Isótopos ambientais de Pb, O e H em uma área de extração de carvão e de usina termelétrica no sul do Brasil

Abstract

O uso dos isótopos ambientais de Pb, O e H em pesquisas científicas são caracterizados como importantes ferramentas de investigação. Devido à pequena diferença de massa entre os isótopos de Pb a composição isotópica não é afetada significativamente por processos naturais físicos e químicos. Assim, a assinatura isotópica em águas reflete a assinatura da fonte que o gerou ou uma mistura de diferentes fontes sendo possível distinguí-las. A proporção entre os isótopos estáveis de O e H nas águas são modificadas por processos meteóricos e variam de forma previsível na natureza, contribuindo para o entendimento do fluxo da água no ciclo hidrológico e processos hidroclimáticos associados. No município de Candiota, Sul do Brasil, encontra-se a maior jazida de carvão mineral do país, de onde extrai-se tal recurso para a geração de energia termoelétrica. Ainda, trata-se de uma área exposta à diferentes atividades antrópicas, como, agricultura, indústrias e urbanização. Devido à atuação de uma usina termelétrica, um programa de monitoramento ambiental das águas subterrâneas e superficiais foi criado. Assim, o presente estudo reúne em seu corpo principal três artigos onde são discutidos a validação metodológica das análises de δ18O e δ2H em águas no Laboratório de Geologia Isotópica - UFRGS, e a aplicação dos isótopos ambientais de Pb, O e H nas águas subterrâneas e superficiais do entorno de uma usina termelétrica. O objetivo foi verificar quais informações são aportadas pelo uso dos isótopos com vistas ao melhor entendimento da área investigada. No primeiro artigo, a validação metodológica contribuiu para a definição da temperatura ambiente ótima de 20°C para a realização das análises isotópicas de oxigênio e de hidrogênio em águas. Em outras condições as análises realizadas a 18°C e a 22°C sofreram influência da temperatura ambiente, apresentando resultados menos exatos. O controle sistemático dos parâmetros analíticos, bem como, a normalização dos dados brutos para escala VSMOW, contribuiu para a obtenção da qualidade dos dados. No segundo artigo, a origem meteórica das águas, a variação sazonal aliada às fontes de precipitação, interações entre águas subterrâneas e superficiais e processos de evaporação por meio da análise dos valores sazonais de δ18O, δ2H e d-excess, puderam ser identificados. Uma avaliação espaço-temporal das concentrações de Mn, Fe e P, com o objetivo de identificar as áreas mais contaminadas foi realizado, e, em conjunto com os dados isotópicos contribuiu para o entendimento de altas concentrações de Mn em um poço de água subterrânea. Ainda, através da indicação de diferentes fluxos da água subterrânea contribuiu para a verificação da variação crescente de concentração de Mn a partir de pontos mais altos de nível piezométricos até pontos mais baixos, com inserções de Mn antropogênico ao longo do fluxo. No terceiro artigo, a avaliação dos diagramas das razões 208Pb/204Pb e 206Pb/204Pb, 208Pb/206Pb e 207Pb/206Pb mostraram que as águas subterrâneas são mais influenciadas pelos arenitos como fonte de Pb. Contudo, um grupo de águas subterrâneas apresentou resultados similares aos das amostras de águas superficiais, mais influenciadas pelo carvão, indicando entradas antropogênicas de Pb nesses poços devido as atividades da usina termelétrica. Influências antropogênicas de pesticidas, combustíveis e esgoto doméstico a partir da avaliação da razão 206Pb/207Pb, foram detectadas.

The Pb, O, and H isotopes applied in scientific research is essential to environmental discussions. Due to the slight mass difference between Pb isotopes, the isotopic composition is not significantly affected by natural physical and chemical processes. Thus, the isotopic signature in waters reflects the signature of the source that generated it or a mixture of different sources, making it possible to distinguish between them. Meteoric processes modify the ratio between water's stable isotopes of O and H. It varies predictably in nature, contributing to understanding water flow in the hydrological cycle and associated hydroclimatic processes. The municipality of Candiota, southern Brazil, is the largest coal deposit in the country, from which this resource is extracted for thermoelectric power generation. Still, it is an area exposed to different human activities, such as agriculture, industry, and urbanization. Due to the operation of a thermoelectric power plant, an environmental monitoring program of the underground and surface waters was created. Thus, the present study gathers in its main papers where the methodological validation of the analysis of δ18O and δ2H in waters in the Laboratory of Isotopic Geology - UFRGS, and the application of the environmental isotopes of Pb, O, and H in the groundwater and surface waters around a thermoelectric plant are discussed. The objective was to verify which information is provided by isotopes to understand better the area investigated. In the first paper, methodological validation contributed to the definition of the optimal ambient temperature of 20°C for water's oxygen and hydrogen isotope analyses. In other conditions, the analyses performed at 18°C and 22°C were influenced by the ambient temperature, presenting less accurate results. The systematic control of the analytical parameters, as well as the normalization of the VSMOW scale, contributed to the quality of the data. In the second paper, the meteoric origin of the waters, the seasonal variation sources of precipitation, groundwater-surface water interactions, evaporation of surface water, and evaporation processes through the analysis of the seasonal values of δ18O, δ2H, and d-excess, could be identified. A spatio-temporal evaluation of the concentrations of Mn, Fe and P, with the objective of identifying the most contaminated areas was carried out, and, together with the isotopic data, contributed to the understanding of high concentrations of Mn in a groundwater well. Also, the indication of different groundwater flows contributed to the verification of the increasing variation of Mn concentration from higher piezometric levels to lower points, with anthropogenic Mn along the flow. The third paper evaluates the diagrams of the ratios 208Pb/204Pb and 206Pb/204Pb, 208Pb/206Pb, and 207Pb/206Pb showing that sandstones most influence groundwater as a source of Pb. However, one group of groundwater samples showed similar results to the surface water samples, which were more influenced by coal, indicating anthropogenic inputs of Pb into these wells due to the thermal power plant. Anthropogenic influences of pesticides, fuels, and domestic sewage were detected from the evaluation of the 206Pb/207Pb ratio.