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Contenido de As, Ba, y Cu en
sedimentos y su asociación con
depósitos minerales en el noreste de
Chihuahua
As, Ba, and Cu content in sediments and their
association with mineral deposits of northeast
Chihuahua
MÉLIDA GUTIÉRREZ, 1,3 ENRIQUE CARREON, 2
Recibido:
Abril 15, 2008
Aceptado:
Agosto 14, 2008
Resumen
La distribución de arsénico (As), bario (Ba), y cobre (Cu) en
sedimentos se analizó con el fin de determinar su posible asociación
con depósitos minerales en el noreste de Chihuahua. El estudio se
basó en 1,016 muestras de sedimento de arroyo y 11 de sedimento
de río. Concentraciones enriquecidas y anómalas de cada uno de
estos tres elementos se compararon con la ubicación geográfica
de depósitos minerales de sulfatos, sulfuros (Pb-Zn-Cu) y óxidos
de Cu y Mn utilizando el sistema de información geografica ArcGIS.
La concentración natural de fondo para cada elemento
correspondió a concentraciones menores al percentil 80 y los
valores anómalos a concentraciones mayores que el promedio
más dos desviaciones estándar. A las concentraciones intermedias
(valores no-anómalos y > percentil 80) se les denominó
concentraciones naturales enriquecidas. Las distribuciones de
concentraciones naturales, naturales enriquecidas, y anómalas
presentaron un patrón de distribución diferente para cada elemento.
Un patrón de comportamiento común a los tres elementos fue la
relación entre concentraciones anómalas y la presencia de
depósitos minerales.
Los valores de fondo naturales y enriquecidos se pueden utilizar
como base en el monitoreo de cambios en la composición química
del área resultantes de actividades mineras y agrícolas, mientras
que la identificación de concentraciones anómalas se debe
considerar como lugares en donde contaminación está ocurriendo
a mayor escala y donde se requiere de algún tratamiento de
contención o remediación de contaminantes.
Palabras clave: Arsénico, bario, cobre, concentración anómala,
contaminación, Chihuahua, sedimento.
Abstract
Concentrations of arsenic (As), barium (Ba) and copper
(Cu) in arroyo sediments were statistically and spatially
analyzed to determine their relationship with mineral
deposits occurring in northeast Chihuahua.
The study utilized 1,016 arroyo sediment samples and 11
river sediment samples. Their spatial distribution, obtained
using ArcGIS, was compared to the geographical location
of known sulfates, sulfide (Pb-Zn-Cu) and Mn-oxide mineral
deposits
The natural background concentration values
corresponded to values <80% percentile while anomalous
values were identified as those larger than the mean plus
two times the standard deviation. The rest of the values
(non-anomalous values >80% percentile) were labeled as
naturally enriched. The distributions of natural, enriched
and anomalous concentrations yielded a different pattern
for each element. A pattern common to all elements was
that anomalous concentrations clustered mineral deposits.
Natural background concentrations and background
enriched concentration can be used as reference values
to monitor chemical changes that may occur due to
agriculture or mining activities, while the identification of
anomalous concentrations should be considered as a
location where pollution is taking place and where a
containment or remediation treatment is required.
Key words: Arsenic, barium, copper, anomalous
concentration, pollution, Chihuahua, sediment.
__________________________________
1 Departamento de Geografía, Geología y Planeación, Universidad del Estado de Missouri, Springfield MO 65897 USA
2 PROFAUNA, Calle 16 No. 2604 Col. Pacífico, Chihuahua, Chih. 31030, México
3 Dirección electrónica del autor de correspondencia: mgutierrez@missouristate.edu
Medio ambiente y desarrollo sustentable Artículo arbitrado
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E
Introducción
l uso de sedimentos como indicadores de contaminación en estudios ambientales,
incluyendo el índice de geoacumulación propuesto por Mueller (1979) y el
fraccionamiento por fases químicas para determinar la movilidad de contaminantes
propuesto por Tessier et al. (1979) siguen siendo utilizados por un gran número de
investigadores, especialmente por la propiedad de los sedimentos de retener información
de los contaminantes durante un lapso de tiempo mayor comparado con las fases acuosas
(Förstner y Wittmann, 1981).
