info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Groundwater resources of the Western Andean Front: Insights from the Aconcagua Basin, Central Chile
Recursos de agua subterránea en el Frente Occidental Andino: Perspectivas desde la cuenca del Aconcagua, Chile central
Autor
Taucare Toro, Matías Nicolás
Institución
Resumen
The misunderstanding of hydrogeological processes together with the oversimplification of aquifer conceptual models result in numerous inaccuracies in the management of groundwater resources. Despite that Chile is a mountainous country, hydrogeological studies have exclusively focused to alluvial deposits in valleys (~15 % of total area of Chile) and mountain front zones are considered arbitrarily impermeable. Given that in arid zones (and semiarid) a significant component of the alluvial aquifers recharge occurs along the mountain front zone, this PhD thesis aims to develop a reliable conceptual mode that explains the Western Andean Front hydrogeological functioning. The Aconcagua Basin was selected because there several perennial springs show evidence of groundwater flows in the Western Andean Front. The major springs outflow along the NS-oriented Pocuro Fault Zone (PFZ), which separates the volcanic rocks of the Principal Cordillera from the alluvial deposits of the Central Depression. Thus, the study was addressed by means of: i) hydrogeochemistry and water stable isotope; ii) structural geology; and iii) a topological approach and fracture analysis. The groundwater circulation and recharge processes occurring at the Western Andean Front were addressed using hydrogeochemical and water stable isotope analyses of 23 perennial springs, 10 boreholes, 5 rain-collectors and 5 leaching-rocks samples. Most groundwater in the Western Andean Front is HCO3-Ca and results from the interaction with Ca-silicate. The Hierarchical Cluster Analysis groups the samples according to its elevation along the Western Andean Front and supports a clear correlation between the increasing groundwater mineralization (31-1188 µS/cm) and residence time. Whereas, the Factorial Analysis point that Cl, NO3, Sr and Ba concentrations seems to be related to agriculture practices in the Central Depression. After defining the regional meteoric water line at 33°S in Chile, water isotopes demonstrate the role of rain and snowmelt above ~2000 m asl in the recharge of groundwater. Also, irrigation canals contribute to the high-altitude isotopic signature in the alluvial aquifer of Central Depression. The multi-scale mapping of fractures (from regional to the outcrop scale) was conducted in the PFZ. Three non-coetaneous major tectonic features were recognized within PFZ: i) NS oriented normal-sinistral faults with sealed fractures presence (laumontite, quartz and calcite), ii) NS oriented reverse faults consisting in shear bands (gouge) of 30-60 cm thick, and iii) NW oriented reverse faults consisting in open fractures plane. Then, topology allows for quantification of the density of connected fractures within the PFZ and its relationship with groundwater circulation. The study results identify two areas of high density of connected fractures that are related to the main springs of the PFZ: Termas de Jahuel (discharge ~14.0 m3/h at 22 °C) and Termas El Corazón (discharge ~7.2 m3/h at 20 °C). Outcrop-scale mapping reveals that groundwater outflows from NW reverse faults, which is consistent with the preferential orientation of the fracture network (N30-60W) within the PFZ. Thus, while NS oriented faults act as a hydraulic barrier, the NW oriented faults are high-permeability axes for groundwater circulation. Finally, an original conceptual model applicable to the entire Central Chile is proposed. The water releases from high-elevation areas infiltrate in mid-mountain gullies feeding groundwater circulation in the fractured rocks of Western Andean Front. To the downstream, mountain-block recharge occurs through NW-reverse faults taking advantage of the high density of connected fractures of the PFZ. Likewise, mountain-front processes recharge the alluvial aquifers in the piedmont zones through the focused infiltration of perennial and ephemeral streams. El poco conocimiento de los procesos hidrogeológicos, junto a una simplificación excesiva de los modelos conceptuales de los acuíferos dan lugar a una imprecisa gestión de los recursos hídricos. A pesar de que Chile es un país montañoso, los estudios hidrogeológicos se han centrado exclusivamente en los depósitos aluviales (aprox. 