tesis_n4282_Dapena

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UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES 
 
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 
 
Departamento de Ciencias Geológicas 
 
 
 
 
 
ISÓTOPOS AMBIENTALES LIVIANOS. 
SU APLICACIÓN EN HIDROLOGÍA E HIDROGEOLOGÍA 
 
 
Tesis presentada para optar al Título de Doctor de la Universidad de Buenos Aires 
 en el área de Ciencias Geológicas 
 
 
 
Cristina Dapeña 
 
 
 
 
Director : Dr. Héctor O. Panarello 
 
Consejero : Dra. Marcela B. Remesal 
 
 
Lugar de Trabajo: Instituto de Geocronología y Geología Isotópica (INGEIS-
CONICET-UBA) 
 
 
Buenos Aires – Argentina, 2007 
 
TOMO I 
 
ISÓTOPOS AMBIENTALES LIVIANOS. SU APLICACIÓN 
EN HIDROLOGÍA E HIDROGEOLOGÍA 
 
 
 
 
 
Resumen 
 
La creciente utilización de isótopos en la investigación de problemas hidrológicos 
ha culminado en una nueva rama de la Hidrología denominada Hidrología Isotópica. 
La medición sistemática del contenido isotópico de la precipitación durante largos 
períodos es fundamental para el conocimiento de la función de entrada en los sistemas 
hidrológicos. Por otro lado, la excelente correlación entre la variación del contenido 
isotópico y los cambios climáticos sostiene la necesidad de mantener su registro. 
En este trabajo se presenta la caracterización de la composición isotópica (2H, 18O 
y 3H) de la lluvia en distintas regiones de la Argentina y el análisis de su dependencia con 
los parámetros meteorológicos como temperatura y cantidad de precipitación. Esta 
actividad se realiza a través de la Red Nacional de Colectores de Isótopos en 
Precipitación de Argentina. La adquisición y sistematización de esta información básica 
es de gran importancia para la aplicación de técnicas isotópicas en estudios 
hidrogeológicos, hidrometeorológicos, paleoclimáticos, ambientales, etc. Estos 
resultados integran una base de datos que está disponible desde INGEIS que podrá ser 
utilizada por investigadores del país y del mundo, así como Organismos nacionales e 
internacionales 
Se debe destacar que este proceso requiere de series de medición 
ininterrumpidas de largo plazo y que es fundamental su continuidad en el tiempo. El 
análisis crítico de los datos y la evaluación estadística son factores muy importantes para 
su correcta utilización. A partir de esta información se elaboraron las primeras rectas 
meteóricas locales en aquellas áreas donde los registros son suficientemente largos y 
completos para ser representativos y se aplicaron en la resolución de problemas en áreas 
seleccionadas de la Argentina. 
 
 
 
Palabras Clave: Isótopos Ambientales livianos, Hidrología, Hidrogeología, Precipitación, 
Argentina. 
 
 
 
LIGHT ENVIRONMENTAL ISOTOPES. HYDROLOGY AND 
HYDROGEOLOGY APPLICATIONS 
 
 
 
 
 
 
Abstract 
 
Isotope Hydrology is a relatively young scientific discipline which emerged from the 
application of isotope techniques to solve hydrologic problems. 
Long-term records of isotope content of precipitation are prior to the knowledge of 
the input function in hydrologic systems. Since the stable isotope composition of 
precipitation was found to be dependent on climatic parameters and atmospheric 
circulation patterns, it became evident that changing isotope composition of precipitation 
could be a sensitive monitor of climatic change 
This work presents an isotope characterization (2H, 18O y 3H) of precipitation in 
different regions of Argentina and the analysis of its dependence on meteorological 
parameters, like temperature and amount of rain. This activity is carried out by the 
National Network of Isotopes in Precipitation of Argentina. The acquisition and 
systematization of the basic information is of great importance for the application of 
nuclear techniques to hydrogeologic studies, hydrometeorology, paleoclimatology, 
environment, etc. These results integrate a database which it is available at INGEIS and 
it can be used by other researchers of Argentina and the world and national and 
international organizations. 
This process needs uninterrupted large time series and it is fundamental that they 
should be continuous in time. The critical analysis of the data and their statistical 
evaluation are primary factors for their correct utilization. In those areas from Argentina 
where the records are complete and representative, the first local meteoric water lines 
were made and this information was applied in studies carried out in some selected areas 
from Argentina. 
 
 
 
Keywords: Light Environmental Isotopes, Hydrology, Hydrogeology, Precipitation, Argentina. 
 
