Modelo geoqumico conceptual de la evolucin del agua subterrnea en el valle de MxicoAntonio CardonaUniversidad Nacional Autnoma de Mxico

Noel HernndezComisin Nacional del Agua

A partir de la interpretacin de resultados de anlisis qumicos (elementos mayores y traza) deagua subterrnea de la cuenca del valle de Mxico, del reconocimiento de la interaccin agua-roca, y de clculos de balance de masa (modelacin geoqumica inversa), se propone un modelo conceptual de la evolucin qumica del agua subterrnea con la identificacin de los procesos geoqumicos dominantes en el contexto hidrogeolgico y dinmico del rea de estudio. Las principales reacciones que condicionan la evolucin de la composicin qumica del agua subterrnea en la direccin de flujo analizada son: mezcla de aguas entre diferentes miembros extremos inducida por el bombeo de pozos, intercambio inico fijando calcio y magnesio en la matriz arcillosa del acufero y liberando sodio y potasio al agua subterrnea, procesos de oxidacin-reduccin que condicionan las concentraciones de sulfato, bicarbonato, nitrato, hierro, manganeso y posiblemente arsnico. El conocimiento de estas reacciones naturales permitir diferenciar entre zonas de agua de mala calidad natural y zonas con efectos de contaminacin antropognica. Los resultados indican que en la regin identificada como acufero semiconfinado y la zona de Iztapalapa-Santa Catarina, continuar la evolucin detectada en la calidad del agua bombeada por pozos de abastecimiento.

Palabras clave: anlisis qumico, agua subterrnea, valle de Mxico, interaccin agua-roca, balance de masa, procesos geoqumicos, contaminacin antropognica.

Introduccin La zona metropolitana de la Ciudad de Mxico est asentada en un valle cerrado, situado a ms de msnm, en donde viven alrededor de de personas que utilizan un volumen del orden de m3/s de agua potable para satisfacer sus necesidades. Aproximadamente el del volumen total que se consume, es agua subterrnea que se explota por medio de pozos profundos ubicados dentro del valle de Mxico que a su vez se localiza en la porcin suroccidental de la cuenca de Mxico, ilustracin La cuenca de Mxico abarca aproximadamente km2y oscila entre los msnm, en la planicie del Valle, y los ms de msnm, en las montaas y

sierras adyacentes conformadas por rocas volcnicas pertenecientes al cinturn volcnico mexicano. La precipitacin media anual en el Valle es de alrededor de mm, mientras que en las partes montaosas alcanza mm. Mazari y Mackay (1993),establecen tres zonas fisiogrficas para la zona del valle de Mxico: Lacustre De transicin Montaosa El agua subterrnea en la cuenca de Mxico es de vital importancia para el abastecimiento a la poblacin. Como se requiere que este recurso sea apto para con-

sumo humano, el conocimiento de los procesos que afectan su calidad es indispensable en la bsqueda de sitios idneos para la perforacin de nuevos aprovechamientos. Los estudios de cuantificacin y manejo de recursos hidrulicos subterrneos dependen en gran medida de la comprensin del funcionamiento hidrodinmico de los sistemas de flujo subterrneo. Es aqu donde la hidrogeoqumica se utiliza directamente como una herramienta en la definicin de dichos sistemas y en el establecimiento de los cambios en la calidad del agua, provocados por el bombeo durante el transcurso de la operacin de los pozos. Existen varios trabajos relacionados con el agua subterrnea de la cuenca de Mxico: Cruickshank et al., Herrera et al., Herrera et al., (1989) y la Direccin General de Construccin y Operacin Hidrulica, DGCOH (dependencia del Departamento del Distrito Federal, DDF) han realizado modelacin aplicada al agua subterrnea para proponer estrategias en cuyas evaluaciones no consideran la variacin de la calidad del agua con respecto al tiempo de bombeo, debido a los esquemas de explotacin propuestos.

Como esquema conceptual, estos trabajos involucran nicamente la modelacin del flujo de agua subterrnea sin considerar su calidad, por lo tanto pueden sobrestimar el volumen de agua subterrnea disponible de calidad aceptable para consumo humano. Por otra parte, la mayora de los estudios hidrogeoqumicos han sido dedicados a definir la calidad del agua en pozos y manantiales con respecto a normas y estndares de diversos organismos nacionales e internacionales. En ellos se menciona si el recurso es o no apto para algn uso especfico; adems de definir la familia a la que pertenece, de acuerdo con la clasificacin del in dominante. Tambin, es muy comn que se describan planos de isovalores de concentracin de diversos iones o de sus relaciones, o de ambos. Entre los principales trabajos hidrogeoqumicos se tiene el de Lesser et al., que presenta mapas con curvas de isovalores para diferentes iones, as como informacin de la variacin en la calidad del agua con respecto al tiempo. El Instituto de Geofsica de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico, UNAM analiza los posibles efectos de la contaminacin por aguas negras en el agua subterrnea con base en istopos y qumica de elementos mayores. Corts et al., estudiaron la variacin estacional y el contenido isotpico y qumico de manantiales ubicados principalmente en la zona de recarga de la cuenca de Mxico. En cuanto a la mineraloga y qumica de las rocas que interaccionan con el agua subterrnea, los datos principales se obtuvieron de Vzquez y Jaimes (1989) quienes con base en anlisis estructural y petroqumico proponen la evolucin geolgica de la cuenca de Mxico. Un estudio detallado de los sedimentos arcillosos del valle de Mxico lo realiz Lozano (1989) quien analiza el contenido palinolgico, de un sondeo de m de profundidad, ubicado en el exlago de Texcoco y mediante difraccin de rayos X, detecta los minerales ms abundantes. En este trabajo se identifican los procesos dominantes responsables de la evolucin qumica del agua subterrnea en el valle de Mxico, a partir de informacin compilada. Dichos procesos sern sealados con base en la interpretacin de la qumica de los elementos mayores y algunos elementos traza, clculos de balance de masa e identificacin de reacciones qumicas entre minerales y agua subterrnea. Adicionalmente la comprensin de los procesos geoqumicos que afectan al agua subterrnea, permitir determinar conceptualmente si es factible esperar una evolucin en su calidad qumica y, de esta manera, comprobar si son congruentes las evaluaciones realizadas con respecto al volumen disponible dentro del Valle.

