neutral ist. Im CB liegen 73 % der Proben innerhalb des mexikanischen As-Grenzwertes für Wasser für den menschlichen Gebrauch, aber nur 55 % innerhalb der WHO-Richtlinie. Im Falle von U sieht die mexikanische Trinkwassernorm derzeit keinen U-Gehalt vor; 96 % der Proben in diesem Gebiet liegen jedoch innerhalb des WHO-Grenzwertes. Im GVR liegen alle Proben innerhalb des mexikanischen As-Grenzwertes und 36 % innerhalb der WHO-Richtlinien. Bei U liegen 97 % der Proben innerhalb des kritischen Wertes der WHO. Die Auswertung der Wassertypen im CB zeigte, dass in den kalkhaltigen Einheiten Ca-HCO3 der Hauptwassertyp ist und in den südlichen Brunnen, die die Gipseinheiten erschließen, der Hauptwassertyp Ca-SO4 ist. Im GVR hingegen war der Hauptwassertyp Na-HCO3 mit Temperaturen bis zu 42,4 °C und ist entlang des GVR verteilt, der die Sedimente der Beckenfüllung erschließt, in denen die höchsten As-Konzentrationen gefunden wurden. Einer der von Nicolli et al. (2010) identifizierten Prozesse für die Anreicherung von As und U im flachen Grundwasser ist der Evaporationsprozess. Daher wurden zur Bewertung des Evaporationsseffekts auf die As- und U-Konzentrationen im flachen Grundwasserleiter des CB stabile Umweltisotope δ2H und δ18O verwendet. Die Ergebnisse des Deuteriumüberschusses spiegelten die Fraktionierung des Wasserdampfes wider. Diese erlaubten es, die Ergebnisse in drei Gruppen zu klassifizieren, jede in Abhängigkeit vom Deuteriumüberschuss und den Konzentrationen von As und U. Diese Gruppen stammen aus Schachtbrunnen in der Beckenfüllung, die den höheren Verdunstungseffekt aufwiesen. Die Auswertung zeigt, dass mit einem geringeren Deuteriumüberschuss die As- und U-Konzentrationen ansteigen, was darauf hindeutet, dass die Evaporation von oberflächennahem Grundwasser zu einem Anstieg der As- und U-Konzentrationen in dem ariden Klima der Region beiträgt. Zusätzlich wurde eine geochemische Modellierung durchgeführt, um den Evaporationsprozess im CB zu bewerten. Die Modellierung zeigte, dass der Evaporationseffekt einen Einfluss auf das Verhalten der As-Konzentrationen hat, wobei Adsorptions-/Desorptionsprozesse eine wichtige Rolle bei der Zu- oder Abnahme der As-Konzentrationen spielen. Im Gegensatz dazu wurde im GVR kein Evaporationseffekt aufgrund der Tiefe der Brunnen beobachtet. Die statistische Auswertung unter Verwendung der orthogonal rotierten Lösung erklärte 61 % der Gesamtvarianz in beiden Gebieten, im CB mit vier Faktoren und im GVR mit fünf Faktoren. In beiden Gebieten wurde jeder Faktor anhand der Verbindung, des Elements oder der Elemente mit den höchsten Punktzahlen definiert. Die im CB ermittelten Faktoren sind die folgenden. Für den Sulfatfaktor wurden Proben aus den Tiefbrunnen und den Schachtbrunnen verwendet, die die Gips-Anhydrit-Formation im Süden erschließen. Der Natrium-Chlorid-Faktor wurde mit Tiefengrundwasser in Verbindung gebracht. Für den Arsen-Uran-Faktor wurden Proben aus Tiefbrunnen und aus Schachtbrunnen, die die Beckenfüllung erschließen, entnommen. Der Nitratfaktor steht im Zusammenhang mit diffusen Quellen, die mit intensiven landwirtschaftlichen Tätigkeiten in Verbindung stehen. Ebenso wies eine Gruppe von Proben bei keinem dieser Faktoren hohe Werte auf, wie die 39 % unerklärter Varianz zeigen. Im GVR wurden fünf Faktoren definiert. Der Uranfaktor gruppierte Proben aus Brunnen, die sich an der westlichen Flanke des GVR befinden, wo das San Luis - Tepehuanes Hauptstörungssystem