Hydrogeology of salt flats : the Salar de Atacama example

Abstract

This thesis aims to advance the knowledge of the hydrogeological functioning of salt flats in order to achieve a sustainable management of their mineral resources and ecosystems. Salt flats are a major source of Li, B, I, K, Mg and NaCl, and they host some of the most outstanding ecosystems on earth. Around 25 % of Li world reserves are located in the Salar de Atacama (NE of Chile). The exploitation of this raw material, highly valued in the technological and pharmaceutical industries, is carried out by brine pumping. Brine pumping can affect the natural hydrogeological regime of salt flats and, in many cases, the possible impact on their ecosystems is unknown.
 This thesis contributes to (1) explain the geometry and groundwater flow of the mixing zone (saline interface) located around salt flats, (2) define the water balance and hydrodynamics of the Salar de Atacama under the natural regime, (3) analyse and quantify the impacts caused by brine pumping, (4) improve the design of the brine exploitations in salt flats and (5) question the traditional ideas on the origin of the Li-enrichment in the Salar de Atacama.
 The groundwater recharged in the mountains is forced to flow upward when it reaches the mixing zone around the salt flat due to its lower density, feeding the lake and wetland ecosystems. The first 3D mapping of a salt flat mixing zone has been carried out in the Salar de Atacama and it has shown a slope of the mixing zone much lower than previous assumptions. The 2D modelling of the mixing zone demonstrated as the permeability of the upper aquifer increases, the slope of the mixing zone decreases, resulting in a shallower mixing zone. Thus, the permeability of the upper aquifer, mostly constituted of very permeable karstified evaporites and alluvial deposits, is critical to the geometry of the mixing zone.
 The hydrogeological conceptual model of the Salar de Atacama, prior to brine pumping (natural regime), has been defined and validated using a 3D steady-state groundwater flow model. The asymmetric distribution of the recharge by infiltration of rainwater and, above all, the evaporation discharge results in a water table whose minimum hydraulic head is located in the easternmost nucleus, close to the eastern mixing zone.
 The 3D transient-state modelling of the Salar de Atacama basin from 1986 to 2018 has allowed to explain the hydrodynamics and water balance impacts caused by brine exploitation. From 1994 to 2015, under the mining regime, the brine pumping caused an additional drawdown of the water table that triggered a decrease of the phreatic evaporation. This effect has been defined as "damping capacity" and it allows to counteract the disturbances occasioned by natural or anthropogenic events on the water table and balance of salt flat basins. The damping capacity compensated, at least in part, the decrease of the evaporation discharge, but nowadays it is already amortized in the nucleus and the mixing zone begins to be impacted.
 The 3D modelling of a hypothetical salt flat under brine exploitation has contributed to optimize the spatial distribution of the pumping wells in terms of impact on the water balance. Brine exploitations should consider to distribute the pumping outflow in the greatest extent possible to take full advantage of the damping capacity.