Una posible desventaja en la utilización
de sedimentos es el aspecto analítico, ya
que el análisis es más elaborado que el de
soluciones acuosas debido a que la muestra
se tiene que someter a tratamientos de
secado, tamizado y digestión antes de su
análisis por medio de espectrometría, esta
última utilizando espectrómetros de
absorción atómica o de inducción de
plasma. Los resultados obtenidos se
expresan comúnmente en mg de
contaminante por kg de sedimento seco, o
ppm.
Bases de datos geoquímicos de
sedimentos han proliferado en las últimas
décadas como resultado de programas
nacionales y multinacionales, como el
Mapeo Geoquímico Mundial (GRN por sus
siglas en ingles de Global Reference
Network) y el Proyecto Geoquímica de
Suelos y Paisajes de Norteamérica
(Geochemical Landscapes Project), el cual
Figura 1. Área de estudio mostrando la ubicación de minas existentes, seis de las cuales se encuentran en
operación y están marcadas con un rombo; las demás minas están abandonadas. Picos rojos se utilizaron
para distinguir minas de metales asociados con Cu y As, negros para barita, y grises para otros minerales.
La línea gruesa gris demarca la cuenca del Rio Conchos.
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tiene como objetivo la cobertura de Estados
Unidos, Canadá y México. El Servicio
Geológico Mexicano ha acumulado un banco
de datos, los cuales están disponibles en
cuadros de 1°x 2°. Para los cuadros de
Delicias y Ojinaga en el estado de Chihuahua,
muestras de sedimentos se colectaron en
1999 y los resultados se publicaron en 2001
(SGM, 2001). Estos dos cuadros, los cuales
cubren el área entre 24-26°N y 104-106°W
(Fig. 1), contienen un total de 1,016 puntos
de muestreo bajo una cobertura bastante
buena, considerando que partes del área son
de difícil acceso.
Este estudio se basó en 1,027
concentraciones de As, Ba, y Cu en
sedimentos; 1,016 muestreados y
analizadas por SGM y 11 muestras
muestreadas por los autores y analizadas en
un laboratorio comercial (CHEMEX)
utilizando protocolos estándar de análisis de
metales descritos más adelante.
As, Ba, y Cu fueron seleccionados para
este estudio por ser elementos
potencialmente tóxicos, por su presencia en
depósitos minerales del área, y por tener un
número considerable de muestras arriba de
límites de detección para así lograr un
análisis estadístico más representativo.
Bario
El bario afecta la salud humana ya sea
por ingestión o inhalación; en dosis alta afecta
el sistema nervioso y los riñones (ATSDR,
2007), y en concentraciones extremas
(contacto prolongado con suelos >1,400 ppm
Ba) se ha llegado a relacionar con parálisis
y esclerosis múltiple (Purdey, 2004). El sulfato
y el carbonato de bario son sales poco
solubles y de baja toxicidad. Los depósitos
de Ba se encuentran solos o asociados con
depósitos de Zn, Pb, u óxidos de manganeso
(Mosier 1986; Paradis et al., 1998).
El promedio mundial reportado para
suelos es de 430 ppm Ba (Breckenridge y
Crockett, 1995). La norma oficial para Ba
en suelos de uso agrícola y comercial es de
5,400 ppm (SEMARNAT, 2007). Para agua
potable, la norma oficial mexicana es 0.7
ppm (DOF, 1996). Según un estudio llevado
a cabo por Wones et al., (1990) un grupo de
personas ingirió agua conteniendo 10 ppm
de Ba durante 10 semanas sin presentarse
ningún efecto adverso.
