USO DE ISOTOPOS RADIOACTIVOS EN LA DETERMINACIÓN DE LA TASA DE SEDIMENTACIÓN

8/17/2019 USO DE ISOTOPOS RADIOACTIVOS EN LA DETERMINACIÓN DE LA TASA DE SEDIMENTACIÓN

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1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍA

QUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015

Introducción

El estudio de tasas de sedimentación y datación de sedimentos

se realiza desde hace años usando isótopos radiactivosnaturales y artificiales presentes en el ambiente. En general, lacronología isotópica, determina, cuantitativamente, ladistribución vertical de un radioisótopo contenido en una

columna de sedimento (Soto et al., 2000).

La reconstrucción histórica de los efectos del hombre, losestudios de los sedimentos pueden ser aplicados a diferentes

aspectos de la valoración ambiental: un ejemplo clásico, es laobtención de información pretérita, respecto al deterioro en lacalidad del agua, determinación de las tasas de erosión

histórica y presente en cuencas y así identificar las respuestas

erosionables a los rápidos cambios ambientales, laacumulación de sedimentos debido a los procesos de cambioen una corriente (impacto de origen antrópico), dichainformación es útil en la planificación de obras hidráulicas,

caracterización y remediación de los cursos de aguacontaminados, y en su caso a partir de la informacióncronológica, determinar qué fuentes provocaron lacontaminación (Tylman, 2004).

La aplicación de los métodos que utilizan isótopos radiactivos

como Pb-210 y Cs-137 en la determinación de velocidades desedimentación en ríos es incipiente, pero ha probado suutilidad en estudios recientes (Humphries et al, 2010 y

Czajka-Kaczka, 2002). Los resultados de dichos estudios permitieron establecer la variabilidad de la sedimentación a lolargo de un río, así como a la identificación de eventos demayor acumulación de material asociado a inundaciones.

ObjetivoDeterminar la tasa de sedimentación aplicando los isótoposradiactivos Pb-210 y Cs-137.

Metodología

Método de Pb-210

El desarrollo y aplicaciones del plomo-210, como trazadorgeocronológico están bien documentados desde la década de

los 70 (Goldberg, 1963; Oldfield y Appleby, 1983). El Pb-210 es una forma radioactiva natural del plomo, que se

encuentra en pequeñas cantidades en la mayoría de los suelos,como parte de la desintegración radioactiva del Uranio-238

(U-238). También se produce por la desintegraciónradioactiva del gas Radón-222 (Rn-222), que se difunde a la

atmósfera con una tasa constante de aproximadamente 42átomos min-1·cm-2, y posteriormente se desintegra a través devarios productos de corta vida media hasta generarse el Pb-210 (Ilustración 1).

El Pb-210 es un isótopo natural inestable, con una vida media

de 22.26 años. Esta vida media, relativamente corta, permitesu utilización en la determinación de la edad absoluta deregistros sedimentarios que abarcan los últimos 100 años

(Soto et al., 2000; Appleby, 2001; Castro, 2009). Lasdiminutas cantidades de Pb-210 depositadas constantementesobre la superficie de la tierra, se mezclan con los sedimentos

que se acumulan en los fondos de los sistemas acuáticos. Parauna determinada localidad, la disponibilidad de Pb-210 se presenta a un ritmo constante que se deriva de la deposición

directa, desde el transporte aguas arriba y de ladescomposición de Rn-222 en el agua. El resultado de este

proceso es una concentración relativamente alta de Pb-210 en

los sedimentos superficiales (Hewitt, 2000).

Ilustración 1. Origen de 210Pb en sedimentos (Fuente: MyCore

Scientific. 2003).

El modelo utilizado para el cálculo de tasas de sedimentacióny de edades de las distintas capas del sedimento se le

denomina Constant Initial Concentration (C.I.C). Este

USO DE ISOTOPOS RADIOACTIVOS EN LA DETERMINACIÓN DE LA TASA DESEDIMENTACIÓN

Espinoza Ayala M. Joselina, Martínez Morales Manuel, Salcedo Sánchez Edith R., González

Verdugo José Alfredo

Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA)

Paseo Cuauhnáhuac 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Mor. C.P.62550.