 The results of the hydro-thermo-haline modelling of the Salar de Atacama basin has suggested the Salar Fault System as the main contributor for the extreme Li-enrichment, either through the rise of Li-rich brines from a deep hydrothermal reservoir or remobilization of ancient layers of Li-enriched salts and/or clays by non-evaporated recharge waters coming from the W. The persistence of the mixing zones in depth also dismissed previous ideas of (1) leaking of brines from the present salt flats or (2) leaching of hypothetical salt flats buried by volcanic eruptions in the Altiplano-Puna as sources for the extreme Li-enrichment of the Salar de Atacama brines. Esta tesis contribuye a avanzar en el conocimiento del funcionamiento hidrogeológico de los salares con el fin de mejorar la gestión de sus recursos minerales y ecosistemas. Los salares son una fuente principal de Li, B, I, K, Mg y NaCl, y albergan algunos de los ecosistemas más excepcionales de la tierra. Alrededor del 25 % de las reservas mundiales de Li se localizan en el Salar de Atacama (NE de Chile). La explotación de esta materia prima, altamente valorada en las industrias tecnológica y farmacéutica, se realiza mediante bombeo de salmuera. El bombeo de salmuera puede afectar al régimen hídrico natural de los salares y, en muchos casos, se desconoce el posible impacto sobre sus ecosistemas. Esta tesis ayuda a (1) explicar la geometría y el flujo subterráneo de la zona de mezcla (interfaz salina) ubicada alrededor de los salares, (2) definir el balance hídrico y la hidrodinámica del Salar de Atacama en su régimen natural, (3) analizar y cuantificar los impactos causados por el bombeo de salmuera, (4) mejorar el diseño de las explotaciones de salmuera en salares y (5) cuestionar las ideas tradicionales que explican el origen del enriquecimiento en Li del Salar de Atacama. El agua subterránea recargada en las montañas es forzada a fluir hacia la superficie cuando alcanza la zona de mezcla que rodea al salar debido a su menor densidad, alimentando los ecosistemas lagunares y humedales. La primera cartografía 3D de la zona de mezcla de un salar se ha llevado a cabo en el Salar de Atacama, evidenciando una pendiente mucho menor que las predicciones anteriores. El modelado 2D de la zona de mezcla ha demostrado que cuanto mayor es la permeabilidad del acuífero superior, más baja es la pendiente y más superficial se vuelve la zona de mezcla. Por lo tanto, la permeabilidad del acuífero superior, principalmente constituido por evaporitas karstificadas y depósitos aluviales muy permeables, es crítica para la geometría de la zona de mezcla. El modelo hidrogeológico conceptual del Salar de Atacama, previo al bombeo de salmuera (régimen natural), se ha definido y validado utilizando un modelo estacionario 3D del flujo subterráneo. La distribución asimétrica de la recarga por infiltración del agua de lluvia y, sobre todo, de la descarga por evaporación da como resultado una superficie freática cuyo mínimo nivel hidráulico se localiza en el sector más oriental del núcleo, cerca de la zona de mezcla oriental. El modelado transitorio 3D de la cuenca del Salar de Atacama desde 1986 hasta 2018 ha permitido explicar los impactos causados por la explotación de salmuera sobre la hidrodinámica y el balance hídrico. Desde 1994 hasta 2015, el bombeo de salmuera causó una profundización de la superficie freática que desencadenó una reducción de la evaporación freática. Este efecto ha sido definido como la "capacidad de autorregulación" y permite a los salares contrarrestar las perturbaciones ocasionadas por eventos naturales o antropogénicos sobre la superficie freática y el balance hídrico. La capacidad de autorregulación compensó, al menos en parte, la disminución de la descarga por evaporación, pero hoy en día ya está amortizada en el núcleo y la zona de mezcla comienza a verse afectada. El modelado 3D de un hipotético salar bajo explotación de salmuera ha contribuido a optimizar la distribución espacial de los pozos de bombeo en términos de impacto sobre el balance hídrico. Para aprovechar al máximo la capacidad de autorregulación, las explotaciones de salmuera deben considerar distribuir el caudal bombeado en la mayor área posible. 
 Los resultados del modelado hidro-termo-halino de una sección vertical Este-Oeste de la cuenca del Salar de Atacama han señalado al Sistema de Fallas Salar (SFS), localizado en el sector central del núcleo, como el principal contribuyente para explicar el enriquecimiento extremo en Li, ya sea por el ascenso de salmueras ricas en Li desde un reservorio hidrotermal profundo o por removilización de antiguas capas de sales y/o arcillas ricas en Li por aguas de recarga no evaporadas provenientes del Oeste. La localización del mínimo nivel hidráulico regional en el lado oriental del núcleo descarta considerar la evaporación avanzada como un mecanismo actual para alcanzar el alto contenido de Li de las salmueras ubicadas sobre el SFS. Además, la persistencia de las zonas de mezcla en profundidad también permite descartar las hipótesis previas de 1) infiltración de salmueras desde los salares actuales del Altiplano-Puna y 2) lixiviado de hipotéticos salares enterrados por erupciones volcánicas en el Altiplano-Puna como origen del enriquecimiento excepcional en Li de las salmueras de Salar de Atacama.