den Graben durchquert. Der Lithiumfaktor steht ebenfalls in einem räumlichen Zusammenhang mit dem San Luis - Tepehuanes Störungssystem. Der Kaliumfaktor umfasste mehrere Proben, die über das gesamte Untersuchungsgebiet verteilt sind. Der Arsen-Natrium-Faktor steht in einem räumlichen Zusammenhang mit dem Zentrum des GVR und dem östlichen Abschnitt, wo sich alte Grundwässer, hohe Temperaturen und Arsenwerte befinden, die auf ein tiefes Grundwasser mit einer an der Oberfläche gemessenen Höchsttemperatur von 42,4 °C hinweisen. Beim Chlorid-Sulfat-Faktor lagen die Proben in denselben Gebieten wie bei Faktor 1 und 2. Die Proben, die keinem Faktor zugeordnet werden konnten, wiesen keine hohen Werte für einen der vier oder fünf Faktoren auf, wie die 39 % unerklärte Varianz zeigen. Einige dieser Proben, die sich an den Grenzen des Untersuchungsgebiets befinden, lassen vermuten, dass an diesen Standorten lokale Bedingungen herrschen könnten. In beiden Gebieten übersteigen die in mehreren Feststoffproben gefundenen As- und U-Konzentrationen die globalen Hintergrundwerte. Im CB waren die Proben mit der höchsten As-Konzentration eine Gesteinsprobe aus dem granitischen Intrusivkörper, eine Sedimentprobe, die in einem Flussbett flussabwärts des Intrusivkörpers entnommen wurde, und eine Abraumprobe aus dem alten Bergwerk, das mit dem Intrusivkörper in Verbindung steht. Anhand der Ergebnisse konnten der Intrusivkörper und die damit verbundene Mineralisierung als primäre As- und U-Quelle des CB identifiziert werden. Die sekundäre Quelle sind die vom Intrusivkörper abgeleiteten Sedimente und Böden, bei denen die Adsorption/Desorption eine wichtige Rolle spielt. Andererseits weist das vulkanische Glas im GVR die höchste As-Konzentration auf und gilt als primäre As-Quelle für das Grundwasser, insbesondere in stark verwittertem Gestein mit rhyolitischer Zusammensetzung. Eine weitere mögliche Quelle könnten die kleinen Mineralisierungsprozesse im Zusammenhang mit der magmatischen Aktivität am Westrand des GVR sein. Es wurde ein Langzeit-Säulentest (CT) mit künstlichem Regenwasser durchgeführt, das die chemischen Eigenschaften des Gebiets aufweist, um den Beitrag der Abraumhalden und zweier Böden, die durch den Intrusivkörper und das Haldenmaterial beeinflusst werden, zu den As- und U-Konzentrationen im CB zu bewerten. Die mineralogische Charakterisierung mittels XRD-Methode wurde angewandt, um die wichtigsten mineralogischen Phasen in den Proben der beiden Untersuchungsgebiete zu identifizieren. Die wichtigsten Phasen in den Gesteinen, Böden und Sedimenten waren Silikate wie Quarz und Feldspat und Karbonate wie Calcit und Dolomit. Bei den Abraumhalden waren die Hauptphasen die sekundären Oxidminerale Goethit und Hämatit. Eine Qemscan-Auswertung, die an einer Abraumhalde und einer Bodenprobe vorgenommen wurde, lieferte morphologische Informationen und die Verteilung der Oberflächenzusammensetzung der Partikel. Bei den CT-Experimenten wurde ein ähnliches Verhalten beobachtet, die Konzentrationen von As und U begannen mit niedrigen Werten und stiegen nach einigen Volumenänderungen bis zur maximalen Konzentration an. Nach Erreichen der Maximalkonzentration setzte jedoch eine Verringerung der Konzentrationen ein. Die As-Konzentration blieb "konstant", während die U-Konzentrationen sehr niedrig waren, was auf einen möglichen Abbau hinweist, oder die pH-Bedingungen haben die Mobilisierung von As eingeschränkt. Die Quelle der