[email protected], [email protected],, [email protected], [email protected]

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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modelo parte de la hipótesis de la constancia de laconcentración inicial en cada capa de sedimento. Si C(0) es laconcentración inicial, se puede calcular la edad t i a partir delvalor actual medido C i en cada capa i del sedimento (Appleby,

1998) tal y como se presenta en las ecuaciones 1 y 2:

Ci = C(0) exp{γ ti} ecuación (1)

Donde:

γ es la constante de desintegración del Pb-210 γ =ln 222.23 años

−1 , y despejando

ti = 1 ln[()

] ecuación (2)

Método de Cs-137

El Cs-137 es uno de los principales componentes de la precipitación radioactiva antropogénica. Ambientalmente, seclasifica dentro del grupo de contaminantes inorgánicos

producidos por fusión nuclear (Hewitt, 2000). El Cs-137 fuegenerado como un subproducto de las pruebas de armas yaccidentes nucleares, estando presente en el ambiente desdelos primeros ensayos nucleares de 1945. Su distribución

global ha estado controlada tanto por las inyeccionesestratosféricas del isótopo, como por los patrones decirculación atmosférica.

El Cs-137, es un producto secundario de la generación de

energía termonuclear. La deposición se inició alrededor de1954 y llegó a un máximo en 1963. La determinación de latasa de sedimentación de este isótopo se basa en encontrar el

perfil de actividad Cs-137 que es dominado por un amplio'pico', que concuerda con la cúspide máxima en 1963, que es

cuando el Cs-137 alcanzó su máximo en la atmósfera, y así enel gráfico se determinan los años de acumulación y el períodode años de 1963 hasta la fecha de la determinación tal y comose muestra en la Ilustración 2 (Hewitt, 2000).

El método de Cs-137 es fundamentalmente diferente delmétodo Pb-210, ya que considera la fecha con base en dos

"marcadores" en lugar de concentración en picos para suinterpretación; estos marcadores son 1954 que es el año en que

las concentraciones se consideran detectables y 1963concentración máxima, por lo tanto, si se detecta Cs-137 a una

profundidad dada, la fecha se interpreta como 1954 o después.

Por ejemplo, para el cálculo en un perfil muestra en 1995 para

un horizonte de Cs-137 cerca de 48 cm de profundidad, elmarcador se puede utilizar para la determinación de la tasa desedimentación de la siguiente manera (48 cm de profundidad)/ (41 años que se calculan de la diferencia entre 1954 año de

aparición y 1995 año de muestreo) = 1,2 cm/año. Otra manerade calcular dicha tasa de sedimentación es usando la máximaconcentración de Cs-137 en el marcador de 1963, en que fuealrededor de 37 cm, de esta manera la tasa de sedimentación

se calcula de la siguiente manera (37 cm de profundidad) /(32

años de diferencia entre 1963 y 1995) = 1,2 cm / año (Hewitt,2000).

Ilustración 2. Perfil característico de Cesio-137 en un núcleo de

sedimento.

Muestreo núcleos de sedimento y preparación de muestras

Un primer caso de estudio fue el realizado en el Río Verde,

Oaxaca en el año 2008, seleccionándose dos puntos demuestreo, ubicados en la cuenca baja del río sobre su corriente

principal. Se buscó que dichos puntos de muestreo fuesen

representativos de los proceso de sedimentación y de losambientes geomorfológicos del río; así, se seleccionó un sitio

donde el río presenta un ambiente meándrico (sitio 1) y el otrositio en una zona donde el río fluye de manera recta (sitio 2).

De los núcleos de sedimentos muestreados se obtuvieron 19

muestras del punto 1 y 22 muestras del punto 2,correspondientes a las distintas profundidades de cada uno delos núcleos. Las muestras de cada uno de los núcleos se

prepararon (secaron a 110°C y tamizaron), almacenarondurante 30 días para que se estableciera el equilibrioradioactivo y se analizaron por espectrometría de rayosgamma en el laboratorio Core Scientific International en

Winnipeg Canadá, para obtener el fechado de sedimentos Pb-210 y Cs-137.

