DGEO - Teses de Doutoramento / Doctoral Thesis
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- Estudo hidrogeoquímico e vulcanológico de lagos no arquipélago dos Açores : aplicações para a mitigação de riscos naturaisPublication . Antunes, Paulo Custódio Pires; Cruz, José Virgílio de Matos Figueira; Gaspar, João Luís Roque BaptistaThe hydrogeochemical monitoring of volcanic lakes is a recent area of study when compared with other techniques which are more commonly applied to mitigation of hazards associated to active volcanoes. The research on these surface water bodies for monitoring in volcanology results from the behavior of lakes as condensers of volcanic fluids. Sometimes volcanic lakes even accumulate extremely acidified fluids due to condensation of these fluids. The largest Azorean lakes are emplaced inside volcanoes and some of these structures are active. The hydrogeochemical characterization of these lake waters and the study of the interaction with volcanic fluids can give a better understanding of systems. Therefore, the main objective of the present work is the characterization of volcanic lakes in the Azores and to forecast the possibility to use these aquatic systems for volcanic surveillance. The lake locations in the vicinity of populated areas emphasize the need for a better knowledge of the systems. The recent history on the Azores, reported some volcanic eruptions that have taken place within volcanic lakes or near and these eruptive events are responsible by changes on the lakes. In order to fulfill the main objective of this thesis several lakes were selected in São Miguel, Terceira, Graciosa, Pico, Flores and Corvo islands. At these lakes, corresponding to diverse volcanological settings, sampling was periodically made along the water column. The water analyses were carried out at the Hydrogeochemistry laboratory of the Geosciences Department of the Azores University. Water samples from several lakes were also sent to Activation Laboratories (Canada) to determine the major, minor and trace elements content. The isotopes 2H, 18O, 13C and 34S was made in the Stable Isotope Laboratory of the Mineralogy and Geochemistry Institute (University of Lausanne, Switzerland). All data collected was organized in digital form to make a database that is entitle DataLake. Specific hydrogeochemical software was used in order to proceed to data interpretation. Simulations with the model DYSREM_CAEDYM were conducted to study the behavior of same lakes as a response to an input of a inorganic CO2-water rich source. The results of these simulations have contributed to understand the possibility of significant increases of CO2 concentration in lake waters due to volcanic fluids contamination. Therefore, the model suggests that the contribution from organic free CO2, due to an organic matter degradation source, is not able to explain the total concentration of CO2 in some of the studied lakes. The exceeding CO2 can be due to interaction with volcanic fluids. The data also suggests that water chemistry on the studied lakes is influenced by salt contamination due to atmospheric transportation. However, same lakes appear to have the influence of other chemical modifying processes, such as the water-rock interaction or even the interaction with fluids of volcanic origin. From all the studied lakes, Furna do Enxofre (Graciosa island) shows higher concentrations in the analyzed species resulting from the volcanic contamination.
- Gaseous emanations from Azores volcanic lakes : geochemical characterizationPublication . Andrade, César Cristóvão Costa; Cruz, José Virgílio de Matos Figueira; Viveiros, Maria de Fátima Batista[…]. Com o objetivo de proceder a uma caracterização e quantificação da desgaseificação difusa através dos lagos vulcânicos existentes no arquipélago dos Açores, foi realizado um estudo em 45 destas massas de água, dispersas por seis ilhas. No decurso dos trabalhos de campo foram efetuadas amostragens de água através de perfis verticais, a várias profundidades, assim como medições do fluxo de dióxido de carbono libertado à superfície destes lagos. Sempre que possível, e por forma a compreender o efeito da sazonalidade sobre os resultados obtidos, realizaram-se pelo menos duas campanhas de amostragem, uma no período de inverno e outra no período de verão. A caracterização hidrogeoquímica permitiu constatar que alguns lagos apresentam um comportamento monomítico, com estratificação da coluna de água no período mais quente do ano, implicando a ocorrência de concentrações de dióxido de carbono mais elevadas no hipolimnion e sendo a neutralização da acidez da água promovida pela interação água-rocha, o que acarreta um enriquecimento também em bicarbonato. Já durante o inverno este processo não é observável, o que permite, assim, que ocorra uma mistura da água ao longo de toda a coluna de água, não ficando, desta forma, o CO₂ retido em profundidade. Nestas condições, registam-se concentrações de CO₂ dissolvido na água significativamente mais reduzidas em profundidade. A eutrofização, processo que afeta muitos lagos no arquipélago dos Açores, também contribui para o incremento das emissões de CO₂ de origem biogénica. Em particular, a presença de áreas cobertas por massas densas de algas e macrófitas em alguns lagos também é responsável pelo incremento nas concentrações de alguns parâmetros físico-químicos, em especial de dióxido de carbono. Para além da contribuição do CO₂ livre a partir da degradação da matéria orgânica acumulada nos lagos, foi ainda identificada, em alguns casos, uma componente claramente associada à contaminação da água por fluidos de origem magmática, nomeadamente na lagoa das Furnas e de Santiago (São Miguel) e na Lagoa da Furna do Enxofre (Graciosa). […].
