4. DETERMINACION DE PARAMETROS GEOQUIMICOS 4.1

4. DETERMINACION DE PARAMETROS GEOQUIMICOS
4.1. Principales procesos de movimiento de solutos
en el agua subterránea
4.2. Mecanismos que retardan el movimiento de
solutos
4.3. Posibles fenómenos de flujo asociados
4.4. Principales
determinación
parámetros
geoquímicos
y
su
4.
DETERMINACION DE PARAMETROS GEOQUIMICOS
Dado
el evidente interés que las
de
baja permeabilidad ofrecen para el posible
de
residuos
vector
flujo
formaciones
confinamiento
nocivos y peligrosos, y dado que el
principal
de escape hacia la biosfera es el Constituido por
del
agua
utilización
subterránea,
se
establece,
a
el
planteamiento
grandes
rasgos,
de
el
esta
sobre
los
Conocimiento, modelizaci6n y control del flujo
del
siguientes aspectos fundamentales:
a)
agua subterránea.
b)
Conocimiento, rnodelización y control del transporte
de los elementos y sustancias indeseables en la formación de
confinamiento.
c)
de
Evaluación de las posibles vías de escape y factores
riesgo.
dendrograma
Asignación
de
de probabilidades
posibles
sucesivas
secuencias de eventos
que
en
el
puedan
malograr el confinamiento, a fin de rechazar o continuar
el
posible emplazamiento.
d) Construcción, estudio y control del emplazamiento.
e)
Operación
del emplazamiento y control de todos
los
parámetros introducidos en la modelización.
f)
Clausura
del
emplazamiento y mantenimiento
de
su
control durante un período razonable en el que sea posible la
recuperación
de los resíduos indeseables si se
serio riesgo.
131
advierte
un
9) Mantenimiento mínimo de seiialización y control.
apartados
Los
cerradas; todos
seiialados no constituyen fases o
sus aspectos deben ser objeto de
etapas
constante
estudio y revisión.
Después
de considerar las herramientas básicas para
conocimiento y modelización del flujo del agua
es
preciso
considerar
transporte
los mecanismos que
subterránea,
influyen
movimiento y transferencia de
(
el
masa)
en
de
el
los
elementos indeseables considerados, a fin de poder modelizar
y controlar su comportamiento. Para ello,
el
físico-químico de
estudio
sustancias
y
evolución
en
citados
sus asociaciones, sus posibles
el
comportamiento
utilizadas
los
se hace necesario
en
en
comportamiento
tiempo,
posibles
relación con las
el
en
sus
el
emplazamiento,
medio
natural
elementos
o
reacciones
y
reacciones
barreras
ingenieriles
finalmente,
y,
de
y
la
su
formación de
confinamiento. Todo ello conduce a la elaboración tanto de un
modelo hidroquímico como de uno de
asociación
poder
estrecha
con el del flujo del agua subterránea, a fin
predecir
nocivos
transporte, en
y
controlar la migración de
o de sus productos.
comportamiento para
confinamiento
los
elementos
La validez de la predicción del
enormes períodos
considerados
los
de
(
cientos de
de
tiempo
miles
e
de
incluso
millones de años para el caso de residuos radiactivos de alta
actividad
y
transuránidos),
cuestionable, aunque
de
confianza
sólidos.
será
siempre
un
asunto
podrá mantenerse una sólida sensación
si los argumentos y suposiciones de
El principal problema,
132
la carencia de
base
son
perspectiva
histórica
experiencia, puede paliarse algo mediante
y
observación detallada
de
los
fenómenos naturales
y
la
sus
posibles analogias.
Antes
de
considerar
determinación puede
los parámetros
geoquímicos
realizarse paralelamente a la
cuya
de
los
parámetros hidrogeológicos, es preciso conocer, al menos de
modo somero, los factores que influyen sobre el movimiento de
las partículas o sustancias en el medio.
4.1. PRINCIPALES
PROCESOS
DE MOVIMIENTO DE SOLUTOC EN
EL
AGUA SUBTERRANEA
Consideraremos en primer lugar la
advección.
Este
describe el movimier-to de las partículas de soluto a
término
la misma velocidad y condiciones que el flujo hidráulico. La
aureola
de contaminaci6n se desplaza
como un tapón" en
ID
el
flujo del agua subterránea. Este factor es prácticamente el
responsable del movimiento de contaminantes en formaciones de
cierta permeabilidad. El flujo de soluto es proporcional a la
permeabilidad y a la concentración.
Al disminuir la permeabilidad del medio,
importancia
relativa
dos conceptos,
Fick, y
que
la dispersión.
Este
vá adquiriendo
término
engloba
la difusión molecular, descrita por la ley de
carece
prácticamente de
importancia
excepto
cuando
la velocidad del flujo hidráulico
lenta.