El segundo caso de aplicación fue el lago de Pátzcuaro en elaño 2004. Se tomó un núcleo de sedimento considerando elcriterio de deposición continua y donde la superficie desedimentos pudiera ser alcanzada por métodos comunes demuestreo, además una zona con mayor profundidad en el

cuerpo lacustre. Se obtuvieron 12 muestras que se prepararony se almacenaron durante 30 días para que se establecer elequilibrio radioactivo y se analizaron en el laboratorio USGeological Survey (Pb-210 y Cs-137).


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Resultados

Río Verde

Los resultados de la concentración del radioisótopo Pb-210 en

los dos testigos colectados se representan en gráficas deconcentración versus profundidad (Ilustración 3 y 4). Demanera general se puede observar que la concentración tiendea disminuir en profundidad; este indicador de decaimiento es

una herramienta de valoración inicial de los resultados para lavaloración de la concentración de Pb-210 en los núcleoscolectados, para su posterior selección o exclusión, ya que si

presenta alteraciones, la valoración no sería apta para el

cálculo de la tasa de sedimentación, pero en este caso no se presentó esta situación.

Ilustración 3. Actividad de 210Pb total sitio 1 (río Verde).

Ilustración 4. Actividad de 210Pb total sitio 1 (río Verde).

Para el cálculo de la tasa de sedimentación se consideró laaplicación del modelo C.I.C. (Constant Initial Concentration),que supone un aporte constante, los resultados se presentan enla tabla 1.

Tabla 1. Resultados del cálculo de la tasa de sedimentación

Sitio C (Pb) Tasa de sedimentación

195.095 exp { - 0.045 z }R =0.96

a =ln 2 / .0.045 = 0.69cm/año

2241.11 exp { - 0.0347 z }

R = 0.85

a = ln 2 / .0.0347 =0.89 cm/año

Los resultados del isótopo Cs-137 muestran una banda muyamplia de resultados (Ilustración 5); en el sitio 1 se observa la

primera ocurrencia de Cs en 1954 (±2años) que corresponde auna profundidad aproximada de 45 cm, mientras que elmáximo de deposición en 1963, corresponde a 27.5 cm de

profundidad. Considerando para este sitio la actividad máximaa 27.5 cm, la diferencia en años de 1963 a 2008 (año demuestreo) es de 45 años, así, se obtiene una tasa desedimentación de 0.61 cm/año. Considerando el marcador de1954 y la diferencia en años 1954 a 2008 y su aparición en

este año fue a los 45 cm, la tasa de sedimentación sería de0.83 cm/año.

Ilustración 5. Actividad de 137 Cs total sitio 1 (río Verde).

Para el sitio 2 primera ocurrencia de Cs-137corresponde a una

profundidad aproximadamente de 47.5 cm (Ilustración 6),mientras que el máximo de deposición de Cs-137 en 1963,corresponde a 25 cm de profundidad, con esta información setiene una tasa de sedimentación para este sitio de 0.55 cm/año,

para el sitio 2 considerando el marcador de 1963 y suaparición en este año que fue a los 47.5 cm, la tasa desedimentación sería de 0.87 cm/año, verificando ampliamente

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

P r o f u n d i d a d ( c m )

Sitio 1

Pb-210 (Bq/kg)

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


Sitio 2

Pb-210 (Bq/kg)

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25


Sitio 1

Cs-137 (Bq/kg)


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en ambos casos los rangos obtenidos con el método de Pb-210.

Ilustración 6. Actividad de 137 Cs total sitio 2 (río Verde).

Las tasas de sedimentación obtenidas tanto por el método deCs-137 como de Pb-210 son del mismo orden, lo cual da

certeza de la validez de los resultados obtenidos en esteestudio. Los cálculos de la velocidad de depositaciónmuestran que existe una mayor velocidad en el sitio 2 que estáaguas arriba, debido a que existe una mayor cantidad de

material que está compuesto por arenas, las cuales no puedenviajar con la misma facilidad que las arcillas.

Combinando métodos isotópicos con granulometría detalladase pueden identificar eventos que afectaron los depósitos delrío, por ejemplo, avenidas, derrumbes provocados porterremotos, entre otros. En este estudio se identificaron doseventos de mayor depositación hacia los años 1961 y 1990. El

pico de actividad máxima para Cs-137 identificado en la zonade estudio confirma su aplicabilidad para estas latitudes.

