Justin P. Dodd

Spatial and temporal constraints on regional-scale groundwater flow in the Pampa del Tamarugal Basin, Atacama Desert, Chile

Aquifers within the Pampa del Tamarugal Basin (Atacama Desert, northern Chile) are the sole source of water for the coastal city of Iquique and the economically important mining industry. Despite this, the regional groundwater system remains poorly understood. Although it is widely accepted that aquifer recharge originates as precipitation in the Altiplano and Andean Cordillera to the east, there remains debate on whether recharge is driven primarily by near-surface groundwater flow in response to periodic flood events or by basal groundwater flux through deep-seated basin fractures. In addressing this debate, the present study quantifies spatial and temporal variability in regional-scale groundwater flow paths at 20.5°S latitude by combining a two-dimensional model of groundwater and heat flow with field observations and δ18O isotope values in surface water and groundwater. Results suggest that both previously proposed aquifer recharge mechanisms are likely influencing aquifers within the Pampa del Tamarugal Basin; however, each mechanism is operating on different spatial and temporal scales. Storm-driven flood events in the Altiplano readily transmit groundwater to the eastern Pampa del Tamarugal Basin through near-surface groundwater flow on short time scales, e.g., 100–101 years, but these effects are likely isolated to aquifers in the eastern third of the basin. In addition, this study illustrates a physical mechanism for groundwater originating in the eastern highlands to recharge aquifers and salars in the western Pampa del Tamarugal Basin over timescales of 104–105 years.RésuméLes aquifères de la pampa du bassin du Tamarugal (désert d’Atacama, Nord du Chili) constituent la seule source d’approvisionnement en eau pour la ville côtière d’Iquique et l’industrie minière, importante sur le plan économique. Malgré cela, le système régional des eaux souterraines demeure mal compris. Bien qu’il soit largement accepté que la recharge de l’aquifère trouve son origine dans les précipitations de l’Altiplano et de la Cordillère des Andes à l’est, le débat demeurre pour savoir si la recharge est conduite principalement par des écoulements proches de la surface en réponse aux événements périodiques d’inondation ou bien par un écoulement souterrain empruntant des fractures ancrées en profondeur dans le bassin. En s’attaquant à cette discussion, la présente étude mesure la variabilité spatiale et temporelle des cheminements des eaux souterraines à l’échelle régionale, à la latitude de 20.5°S en combinant un modèle bidimensionnel des transferts d’eaux souterraines et de chaleur avec des observations de terrain et des valeurs de l’isotope δ18O dans les eaux souterraines et les eaux de surface. Les résultats suggèrent que les deux mécanismes de recharge précédemment proposés influencent probablement les aquifères dans la pampa du bassin du Tamarugal; cependant, chaque mécansime fonctionne sur différentes échelles spatiales et temporelles. Des inondations provoquées par des événements orageux dans l’Altiplano se propagent aisément aux eaux souterraines vers l’est de la pampa du bassin du Tamarugal Basin par un écoulement des eaux souterraines proche de la surface sur des échelles de temps courtes, par exemple, 100–101 ans, mais ces effets sont probablement localisés dans les aquifères du tiers oriental du bassin. En complément, cette étude illustre le mécanisme physique pour des eaux souterraines provenant des montagnes orientales pour recharger des aquifères et des salars dans l’ouest de la Pampa du bassin de Tamarugal dans des échelles de temps de 104–105 années.ResumenLos acuíferos de la cuenca de la Pampa del Tamarugal (Desierto de Atacama, norte de Chile) son la única fuente de agua para la ciudad costera de Iquique y para la industria minera de importancia económica. A pesar de esto, el sistema regional de agua subterránea