Improving the Use of Radium Isotopes and Radon as Tracers of Submarine Groundwater Discharge

Abstract

Els traçadors naturals són substàncies que es troben presents al medi i que representen una eina central en diferents disciplines científiques, proporcionant informació sobre processos i sistemes. En hidrologia i oceanografia, aquests objectes científics han esdevingut fonamentals per entendre processos invisibles o amb escales temporals que difereixen de la humana. La descàrrega submarina d’aigües subterrànies (SGD, per les seves sigles en anglès) és un procés que ha estat estretament relacionat amb l’ús de traçadors naturals. El procés, que consisteix en la descàrrega d’aigua d’origen terrestre o marí dels aqüífers costaners a l’oceà, ha sigut reconegut com un procés crucial modulant els cicles biogeoquímics costaners, controlant els ecosistemes marins i proporcionant multitud de serveis ecosistèmics a la societat. Els traçadors radioactius dels isòtops de radi i radó representen la tècnica més utilitzada per avaluar la magnitud i les implicacions d’aquest procés en una gran varietat de sistemes costaners, des de petites cales a oceans sencers. No obstant això, l’ús d’aquests radionúclids com a traçadors de la SGD és complex i requereix un coneixement profund en tots els passos necessaris per a la quantificació de la SGD mitjançant aquesta tècnica. Aquesta tesi doctoral explora l’ús dels isòtops de radi i radó com a traçadors de la SGD analitzant algunes de les mancances que presenta l’aplicació d’aquesta tècnica, com ara les relacionades amb (1) les tècniques analítiques per mesurar i quantificar aquests radionúclids, (2) el seu comportament geoquímic en sistemes hidrològics i (3) les seves aplicacions hidrològiques i oceanogràfiques. En relació amb les tècniques analítiques, aquesta tesi inclou una avaluació de la sistemàtica de quantificació del sistema RaDeCC, el detector per quantificar isòtops de radi de vida curta més emprat, aportant límits i pautes de quantificació. Aquesta tesi també presenta una anàlisi detallada del comportament dels isòtops de radi i radó en aigües subterrànies mitjançant el desenvolupament d’un nou model de transport de radionúclids. El model permet l’ús d’aquests traçadors per identificar diferents components de la SGD, delimitar la concentració d’aquests traçadors en l’aigua que descarrega al mar, i avaluar les característiques de l’aigua subterrània (per ex., velocitat, temps de trànsit). Finalment, aquesta dissertació presenta un dels primers treballs avaluant les variacions de la SGD induïts per esdeveniments de precipitació extrema utilitzant els isòtops de radi com a traçadors. Aquest treball emfatitza la importància que aquests esdeveniments episòdics poden tenir pels ecosistemes costaners, la seva rellevància relativa per les estimes anuals de la SGD i les seves implicacions en escenaris futurs de canvi climàtic. Amb tot, els treballs presentats en aquesta tesi doctoral contribueixen a millorar el coneixement actual sobre l’ús dels isòtops de radi i radó com a traçadors de processos ambientals i sobre la magnitud i implicacions de la descàrrega submarina d’aigua subterrània.