15% del área total) y las zonas de frente de montaña son consideradas arbitrariamente como impermeables. Dado que en zonas áridas (y semiáridas) un componente importante de la recarga de acuíferos aluviales se produce a lo largo del frente de montaña, el objetivo general de esta tesis es desarrollar un modelo conceptual que explique el funcionamiento hidrogeológico del Frente Occidental Andino y su relación con los acuíferos aluviales. Se eligió analizar la cuenca del Aconcagua, una zona donde la presencia varios manantiales de caudal permanente evidencian la circulación de agua subterránea en el Frente Occidental Andino. Los manantiales más importantes afloran a lo largo de la Zona de Falla Pocuro (ZFP) que separa a las rocas volcánicas de la Cordillera Principal del relleno aluvial de la Depresión Central. La metodología empleada considera la integración de técnicas y herramientas de: i) hidrogeoquímica e isótopos estables del agua, ii) geología estructural y, iii) topología y análisis de fracturas. El estudio se llevó a cabo en La circulación de agua subterránea y los procesos de recarga que ocurren en el Frente Occidental Andino se abordaron usando hidrogeoquímica e isótopos estables del agua de 23 manantiales, 10 pozos, 5 colectores de lluvia y 5 muestras de rocas lixiviadas. En general el agua subterránea es HCO3-Ca, resultante de interacción con Ca-silicatos. El análisis de clúster jerárquico agrupa las muestras respecto a su cota a lo largo del Frente Occidental Andino sugiriendo que existe una relación entre el aumento de la mineralización (31-1188 µS/cm) y el tiempo de residencia del agua subterránea. Mientras que, el análisis factorial indica que las concentraciones de Cl, NO3, Sr y Ba parecen estar relacionadas a la actividad agrícola que ocurre en la Depresión Central. Luego de definir la línea meteórica regional a los 33°S, los isótopos del agua muestran la participación de la lluvia y de la nieve que cae a ~2000 m s.n.m. en la recarga de los acuíferos de la Depresión Central. Además, los canales de regadío son responsables de las composiciones isotópicas de alta cota en el acuífero aluvial. El mapeo de fracturas a diferentes escalas (de regional a escala de afloramiento) se llevó a cabo en la ZFP, donde se reconocieron tres rasgos tectónicos principales no coetáneos dentro de la ZFP: i) fallas NS normal-sinestral con fracturas selladas por laumontita, cuarzo y calcita, ii) fallas NS inversas consistentes en bandas de cizalle (salvanda) de 30 a 60 cm, y iii) fallas NW inversas consistentes en planos discretos abiertos. Luego, a través de la topología se cuantificó la densidad de fracturas conectadas dentro de la ZFP, identificando dos zonas de alta densidad de fracturas conectadas (>2.4 km/km2). Ambas zonas coinciden con los manantiales principales de la ZFP: Termas de Jahuel (~14.0 m3/h at 22 °C) y Termas El Corazón (~7.2 m3/h at 20 °C). A escala de afloramiento se observa que el agua subterránea de estos manantiales circula por las fallas NW inversas, lo cual es consistente con la orientación preferencial de la red de fracturas dentro de la ZFP (N30-60W). Así, mientras que las fallas NS forman barreras las fallas NW son ejes de alta permeabilidad para la circulación de agua. Finalmente, se propone un modelo conceptual original que puede considerarse valido para todo Chile Central. El agua que se origina a ~2000 m s.n.m. alimenta la circulación de agua subterránea en la roca fracturada, que es transmitida hasta por las quebradas ubicadas en la parte media de la montaña. Hacia la parte baja, las fallas NW permitirían la recarga de bloque de montaña de los acuíferos aluviales aprovechando la alta densidad de fracturas conectadas en la ZFP. También ocurren procesos de frente de montaña que recargan los acuíferos aluviales en el piedemonte a través de la infiltración focalizada de escorrentías permanentes y transitorias.