Aplicación de los isótopos estables O-18 y H-2 en la evaluación de los recursos hídricos

Autores: Alissa Vera, Mckevin Canicoba

La aparición de filtraciones intermitentes en quebradas o en estructuras mineras, cambios en el comportamiento de la cantidad y calidad del ciclo del agua (superficial y subterránea), entre otros casos de estudio que forman parte de una evaluación de los recursos hídricos (principalmente en la industria minera, agrícola, energética, así como en la gubernamental), requieren que su desarrollo contemple un enfoque multidisciplinario, así como el uso de múltiples métodos y herramientas que ayuden a comprender el funcionamiento de los recursos hídricos para un área determinada.

En ese contexto, los últimos años se han implementado métodos directos e indirectos para mejorar este análisis, entre ellos la hidrología isotópica que estudia las cantidades y proporciones de determinados isótopos estables del hidrógeno (presentes de manera natural en el agua) para formular conclusiones sobre el origen, la edad, la historia y las fuentes de ese líquido.

Los isótopos estables son variantes de un elemento químico que no experimentan desintegración radioactiva, siendo los que más se utilizan el oxígeno-18 (O-18) y el hidrógeno-2 (H-2). Ambos de gran relevancia y evidencia en la evaluación del ciclo hidrológico, para lo cual se requiere realizar ensayos isotópicos en muestras de agua que se encuentren estratégicamente distribuidas para representar el comportamiento hídrico de la zona de interés, tal como se muestra en la Figura 1, en el que Anddes diseñó e instaló un recolector de agua de lluvia para tales fines.

Figura 1: Instalación de recolector de agua de lluvia con fines de análisis hidroquímico e isotópico

Fuente: Anddes Asociados S.A.

Los isotopos en el ciclo hidrológico:

El fraccionamiento de isótopos de oxígeno y deuterio en el ciclo hidrológico se refiere a las diferencias (enriquecimiento – decaimiento, Figura 2) en la composición isotópica de las moléculas de agua debido a sus diferentes masas atómicas.

Durante el ciclo hidrológico, cuando el agua se evapora, los isótopos más pesados de O-18 y H-2 tienden a concentrarse más en el vapor que asciende a la atmósfera. Posteriormente, al enfriarse y condensarse, forman nubes cuyas partículas de agua tendrán una mayor proporción de isótopos pesados. Cuando finalmente cae la precipitación, en forma de lluvia o nieve, la composición isotópica se registrará en los depósitos de agua de la tierra, la cual irá cambiando de acuerdo con el medio (flujo superficial o subterráneo, natural o antropogénico) y la velocidad en la que se movilice.

Figura 2: Ciclo del agua y el fraccionamiento isotópico de δ18O y δ2 H en distintas localidades geográficas, durante los procesos de evaporación, condensación y precipitación.

Fuente: Modificado de Hoefs, 1997.

Aplicaciones de los isótopos estables O-18 y H-2 en estudios de recursos hídricos

Entre sus principales aplicaciones vemos:

• Trazadores de fuentes de agua: Los isótopos estables O-18 y H-2 se utilizan para distinguir las diferentes fuentes de agua. Cada fuente de agua tiene una firma isotópica única que puede ser identificada mediante el análisis de las proporciones de O-18 y H-2 en las muestras de agua, como se muestra en la Figura 3. Esto permite determinar la contribución relativa de las diferentes fuentes de agua, como las aguas subterráneas locales, los ríos cercanos o las infiltraciones superficiales.
• Estimación de tasas de recarga: Los isótopos estables O-18 y H-2 también se utilizan para estimar las tasas de recarga de los acuíferos en las áreas mineras. La relación entre los isótopos estables en las precipitaciones y en las aguas subterráneas puede proporcionar información sobre la velocidad a la cual el agua se infiltra en el subsuelo y recarga los acuíferos. Esta información es fundamental para la gestión sostenible del agua en la minería.
• Estudios hidrológicos de cuencas: Los isótopos estables del agua se emplean para investigar la dinámica de las cuencas hidrográficas. Al medir los cambios en la composición isotópica del agua a lo largo de una cuenca, es posible comprender mejor los patrones de flujo, la mezcla de aguas y los tiempos de respuesta de los sistemas hidrológicos.
• Seguimiento de la contaminación: La presencia de contaminantes en las aguas subterráneas y superficiales es un problema común en los componentes mineros. Los isótopos estables O-18 y H-2 pueden ayudar a rastrear una potencial contaminación mediante su signatura isotópica.

En síntesis, el análisis de estos isótopos permite entender la procedencia del agua, estudiar el comportamiento de flujos de agua superficial y subterránea, interpretar las causas de cambios en la calidad de los recursos hídricos, así como la reconstrucción de cambios climáticos del pasado.

Figura 3: Signatura isotópica para aguas de diferentes orígenes, relacionada con los efectos ocasionados por la latitud, elevación y evaporación

La construcción de la línea meteórica local y la posterior comparación de la concentración isotópico de las muestras de diferentes tipos de aguas en el diagrama de Craig (Figura 3), permitirá relacionar el origen de la muestra evaluada, es decir, si las aguas subterráneas provienen de precipitaciones infiltradas o guardan mayor similitud a las concentraciones identificadas en las fuentes de contaminación.

Finalmente, queremos contarles que el equipo de especialistas de recursos hídricos de Anddes, cuentan con suficiente experiencia y capacidad para brindar soporte y asesoría en el desarrollo de estudios hidrológicos, hidrogeológicos, isotópicos, hidroquímicos e hidrogeoquímicos, bajo una visión multidisciplinaria, integral e innovadora acorde a la necesidad de cada proyecto, manteniendo la calidad, precisión y garantía de los resultados que caracteriza a Anddes.