Mtodos de investigacinManejo de la informacin qumica

control de resultados que se maneja en el laboratorio de la DGCOH (peridicamente se analizan muestras por duplicado), se considera que un error menor al indicar un anlisis qumico de buena calidad.

La DGCOH cuenta con un laboratorio de calidad del agua, que regularmente realiza anlisis de muestras de agua subterrnea. Los resultados de los anlisis fsicos y qumicos bsicos que se utilizaron para este trabajo, provienen de alrededor de setenta pozos de la red de observacin que maneja la DGCOH, correspondientes al ao La informacin adicional de la qumica del agua subterrnea se obtuvo de las referencias publicadas en este trabajo. El principal objetivo que persigue la DGCOH con el muestreo peridico del agua subterrnea, a travs de su red de pozos de observacin, es determinar si la calidad del lquido con que abastece a la poblacin es apta para consumo humano. Por esta razn, el personal encargado de tomar las muestras, no realiza mediciones de campo necesarias para estudios hidrogeoqumicos como Temperatura Conductividad elctrica PH Eh Oxgeno disuelto Estos parmetros medidos en laboratorio no representan las condiciones originales del agua subterrnea, por lo que en este caso no se calcularon ndices de saturacin. Para comprobar la relativa exactitud de los resultados de los anlisis qumicos, se utiliz la tcnica del balance inico o condicin de electroneutralidad, fundamentada en la neutralidad elctrica de las muestras de agua, de tal modo que el total de cargas de aniones y cationes calculados con base en los resultados de laboratorio, debe de ser igual o al menos muy similar. El total de cargas positivas y negativas se obtiene sumando los equivalentes de aniones y cationes, respectivamente. El error de balance inico se expresa por la diferencia, como un porcentaje de la suma, de acuerdo a la siguiente expresin:

Hidrogeologa de la cuenca de MxicoPara cumplir con los objetivos de este trabajo, es necesario conocer los modelos geolgico e hidrogeolgico que servirn de referencia para apoyar la interpretacin hidrogeoqumica. A continuacin se presentan los aspectos ms relevantes de la informacin bibliogrfica disponible.Geologa

Con base en los estudios geolgicos realizados por Vzquez y Jaimes Mooser Mooser y Molina (1993) y DGCOH se puede establecer que la cuenca de Mxico est constituida por una secuencia deformada de rocas cretcicas de origen marino (espesor: m), dispuestas en estructuras tectnicas distensivas producidas durante el terciario temprano, cubiertas por depsitos volcicos (lavas, tobas, ignimbritas y brechas) de composicin intermedia-mfica, predominantemente, y edad variable entre el paleoceno y el reciente. En asociacin con estos eventos volcnicos se tienen sedimentos clsticos de granulometra variada que rellenan las depresiones formadas en el pleistoceno, cuando materiales volcnicos de la sierra Chichinautzin obstruyeron el drenaje natural en el sur del valle, con Io que se desarroll un ambiente lacustre.Hidroestratigrafa

Las rocas y depsitos no consolidados del valle de Mxico, pueden dividirse en tres unidades hidrogeolgicas principales: Rocas y sedimentos consolidados de alta conductividad hidrulica Rocas consolidadas de baja conductividad hidrulica Depsitos lacustres no consolidados de baja conductividad hidrulica En el cuadro aparecen las unidades geolgicas que se agrupan en cada unidad hidrogeolgica de acuerdo con la clasificacin propuesta por la DGCOH (1994). La mayor parte de las rocas consolidadas que afloran en las sierras son de tipo volcnico con edades en-

Todos los anlisis qumicos utilizados presentan un error menor al Es probable que dos errores analticos en la determinacin de un anin y un catin se cancelen, y por lo tanto el porcentaje de error no denote anomalas. Sin embargo, de acuerdo con el estricto

tre el terciario y el cuaternario, con la conspicua caracterstica de su textura porfirtica en una matriz vtrea muy abundante. Las sierras Chichinautzin y Santa Catarina, en la porcin sur del valle de Mxico, consisten de derrames andestico-baslticos (Qb)con fenocristales de olivino y piroxenos en una matriz vtrea y microcristalina. Tambin se encuentran andesitas de labradorita e hiperstena. Esta unidad est distribuida ampliamente tanto en la superficie como en el subsuelo, en donde ha sido cortada por numerosos pozos (Vzquez y Jaimes, 1989). La sierra De las Cruces, al occidente de la zona de estudio, consiste de derrames Ivicos (TQv) que presentan intercalaciones de tobas, brechas y aglomerados. Las lavas consisten de andesitas con fenocristales de andesina, hiperstena y augita en una mesostsis pilotxica de microlitos de plagioclasa. En algunas zonas de la Sierra existen dacitas con fenocristales de oligoclasa, andesina, cuarzo y pigeonita, en una matriz predominantemente vtrea. Los depsitos piroclsticos estn formados de cenizas cristalinas, vtreas y de pmez con o sin fragmentos y bloques accidentales de composicin heterognea (Vzquez y Jaimes, 1989). Subyaciendo a la secuencia anterior se tienen rocas volcnicas del mioceno, (Tmv),que consisten en andesitas con fenocristales de andesina, lamprobolita, feldespatos, augita, piroxenos y anfboles, como minerales esenciales. Es comn encontrar dacitas porfirticas con fenocristales de oligoclasa, cuarzo, anfboles y piroxenos en una mesostsis microltica, asociadas con tobas cristalinas andesticas que presentan ande-