Cobre
El cobre es un metal esencial para
organismos vivos en cantidades pequeñas,
pero tóxico en concentraciones altas
(Flemming y Trevors, 1989). En aguas
naturales, Cu afecta a los organismos
acuáticos en mayor o menor grado
dependiendo del organismo, química del
agua, pH, y tiempo de exposición. En agua,
valores alrededor de 42 ppm Cu afectaron
a Ceriodaphnia dubia, un organismo
utilizado como indicador de calidad, (EPA,
2001). En cuanto a sedimentos, los
organismos acuáticos empiezan a mostrar
afectación (nivel bajo) a partir de 70 ppm Cu,
mientras que un contenido de 390 ppm Cu,
considerado nivel medio, causó mortandad
a aproximadamente la mitad de ellos (Long
y Morgan, 1990). El valor promedio de Cu
en suelos se ha reportado como 30 ppm
(Breckenridge y Crockett, 1995). La norma
oficial mexicana para agua potable es de 2.0
ppm (DOF, 1996).
Arsénico
En contraste con el bario y el cobre, el
arsénico es tóxico a concentraciones muy
bajas y además es insípido e incoloro; la
norma oficial mexicana para agua potable
es de 0.025 ppm (SEMARNAT, 1996) y para
suelos de uso agrícola es 22 ppm (DOF,
2007). En sedimentos, el valor bajo para
afectación de organismos acuáticos es de
33 ppm y 85 ppm para nivel medio (Long
and Morgan, 1990).
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Antecedentes
Los arroyos dentro del área de estudio
representan en su mayoría condiciones
naturales ya que prácticamente todas las
substancias de desecho de ciudades,
drenes agrícolas, etc., son descargados a
los ríos Conchos, Chuvíscar, y San Pedro.
La afinidad de metales y metaloides por
adsorberse en fases sólidas sugiere una
inevitable acumulación en sedimentos en
estos ríos y sus reservorios. Comparado con
los ríos, la reducción en la velocidad del
agua en reservorios causa un asentamiento
de partículas finas (arcillas) en los
sedimentos, y debido a que éstas últimas
están enriquecidas con As y Cu, la
concentración de As y Cu en los sedimentos
se incrementa (Hernández-García et al.,
2007; Gutiérrez et al., en prensa; Gutiérrez
et al., 2008). El arsénico en sedimentos y
ríos en Chihuahua se ha asociado a jales
de minas y descargas de aguas residuales
(Gutiérrez et al., 2008; Gutiérrez-Ruiz et al.,
2007).
En las inmediaciones de jales, las
concentraciones de metales y otros
productos de minas pueden ser muy altos
(Puga et al., 2006; Gutiérrez-Ruiz et al.,
2007). Gutiérrez-Ruiz et al. (2007)
reportaron valores de Cu, As, y Ba de hasta
2,415 mg/kg, 3,281 mg/kg y 586 mg/kg
respectivamente en la zona minera de Santa
Barbara (Chihuahua) y sin embargo su
contenido en aguas subterráneas someras
se encontró por debajo de los límites
señalados para aguas de consumo humano.
Debido a la afinidad de metales y
metaloides (As, Cu) para ser retenidos por
fases sólidas, su concentración más alta se
espera encontrar cerca de minas y jales,
decreciendo con la distancia (Puga et al.,
2006), mientras que elementos que son no
son tan fácilmente adsorbidos por la fase
sólida (e.g., Ba) tienden a dispersarse y ser
transportados con las escorrentías.
Área de estudio
El área de estudio se encuentra entre
28-30°N y 104-106°W (Fig. 1). Delicias
(127,211 habitantes) y Ojinaga (21,157
habitantes) son ciudades importantes dentro
del área; otras poblaciones incluyen Julimes,
Coyame, Aldama, Cárdenas, y Cuchillo
Parado. El área está comprendida dentro
del desierto de Chihuahua y tiene una
elevación promedio de 1,100 msnm. Dentro
del área de estudio hay dos distritos de
riego, el Distrito 005 (Delicias) con una
superficie de 84,528 hectáreas y el Distrito
090 (Ojinaga) con 10,975 hectáreas (INEGI,
1999).