sigue siendo poco conocida. Aunque está ampliamente aceptado que la recarga de los acuíferos se origina en la precipitaciones en el Altiplano y la Cordillera de los Andes al este, sigue habiendo un debate si la recarga es determinada principalmente por el flujo subterráneo cercano a la superficie en respuesta a eventos de inundación periódicos o por el flujo subterráneo basal a través de las fracturas situadas en profundidad en la cuenca. Para el tratamiento de este debate el presente estudio, cuantifica la variabilidad espacial y temporal de las trayectorias de flujo subterráneo a escala regional a una latitud de 20.5 ° S mediante la combinación de un modelo bidimensional del flujo subterráneo y de calor con las observaciones de campo y los valores isotópicos de δ18O en las aguas superficiales y subterráneas. Los resultados sugieren que tanto los mecanismos de recarga de los acuíferos previamente propuestos son probablemente influyentes en los acuíferos de la cuenca de la Pampa del Tamarugal; sin embargo, cada mecanismo está operando en diferentes escalas espaciales y temporales. Las inundaciones por las tormentas en el Altiplano transmiten fácilmente al agua subterránea en la cuenca oriental de la Pampa del Tamarugal través del flujo subterráneo cercano a la superficie en escalas de tiempo corto, por ejemplo, 100–101 años, pero estos efectos probablemente son aislados en los acuíferos del tercio oriental de la cuenca. Además, este estudio ilustra un mecanismo físico para las aguas subterráneas que se originan en las tierras altas del este para recargar los acuíferos y salares en la Cuenca de la Pampa del Tamarugal occidental en escalas de tiempo de 104–105 años.摘要(智利北部阿塔卡马沙漠)Pampa del Tamarugal盆地内的含水层是沿海城市伊基克及经济上重要的开采行业的唯一水源。尽管如此,人们对区域地下水系统仍然知之甚少。虽然普遍认为含水层补给来源于东面的阿尔蒂普拉诺高原和安第斯山脉,但是否主要由周期性洪水事件造成的近地表地下水流或者由穿过深部盆地断裂的基岩地下水通量补给仍存在着争议。为探寻这个争议,目前的研究把地下水与热流二维模型与野外观测数据及地表水和地下水中的同位素δ18O值相结合,量化了纬度20.5°S区域尺度地下水流通道的时空变化。结果显示,上述两种含水层补给机理很可能影响着Pampa del Tamarugal盆地内的含水层;然而,每一种机理处在不同的时空尺度上。阿尔蒂普拉诺高原暴雨引起的洪水事件很容易把地下水通过短时尺度如100–101年近地表地下水流输送到Pampa del Tamarugal盆地,但是这些效果很可能被分散到了盆地东部三分之一区域的含水层。此外,本项研究论述了起源于东部高地的地下水在104–105年时间尺度上补给Pampa del Tamarugal盆地西部含水层和干盐湖的物理机理。ResumoAquíferos dentro da bacia do Pampa do Tamarugal (Deserto do Atacama, norte do Chile) são a única fonte de água para a cidade costeira de Iquique e economicamente importante para a indústria de mineração. Apesar disso, o sistema de águas subterrâneas regional permanece pobremente entendido. Embora seja amplamente aceito que a recarga do aquífero origina-se como precipitação no Altiplano e Cordilheira Andina para o leste, há debates remanescentes se a recarga é oriunda primeiramente pelo fluxo de águas subterrâneas próximo da superfície em resposta a eventos periódicos de inundação ou pelo fluxo basal de águas subterrâneas através de bacias fraturadas profundas. Em resposta a este debate, o presente estudo quantifica a variabilidade espacial e temporal em escala regional dos padrões de fluxo das águas subterrâneas no trajeto em 20.5°S de latitude combinando um modelo bidimensional de águas subterrâneas e fluxo de calor com observações a campo e valores isotópicos de δ18O em águas superficiais e subterrâneas. Os resultados sugerem que ambos mecanismos de recarga do aquífero anteriormente propostos estão provavelmente influenciando dentro da bacia do Pampa do Tamarugal; porém, cada mecanismo está operando em diferentes escalas espaciais e temporais. Eventos de inundação gerados por tempestades no Altiplano prontamente transmitem águas subterrâneas para o leste da bacia do Pampa do Tamarugal através do fluxo próximo à superfície das águas subterrâneas numa curta escala de tempo, p.ex., 100–101 anos, mas estes efeitos são provavelmente isolados para aquíferos do terço leste da bacia. Além disso, este estudo ilustra um mecanismo físico para a origem das águas subterrâneas nas terras altas orientais para recarregar aquíferos e salares no oeste da bacia do Pampa do Tamarugal sob escalas de tempo de 104–105 anos.