sina, relictos de anfbol y magnetita, en una matriz desvitrificada (Vzquez y Jaimes, 1989). Es importante resaltar que las referencias no reportan el porcentaje de matriz vtrea o fina con respecto al de fenocristales en las muestras analizadas petrogrficamente, pero considerando que son rocas extrusivas, se estima como mximo, que el del total est constituido por fenocristales. En el cuadro aparecen los anlisis qumicos de las principales formaciones volcnicas del rea. Los depsitos aluviales, (Qal), resultado de la erosin de las montaas que rodean al Valle, estn compuestos por partculas que oscilan entre el canto rodado y la arena fina. No se tiene el porcentaje ni el tipo de minerales que componen esta unidad, pero se sabe que son derivados de rocas baslticas y andesticas. Para el caso de los depsitos lacustres, (Qla), los anlisis de difraccin de rayos X en tres muestras tomadas a diferentes profundidades en un sondeo de m de profundidad (Lozano, indican la presencia de illita, esmectita, kaolinita, anfboles, cristobalita, plagioclasa, calcita y una cantidad apreciable de material no cristalino. Pitre reporta que los sedimentos lacustres, presentan esmectita, alfano, illita, biotita, cuarzo, feldespato clcico, hornblenda, vidrio volcnico, sulfuros y calcita-dolomita, con capacidad de intercambio catinico de ceq/kg y de carbono orgnico total.

Modelo conceptual del flujo regional de agua subterrnea

Las manifestaciones naturales del agua subterrnea, previo al desarrollo de la explotacin, sealan que el sistema de flujo subterrneo en el valle de Mxico presentaba como principal zona de recarga a las montaas circunvecinas y como zonas de descarga a las regiones de transicin y lacustres (Instituto de Geofsica, 1988). Con base en modelacin de redes de flujo en perfil, Ortega y Farvolden 989) proponen que la recarga en las montaas que rodean al Valle es del orden de al de la precipitacin promedio. Antes de la construccin del drenaje artificial del valle de Mxico existan seis lagos y numerosos manantiales que paralelamente al consumo de agua por freatofitas, representaban zonas de descarga natural ubicadas en la zona de transicin de la descarga) y en la zona lacustre de la descarga). Varias evidencias indican la presencia en el pasado, de gradientes verticales ascendentes en los depsitos lacustres (Qla).Las primeras perforaciones realizadas en la Ciudad de Mxico invariablemente eran brotantes con aguas de mejor calidad organolptica que las ms someras, aunque un tanto pestilentes. En todos los pozos de la carretera MxicoTexcoco, fueron de tipo artesiano (Instituto de Geofsica, 1988; Durazo y Farvolden, 1989). Piezmetros multinivel instalados en la zona lacustre por el Instituto de Ingeniera de la UNAM en la dcada de los aos permitieron la medicin de gradientes verticales ascendentes en casi todos los sitios (Ortega y Farvolden, 1989). El intenso bombeo que se ha producido para abastecer de agua potable a la creciente poblacin de la Ciudad de Mxico y zonas aledaas, ha ocasionado que la componente vertical de la direccin del flujo subterrneo en los depsitos lacustres del cuaternario sea actualmente descendente. Para la subcuenca de Chalco, en la porcin donde el espesor de los depsitos lacustres (Qla) es grande m), Ortega et al., (1993) midieron gradientes verticales hacia arriba en los primeros m de profundidad, aunque predicen que debido a la extraccin de agua en el acufero que subyace al acuitardo, el gradiente vertical se revertir completamente en el transcurso del tiempo. Los gradientes horizontales tambin han sido modificados por la explotacin del agua subterrnea en los ltimos cincuenta aos. El anlisis de datos de carga hidrulica de la red de pozos de observacin, medidos peridicamente por la DGCOH, indica que la direccin

de flujo en el plano horizontal es radial, concentrndose desde las regiones montaosas hacia el centro del Valle. Considerando la elevacin del nivel esttico en pozos, la DGCOH (1994) presenta a la sierra Santa Catarina como una zona de recarga local. Tambin es notoria la direccin de flujo que proviene de la zona del exlago de Texcoco, otrora zona de descarga natural. Resultados y discusinDiferenciacin hidrogeoqumica y mezclas de agua

La qumica del agua subterrnea del valle de Mxico fue diferenciada, en primera instancia, por medio de diagramas de Stiff, ilustracin construidos a partir de los resultados de los anlisis fsicos y qumicos del cuadro Con base en la forma del polgono, es posible distinguir al menos cinco grupos de agua, cuyas caractersticas generales aparecen en el cuadro La distribucin espacial de los pozos que explotan agua subterrnea incluida dentro del grupo Ill, se correlaciona con la porcin del acufero que para presentaba cargas hidrulicas mayores que la elevacin de la base del acuitardo superior, esto es la zona que se comporta como acufero semiconfinado. En la porcin restante de la zona lacustre, de acuerdo con la relacin entre la base del acuitardo y las cargas hidrulicas del acufero, este funciona como acufero de tipo libre. En la ilustracin se aprecian los diagramas triangulares con los grupos definidos previamente. En el diagrama de cationes se observa una tendencia lineal hacia el vrtice que representa el de rNa+ + rK+, segn una muestra de agua subterrnea salina de la zona de Texcoco en donde oper una fabrica de sosa custica. Dicha tendencia manifiesta una mezcla de aguas en diferentes proporciones, entre el agua de los grupos I y II y el agua salobre o salada derivada del acuitardo superior, inducida por el cambio en las direcciones de flujo en el agua subterrnea en el acuitardo, debido al bombeo a que ha estado sujeto el acufero en explotacin. De acuerdo a la distribucin de las cargas hidrulicas, tambin es posible una contribucin horizontal de agua subterrnea salobre derivada de la zona de Texcoco. En el diagrama de aniones pueden observarse dos tendencias de distribucin de las muestras de agua subterrnea: una en direccin hacia la muestra de agua salina tomada en Texcoco, y la otra hacia el vrtice de de La mezcla tambin se refleja en el contenido isotpico de deuterio y oxgeno-18. Ryan (I 989) encontr que