- Geochemistry of mineral waters in Furnas Volcano (São Miguel, Azores): source and fluxes of metal ions and 87Sr/86Sr ratiosPublication . Ferreira, Letícia Resende; Cruz, José Virgílio de Matos Figueira; Viveiros, Maria de Fátima Batista; Durães, Nuno Miguel dos SantosO Arquipélago dos Açores encontra-se situado no Atlântico Norte, na proximidade da junção tripla das placas litosféricas Euroasiática, Núbia e Norte Americana, originando um contexto geológico, hidrológico e hidrogeoquímico único. A configuração geológica complexa da região é evidenciada por uma atividade sísmica e vulcânica significativa, acompanhada por diversas manifestações secundárias de vulcanismo, observadas em várias ilhas, tais como campos fumarólicos, nascentes de águas termais e/ou ricas em CO₂, bem como desgaseificação difusa a partir de solos e de massas de água de superfície. O arquipélago é abundante em recursos de água mineral, com nascentes deste tipo distribuídas por sete das nove ilhas dos Açores (São Miguel, Terceira, São Jorge, Pico, Faial, Graciosa e Flores), sendo a maioria localizada em São Miguel, particularmente nas áreas dominadas pelos vulcões das Furnas e do Fogo. A caracterização das variações composicionais das descargas de águas minerais do arquipélago, especialmente na ilha de São Miguel, tem sido relevante para vários programas de monitorização. Este estudo centrou-se nas descargas de águas minerais de dois dos três vulcões traquíticos ativos de São Miguel (vulcões das Furnas e do Fogo), com especial ênfase no Vulcão das Furnas. No Vulcão das Furnas foram conduzidas sete campanhas ao longo de um ano, envolvendo a recolha de amostras em trinta e nove pontos de água, enquanto no Vulcão do Fogo foram realizadas duas campanhas de amostragem em dez pontos de água mineral, uma no inverno e outra no verão. O estudo integra a investigação das assinaturas hidrogeoquímicas, compreendendo elementos principais, menores e em traço, incluindo as terras raras, e a determinação da razão isotópica de estrôncio. Dada a importância da água da chuva como principal fonte de recarga dos aquíferos em estudo, foi realizada uma campanha para avaliar a sua composição química. A composição das águas da chuva apresenta padrões semelhantes aos da água do mar, sugerindo que os aerossóis marinhos podem constituir a principal fonte. No entanto, a presença de outros componentes, resultantes das emissões vulcânicas e poeiras minerais, destaca a complexidade do sistema e a necessidade de investigação adicional. A proximidade de um campo fumarólico revelou ter um impacto significativo na química da água da chuva. Apesar de alguns estudos anteriores baseados na composição química das águas no Vulcão das Furnas, a integração de dados relativos aos elementos menores e em traço e às razões isotópicas de Sr ainda era muito limitada. Neste contexto, a integração de dados hidrogeoquímicos permitiu revelar uma maior complexidade do sistema. As águas refletem a influência da interação com as rochas encaixantes e com gases vulcânicos. A contribuição vulcânica é evidenciada pela variação de temperatura, com águas com temperaturas entre os 90ºC e 100ºC, ou pela presença de teores elevados de CO₂ dissolvido em algumas nascentes de água mineral. A aplicação de um conjunto abrangente de ferramentas hidroquímicas possibilitou a identificação de múltiplas influências vulcânicas. A composição de algumas águas de alta temperatura tem origem no aquecimento por vapor, resultante da interação entre um gás ácido e os aquíferos mais superficiais. A composição de outras águas minerais resulta da contribuição de um reservatório mais profundo, em que águas subterrâneas mais superficiais se misturam com fluidos cloretados neutros provenientes de profundidade. As águas minerais do Vulcão do Fogo apresentam influência da dissolução mineral e da desgaseificação vulcânica. Ambos os contributos são visíveis no conteúdo dos principais iões em solução, com os catiões a evidenciarem a dissolução da rocha, enquanto a influência vulcânica é demonstrada pela presença de elevadas concentrações de SO₄2-, associadas a valores de pH muito reduzidos em águas termais, e pela elevada concentração de CO₂ dissolvido em algumas águas frias. Os principais constituintes apresentam estabilidade ao longo do tempo, sem variações sazonais significativas. No entanto, a sazonalidade é observada nos padrões dos elementos de terras raras e nas razões ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr de algumas amostras, estando relacionada com diferentes proporções de alteração da rocha, causada pela dissolução incongruente de alguns minerais. Para além disso, a integração dos dados hidrogeoquímicos com a informação geológica de profundidade da área do Vulcão do Fogo permitiu a identificação de múltiplos sistemas aquíferos nesta região. Os padrões de desgaseificação difusa de CO₂ no solo das Furnas, monitorizados através de estações permanentes, foram também analisados. Estes padrões demonstram a influência de variáveis meteorológicas e parecem ainda sugerir uma possível correlação entre o processo de desgaseificação e as variações no nível do aquífero. Os dados