A hydrogeochemical analysis to evaluate the water-rock interaction in the North Coast Limestone Aquifer System of Puerto Rico

Abstract

Analyzing the mineralogical composition, and saturation indices in springwaters helps to understand the internal structure of karst aquifers since they affect the porosity, the permeability and the rock alterations (including karstification). This project evaluated the variations in the water chemistry relative to the geologic formations the water moves through to assess whether the composition is related to calcite or dolomite; determined the variations of the saturation indices of calcite, and dolomite during the sampling period (2013 to 2019), specifically during the dry and wet seasons; and assessed the possible geochemical rock-water interactions producing the chemical parameters observed in the springwaters. Seven spring waters of the North Coast Limestone Aquifer System of Puerto Rico were analyzed: Maguayo, Mackovic, Tallonal, Ojo de Agua, Ojo de Guillo, San Pedro, and Zanja Fría springs. Physical and chemical parameters of the spring waters were analyzed for temperature, pH, TDS, specific conductivity, alkalinity, major ion concentrations (calcium, magnesium, sodium, potassium, chloride, bicarbonate, and carbonate) during the sampling period from 2013 to 2019. Ions concentrations of the spring waters were measured by Ion Chromatography. Piper Diagrams were used to classify the springwaters. The PHREEQC code was used for the calculations of the calcite and dolomite saturation indices. The difference between both average concentrations of calcium and magnesium in the seven springs suggested that the spring waters moving through the Aguada Limestone Formation, Aymamón Limestone Formation, and the Montebello Limestone Member of the Cibao Formation were mostly composed of calcite suggesting the waters from the studied springs does not move to the depth where the dolomites are found. The calcite saturation indices did not show statistically significant difference between the wet and dry seasons during the sampling period, therefore the changes in rainfall patterns from 2013 to 2019 do not influenced the interaction of the water with the carbonate rocks. Variations in the saturation indices with respect to dolomite were significantly different between the wet and dry seasons in all the seven studied springs. Supersaturated dolomite values in certain intervals during the sampling period does not indicate the dolomite precipitation since high temperatures and/or high ratios of Mg/Ca are needed for the precipitation to occur and those conditions are not present in these spring environments. Calcite saturation indices for most of the sampling period of the seven springs presented indices greater than zero, indicating that the waters of the springs were supersaturated, suggesting that calcite precipitation in the springs. Dolomite saturation indices are lower than zero for most locations and most of the sampling period, indicating the waters of the springs were undersaturated, and suggesting dolomite dissolution.

El análisis de la composición mineralógica y los índices de saturación de los manantiales ayuda a comprender la estructura interna de los acuíferos kársticos, ya que afectan la porosidad, la permeabilidad y las alteraciones de las rocas (incluida la karstificación). Este proyecto evaluó las variaciones en la química del agua en relación con las formaciones geológicas a través de las cuales se mueve el agua para evaluar si la composición está relacionada con la calcita o la dolomita; se determinó las variaciones de los índices de saturación de calcita y dolomita durante las épocas seca y húmeda; y se evaluó las posibles interacciones geoquímicas roca-agua que producen los parámetros químicos observados en los manantiales. Los siete manantiales del Sistema Acuífero Calizo de la Costa Norte de Puerto Rico analizados fueron Maguayo, Mackovic, Tallonal, Ojo de Agua, Ojo de Guillo, San Pedro y Zanja Fría. Se analizaron los parámetros físicos y químicos de las aguas de manantial para temperatura, pH, sólidos totales disueltos, conductividad eléctrica, alcalinidad, concentraciones de iones principales (calcio, magnesio, sodio, potasio, cloruro, bicarbonato y carbonato) durante el período de muestreo de 2013 a 2019. Las concentraciones de iones de las aguas de manantial se midieron mediante cromatografía iónica. Se utilizaron diagramas de Piper para clasificar los manantiales. Para los cálculos de los índices de saturación de calcita y dolomita se utilizó el código PHREEQC. La diferencia entre las concentraciones promedio de calcio y magnesio en los siete manantiales sugirió que las aguas de manantial que se desplazan a través de la Formación Caliza Aguada, la Formación Caliza Aymamón y el Miembro Calizo Montebello de la Formación Cibao estaban compuestas en su mayoría por calcita, lo que sugiere que las aguas de los manantiales no llegan a la profundidad donde se encuentran las dolomitas. Los índices de saturación de calcita no mostraron diferencia estadísticamente significativa entre las épocas húmeda y seca durante el período de muestreo, por lo que los cambios en los patrones de lluvia del 2013 al 2019 no influyeron en la interacción del agua con las rocas carbonatadas. Las variaciones en los índices de saturación con respecto a la dolomita fueron significativamente diferentes entre las estaciones húmeda y seca en los siete manantiales estudiados. Los valores indicando sobresaturación de dolomita en ciertos intervalos durante el período de muestreo no indican la precipitación de dolomita ya que se necesitan altas temperaturas y/o altas relaciones de Mg/Ca para que ocurra la precipitación y esas condiciones no están presentes en estos ambientes en los manantiales. Los índices de saturación de calcita para la mayor parte del período de muestreo de los siete manantiales presentaron índices mayores a cero, lo que indica que las aguas de los manantiales se encontraban sobresaturadas, sugiriendo que precipitación de calcita en los manantiales. Los índices de saturación de dolomita son inferiores a cero en la mayoría de los lugares y durante la mayor parte del período de muestreo, lo que indica que las aguas de los manantiales estaban insaturadas y sugieren la disolución de la dolomita.