Los iones en este estrato pueden intercambiarse con los de la solucin en contacto con el slido, con la salvedad de que el balance de cargas se mantenga. La carga en la superficie del mineral depende del pH de la solucin con la que est en contacto. Existe un pH en el que la carga en superficie es nula y se le denomina punto de carga cero. Los minerales presentan capacidad de intercambio aninico cuando el pH del agua est por abajo del punto de carga cero, y capacidad de intercambio de cationes cuando el pH es mayor (Appelo y Postma, 1993). La fraccin arcillosa de los sedimentos del valle de Mxico est compuesta por kaolinita, esmectita e illita

el agua subterrnea de los pozos de las cercanas de las zonas de recarga, presenta caractersticas isotpicas muy similares a la lnea meterica global, lo que indica que no han sido afectadas por evaporacin. Por otro lado, el agua subterrnea bajo la zona lacustre, denota una variacin isotpica hacia la derecha de la lnea meterica global, que puede ser explicada por la mezcla con agua evaporada (como el agua intersticial de las arcillas) con alto contenido de istopos pesados.Intercambio catinico y evolucin geoqumica

Otro proceso geoqumico que puede causar la tendencia lineal observada en el tringulo de cationes, ilustracin es la evolucin natural del agua subterrnea en la direccin de flujo combinada con intercambio catinico. La capacidad de adsorcin o intercambio en suelos y acuferos, reside principalmente en la fraccin arcillosa pm), la materia orgnica y el contenido de xidos e hidrxidos. La fraccin arcillosa, tiene esta propiedad debido a las cargas en exceso (positivas o negativas) producidas a partir de las substituciones de cationes en la estructura de los minerales arcillosos. Esta carga superficial es compensada por una acumulacin de iones de carga contraria que permanecen adsorbidos a la superficie conformando un estrato bien definido (Freeze y Cherry, 1979; Appelo y Postma, 1993).

(Lozano, 1989; Pitre, cuyo punto de carga cero es menor que el pH del agua con el que estn en contacto por lo que intercambian cationes. Las reacciones de intercambio catinico ms importantes en los sistemas de agua subterrnea, son los que involucran cationes monovalentes y divalentes como (Freeze y Cherry, 1979). La siguiente reaccin ilustra como se lleva a cabo el intercambio catinico, de acuerdo con la ley de accin de masas:

En la ilustracin se puede apreciar que existe intercambio catinico a lo largo de la direccin de flujo subterrneo en la porcin del acufero compuesto por material granular, debido al incremento en la concentracin de sodio y disminucin notable de calcio y magnesio.

Uno de los mejores indicadores de la evolucin qumica del agua subterrnea en el valle de Mxico es el cloruro, por tener la ventaja de ser el in menos afectado por procesos de precipitacin, adsorcin o de oxidacin-reduccin. Los cambios de composicin y los procesos geoqumicos se observan con mayor claridad cuando se alude a este in, en lugar de utilizar otra especie o parmetro. Las concentraciones de cloruro se incrementan paulatinamente entre los grupos I y Ill, como consecuencia de la evolucin en la direccin de flujo y a la mezcla de aguas inducida por el bombeo. Los grupos IV y V presentan, en general, mayores concentraciones de cloruros, cuadro situacin que manifiesta su mayor tiempo de residencia en el acufero que los grupos anteriores, adems que por su ubicacin en la ilustracin se deduce que han transitado hacia un medio geolgico diferente. La relacin entre el sodio y el cloruro, ilustracin 5, se puede interpretar conforme a la mezcla de aguas

propuesta y al proceso de intercambio catinico manifiesto. El agrupamiento de los datos es aproximadamente lineal, lo que sugiere que existe mezcla de aguas entre dos miembros extremos: un agua diluida (grupo II) con agua salobre o salina. La lnea de dilucin representa la mezcla terica entre esos dos miembros extremos. Principalmente para algunas muestras del grupo Ill, existe una desviacin notoria de la lnea terica de mezcla, que indica un enriquecimiento en sodio, fenmeno atribuible al efecto del intercambio catinico. Este proceso tambin aparece en el caso del potasio, ilustracin pues como se observa, existe una fuerte desviacin de la lnea terica de mezcla.

Origen de la composicin del agua del grupo I

De acuerdo con el modelo conceptual de flujo subterrneo propuesto y dada su ubicacin espacial, la composicin qumica del grupo I, se debe principalmente a la interaccin de agua de lluvia con las rocas volcnicas fracturadas de las sierras De las Cruces y Chichinautzin. En el cuadro aparece la concentracin promedio del grupo I. Para explicar las concentraciones detectadas, se utilizar un balance de masa preliminar, de acuerdo con la siguiente reaccin general (Drever, 1988): Fase reactante (roca) + Entrada atmosfrica R o c a alterada + lones disueltos

No existen datos qumicos para el agua de precipitacin en el valle de Mxico que se pudieran tomar como base para cuantificar la entrada atmosfrica. Por ser un rea continental muy alejada de la costa, a ms de msnm, se puede inferir que los cationes y el cloruro en el agua de precipitacin, presentan concentraciones menores a mg/l. Las concentraciones de nitratos y sulfatos, seguramente presentarn valores mayores, debido a la contaminacin atmosfrica por los efectos de la gran actividad industrial y el trnsito de vehculos, comn en la Ciudad de Mxico. Los resultados isotpicos de deuterio y oxgeno-18 de agua subterrnea en las montaas muestran un bajo grado de evaporacin (Quijano, 1978; DDF, 1984; Ryan, Corts y Farvolden, lo que implica que el tiempo de residencia en la zona del suelo es corto, fenmeno congruente con la naturaleza de medio fracturado de esta porcin del sistema.