El flujo de masa asociado a la difusión molecular
proporcional
es
extremadamente
es
al gradiente de concentración del soluto y a la
porosidad efectiva
,
con una constante de proporcionalidad, o
133
coeficiente de difusión, que depende
solvente y
mecánica,
del
que
soluto.
También
de la naturaleza
incluye
la
dispersión
expresa la fluctuación de la velocidad de las
y que puede
partículas del soluto alredeor del valor medio,
ser
expresada
tensor
de
del
de
forma análoga a la anterior pero
dispersividades que,
en
general,
con
podrá
un
ser
anisótropo.
4.2.
MECANISMOS QUE RETARDAN EL MOVIMIENTO DE SOLUTOS
fenómenos de
Los
entre
adsorción, acumulación de materia en
la
solución
desarrollo
de
acuosa
y
un
adsorbente
disposición molecular
absorción, difusión
acuosa
dentro
ser
de
gran
de
de
Los tres principales procesos de sorción
un elemento nocivo.
la
pueden
la atenuación y retardo del transporte
importancia para
son
sorción
la
interfase
sólido,
tridimensional,
o penetración de una sustancia en
una fase sólida, y
coprecipitación, con
sin
la
fase
la precipitación o
crecimiento de una fase sólida en
interfase s6lido-soluci6n y caracterizada por una
la
estructura
molecular que se repite tridimensionalmente.
Los
factor
tres
de
procesos son englobados habitualmente en
retardo,
distribución"
Kd
,
definido
por
el
"coeficiente
un
de
que expresa la relación lineal entre la
cantidad adsorbida o fijada en fase sólid~y la concentración
en
la solución, para un elemento dado.
El
coeficiente
incorporado
en
los
de
distribución
modelos
134
de
es
transporte
frecuentemente
(
advectivo-
difuslvos) de radionúclidos, si bien no tiene en cuenta las
variaciones de quimismo y de temperatura en el medio,
por lo
que
a
su
aplicación
resulta
condiciones de su medición.
estrictamente
limitada
las
Su validez se considera adecuada
para concentraciones traza del elemento, que satisfacen más o
menos
las
condiciones de adsorción isoterma de
Cuando
relativamente
Freundlich,
la
concentración
elevada,
que
isotermo, entre
suele
establece
la
del
aplicarse
relación,
Langmuir.
elemento
la
ecuación
en
es
de
equilibrio
la cantidad adsorbida y la concentración en
la solución del siguiente modo
s =
siendo
k
k.c*
y n constantes para una temperatura dada, y c
la
concentración.
Aunque
aún
adsorción, se
se
ignora mucho sobre
los
procesos
de
investiga sobre el comportamiento de especies
tanto catiónicas como aniónicas de los diversos radionúclidos
relación con los hidratos de hierro y de manganeso y
en
materiales
arcillosos.
comprendidos
hidróxido
entre
férrico
5.5
Por
y
ejemplo,
6.5
la
a
valores
adsorción
amorfo es prácticamente
de
total
con
de
pH
NP'~
en
(NUREG/CR
4030,1985).
La experimentación, tanto de laboratorio como de campo,
(
en emplazamientos someros de residuos de baja
actividad),
constituye una importante fuente de datos que debe ampliarse
para
un mejor conocimiento de los fenómenos de
135
retardo.
En
líneas generales puede decirse que la adsorción
es
alta
para las especies catiánicas de los elementos pesados y
baja
para las aniónicas o sin carga eléctrica.
Una
efectos
sencilla, aproximada y que
ecuación
ignora
los
de la dispersión, para tener idea de la movilidad y
retardo de las diversas especies, es la siguiente:
VRN =
Vrw
l + d K a
n
donde
= velocidad del frente de avance de la
V-
sustancia
(m/d)
VGw = velocidad del flujo hidráulico (m/d)
d = densidad de la roca o material adsorbente (g/cm3)
n = porosidad efectiva (tanto por uno)
Ka = coeficiente de distribución
mayores
Los
conocimiento y
determinación
la
problemas
prácticos
para
el
correcto
modelización del transporte estriban
en
la
de las diversas especies puestas en solución y
cinética y
termodinámica de
los
complejos
sistemas
resultantes.
4 . 3 . POSIBLES FENOMENOS DE FLUJO ASOCIADOS
Como
hemos
visto,
el estudio y modelización
flujo del agua subterránea se realiza mediante las
de
Darcy,
ecuación
El
realiza
pudiéndose
fundamental
aplicar
del
diversas
hipótesis
soluciones de
la
la
flujo hidráulico.
estudio y modelización del transporte de solutos
mediante
del
consideraci6n del
136
flujo
se
hidráulico
(advección),
difusión
molecular
y dispersión
(fei0menos
y un factor de retardo debido a los fenómenos de
difusivos),
sorción y precipitación.