La precipitación es de tipo monzón,
siendo julio, agosto y septiembre los meses
de lluvia. La precipitación anual es variable,
desde 140 mm (2001) hasta 601 mm
(1978). Dentro del área existen gran
cantidad de arroyos, los cuales permanecen
secos gran parte del tiempo. Los ríos
principales son el Conchos, Bravo,
Chuvíscar y San Pedro. Los dos últimos
desembocan en el río Conchos, y el río
Conchos desemboca en el río Bravo. Dentro
del área existen 98 minas, de las cuales
solamente seis están operando: Belinda y
El Gatun (yeso), San Antonio (metales: plomo
y zinc), Cerro Prieto (barita), La Perla (fierro)
y Las Choyas (arcillas y geodas) (SGM,
2001). La relación entre estos depósitos
minerales y su geología se ha reportado por
diversos autores (Clark y De la Fuente, 1978;
Arzabala-Molina, 2005). La ubicación de
estas minas se muestra en Fig. 1. Para
facilitar su identificación visual, los
depósitos de metales asociados con Cu y
As (e.g., Zn, Pb) están representadas por
picos color rojo, y minerales conteniendo Ba
por picos color negro.
El acceso al área de estudio por tierra
es restringido ya que solamente dos
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carreteras la cruzan, las No. 45
(Panamericana) y No. 16 (Chihuahua-
Ojinaga). El resto del área está comunicado
por medio de caminos de terracería, la
mayoría de los cuales se vuelven
intransitables durante temporadas de lluvia.
Métodos
Muestras de sedimento se tomaron de
la parte superficial del lecho de arroyos
durante temporada de estiaje, se secaron a
temperatura ambiente, y se pasaron por una
criba 80 mesh. Muestras de 1 gramo del
sedimento seco tamizado se digirieron con
agua regia. La solución resultante se analizó
en un espectrómetro de inducción de
plasma (ICP-MS) en los laboratorios del
SGM en Pachuca, Hidalgo, siguiendo
protocolos estándar (SGM, 2001). Las
muestras colectadas por los autores se
sometieron al mismo protocolo seguido por
el SGM, excepto que las muestras se
tomaron del lecho del río cubierto por agua,
aproximadamente a 1 m de la orilla, y se
enviaron a un laboratorio comercial
(CHEMEX; http://www.alsglobal.com/) para
su análisis.
Una vez que se compilaron las
concentraciones, el primer paso en el
análisis de concentraciones fue construir un
histograma (frecuencia vs concentración)
para cada elemento. Los histogramas
mostraron una distribución típica de
componentes de concentración natural y
enriquecido (Voigt et al., 2005), la cual
consiste en una distribución normal para
concentraciones bajas seguidas por una
segunda curva de campana para las
concentraciones enriquecidas. El
histograma obtenido para Cu se muestra en
la Fig. 2.
Figura 2. Histograma de concentraciones de cobre mostrando dos componentes; concentraciones naturales
de fondo (línea naranja) y concentraciones enriquecidas (línea verde).
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Las concentraciones naturales de fondo
se obtienen generalmente utilizando el
percentil 90 de las muestras (San Juan,
1994) y tienen una distribución normal. Dado
que la distribución obtenida para nuestras
muestras presentó por lo menos dos
componentes, se determinó por inspección
visual la concentración máxima de acuerdo
a una distribución normal (primera curva de
campana), con un valor aproximado de 25
ppm (ver Figura. 2).
Esta concentración se comparó con los
valores de concentraciones listados de
menor a mayor, encontrándose que 20% de
las muestras correspondieron a
concentraciones >25 ppm, por lo cual se
seleccionó el percentil 80 para separar las
muestras enriquecidas (> percentil 80) de
las concentraciones de fondo natural (<
percentil 80). Similarmente, concentraciones
anómalas se obtuvieron al separar aquellos
valores mayores que el promedio más dos
desviaciones estándar (Cuadro 1). En base
a estos valores se construyeron mapas de
la distribución de cada tipo de concentración
(natural, natural enriquecida, y anómala)
para cada uno de los tres elementos.
Cuadro 1. Valores promedio, desviación estándar, y numero de muestras correspondientes a
concentraciones de fondo natural (< percentil 80), enriquecidas (³ percentil 80) y anómalas.