De este modo se estima que para el caso de los cationes, la modificacin de la entrada atmosfrica por efecto de la evapotranspiracin en la zona del suelo, comparada con la aportacin de cationes derivados de la interaccin agua-roca, es mnima. Por lo tanto, la aproximacin en la concentracin total de cationes en el agua subterrnea del grupo I, derivada de la interaccin con la roca, se considera vlida. Uno de los principales minerales presentes en las rocas del rea es la andesina. La disolucin incongruente de este mineral a kaolinita (mineral detectado en los depsitos lacustres) est representadapor la siguiente reaccin:

Por cada mol de catin liberado se producen tres moles de bicarbonato. El cuadro indica que el sodio es el principal catin disuelto, mientras que de acuerdo con los fenocristales detectados en las rocas, la alteracin de la andesina sera la reaccin que puede aportar cantidades significantes de ese catin, aunque si esto ocurriera la concentracin molar de calcio y bicarbonato debieran ser mucho mayor. Lesser et al., (1986) proponen esta reaccin y la disolucin incongruente de minerales de albita como las responsables del sodio presente en el agua subterrnea; sin embargo la albita es un mineral que no ha sido reportado en las rocas del rea. El magnesio pudiera derivarse de la hiperstena o de la augita, o de ambos. La disolucin incongruente de estos minerales, produce nicamente un mol del catin correspondiente por cada mol de bicarbonato, por lo que comparando las concentraciones del grupo I, se observa que los valores del bicarbonato tampoco justifican esas reacciones como importantes en el contexto de la interaccin agua-roca. De este modo se deduce que la composicin qumica del grupo I, no est controlada por la interaccin entre el agua subterrnea y los fenocristales de las rocas baslticas y andesticas. Una solucin alterna, es suponer que la matriz vtrea (muy abundante en las rocas del rea), sea la que interacciona con el agua subterrnea y por lo tanto la principal responsable de su composicin qumica. En efecto, estudios experimentales de interaccin agua-roca, a elevadas temperaturas (Ellis y Mahon, 1967) y a bajas temperaturas (Gislason y Eugster, han demostrado que los basaltos vtreos son ms reactivos que los basaltos cristalinos. Para bajas temperaturas (alrededor de la disolucin experimental de basaltos cristalinos es al menos un orden de magnitud menor que para basaltos vtreos, y es independiente del pH en el rango de a Gislason y Eugster encontraron en basaltos vtreos de Islandia que las concentraciones de slice en las aguas son compatibles con la actividad del slice en el vidrio basltico, con lo que justifican la importancia de la disolucin de la matriz vtrea en la composicin del agua subterrnea con la que interacciona. En el proceso de interaccin agua-roca, los protones en solucin se consumen a medida que los cationes son liberados de la matriz vtrea de la roca. El cido carbnico en el agua subterrnea, se disocia en protones ms bicarbonato para proveer una fuente de iones hidrgeno que equilibre en la roca los cationes que pasan a la solucin. De este modo el bicarbonato es el principal anin disuelto en el agua subterrnea del grupo I, cuadro

Los experimentos de Gislason y Eugster demuestran que la velocidad de disolucin lineal (mol/cm2s) del sodio en el vidrio basltico es mayor que para el potasio y el fluoruro; pero muy similar al de calcio y de magnesio. Sin embargo, la concentracin de estos dos ltimos iones para temperaturas entre y present valores estables con el tiempo debido al equilibrio con minerales de alteracin, fenmeno que pudiera ser el responsable de los menores valores de calcio y magnesio con respecto al sodio en el grupo I, cuadro Como no se cuenta con datos de concentracin de slice disuelto en el agua subterrnea, no es posible realizar un balance de masa total que demuestre plenamente que no es la disolucin de fenocristales la reaccin responsable de la composicin qumica del grupo I. Esta limitante, al igual que la carencia de datos de campo de temperatura y pH, no permite que se puedan definir los minerales arcillosos que se originan a partir de la desvitrificacin del vidrio volcnico, pues no es posible construir diagramas de estabilidad ni obtener ndices de saturacin con respecto a minerales de alteracin.Seccin hiroqumica

El agua subterrnea del valle de Mxico evoluciona desde agua de baja salinidad ( 2 - 8m / T )y de 1 01 0 gS D l tipo en las zonas de recarga, hasta una salmuera (150 mg/l STD) de tipo Para comprender de manera detallada las reacciones que originan esta evolucin, se elabor una seccin hidroqumica en la direccin de disminucin de la carga hidrulica desde la zona de recarga (sierra De las Cruces), hasta la antigua zona de descarga (zona de Texcoco). En la ilustracin aparece la localizacin de la seccin hidroqumica. Se analizaron paralelamente los elementos mayores y algunos elementos traza, as como la geologa del

subsuelo y las caractersticas hidrogeolgicas, esto con el fin de tener un adecuado modelo conceptual de referencia, ilustracin Los diagramas de Stiff sealan una evolucin de la qumica del agua en el sentido del flujo subterrneo entre los grupos I y II hecho ratificado por las curvas de slidos totales disueltos y cloruros. El incremento abrupto en las concentraciones de estas especies en la ltima porcin de la seccin (grupo Ill), se correlaciona con la porcin de acufero semiconfinado, lo que demuestra la importancia de la mezcla de agua derivada del acuitardo superior (Qla)y del agua salina de Texcoco, con el agua del acufero. Una cuantificacin del porcentaje de los miembros extremos en la mezcla considerando el cloruro como conservativo, es difcil de realizar, pues la distribucin horizontal del cloruro en el acuitardo no se conoce a detalle. Otra complicacin reside en el hecho reportado por Ortega et al., quienes encontraron para la subcuenca de Chalco, valores mximos del orden de los mg/l entre los y de profundidad y concentraciones entre y mg/l de cloruro a profundidades someras. Entonces, es claro que existe una variacin tridimensional de las concentraciones de cloruros en los depsitos lacustres del valle de Mxico. Los iones sodio, calcio y magnesio, muestran resultados interesantes en la seccin hidroqumica. El primero se comporta similar al cloruro, aumentando su concentracin en la direccin de flujo, por lo que tambin se considera como buen indicador del tiempo de residencia del agua subterrnea en el acufero. En el segmento de la lnea de flujo correspondiente al medio volcnico fracturado, el calcio y magnesio mantienen una tendencia general de incremento, que drsticamente se torna de decremento entre los pozos y zona que corresponde al cambio de medio fracturado a medio granular. La concentracin de calcio que presenta el pozo se considera anmala y no necesariamente invalida la tendencia presentada. La reaccin de intercambio catinico (la fraccin arcillosa del acufero cediendo sodio y fijando calcio) justifican la evolucin detectada para esos iones. El decremento de calcio no puede ser ocasionado por precipitacin de calcita, pues las concentraciones son muy bajas. Otra reaccin que puede remover calcio y magnesio es la precipitacin de una zeolita de calcio denominada clinoptilolita (Thomas et al., sin embargo no se ha reportado la presencia de zeolitas en los sedimentos lacustres. De acuerdo con Gislason y Eugster el basalto cristalino nicamente se altera a zeolitas de calcio cuando la interaccin agua-roca se desarrolla en un sistema cerrado.

