Caracterización integral del sistema acuífero en una cuenca volcánico-tectónica: flujo, geoquímica e isótopos en la cuenca lago de Cuitzeo

Abstract

This doctoral dissertation analyzes the hydrogeological functioning of the Lake Cuitzeo basin, located in central-western Mexico, through a multidisciplinary approach that integrates hydrogeochemistry, trace element geochemistry, and stable isotopes. Three complementary studies were conducted based on 204 groundwater samples collected between 2022 and 2023. The first chapter characterized groundwater flow systems and geochemical environments through the analysis of physicochemical parameters, hydrogeochemical diagrams, and mineral saturation indices. Three flow systems were identified: recent infiltration, intermediate flow, and deep circulation, associated with silicate weathering, gypsum dissolution, ion exchange, and water mixing, controlled by regional geological structures. This work was accepted for publication in the journal Geofísica Internacional, reflecting its contribution to regional hydrogeochemical knowledge. The second chapter analyzed the spatial distribution of barium (Ba²⁺), a naturally occurring trace element. Its concentrations were linked to geochemical disequilibrium with barite and to piezometric decline. Significant correlations were found between barium and major cations, suggesting a source related to silicate weathering and ion exchange, as well as potential mobility induced by overexploitation of the aquifer. The third chapter employed stable isotopes of oxygen (δ¹⁸O) and hydrogen (δ²H) to identify recharge zones and analyze spatial and seasonal variations. A clear isotopic gradient was observed from southwest to northeast, associated with altitudinal and climatic differences. Recharge zones were identified in elevated areas with isotopically depleted signals. Together, the three chapters helped to understand the aquifer, useful for sustainable water management, protection of recharge areas, and prevention of geochemical risks.

Esta tesis doctoral analiza el funcionamiento hidrogeológico de la cuenca del lago de Cuitzeo, en el centro-occidente de México, mediante un enfoque multidisciplinario que integra hidrogeoquímica, geoquímica de elementos traza e isótopos estables. Se desarrollaron tres estudios complementarios con base en 204 muestras de agua subterránea recolectadas entre 2022 y 2023. El primer capítulo caracterizó los sistemas de flujo subterráneo y los ambientes geoquímicos a través del análisis de parámetros fisicoquímicos, diagramas hidrogeoquímicos e índices de saturación mineral. Se identificaron tres tipos de flujo: infiltración reciente, flujo intermedio y circulación profunda, asociados a procesos de meteorización de silicatos, disolución de yeso, intercambio iónico y mezcla de aguas, controlados por la estructura geológica regional. Este trabajo fue aceptado para su publicación en la revista Geofísica Internacional, lo que refleja su aporte al conocimiento hidrogeoquímico regional. En el segundo capítulo se analizó la distribución espacial del bario (Ba²⁺), un elemento traza de origen natural, cuyas concentraciones se relacionaron con el desequilibrio geoquímico respecto a la barita y el descenso piezométrico. Se sugiere un origen del bario ligado a la meteorización y al intercambio iónico, y una posible movilidad inducida por la sobreexplotación del acuífero. El tercer capítulo utilizó isótopos estables de oxígeno (δ¹⁸O) e hidrógeno (δ²H) para identificar zonas de recarga y analizar variaciones espaciales y estacionales. Se observó un gradiente isotópico claro desde el suroeste hacia el noreste, asociado a diferencias altitudinales y climáticas. Las zonas de recarga se localizaron en áreas elevadas con señales isotópicas empobrecidas. En conjunto, los tres capítulos permitieron comprender de mejor manera el acuífero, útil para la gestión sustentable del recurso, la protección de zonas de recarga y la prevención de riesgos geoquímicos.