A review of the stable isotope bio-geochemistry of the global silicon cycle and its associated trace elements

Silicon (Si) is the second most abundant element in the Earth’s crust and is an important nutrient in the ocean. The global Si cycle plays a critical role in regulating primary productivity and carbon cycling on the continents and in the oceans. Development of the analytical tools used to study the sources, sinks, and fluxes of the global Si cycle (e.g., elemental and stable isotope ratio data for Ge, Si, Zn, etc.) have recently led to major advances in our understanding of the mechanisms and processes that constrain the cycling of Si in the modern environment and in the past. Here, we provide background on the geochemical tools that are available for studying the Si cycle and highlight our current understanding of the marine, freshwater and terrestrial systems. We place emphasis on the geochemistry (e.g., Al/Si, Ge/Si, Zn/Si, δ13 C, δ15 N, δ18 O, δ30 Si) of dissolved and biogenic Si, present case studies, such as the Silicic Acid Leakage Hypothesis, and discuss challenges associated with the development of these environmental proxies for the global Si cycle. We also discuss how each system within the global Si cycle might change over time (i.e., sources, sinks, and processes) and the potential technical and conceptual limitations that need to be considered for future studies.

Isotope geochemistry (O, H and Sr) of Late Cretaceous volcanic rocks, Haţeg Basin, South Carpathians, Romania

Abstract Oxygen and strontium isotopic ratios belonging to Late Cretaceous volcaniclastic deposits of the Haţeg Basin, South Carpathians, are documented here for the first time. The analyses performed on mineral concentrates suggest that associated magmas account for an assimilation–fractional crystallization trend with 87Sr/86Sr ratios of between 0.705 and 0.706, and a large range of δ18O up to 16‰, and a trend with higher 87Sr/86Sr ratios (0.707–0.708) but lower δ18O (8.2–7.9‰) values for leucrocratic minerals, such as plagioclase and sanidine. The Sr–O modelling of the main trend, using mafic minerals (pyroxene and amphibole), indicate 1–3% source contamination associated with up to 20% crustal assimilation. Hydrogen isotopic composition of amphiboles, biotite and groundmass do not confirm any significant involvement of an external fluid, either hydrothermal or diagenetic.

DOMESTICANDO EL DESIERTO: MEDIO AMBIENTE Y OCUPACIONES HUMANAS EN RAMADITAS, DESIERTO DE ATACAMA

El sitio arqueologico de Ramaditas tiene un significado mas alla de su valor historico-social y ambiental. Localizado en uno de los desiertos mas aridos y antiguos del mundo, el desierto de Atacama, Ramaditas representa un reto al entendimiento actual de la importancia del agua como recurso de sustento y desarrollo humano en cualquier lugar. Bajo estas condiciones es dificil explicar como las sociedades prehispanicas lograron asentarse y prosperar en un medio de tal hostilidad. Estudios previos realizados en diversas zonas del desierto de Atacama, y en especial en las areas de Guatacondo y Tarapaca, demuestran que han sido dramaticamente mas productivas en el pasado. El hecho que las sociedades hayan podido desarrollarse en estos ambientes y mantener niveles demograficos mas altos que los actuales requieren de una explicacion. El area de Ramaditas/Guatacondo exhibe importantes evidencias de ocupacion humana que se manifiestan en conjuntos arquitectonicos concentrados en dos aldeas principales, extensos campos de cultivos y rasgos tales como reservorios de agua, pequenos tranques, pozos artesianos, una extensa red de canales y dispositivos para controlar el flujo del agua. El area es importante tanto desde el punto de vista climatologico como arqueologico, debido a que se ubica gran cantidad de artefactos y uso de la tierra con practicas agricolas que estaban en pleno desarrollo hace 2500 anos. En este trabajo entregamos recientes resultados en relacion con las condiciones paleoambientales del area obtenidos a traves de estudios dendrocronologicos que favorecen un modelo pa-leoclimatico a nivel macrofisico basado en indices de precipitaciones en la alta cordillera y el subsecuente escurrimiento de aguas hacia la Pampa del Tamarugal.