La introduccin de protones (modificacin del pH) en el agua induce que los productos de alteracin sean esmectita o kaolinita, o ambos, minerales que han sido reportados para los sedimentos lacustres del valle de Mxico. La evolucin de los iones sulfato y bicarbonato y algunos elementos traza (hierro y manganeso), se analizan paralelamente. Para los iones bicarbonato y sulfato es posible distinguir dos tendencias de evolucin. Nuevamente entre los pozos y (paso de medio fracturado a medio granular), el incremento en la concentracin de bicarbonato coincide con el cambio de una evolucin positiva a una negativa para el sulfato. En este caso, se estima que el paso de condiciones oxidantes a reductoras a lo largo de la lnea de flujo ocasiona la reduccin del sulfato a sulfuro y el consiguiente incremento del bicarbonato de acuerdo con la siguiente reaccin:

Esta reaccin est catalizada por bacterias del gnero Desulfovibrio. El trmino CH2O representa la forma ms elemental de materia orgnica. La evolucin del potencial de xido-reduccin (Eh) a lo largo de la lnea de flujo, se puede resumir de la siguiente manera: el agua de reciente infiltracin contiene oxgeno en concentraciones muy cercanas a la saturacin mg/l a 10C). A medida de que el agua subterrnea se desplaza en el sentido del flujo, el oxgeno disuelto se reduce aceptando electrones derivados de reacciones de oxidacin. Mientras exista oxgeno disuelto, el Eh se mantendr en valores de alrededor de De acuerdo con la secuencia de reacciones redox de Stumm y Morgan los xidos de manganeso y el nitrato, se reducirn conjuntamente con el oxgeno. Cuando el Eh muestre valores entre el oxgeno disuelto ser mnimo y la materia orgnica presente se comenzar a oxidar, reduciendo hidrxidos de hierro y sulfatos. La presencia de materia orgnica en los sedimentos que conforman el acufero, no ha sido investigada; pero en los sedimentos lacustres se ha encontrado en alto porcentaje Hansen, 1989; de carbono orgnico total, Pitre, 1994). Los valores de Eh medidos por Ryan (1989) validan el esquema propuesto, ya que encontr una disminucin gradual en este parmetro en el ramal Reyes-Ferrocarril, en direccin hacia la zona lacustre. Esta evidencia comprueba la existencia de la secuencia redox establecida. Para la parte central de la zona lacustre los valores de Eh fueron menores a mV, que de acuer-

do con Stumm y Morgan (1981) son propicios para la existencia de reacciones de reduccin de sulfatos e hidrxidos de hierro. Para este trabajo no se cuenta con datos de concentracin de nitratos disueltos en el agua subterrnea. Sin embargo, Ryan (1989) y el Instituto de Geofsica encontraron que los mayores valores (del orden de de aparecen en la periferia de la zona lacustre, generalmente en reas de recarga y sugieren que esto es indicio de que pudiera estar ocurriendo contaminacin de tipo antropognico. La existencia de la secuencia redox deducida a partir de la evolucin del in sulfato, puede ser la responsable de las bajas concentraciones de nitratos (menores a mg/l que se presentan en el acufero en la zona lacustre, debido a reacciones de reduccin (denitrificacin).

El manganeso presenta problemas para el abastecimiento de agua potable porque en el valle de Mxico las concentraciones medidas en el agua subterrnea de algunas zonas, sobrepasan la norma de la Secretara de Salud (0.05 El Instituto de Geofsica (1988) encontr una buena correlacin entre el Eh del agua y la concentracin de manganeso con valores mximos para condiciones reductoras. En la seccin hidroqumica, se corrobora que el manganeso est controlado por las condiciones redox del agua subterrnea, ya que presenta un incremento en las concentraciones en la direccin de flujo. La reduccin de xidos de manganeso, es la principal fuente del manganeso disuelto de acuerdo con la siguiente reaccin:

En la ilustracin se observa una tendencia de incremento proporcional entre el cloruro y el manganeso. Como el cloruro indica tiempo de residencia del agua subterrnea en el acufero, se deduce que dicha tendencia representa la reaccin anterior, a medida que, a lo largo de la trayectoria de flujo, evoluciona la secuencia redox establecida previamente. Dicha tendencia es un reflejo de la ausencia de fuentes externas (contaminacin) que adicionen manganeso al sistema. Para la concentracin del fluoruro, en la mayora de los casos depende de la disponibilidad en las rocas o minerales que componen el acufero. El flor es un elemento lltfilo, que permanece en solucin hasta las ltimas etapas de diferenciacin magmtica, por lo que las rocas flsicas tienen mayor concentracin que las mficas. Las rocas volcnicas del valle de Mxico son muy poco diferenciadas, por lo que es de esperar que la disponibilidad de flor sea limitada, hecho que justifica las bajas concentraciones mximas detectadas en la seccin hidroqumica (0.3 mg/l). Como referencia y para demostrar la influencia del tipo de roca, se puede mencionar que en San Luis Potos, existen concentraciones veces mayores (3.6 mg/l) en un acufero constituido por riolitas fracturadas, derivadas de magmas originados por fusin parcial de corteza terrestre. Para el caso de San Luis Potos, el agua est subsaturada con respecto a los minerales con flor ms comunes, por lo que para el valle de Mxico, tiene sentido la hiptesis de que es la disponibilidad en la roca el factor limitante en los valores de fluoruro detectados.Modelacin geoqumica de la evolucin del flujo de agua subterrnea