Discusión de resultados
Los mapas para concentraciones
naturales y naturales enriquecidas se
muestran en las Figuras. 3 - 5. A simple vista,
los mapas de valores naturales de fondo (<
percentil 80) mostraron la distribución de Cu
ligeramente concentrada en la parte norte
del área de estudio. Al verificar la diferencia
en la distribución de cada uno de los
elementos en zonas norte y sur por medios
estadísticos (G-test de variosimilitud) se
comprobó que Cu y Ba están más
densamente distribuidos en una de estas
zonas, el Cu en el norte y el Ba en el sur
(Cuadro 2).
Los valores anómalos se consideran en
general como el resultado de factores
operando fuera de los procesos naturales,
como es el caso de la contaminación de tipo
antropogénica. Los valores límite para
concentraciones anómalas, así como el
número de concentraciones anómalas
obtenidos para cada elemento se incluyen
en el Cuadro 1.
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Figura 3. Concentraciones de fondo (mapa superior) y
enriquecidas (mapa inferior) para As. Las minas están marcadas
con cruces (rojas para óxidos, moradas para sulfuros). El mapa
muestra además el río Conchos y su cuenca, y el sistema de
riego 005 (verde).
Figura 5. Concentraciones de fondo (mapa superior) y
enriquecidas (mapa inferior) para Cu. Las minas están marcadas
con cruces (rojas para óxidos, moradas para sulfuros). El mapa
muestra además el río Conchos y su cuenca, y el sistema de riego
005 (verde).
Figura 4. Concentraciones de fondo (mapa superior) y
enriquecidas (mapa inferior) para Ba. Las minas están marcadas
con cruces (rojas para óxidos, gris para sulfatos). El mapa
muestra además el río Conchos y su cuenca, y el sistema de
riego 005 (verde).
Figura 6. Distribución de concentraciones anómalas para As y
Ba (círculos). Las minas mostradas incluyen depósitos minerales
de metales (cruz roja), óxidos (cruz gris) y barita (cruz negra),
mientras que las minas en operación están marcadas con un
rombo.
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Cuadro 2. Numero de muestras de concentración de fondo natural presentes en la zona norte y zona sur del
área de estudio.
La asociación entre valores anómalos
de As, Ba, Cu y depósitos minerales es
evidente por simple inspección visual en la
Figura. 6, donde las concentraciones
anómalas de As y Ba están representadas
por círculos. Las concentraciones anómalas
de Cu se omitieron para simplicidad de la
gráfica, además de que la mayoría de las
concentraciones anómalas de Cu ocurren
simultáneamente con las de As. En la Fig. 6
se puede observar que varios de los valores
anómalos de As se encuentran directamente
aguas abajo de zona minera San Antonio
(mineral de Santa Eulalia), y varios valores
anómalos de Ba aguas abajo de zonas
mineras de barita (mina Cerro Prieto).
A diferencia de las concentraciones
anómalas, el patrón de distribución obtenido
para valores enriquecidos no-anómalos no
se distribuyó necesariamente alrededor
depósitos minerales, y cada uno de los
elementos utilizados generó un patrón
diferente. Algunas minas (probablemente las
más pequeñas) no generaron valores
enriquecidos o anómalos en sus
alrededores, tal vez como resultado de tener
menos cantidad de jales o una
concentración menor del elemento en
cuestión.
El arsénico mostró una asociación
estrecha con la presencia de minas de
sulfuros, mientras que en el caso de Ba y Cu
las concentraciones parecen ser afectadas,
además de la presencia de minas, por otros
procesos tales como la erosión de minerales
conteniendo Ba y Cu que hace que contenido
de estos elementos en el sedimento se
encuentren esparcidos sobre una zona
extensa y en concentraciones suficientemente
bajas como para no ser clasificados como
depósito mineral. La abundancia de Ba en la
parte norte y áreas cercanas a los ríos se
puede deber, en parte, a su mayor facilidad
para ser transportado por agua de
escorrentías. En el caso del cobre, la mayoría
de los valores naturales enriquecidos (³
percentil 80) están localizados en la parte sur
del área de estudio, sin aparentemente
relación con la presencia de minas, sugiriendo
que otros procesos como geología de los
afloramientos y topografía contribuyen de
manera importante a su contenido y
distribución.