As-Konzentrationen ist mit den Fe-Hydroxiden verbunden, und eine zusätzliche Quelle aus der Sulfidoxidation ist nicht nachweisbar, da die Sulfatkonzentrationen während der gesamten Versuchsdauer sehr gering waren. Die Ergebnisse zeigten also, dass die Abraumhalden und die vom Intrusivkörper beeinflussten Böden eine langfristige Quelle für As in dem Gebiet darstellen, wobei erstere als primäre Quelle und die Böden als sekundäre Quelle fungieren. Darüber hinaus zeigte der Qemscan, dass das As im Boden und in den Abraumhalden an Sekundärmineralien wie Fe-Hydroxiden mit ausgefällt/adsorbiert wird. Die statistische Analyse ergab, dass eine Gruppe von Proben erhöhte Li- und Ge-Konzentrationen und Temperaturen aufwies. Die Li-Geochemie ist ein nützlicher Indikator für den regionalen Grundwasserfluss und ein Anhaltspunkt für die relative Verweildauer im Grundwasserleiter; je höher die Konzentration, desto älter die relative Verweildauer. Um die mittlere Verweildauer des Grundwassers im GVR zu ermitteln, wurden daher fünf Proben mit den höchsten Temperaturen und Li-Konzentrationen ausgewertet, die entlang des regionalen Störungssystem liegen und die latitische Portezuelo-Formation erschließen. Die Auswertung umfasste Radiokohlenstoff-Isotope, eine Kalzit-Kalibrierung, die manuell aus Bohrklein von zwei Bohrlöchern, die den latitischen Portezuelo erschlossen, gesammelt wurde, und die Methoden verschiedener Autoren wurden angewendet. Die berechneten korrigierten Libby-Alter ergaben Alter von 12.300 bis 17.500 v. Chr., was auf Grundwasser aus dem Pleistozän hindeutet und etwas älter ist als die von Carrillo-Rivera et al. (1992) berechneten Alter. Die jüngsten Alter, von denen sich eines in der Mitte und das zweite an der östlichen Flanke des GVR befindet, können auf eine Vermischung mit jüngerem Wasser aus höheren Schichten zurückzuführen sein. Die ältesten Alter, die sich in der Mitte des GVR befinden, wo das große Störungssystem San Luis - Tepehuanes das Tal durchquert, geben ein Mindestalter des Grundwassers an, das auch mit jüngerem, flacherem Grundwasser vermischt sein kann und mit dem letzten glazialen Maximum korreliert werden kann. Obwohl die Grundwässer im GVR aus dem Pleistozän stammen, weisen sie keine erhöhten As- und U-Konzentrationen auf, die laut der Gesteinsanalyse durch das veränderte vulkanische Glas adsorbiert werden, wobei As-Konzentrationen eine natürliche Kontrolle in diesem Gebiet darstellen. Durch die Zusammenfassung aller in beiden Gebieten gewonnenen und interpretierten Informationen wurde ein hydrogeologischer Abschnitt für jedes Gebiet vorgeschlagen. Im CB werden die Sedimente aus dem Intrusivkörper flussabwärts transportiert und in einem Teich südlich des Guadalcazar Polje abgelagert. Dort kommt das Oberflächenwasser mit den Böden und Sedimenten mit hohen As-Konzentrationen in Kontakt und versickert in einem darunterliegenden Karstsystem. Außerdem kommt dieses mit As angereicherte Wasser im Karstsystem mit den Abwässern der nahe gelegenen Stadt (As 32 µg/L) in Kontakt. Das in das Karstsystem sickernde Wasser setzt seinen Weg zum Cerritos-Tal als Zwischenstromsystem fort, das wahrscheinlich mit oberflächennahem Wasser in Berührung kommt, was zu seiner As-Konzentration beiträgt. In diesen oberflächennahen Grundwässern führt der Evaporationsseffekt tendenziell zu einer Erhöhung der As-Konzentration. Der Anstieg des As in diesen Gewässern wird durch Desorptions-/Adsorptionsprozesse gesteuert, nach