con modelacin inversa (Plummer, 1992) utilizando el programa BALANCE (Parkhurst et al., 1982). En la definicin de los minerales incluidos en las reacciones, se consideraron la mineraloga y los anlisis qumicos de las unidades geolgicas involucradas. El balance de masa incluy el agua subterrnea en la porcin del acufero que corresponde al material granular entre los pozos y ilustracin Evolucin desde el pozo No. hasta el No. La qumica del agua subterrnea en el pozo es producto de la interaccin con rocas volcnicas fracturadas de la sierra De las Cruces y representa la composicin qumica inicial. En la zona de transicin el agua subterrnea (grupo I), se pone en contacto con el material granular del acufero. Los tipos de reacciones que se consideran en la modelacin incluyen intercambio inico y oxidacinreduccin. En este caso se supone que la totalidad del sodio se deriva de la reaccin de intercambio con calcio, por lo que se requiere de la disolucin de un mineral que aporte el calcio necesario para que esto ocurra. La calcita que se ha detectado en los sedimentos lacustres se considera una mejor opcin que una plagioclasa sdico-clcica, ya que la anortita no ha sido reportada en las rocas del rea. La oxidacin de la materia orgnica presente en los sedimentos que componen el acufero, es la fuente de los electrones que reducir el azufre del sulfato, con lo que disminuye la concentracin de esta especie y se generan cido sulfhdrico y dixido de carbono. Un balance de masa que ajusta los resultados observados (en mmoles/l) es el siguiente:

El anlisis de la seccin hidroqumica permiti determinar el modelo hidrogeoqumico conceptual que condiciona la evolucin del flujo de agua subterrnea. De este modo, se defini cualitativamente la importancia de las reacciones de oxidacin-reduccin e intercambio inico. Una aproximacin cuantitativa se puede obtener a partir de relaciones de balance de masa que consideren las reacciones que se llevan a cabo con los minerales que interaccionan con el agua subterrnea. Es evidente que un balance de masa que tome en cuenta la evolucin qumica del agua subterrnea no rinde soluciones nicas; pero una solucin que incluya fases mineralgicas as como reacciones posibles, desde el punto de vista termodinmico, definitivamente es de utilidad para ilustrar los procesos que controIan la evolucin qumica del flujo de agua Subterrnea. Los clculos de balance de masa que identificaron la estequiometra de las reacciones, fueron realizados

* Evolucin desde el pozo No.

hasta el No. Se consideran las mismas reaccciones que en el caso previo, adems de incluir en las reacciones de oxidacin-reduccin elementos traza como el hierro y el manganeso. En efecto, en algunas zonas del acufero no se ha reportado la presencia del olor caracterstico del cido sulfhdrico en el agua subterrnea, por lo que se puede inferir que el cido sulfhdrico reacciona con el hierro disuelto Fe+2 para formar sulfuros que precipitan, por ser fases muy insolubles en las condiciones de pH y Eh de esta zona del acufero.

Pitre 994) reporta la presencia de estos minerales en los sedimentos lacustres, por lo que la ocurrencia de esta reaccin se considera factible. El modelo incluye a la pirita como un producto, pero de acuerdo con la temperatura y presin involucradas, la pirita representa diversas fases FeS semicristalinas o amorfas, o ambas. La reduccin de la goethita representa la fuente principal del hierro, que reaccionar con el cido sulfhdrico para formar sulfuros insolubles. Se incluy la reduccin del MnOOH como fuente del manganeso en solucin, especie que increment su concentracin en el tramo de prueba. Es notoria la gran cantidad de calcita que de acuerdo con el modelo debe de disolverse para ajustar el intercambio de calcio por sodio, lo que sugiere que puede existir otra fuente para el sodio. Se incluy a la andesina como fuente de sodio y calcio, pero en los resultados ningn modelo factible consider en forma conjunta a la calcita y a la andesina. La reaccin que resume los procesos mencionados y que se ajusta a la composicin qumica observada en el agua subterrnea, se presenta a continuacin:

El cido sulfhdrico puede reaccionar con elementos traza como el arsnico o el hierro, o con ambos, para formar sulfuros insolubles, pero no se tiene informacin confiable respecto a la concentracin de estos elementos traza en el agua derivada del acuitardo. De acuerdo con las limitantes involucradas en la modelacin, estos resultados deben considerarse como una primera aproximacin que intenta ilustrar la relativa importancia del volumen de agua derivada del acuitardo.Evolucin temporal de la calidad del agua

Evolucin desde el pozo No. hasta el No. La interpretacin cualitativa de la seccin hidroqumica seala que la evolucin natural en este tramo, est modificada por mezcla de agua inducida por efecto del bombeo. La principal limitante en la modelacin es, de acuerdo con el modelo hidrogeolgico conceptual, la mezcla que puede incluir dos o ms miembros extremos, y slo se conoce a detalle la composicin qumica del miembro extremo que representa el agua del acufero. Como una simplificacin de las condiciones reales, se model la mezcla entre el agua del acufero (pozo 92) y la derivada del acuitardo (composicin qumica obtenida de un piezmetro). Las reacciones involucradas son reduccin de sulfatos e intercambio inico. El resultado que se consider ms congruente con las situacin natural se presenta a continuacin:Agua de/ acuitardo + Na-intercambio + agua del pozo + CO, gas agua de/ pozo + materia orgnica = cido sulfhdrico +

Tomando como base los datos publicados por Lesser et al., (1986) acerca de la variacin de la calidad del agua con respecto al tiempo, se realiz una interpretacin que considera los diferentes sistemas de flujo subterrneo y los procesos asociados. La informacin indica los pozos en el centro de la ciudad que presentaron incrementos notables de cloruros mientras que en otros pozos se detectaron incrementos en casi todos los parmetros analizados (Lesser et al., 1986) (slidos totales disueltos, dureza total, cloruros, nitratos, fierro y manganeso). La distribucin geogrfica de estos pozos indica que se ubican en la regin con evidencias geolgicas e hidrogeolgicas que corresponden a un acufero de tipo semiconfinado. El incremento en la concentracin de estas especies en el agua subterrnea con respecto al tiempo, puede corresponder al efecto de mezcla de agua del acufero con agua salobre derivada del acuitardo superior o de la zona de Texcoco, o de ambos, sin descartar la influencia de otro miembro extremo asociado a un sistema de flujo regional. El agua salobre del acuitardo tiene bajas concentraciones de calcio y magnesio debido al proceso de intercambio inico, por lo que el agua producto de la mezcla no deber manifestar incrementos notables en la dureza total. Este razonamiento es congruente con las grficas (Lesser etal., 1986) que evidencian que la dureza total es el parmetro que presenta los menores incrementos en el periodo analizado. Lesser et al., (1986) tambin reportan que en la zona de Santa Catarina-lztapalapa, a diferencia de la zona anterior, se incrementaron notablemente las concentraciones de hierro y manganeso (ilustracin 9). La geologa superficial y del subsuelo de esta zona indica que el acufero est compuesto por rocas baslticas fracturadas, sin reportar la presencia de un horizonte arcilloso semiconfinante. El anlisis comparativo realizado previamente para el grupo V, indica que el cloruro se presenta en con-

