Modélisation de l'interaction surface – souterrain du système aquifère Tumbaco - Cumbayá en Equateur, avec une approche hydrodynamique et géochimique

by Carla J. Manciati

Doctoral thesis in Eaux continentales et Société

Under the supervision of Christian Leduc and Jean-Denis Taupin.

defended on 07-07-2014

in Montpellier 2 , under the authority of Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , in a partnership with Gestion de l'eau, acteurs et usages (Montpellier) (laboratoire) and Gestion de l'Eau- Acteurs et Usages / UMR G-EAU (laboratoire) .

  • Alternative Title

    Modelling of surface and groundwater interaction of Tumbaco - Cumbayá aquifer in Ecuador


  • Abstract

    The Tumbaco – Cumbayá aquifer is found in the context of volcano-sedimentary aquifers. This aquifer is located in the Interandean Valley, 15 km to the east of Quito. The principal aquifer is the volcano-sedimentary formation Chiche. It is limited by the Chiche and San Pedro rivers, the Quito fault and the Pasochoa volcano. The Ilaló volcano is in the middle of the study zone and constitutes a second essentially volcanic aquifer, and is therefore subject to geothermal influences. This volcanic formation appears to be below the Chiche formation. The geologic layer on the surface is called Cangahua, it covers the entire zone and is impermeable. The exploitation of the Chiche and Ilaló aquifers was theoretically suspended in 2006, when arsenic concentrations > the WHO standard of 10 microg/l were found. Our objective is to improve the knowledge of the functioning of this aquifer system using three main research methods: i) hydrodynamics, ii) geochemistry and iii) stable isotopes, 18O - 2H, and radioactive isotopes, 3H - 14C.Hydrodynamics showed that the aquifer system has a low seasonality. We revealed that the aquifers are currently exploited for industrial and domestic uses, contrary to what was known at the beginning. The Ilaló volcano divides the south and north parts of the Chiche aquifer, with the volcano apparently acting as a hydraulic barrier for flows. The Chiche and San Pedro rivers are the drainage axes of the Chiche aquifer in the north and south.The analyses of the waters' physical parameters differentiated the two aquifers, Chiche aquifer having lower EC and temperature than the Ilaló aquifer. Major ions analysis revealed waters that vary between Mg-HCO3 pole and a Na-HCO3 pole in both the Chiche and Ilaló aquifers. As concentrations are higher in the Ilaló aquifer than in the Chiche aquifer. In the Chiche aquifer, As concentrations also decrease as the distance from the volcano increases. Arsenic is of natural origin, but no significant correlations were found for the Chiche aquifer. In the Ilaló aquifer a 57% correlation with Fe was found, which suggests an interaction between As and Fe oxides present in the geologic formation.Radioactive isotope 3H was not detected in groundwater from either aquifer, except in one spring in the north of the study area in the Chiche formation. The likely infiltration from recent waters was confirmed by 14C analysis this spring, which showed concentrations > 100 pmc. Other sampling points in the Chiche aquifer have 14C activities between 45.4 - 87.4 pmc. The Ilaló aquifer has 14C activities < 20 pmc. Water ages were calculated and corrected using 13C, which reveal a contamination from geogenic CO2, making water seem older than it is in reality. Despite the age correction, groundwater ages remain very old: Chiche groundwaters are between 400 - 4,000 years old and Ilaló groundwaters are between 11,000 - 44,000 years old. Stable isotopes were used to identify recharge areas. Groundwaters from Chiche aquifer show an isotopic 18O and 2H signature below the Local Meteoric Water Line (slope=3.5). This was interpreted as isotopic fractionation from hot rock and water interactions, which was not observed in the Ilaló aquifer. Recharge altitude calculations show that the Chiche aquifer is fed on the Ilaló and Pasochoa volcano piedmonts, if we consider that climatic conditions over the recharge period are close to current conditions. However, for the Ilaló aquifer, recharge areas appear to be located on the flanks of the volcano, assuming colder recharge climatic conditions than today. This recharge area should no longer be functional because of the Cangahua deposits during the last volcanic events.Results suggest that Ilaló groundwaters are being mixed with Chiche groundwaters. This research is the first to have been done with this level of detail in Ecuador on this type of aquifer and will provide new opportunities for projects in others volcano-sedimentary aquifers in the country.