der Interpretation des hydrochemischen Modells, der XRD- und der Qemscan-Ergebnisse sind die Fe-Hydroxide hauptverantwortlich für diese Prozesse. Im Graben von Villa de Reyes weisen die Proben mit den höchsten As-Konzentrationen eine thermische Komponente auf, sind vom Wassertyp Na-HCO3 und befinden sich im Zentrum des Untersuchungsgebiets, wo das große Störungssystem San Luis - Tepehuanes das GVR kreuzt, das einen bevorzugten Fließweg darstellen kann. Unter den natürlichen Bedingungen vor der intensiven Pumpleistung war die bevorzugte Grundwasserfließrichtung in Richtung NO des GVR. Die aktuellen piezometrischen Daten zeigen zwei Absenktrichter als Folge der hohen Pumpleistung im Zentrum, wo sich das älteste Grundwasser befindet, und im NO des GVR. Die mittlere Verweilzeit des Grundwassers zeigt, dass das derzeitige gepumpte Grundwasser eine Zunahme des aufsteigenden Flusses aufweist, was auf eine Entnahme aus tieferen und älteren Zonen hindeutet. Obwohl das Grundwasser aus dem Pleistozän stammt, eine hohe Temperatur aufweist und tief gelegen ist, liegen die As-Konzentrationen im Durchschnitt bei 11,4 µg/L. Da die As-Konzentrationen in der entglasten Matrix höher sind, kann dies mit Adsorptions-/Desorptionsprozessen in Verbindung gebracht werden. Das As, das nicht in der entglasten Matrix absorbiert wird, lässt auf eine natürliche Kontrolle in diesem Gebiet schließen. Der statistischen Analyse zufolge wurden für den Uranfaktor Proben aus Brunnen an der Westflanke des GVR entnommen, wo das Hauptstörungssystem den Graben durchquert. Dies bedeutet, dass das Uran mit mineralisierten Wässern vom Typ Erdalkali-Bikarbonat in Verbindung mit dem regionalen Störungssystem steht. Der Bikarbonattyp erleichtert die Uranmobilität in Form von Uranylcarbonatkomplexen. Die Hauptquelle für As im GVR ist vulkanisches Glas, insbesondere aus Gesteinen mit hohem Verwitterungsgrad und rhyolitischer Zusammensetzung, und eine mögliche Quelle könnten die kleinen Mineralisierungsprozesse im Zusammenhang mit der magmatischen Aktivität am Westrand des GVR sein. Diese Befunde stimmen mit den Ergebnissen überein, die Banning et al. (2012) in diesem Gebiet gefunden haben. Außerdem beschrieben Alarcón-Herrera et al. (2020) mehrere Gebiete in Mexiko mit ähnlichen geologischen Eigenschaften und As-Konzentrationen wie im GVR. Zusammenfassend sind die As-Konzentrationen von durchschnittlich 11,4 µg/L im tief gelegenen, alten Grundwasser mit hoher Temperatur im GVR auf die natürliche Kontrolle in der glasartigen Matrix zurückzuführen. Im Gegensatz dazu werden im CB die As- und U-Konzentrationen im Grundwasser von den Fe-Hydroxiden in den Sedimenten des Intrusivkörpers und der damit verbundenen Mineralisierung gesteuert. Darüber hinaus spielt der Evaporationseffekt eine wichtige Rolle bei der Anreicherung dieser Elemente im flachen Grundwasserleiter. Schließlich können die Untersuchungsgebiete aus geologischer Sicht nicht miteinander in Verbindung gebracht werden, da im CB das Grundwasser durch die kalkhaltigen Einheiten der Valles-San Luis-Plattform fließt. Im Gegensatz dazu fließt das Grundwasser im GVR durch die vulkanischen Gesteine, die die kalkhaltigen Einheiten des mesozoischen Beckens überlagern. Abschließend ist anzumerken, dass der in dieser Untersuchung verwendete Ansatz nicht nur in Mexiko, sondern auch weltweit an Standorten mit ähnlichen geologischen Bedingungen angewendet werden könnte.

Identifikationsnummern

Downloads