centraciones elevadas, Io que aunado a los valores de sulfato, amoniaco, fluoruro, y manganeso, entre otros, sugiere que se trata de agua subterrnea con gran tiempo de residencia, que se puede asociar a un sistema de flujo regional (alta concentracin de cloruro y fluoruro) con valores de potencial de xido reduccin bajos (elevados valores de amoniaco, hierro y manganeso). Estas evidencias hidrogeoqumicas permiten establecer que la regin de Santa Catarina-lztapalapa no corresponde a la zona de recarga local que se deduce a partir del anlisis piezomtrico (DGCOH, 1994). El anlisis del registro histrico del pozo ilustracin ubicado en las estribaciones del cerro De la Estrella indica que cuando el pozo comenz a operar en el ao de present agua de buena calidad, sin embar-

go a medida que transcurri el tiempo, y se increment el caudal de bombeo por la apertura de nuevos pozos, la calidad del agua decreci paulatinamente, debido a la induccin de agua del sistema regional (de mala calidad). La tendencia reportada no sugiere que se haya alcanzado una mezcla estable, por lo que se espera que si se incrementa el bombeo, el efecto del sistema de flujo regional ser cada vez ms evidente.

Conclusiones

Los procesos y reacciones que ocasionan la evolucin de la calidad del agua subterrnea del valle de Mxico a lo largo de la lnea de flujo analizada son las siguientes:

Mezcla de agua inducida durante el bombeo de los pozos Involucra dos aspectos: Flujo vertical descendente desde el acuitardo hacia el acufero Flujo lateral proveniente de la zona de Texcoco. De acuerdo con la distribucin actual de las cargas hidrulicas en el sistema, es de esperar que las proporciones de agua de mala calidad (salobre) aumenten en las mezclas, presentando una evolucin de la composicin qumica bombeada por los pozos en tiempo y espacio, sobre todo en la regin del acufero semiconfinado. Para obtener una evaluacin ms apegada a la realidad del agua subterrnea disponible para consumo humano, es conveniente realizar modelacin de transporte de solutos. Intercambio inico, fijando calcio y magnesio en la matriz arcillosa del acufero y liberando sodio y potasio al agua subterrnea. Estas reacciones son importantes porque pueden amortiguar la movilidad en el agua subterrea, de algunos elementos traza (cationes divalentes) que se pudieran presentar como contaminantes. Reacciones de oxidacin-reduccin, que disminuyen el sulfato con un incremento paralelo del in bicarbonato. Estas reacciones tambin gobiernan la evolucin y concentracin del in nitrato, as como de algunos elementos traza como el hierro, manganeso, y posiblemente el arsnico. Para la delimitacin de zonas de vulnerabilidad del agua subterrnea a la contaminacin, es necesario considerar estas reacciones, debido que procesos redox condicionan la movilidad de algunos elementos y metales pesados. La ocurrencia de las reacciones detectadas, aunadas a un proceso de evaporacin en un ambiente lacustre (justificado por estudios isotpicos), respaldan la composicin qumica de las salmueras de la zona de Texcoco, lo que es congruente con el modelo conceptual hidrogeolgico del valle de Mxico. La zona de Iztapalapa-SantaCatarina tiene una evolucin qumica diferente a la detectada a lo largo de la seccin hidroqumica,ya que las altas concentraciones de sulfato medidas, no concuerdan con el modelo de evolucin qumica propuesto. El anlisis de los datos qumicos y su evolucin en el tiempo, sugieren que se trata de agua derivada de un sistema regional, cuya presencia se espera cada vez ms intensa, debido a la extraccin de agua subterrnea que se realiza actualmente Y que puede proseguir en el futuro.Agradecimientos

Recibido: mayo, Aprobado: agosto,

Agradecemos las facilidades otorgadas por la DGCOH, para el manejo de los resultadosfsicos y qumicos de las muestras de agua subterrnea, sin los cuales no se hubieran alcanzado los objetivos propuestos.

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Abstract

Cardona,A. and N. Hernandez. Conceptual Geochemical Model of the Evolution of Groundwater in the Valley May-August, of Mexico. Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish), Vol. X, Num. pages Based on the interpretation of the results of chemical analysis (major and trace elements) of the groundwater in the Mexican Valley Basin, the study of the water-rock interaction, and mass balance calculations (inverse geochemical modelling), a conceptual model is proposed for the chemical evolution of the groundwater with the identification of the dominant geochemical processes, in the hydrogeological and dynamic context of the study area. The principal reactions that conditioned the evolution of the chemical composition of the groundwater flow direction were: mixing of water between different members end as a result of extraction, ionic exchange fixing calcium and magnesium in the clay matrix of the aquifer and freeing sodium and potassium to the groundwater;redox reactions that affect the concentrations of sulfate, bicarbonate, nitrate, iron, manganese and possibly arsenic. An understanding of these natural reactions allows for a differentiation between naturally poor quality water areas and areas affected by anthropogenic pollution. The results indicate that the groundwater quality in the semiconfined aquifer region and the Ixtapalapa-SantaCatarinaarea will change, as more regional flow is induced in the water extracted from the pumping wells in the area.Key words: chemical analysis, groundwater; Valley of Mexico, water-rock interaction, mass balance, geochemical processes, anthropogenic pollution