  • Abstract

    L'aquifère Tumbaco – Cumbayá, sujet de la présente étude, se situe dans le contexte typique des aquifères volcano-sédimentaires. Cet aquifère se localise dans la Vallée Interandine, à 15 Km à l'Est de Quito. L'aquifère principal est la formation volcano-sédimentaire Chiche. Il est limité par la rivière Chiche et San Pedro, la faille de Quito et le volcan Pasochoa. Le volcan Ilaló se trouve au milieu de la zone d'étude. Il forme un second aquifère essentiellement volcanique soumis à un géothermalisme lié au volcan, dont la partie enterrée du cône est apparemment au-dessous de la formation Chiche. La couche géologique en surface est appelée Cangahua. Elle recouvre toute la zone et elle est imperméable. L'exploitation des aquifères Chiche et Ilaló a été théoriquement suspendue à partir de 2006, quand des teneurs en arsenic supérieures à la norme de 10 microg/l ont été détectées. Notre objectif est d'améliorer la connaissance du fonctionnement intégral de ce système aquifère en utilisant trois axes principaux de recherche : i) l'hydrodynamique, ii) la géochimie et, iii) les isotopes stables, 18O et 2H, et radioactifs, 3H et 14C.L'hydrodynamique montre que le système aquifère a une saisonnalité très faible. Par ailleurs, les aquifères sont actuellement exploités par un usage industriel et domestique, contrairement à ce qui a été pensé au début. Le volcan sépare les parties Sud et Nord de l'aquifère Chiche et il fonctionne comme une barrière hydraulique du flux. Les rivières Chiche et San Pedro sont des axes de drainage de l'aquifère, au Nord et au Sud.L'analyse des paramètres physiques de l'eau ont mis en évidence deux aquifères bien différenciés : l'aquifère Chiche avec des CE et des températures plus basses que l'aquifère Ilaló. La chimie des ions majeurs a révélé un faciès de l'eau qui évolue d'un pôle Mg-HCO3 à un pôle Na-HCO3, dans l'aquifère Chiche et aussi dans l'aquifère Ilaló, alors que l'aquifère Chiche Sud est plus Mg-HCO3. Les teneurs en As sont plus élevées dans l'aquifère Ilaló que dans l'aquifère Chiche, où les teneurs baissent au fur et à mesure que l'on s'éloigne du volcan. Cet élément est d'origine naturelle, mais aucune corrélation significative n'a pas été trouvée pour l'aquifère Chiche. Cependant, dans l'aquifère Ilaló, une corrélation de 57% a été trouvée avec le fer, suggérant une interaction avec les oxydes de fer de la formation géologique.L'isotope radioactif 3H n'a pas été détecté dans l'eau des aquifères, à exception d'une source au Nord de la zone d'étude, dans la formation Chiche. Cette infiltration probable d'eaux récentes a été confirmée par le 14C, qui a des teneurs supérieures à 100%. Le reste des points de l'aquifère Chiche ont des activités 14C entre 45,4 et 87,4 pmc. Pour l'aquifère Ilaló les activités 14C sont < 20 pmc. L'âge de l'eau a été calculé et corrigée à partir du 13C qui montrait une contamination par le CO2 profond, qui donne des âges plus anciens qu'en réalité. Malgré la correction, les âges de l'eau continuent à se montrer très élevés, pour Chiche entre 400 et 4000 ans et Ilaló entre 11000 et 44000 ans. Les isotopes stables ont été utilisés pour identifier les zones de recharge. L'eau de l'aquifère Chiche a montré un comportement isotopique en 18O et 2H sous la droite météorique locale, avec une pente de 3,5, signal d'un fractionnement isotopique d'échange avec la roche chaude qui n'a pas été observé dans l'aquifère Ilaló. Le calcul de l'altitude de recharge a montré que l'aquifère Chiche s'alimente au pied du volcan Ilaló au Nord et au pied du volcan Pasochoa au Sud, en considérant des conditions climatiques similaires aux conditions actuelles. Pour l'aquifère Ilaló, la zone de recharge se trouverait sur les flancs du volcan, en supposant des conditions climatiques de recharge plus froides que les conditions actuelles. Mais cette zone ne serait plus fonctionnelle dû au dépôt de Cangahua.Les résultats suggèrent que les eaux de l'Ilaló se mélangent avec l'aquifère Chiche.


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