revelaram também algumas alterações em comparação com estudos anteriores, indicando que os modelos de regressão aplicados para a monitorização sismovulcânica necessitam de atualização regular. Os resultados do presente estudo representam um avanço significativo na compreensão dos sistemas hidrotermais em análise. Reforçam a necessidade da aplicação de um conjunto diversificado de técnicas hidrogeoquímicas para esclarecer as reações complexas que ocorrem nos aquíferos. Estes resultados poderão ainda servir como valores de referência para análises futuras, especialmente no âmbito da monitorização sismovulcânica nos Açores, considerando que alterações nas concentrações e padrões hidroquímicos podem refletir mudanças ocorridas em profundidade, particularmente nos sistemas vulcânicos estudados.
- Hydrogeophysics and Hydrogeology of volcanic islands, characterization of aquifers in the AzoresPublication . Borges, Paulo Filipe Silva; Rodrigues, Francisco Cota; Befus, Kevin Martin; Cruz, José Virgílio de Matos FigueiraABSTRACT: Freshwater availability on small volcanic islands is increasingly threatened by human activities and climate change, underscoring the necessity for a deeper understanding of local hydrogeological systems to ensure sustainable water management. This study investigates the hydrogeology and water quality dynamics of two perched aquifers, one on Terceira and the other on Graciosa, two of the islands in the Azores archipelago (Portugal), employing a multidisciplinary approach that integrates geological, geophysical, and hydrochemical tools. On Terceira Island, the São Sebastião depression hosts a perched aquifer system characterized by significant spatial and temporal variations in groundwater quality. Monthly groundwater sampling from hand-dug wells revealed fluctuations in electrical conductivity (EC), pH, temperature, and chloride (Cl⁻) content. Statistical methods, including cluster and principal component analysis (PCA), were applied alongside hydrochemical and geophysical approaches. The results indicated substantial spatial variability in groundwater quality related to cesspools, agriculture, and other human activities. Temporal analysis highlighted seasonal variations in groundwater temperature and pH, influenced by shallow water table dynamics and agricultural practices. The relationship between EC and Cl- content, along with nutrient analysis, suggests that septic systems and agricultural runoff contribute to groundwater contamination. The findings underscore the need for targeted groundwater management strategies, including enhanced monitoring, stricter regulation of agricultural practices, and the development of sustainable land and water management practices to ensure safe and adequate water resources for the future. Geophysical investigations were carried out using electrical resistivity technique (ERT) surveys, which provided insights into the spatial distribution of geological saturated layers, suggesting continuity of the aquifer and potential for productivity. On Graciosa Island, which has the lowest average annual precipitation in the Azores (≈920 mm), groundwater faces complex issues related to saltwater intrusion, necessitating new solutions and management strategies. A conceptual hydrogeological model was developed based on published data, primarily about geology and hydrochemistry, along with field data. This model identifies a basal aquifer as the island's primary water source and some perched aquifers linked to springs and hand-dug wells. Groundwater recharge is mainly associated with direct infiltration of rainwater into the island’s surface, rapidly reaching the perched aquifers. Discharge inland occurs through springs and drilled wells. Over-exploitation of boreholes is contributing to the salinization of the basal aquifer, highlighting the need for improved water abstraction strategies. The occurrence, circulation, and storage of groundwater within the Graciosa volcanic structure are represented here through a hydrogeological conceptual model. Further investigation of the perched aquifer on Graciosa Island revealed its potential as an alternative freshwater resource. Hydrochemical analysis, hydrostatic level measurements, and electrical resistivity tomography (ERT) confirmed the presence of a new perched aquifer in Guadalupe, sharing similarities with other perched aquifers across the Azores. Despite its relatively low mineralization, groundwater quality is compromised by high nitrate concentrations attributed to intensive agricultural activity. Given the increasing risk of saltwater intrusion into the basal aquifer, perched aquifers may serve as a crucial complementary water source to mitigate salinization risk. This study enhances the understanding of groundwater occurrence, flow, and vulnerability in small island settings by integrating hydrogeophysical techniques with water quality assessments. The results provide critical insights for developing sustainable freshwater management practices, which are essential for ensuring long-term water security for island communities facing increasing climatic and human-induced pressures.