No
obstante,
relativa
que
se discute sobre la
posible
importancia
pueden tener otros fenómenos como la
ultrafiltración, electroforesis y gradientes
ósmosis,
térmicos,
si
posible magnitud parece quedar eclipsada por la
de
las imprecisiones y errores cometidos en la determinación
de
bien
su
los parámetros convencionales.
En
de
zonas profundas,
baja
permeabilidad
membranas
las propiedades de las formaciones
pueden
semipemeables
permitirlas
actuar
como
que impidan o retarden el paso
de
ciertos iones, lo que motivaría los dos fenómenos opuestos de
6smcsis
ultrafiltración.
y
minerales
Los
restringir o
permiten
arcillosos compactados pueden llegar
impedir el paso de especies
el
flujo
de
las
iónicas mientras
moléculas
de
ultrafiltración tendría lugar, por ejemplo,
salinizada
se mueve
a
agua.
cuando un
a través de un acuitard
y
La
agua
iones
los
salinos son retardados, resultando un efluente más diluído y
produciendo
formación
sido
una
progresiva
concentración
que suministra agua al acuitard.
salina
en
la
Este fenómeno ha
invocado algunas veces para explicar la
salmueras
en
existencia
de
algunas cuencas profundas.
Bredehoeft et al (1963) sugirieron que el origen de las
salmueras
de
desde
zonas
cuenca
y
la
cuenca de Illinois pudo deberse
de recarga periféricas hacia el
su
posterior
ascenso
137
a
través
al
centro
de
las
flujo
de
la
capas
confinantes
que impidieron la migración de
iones, causando
así una mayor concentración salina en el fondo de la cuenca.
El fenómeno opuesto, la ósmosis,
dos
tendría lugar
formaciones de diferente salinidad se hallan
por
otra
que
actúa
como
membrana
cuando
separadas
semipermeable.
En
condiciones isotermas, tenderá a producirse un flujo desde la
menos salina hacia la más salina, y la transferencia de agua
originará
un
disminución
aumento de
en
presión
en
esta
última
la primera hasta equilibrarse las
una
y
presiones
osmóticas.
La
importancia
suficientemente
de
ambos
fenómenos no
demostrada
insignificantes a
pueden
menos que existan grandes
ha
sido
considerarse
contrastes
de
salinidad entre las formaciones infra y suprayacente a una de
baja permeabilidad.
Es bien conocido que la aplicación de un campo eléctrico
a
una
roca porosa puede generar un movimiento
iónicas.
La
comparación de
de
este fenómeno de
especies
transporte,
electroforesis, con el de difusión es difícil, ya que ambos
se
encuentran
estrechamente asociados
en
los
medios
naturales.
Las posibles causas de un fenómeno de electroforesis, es
decir,
la
aparición
de
un
campo
eléctrico,
habría
que
buscarlas en reacciones de oxidación-reducción, especialmente
las
que
pudieran
tener
lugar
con
los
residuos o
contenedores.
Al
reactivas
las inmediaciones de la zona de
en
cambiar la concentración de
138
las
sus
especies
reacción,
se
produciría
un
flujo
concentraciones, razón
difusivo
para
reponer
dichas
por la cual ambos tipos de flujo
no
pueden ser debidamente aislados.
La difusión térmica, efecto Soret, puede ser apreciable
si existen elevados gradientes de temperatura, muy superiores
a
20
OC/m,
por
importancia, aunque
lo
que
puede
llegar a
en una zona pequeña y
tener
muy
cierta
localizada,
alrededor de los contenedores de residuos radiactivos de alta
actividad, por el calor que generan, pero su importancia se
considera insignificante en el medio natural.
4.4.
PrinciDales parámetros aeoauímicos Y su determinacion
Al
sustancias
realizar
sondeos se introducen en
ajenas al mismo,
el
terreno
concretamente las existentes en
el fluído de perforación. Por ello, es necesario conocer las
propiedades
poder
químicas del agua o lodos empleados,
determinar
después
sin
lugar
a
características del fluido de la formación y las
a
fin de
dudas
las
condiciones
agua-roca.
El
análisis y control del fluido de perforación
puede
realizarse mediante procedimientos más o menos
manuales, o
mediante
proporcionar
un
método
monitorizado
que
puede
indicaciones sobre fracturas y zonas de mayor permeabilidad y
aporte de agua,
como el "CHEMDRILL" del B.R.G.M.