Los resultados obtenidos en este estudio indican que para el

Río Verde, la dinámica del río ha permitido un depósito dematerial en los últimos 70 años en el cauce actual.

Lago de Pátzcuar o

En la Ilustración 7 se presenta los resultados para Pb-210. Se

observa que la actividad de este isótopo es prácticamenteconstante en los primeros 30 cm del perfil de sedimentos.Estos resultados sugieren que existe una importante

resuspensión/ y/o mezcla de los sedimentos. Por este motivono es posible extraer una cronología significativa de losresultados de Pb-210 en esta muestra.

Ilustración 7. Resultados de los análisis de 210Pb

El perfil del Pb-210 de la muestra resultó en una forma noexponencial y haciendo imposible la aplicación del modeloC.I.C. Las desviaciones responden a variaciones en la tasa dedeposición o a perturbaciones debidas fundamentalmente a la

profundidad y a la resuspensión de los sedimentos ocasionada por el oleaje que provoca el viento en esta zona del lago.

En la Ilustración 8 se muestran los resultados de Cs-137, la primera ocurrencia se presenta entre 40 y 56 cm de profundidad en el perfil de sedimentos mientras que la

actividad máxima fue detectada entre 30 y 40cm de profundidad. Esto significa que la primera ocurrencia de137Cs en 1952 corresponde a una profundidad aproximada de45cm, mientras que el máximo de deposición de 137Cs en

1963, corresponde a 35 cm de profundidad. La tasa desedimentación es de 0.178 cm/año o 0.868 cm/año.Considerando estas tasas, la parte más profunda del núcleotendría una edad de 68.5 ± 2.5 años.

Ilustración 7. Fecha do del núcleo con el método de 137Cs.

0

10

20

30

40

50

60

0 0.5 1 1.5 2


Sitio 2

Cs-137 (Bq/kg)

1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5

137 Cs (pCi/g)

A ñ o s

-5

5

15

25

35

45

55

65



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Conclusiones

En este trabajo se realizó el cálculo de la tasa de sedimentos a

través de la datación de sedimentos de los últimos 100 añoscon el empleo de isótopos radiactivos tales como el Cs-137 y

el Pb-210.

Las técnicas del Pb-210 proporcionan una cronología exactade sedimentos recientes que no hayan experimentado

perturbaciones físicas o biológicas después de la deposición.

El modelo C.I.C. (Constant Initial Concentration) utilizado para el cálculo de la tasa de sedimentación con el trazador Pb-210 para el caso del río Verde, presentó un perfil claro de la

disminución de la actividad con la profundidad, fortaleciendosu hipótesis que supone un aporte constante de Pb-210 y unatasa de sedimentación también constante.

En cambio para el cálculo de la tasa de sedimentación en ellago de Pátzcuaro, no fue aplicable debido las

perturbaciones/resuspensión de sedimento ocasionado por eloleaje y el viento.

Las tasas de sedimentación obtenidas tanto por el método deCs-137 como de Pb-210 son del mismo orden, lo cual dacerteza de la validez de los resultados obtenidos en esteestudio.

El estudio realizado sobre el río Verde, permite conocer la

dinámica de los procesos de transporte de sedimentos en lazona, información que resulta útil para la planeación de obrashidráulicas y que permite estimar los posibles impactosambientales, así como la implementación de las medidas de

mitigación correspondientes.

La tasa de sedimentación, determinada en el lago dePátzcuaro, resultó ser cercana a 1cm/año, lo que contrasta conestudios sobre el lago que han señalado una alta tasa de

sedimentación. Las variaciones de la tasa de sedimentación enrelación con el paso de los años ponen de manifiesto laimportancia de la ejecución de un proyecto de dragado, pueslos valores de tasa de sedimentación aumentan en el tiempo.

Combinando métodos isotópicos con mediciones de batimetrías y granulometrías se pueden identificar eventos que

afectaron los depósitos de sedimento como por ejemplo;

avenidas, vertidos, dragados, derrumbes provocados porsismos, entre otros.

REFERENCIAS

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dates assuming a constant rate of supply of unsupported Pb-210 to the sediment. Catena, 1978. vol. 5, 1978. pp.1-8.

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