- Recursos hidrominerais dos Açores: hidrogeologia e avaliação do potencial sócioeconómicoPublication . Freire, Pedro Artur Teles; Cruz, José Virgílio de Matos Figueira; Coutinho, Rui Moreira da Silva; Vieira, José CabralA origem vulcânica dos Açores explica a ocorrência de numerosas nascentes de águas minerais, predominantemente gasocarbónicas ou termais, que denotam uma elevada variabilidade de tipos químicos e de magnitude de mineralização, em particular na ilha de São Miguel, mas também nas ilhas Terceira, Graciosa, São Jorge, Faial, Pico e Flores. Não obstante a variabilidade hidrogeoquímica nos 116 pontos de água mineral referenciados, a predominância da fácies bicarbonatada sódica, associada a águas minerais gasocarbónicas e termais, é especificamente focada neste estudo, o qual engloba também a determinação de fluxos elementares subterrâneos transferidos para o escoamento de superfície, particularmente importante para a monitorização da actividade sismovulcânica. A composição química dos recursos hidrominerais dos Açores foi comparada com a das 14 águas minerais tipologicamente similares, com origem num ambiente geologicamente diverso, localizadas na Zona de Falha Penacova - Régua - Verín, troço Chaves - Verín, o que permitiu evidenciar as especificidades das águas minerais dos Açores. Para a concretização do objectivo principal referido inicialmente começou por se efectuar uma recolha exaustiva de elementos bibliográficos relativos às nascentes minerais dos Açores, mediante a consulta de acervos históricos e publicações mais recentes. Promoveu-se a compilação de todas as referências a fenómenos relacionados com a ocorrência de águas minerais dos Açores que incluíram dados geológicos, hidrogeológicos e analíticos e utilizou-se como ponto de partida a base de dados HYDROVULC (2005/2006). Seleccionaram-se também as emergências minerais de Trás-os-Montes e da Galiza para permitir efectuar um estudo comparativo com as águas minerais dos Açores. A realização de amostragem e análises periódicas de águas minerais, de acordo com os métodos usualmente descritos na literatura científica, permitiu a actualização da base de dados HYDROVULC (2005/2006), acrescentando 4418 análises às 953 então compiladas, respeitantes às águas minerais dos Açores. Elaboraram-se mapas temáticos para cada ilha do arquipélago dos Açores, relativos aos pontos de água mineral respectivos, para cada um dos parâmetros físico-químicos (temperatura, pH, condutividade eléctrica e CO2 livre), dos catiões (Na+, K+, Ca²+, Mg²+) e aniões principais (Cl¯, SO4²̄, HCO³̄) e da SiO2. Os valores que figuram em cada um dos mapas são os valores médios obtidos a partir das análises que se encontram na base de dados "Hydrovulc restrita 2000" , circunscritas, apenas, ao século XXI. A determinação de fluxos elementares e de CO2, foi efectuada em massas de água seleccionadas de acordo com a sua litologia dominante e posição relativamente aos centros vulcânicos activos (vulcão das Furnas e vulcão do Fogo), onde ocorrem águas minerais. Estes fluxos permitiram estimar a descarga de CO2 e dos elementos dissolvidos e relacioná-los com a descarga associada às emergências de águas minerais existentes no leito ou margens dos cursos de água permanentes. Os dados obtidos no decurso das análises efectuadas foram integrados e tratados com o objectivo de definir os principais processos hidrogeoquímicos e distinguir entre as variações sazonais ou as induzidas pelas actividades vulcânica e antropogénica. Elaborou-se um modelo hidrogeoquímico conceptual capaz de explicar a composição hidrogeoquímica de cada grupo de águas minerais. A avaliação do potencial socioeconómico das ilhas do arquipélago dos Açores, relativamente às águas minerais baseou-se numa expressão matemática que tem em conta a ponderação de dois critérios, um de coeficiente igual a 0,2, ligado indirectamente às águas minerais, e outro de coeficiente igual a 0,8, relacionado directamente com a temática hidrogeológica. Os resultados permitiram confirmar que este potencial é mais relevante no caso da ilha de São Miguel.