En general, el análisis de distribución
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minerales en el noreste de Chihuahua
arrojó como conclusión que las
concentraciones de fondo natural
coincidieron con áreas apartadas de
ciudades, actividades agrícolas y mineras,
mientras que los valores anómalos se
localizaron en lugares cercanos y aguas
abajo de depósitos minerales, como las
minas de San Antonio (As y Cu) y Cerro
Prieto (Ba). El patrón de concentraciones
naturales enriquecidas varió para cada
elemento y además de ofrecer un valor base
con el cual comparar concentraciones
naturales enriquecidas para esta área
mostró lugares donde este elemento se
acumula en forma natural.
Conclusiones
El abundante número de muestras
disponibles hizo posible identificar con
claridad los dos componentes de
distribuciones normales y por consiguiente
separar con certeza las concentraciones
naturales de fondo de las concentraciones
enriquecidas.
Para los tres elementos estudiados, los
valores anómalos se encontraron en la
cercanía a minas en operación. Los valores
naturales enriquecidos presentaron un
patrón más complejo, y a diferencia de As y
Ba, la relación entre Cu y depósitos
minerales fue menos evidente, mostrando
las concentraciones más altas en la zona sur
del área, sin encontrársele explicación a este
patrón de concentraciones.
Concentraciones de fondo para áreas
naturales no contaminadas y
concentraciones naturales enriquecidas son
parámetros base sumamente útiles en la
predicción de los efectos de actividades
futuras puedan ejercer en suelos,
sedimentos, y consiguientemente en aguas
naturales.
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Resúmenes curriculares de autor y coautores
MÉLIDA GUTIÉRREZ. Es originaria de Delicias, Chihuahua. Cursó su maestría en la Universidad de Karlsruhe, Alemania, obteniendo su
grado en sistemas biológicos de tratamiento de agua en 1979. Estudió el doctorado en geohidrología en la Universidad de Texas
en El Paso, de donde se graduó en 1992. Ha impartido clases en el Instituto Tecnológico de Monterrey-Campus Guaymas, la
Universidad del Estado de Nuevo Mexico - Las Cruces, y durante los últimos quince años, en la Universidad del Estado de
Missouri, en Springfield, Missouri. Actualmente imparte los cursos de geología física, ciencias de la tierra, y geoquímica. Su
investigación se ha enfocado a la calidad del agua y geoquímica de interacciones entre roca y agua, especialmente los sistemas
cársticos en el sur de Missouri y el río Conchos en Chihuahua. Su investigación en el rio Conchos incluye, además de la química
del agua y de sedimentos, la educación ambiental. Con este motivo viaja a Chihuahua con frecuencia y mantiene nexos de
colaboración con colegas de instituciones educativas en el estado.
ENRIQUE CARREON HERNANDEZ. Es Médico Veterinario Zootecnista por la Universidad Autónoma de Zacatecas, Maestro en Ciencias en
manejo y conservación de vida silvestre por el Colegio de Postgraduados y candidato a Doctor en Filosofía por la Universidad
Autónoma de Chihuahua en manejo y conservación de recursos naturales. Actualmente labora en Protección de la Fauna
Mexicana, A.C. siendo su área de trabajo el manejo y conservación de recursos naturales, percepción remota y sistemas de
información geográfica.
Sedimentary-hosted, stratiform barite, in Geological Fieldwork
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Este artículo es citado así:
GUTIÉRREZ MÉLIDA, Enrique Carreon. 2008. Contenido de As, Ba, y Cu en sedimentos y su asociación con depósitos minerales en
el noreste de Chihuahua. TECNOCIENCIA Chihuahua 2(2): 40-55.
DOI: https://doi.org/10.54167/tecnociencia.v2i2.73
