Deciphering complex groundwater age distributions and recharge processes in a tropical and fractured volcanic aquifer system

Abstract

Abstract. Groundwater recharge in highly-fractured volcanic aquifers remains poorly understood in the humid tropics, whereby rapid demographic growth and unregulated land use change are resulting in extensive surface water pollution and a large dependency on groundwater extraction. Here we present a multi-tracer approach including δ18O-δ2H, 3H/3He, and noble gases within the most prominent multi-aquifer system of central Costa Rica, with the objective to assess dominant groundwater recharge characteristics and age distributions. We sampled wells and large springs across an elevation gradient from 868 to 2,421 m asl. Our results suggest relatively young apparent ages ranging from 0.0±3.2 up to 76.6±9.9 years. Helium isotopes R/RA (0.99 to 5.4) indicate a dominant signal from the upper mantle across the aquifer. Potential recharge elevations ranged from ~1,400 to 2,650 m asl, with recharge temperatures varying from ~11°C to 19°C with a mean value of 14.5±1.9°C. Recharge estimates ranged from 129±78 to 1,605±196 mm/yr with a mean value of 642±117 mm/yr, representing 20.1±4.0% of the total mean annual rainfall as effective recharge. The shallow unconfined aquifer is characterised by young and rapidly infiltrating waters, whereas the deeper aquifer units have relatively older waters. These results are intended to guide the delineation and mapping of critical recharge areas in mountain headwaters to enhance water security and sustainability in the most important headwater dependent systems of Costa Rica.Resumen. La recarga de aguas subterráneas en acuíferos volcánicos altamente fracturados sigue siendo poco conocida en los trópicos húmedos, donde el rápido crecimiento demográfico y el cambio no regulado en el uso de la tierra están dando como resultado una amplia contaminación de las aguas superficiales y una gran dependencia de la extracción de aguas subterráneas. Aquí presentamos un enfoque de trazadores múltiples que incluye δ18O-δ2H, 3H/3He y gases nobles dentro del sistema multiacuífero más prominente del centro de Costa Rica, con el objetivo de evaluar las características dominantes de recarga de aguas subterráneas y distribuciones de edad. Tomamos muestras de pozos y grandes manantiales a lo largo de un gradiente de elevación de 868 a 2421 m sobre el nivel del mar. Nuestros resultados sugieren edades aparentes relativamente jóvenes que van desde 0,0 ± 3,2 hasta 76,6 ± 9,9 años. Los isótopos de helio R/RA (0,99 a 5,4) indican una señal dominante desde el manto superior a través del acuífero. Las elevaciones potenciales de recarga oscilaron entre ~1.400 y 2.650 m sobre el nivel del mar, con temperaturas de recarga que variaron entre ~11°C y 19°C con un valor medio de 14,5±1,9°C. Las estimaciones de recarga oscilaron entre 129 ± 78 y 1.605 ± 196 mm/año con un valor medio de 642 ± 117 mm/año, lo que representa 20,1 ± 4,0% de la precipitación media anual total como recarga efectiva. El acuífero poco profundo y libre se caracteriza por aguas jóvenes que se infiltran rápidamente, mientras que las unidades de acuíferos más profundos tienen aguas relativamente más antiguas. Estos resultados tienen como objetivo guiar la delineación y el mapeo de áreas críticas de recarga en las cabeceras de las montañas para mejorar la seguridad hídrica y la sostenibilidad en los sistemas dependientes de las cabeceras más importantes de Costa Rica.