Los trazadores naturales son sustancias que se encuentran presentes en el medio y que representan una herramienta central en diferentes disciplinas científicas, proporcionando información sobre procesos y sistemas. En hidrología y oceanografía, estos objetos científicos han sido fundamentales para entender procesos invisibles o con escalas temporales que difieren de la humana. La descarga submarina de aguas subterráneas (SGD, por sus siglas en inglés) es un proceso que ha estado estrechamente relacionado con el uso de trazadores naturales. El proceso, que consiste en la descarga de agua de origen terrestre o marino desde los acuíferos costeros al océano, ha sido reconocido como un proceso crucial modulando los ciclos biogeoquímicos costeros, controlando los ecosistemas marinos y proporcionando multitud de servicios ecosistémicos a la sociedad. Los trazadores radioactivos de los isótopos de radio y radón representan la técnica más usada para evaluar la magnitud y las implicaciones de este proceso en una gran variedad de sistemas costeros, des de pequeñas calas a océanos enteros. Sin embargo, la utilización de estos radionúclidos como a trazadores de la SGD es complejo i requiere un conocimiento profundo en todos los pasos necesarios para la cuantificación de la SGD mediante esta técnica. Esta tesis doctoral explora la utilización de los isótopos de radio y radón como trazadores de la SGD analizando algunas de las carencias que presenta la aplicación de esta técnica, como las relacionadas con (1) las técnicas analíticas para medir y cuantificar estos radionúclidos, (2) su comportamiento geoquímico en sistemas hidrológicos y (3) sus aplicaciones hidrológicas y oceanográficas. En relación con las técnicas analíticas, esta tesis incluye una evaluación de la sistemática de cuantificación del sistema RaDeCC, el detector para cuantificar isótopos de radio de vida corta más usado, aportando límites y pautas de cuantificación. Esta tesis también presenta un análisis detallado del comportamiento de los isótopos de radio y radón en aguas subterráneas mediante el desarrollo de un nuevo modelo de transporte de radionúclidos. El modelo permite la utilización de estos trazadores para identificar diferentes componentes de la SGD, delimitar la concentración de los trazadores en agua que descarga al mar, i evaluar las características del agua subterránea (por ej., velocidad, tiempo de tránsito). Finalmente, esta disertación presenta uno de los primeros trabajos evaluando las variaciones de la SGD inducidas por eventos de precipitación extrema empleando los isótopos de radio como trazadores. Este trabajo enfatiza la importancia que estos eventos episódicos pueden tener para los ecosistemas costeros, su relevancia relativa para las estimas anuales de la SGD y sus implicaciones en escenarios futuros de cambio climático. En general, los trabajos presentados en esta tesis contribuyen a mejorar el conocimiento actual tanto sobre el uso de isótopos de radio y radón como trazadores de procesos ambientales, como sobre la magnitud e implicaciones de las descargas submarinas de aguas subterráneas.

Natural tracers – any substance present in the environment in small but measurable amounts – are a central tool in many scientific disciplines, providing information about processes and systems. In hydrology and oceanography, these scientific objects have become fundamental for understanding processes that are invisible or have disparate temporal scales, some of them differing greatly from the human time scale. One of the research topics that has been most closely linked to the use of natural tracers is the assessment of submarine groundwater discharge (SGD). This process, which involves the discharge of terrestrial and marine groundwater from coastal aquifers to the coastal ocean, has been recognized as an important process modulating the chemical budgets of the coastal ocean, controlling coastal ecosystems, and providing significant ecosystem services to society. The radioactive tracers of radium isotopes and radon represent the most extensive and widespread tool for investigating the magnitude and implications of this process in a wide variety of environments, from small coves to the entire ocean. However, reporting SGD estimates by means of these tracers is complex and requires profound knowledge regarding fundamental steps in the process of quantifying SGD using these radionuclides, from the tracer measurement techniques to the estimation of groundwater and solute fluxes. This Thesis explores the use of radium isotopes and radon as tracers of SGD by addressing a set of research gaps dealing with (1) the analytical techniques for measuring and quantifying these radionuclides, (2) their geochemical behavior in groundwater systems, and (3) their applications as tracers for both groundwater systems and the coastal ocean. Regarding the analytical techniques, this Thesis includes an assessment of the quantification systematics of the RaDeCC system, the most widely used counter for quantifying short-lived Ra isotopes, providing quantification limits and guidelines. The work represents a significant advance in pursuing better and more precise SGD estimates, as well as for any hydrological and oceanographic application of these tracers. Additionally, the Thesis presents a comprehensive analysis of the behavior of Ra isotopes and Rn in groundwater through a novel transport model of radionuclides. This model enables the use of these tracers for identifying SGD pathways, constraining the tracer concentration in the discharging groundwater, and evaluating the groundwater flow characteristics. Finally, this dissertation presents one of the first works evaluating the variations of SGD and associated nutrient fluxes induced by extreme precipitation events using Ra isotopes as tracers. The work emphasizes the relevance that these episodic events may have for coastal ecosystems, their relative significance for annual SGD estimates, and their implications in future climate change scenarios. Overall, the works presented in this Thesis contribute to improving the current knowledge both about the use of radium isotopes and radon as tracers of environmental processes and about the magnitude and implications of submarine groundwater discharge.