CHEMDRILL monitoriza
temperatura, pH,
El sistema
sobre un ordenador PC los valores
de
Eh y conductividad eléctrica del fluido de
139
perforación, pudiendo
además detectar
zonas
de
fractura
mediante análisis continuo del contenido en helio del
a su retorno del pozo.
diversas
especies
fluído
Presenta opciones para el análisis de
químicas
en laboratorio de
variaciones detectadas en el fluído de
monitorizadas, proporcionan
campo.
Las
retorno, debidamente
importantes indicaciones
sobre
las características de las formaciones atravesadas.
Las
la
condiciones agua-roca y el grado de aislamiento
formación
son
factores importantes
para
de
posibles
emplazamientos de residuos nocivos o peligrosos. Para obtener
informaci6n
sobre estos
combinación de métodos,
extremos
incluyendo
puede
utilizarse
la datación
del
una
agua
mediante medición de isótopos corno el cloro-36, He, Ne y Ar,
e
isótopos
estables
de
or?geno e
hidrógeno
en
el
agua.(Tsang,l985).
Los
principales
equilibrio mineral,
reducción
del
medio
parámetros que definen el
control de
así como las condiciones de
oxidacion-
deben medirse
sustanciales variaciones
in
situ,
dadas
que pueden producirse mientras
las
se
envían las muestras a un laboratorio. Estos pardmetros son:
- Temperatura
-
PH
Eh
Conductividad eléctrica
Oxígeno disuelto
Estos
en
un
parámetros pueden de’:erminarse mediante
laboratorio de campo, o incluso dentro
mediante
sondas
apropiadas,
140
como,
por
medición
del
sondeo
ejemplo,
la
HYDROLAB, conectable a ordenador PC
"datasonde" de
registra temperatura, conductividad, p H ,
y
que
oxígeno disuelto,
Eh, profundidad, nivel libre y salinidad.
Los
definen
el
indicaciones
que
ha
y
aniones
tipo
cationes mayores presentes en
hidroquímico
de
ésta,
agua
proporcionan
sobre la naturaleza de las formaciones por
circulado
y
configuran,
conjuntamente
parámetros
anteriores, el
acuoso
la formación. Su determinación puede
en
el
marco
termodinámico
con
del
las
los
medio
realizarse
tanto en laboratorio de campo como en laboratorio central, ya
que
los
procesos
muestra
de
de
agua
no
toma,
envase
afectan
y
transporte
sustancialmente
de
a
la
estos
parámetros, entre los que pueden citarse Ca+2, Mg+2, Na+, K+,
HCOs-, S04*2, C1-, Si02 y Nos-.
Los
metales
proporcionar
pesados
y
indicaciones
elementos
sobre
posteriores
entra
además
características de
formaciones recorridas por el agua,
las
traza,
las
constituyen la hase para
comparaciones de control si s e construye
en funcionamiento un depósito de residuos. Por
conviene
de
que las primeras determinaciones sean
ello,
exhaustivas,
aunque después se seleccione un número limitado de
en función de la naturaleza de los residuos.
y
elementos
Estos análisis,
dadas las bajas concentraciones de los elementos traza, deben
realizarse
siempre en
un laboratorio bien
equipado
y
de
garantía.
Sobre
además
de
las
muestras de roca obtenidas en
las
determinaciones de
141
los
sondeos,
densidad, porosidad
y
permeabilidad, debe
rayos
hacerse un estudio de difractometrla de
x para la determinación de componentes minerales,
un
estudio petrográfico y un análisis químico.
determinación del contenido y estructura de hidratos
La
de hierro y manganeso, y la caracterización de los minerales
arcillosos,
puede
proporcionar
indicaciones
sobre
el
comportamiento del medio respecto a los fenómenos de sorción.
En
las rocas cristalinas debe prestarse especial atención al
material
de relleno de las fracturas, por ser donde
pueden
tener lugar estos fenómenos.
También
debe prestarse
y
fluídas
a
a
las
las microestructuras que
características sobre
ejemplo,
atención
estructuras
el
inclusiones
puedan
comportamiento del
revelar
medio
por
(
disoluci6n-recristalizacjin,
de
alteración de minerales, etc.).
El
análisis
químico e isotópico del agua
intersticial
puede suministrar indicaciones sobre el grado de equilibrio y
tiempo de residencia del agua.
obtenerse
bien
este
deben
condiciones
agua mediante un proceso
extremarse
precauciones
extrusión,
respecto
las
que unas condiciones inadecuadas o un
tismpo
pueden
originar
implicar un cambio en
la
agua extraída
,
las
características
y un exceso de
extracción de agua
de
unos
datos
que
técnica.
142
son un
mero
carga
hidratacióii
algunos minerales en vez de solamente el agua
resultando
a
si
cargas
fisico-químicas del
puede
las
de
ambientales del laboratorio, tiempo y
empleadas, ya
excesivo
En rocas compresibles, puede
de
intersticial,
artefacto
de
la