 
 
Agradecimientos 
 
Esta tesis se ha realizado gracias al soporte del Instituto de Geocronología y 
Geología Isotópica (INGEIS) en el cual ingresé en 1981 y al apoyo de mi director el 
Dr. Héctor O. Panarello. También ha sido posible gracias a distintos proyectos de 
investigación en los cuales participaron numerosos colegas y a la desinteresada 
colaboración de los operadores de la estaciones de la Red Nacional de Colectores en 
Precipitación de Argentina. 
Quiero agradecer especialmente a la Lic. Estela Ducós por su valiosa y 
constante colaboración. 
Mi más sincero reconocimiento a las Instituciones y personas que participan en 
la colección de las lluvias, María del Carmen Vera (INGEIS), Dr. Schulz (La Pampa), 
Dres Usunoff y Varni (IHLLA – Azul), Ing. D′Elía (FICH-Santa Fe), Flia Villarrosa 
(Bariloche), Dr. Schoeder (CADIC-Ushuaia), Quardaparque Michelutti (Reserva 
Laguna de Mar Chiquita), Dr. Minetti (Tucumán), Dr. Soler (UNSA-Salta), Dra. Weiler 
(CENPAT-Puerto Madryn), Prof. Morales (Resistencia-Chaco), Lic. Marchesini (OSM-
Gualeguaychú), Ing. Andriulo (INTA-Pergamino), Dr. Martínez (CGC-Mar del Plata). 
También mi agradecimiento a: Dr. Nicolli, Dr. Martinez, Dr. Auge, Dr. Schulz, 
Dra. Miretzky, Lic. Alvarez, Lic. García por su colaboración; a la Secretaría de INGEIS 
Cristina, Paula, Cecilia y Julio, y a todas aquellas personas, colegas y amigos que 
colaboraron y confiaron en mí. 
Gracias a mis colegas y amigos Alicia F., Cristina P., Griselda G., Eduardo M., 
Carlos S., Gabriela D., Fernando S., Marcela R., Claudio P., Flavia S., Liliana C. 
Gracias a Eduardo, a mis hijos Adriana, Laura e Ignacio, a Nilda y Luis y a 
mamá. 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
 
 
 
 
 
 
INDICE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Índice 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
ii
PARTE I 
 
CAPITULO I - Motivación y Objetivos 
I.1. INTRODUCCION – MOTIVACIÓN 2 
I.2. OBJETIVOS 4 
I.3. METODOLOGÍA 5 
I.3.1. Recopilación y síntesis bibliográfica 5 
I.3.2. Obtención de muestras 6 
I.3.3. Análisis de laboratorio 6 
I.3.4. Procesamiento e interpretación de los datos 6 
I.3.5. Aplicaciones 6 
 
CAPÍTULO II - Principios Básicos 
II PRINCIPIOS BÁSICOS 8 
II.1. ISÓTOPOS 8 
II.1.1. DEFINICIONES y NOMENCLATURA. 8 
II.1.2. ISÓTOPOS O NUCLEIDOS ESTABLES 10 
II.1.3. ISÓTOPOS O NUCLEIDOS INESTABLES O RADIACTIVOS 10 
II.2. ISÓTOPOS AMBIENTALES LIVIANOS 11 
II.2.1. DEFINICIÓN 11 
II.3. ISÓTOPOS ESTABLES 11 
II.3.1. ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO 11 
II.3.2. ISÓTOPOS DEL OXÍGENO 12 
II.4. ISÓTOPOS EN LAS ESPECIES MOLECULARES DEL AGUA 12 
II.5. FRACCIONAMIENTO ISOTÓPICO 14 
II.5.1. EFECTOS ISOTÓPICOS. DEFINICIÓN 14 
II.5.2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 15 
II.5.2. NOMENCLATURA: DEFINICIONES. NOTACIÓN. EXPRESIÓN DE LOS 
RESULTADOS 18 
II.5.3. REFERENCIAS 20 
II.6. PRINCIPALES PROCESOS QUE PRODUCEN FRACCIONAMIENTO ISOTÓPICO 25 
II.6.1. INTERCAMBIO ISOTÓPICO 25 
II.6.1.2. RELACIÓN ENTRE K, α y T (Kelvin) 27 
II.6.2. EFECTOS CINÉTICOS 28 
II.7. ECUACIÓN DE RAYLEIGH 30 
II.8. RELACIONES ENTRE FACTOR DE FRACCIONAMIENTO (α), NOTACIÓN DELTA (δ)Y ECUACIÓN DE RAYLEIGH 32 
 
CAPÍTULO III - Fraccionamiento isotópico en el Ciclo Hidrológico 
III. FRACCIONAMIENTO ISOTÓPICO EN EL CICLO HIDROLÓGICO 35 
III.1. PRINCIPIOS GENERALES 35 
III.1.2. EVAPORACIÓN 38 
III.1.3. CONDENSACIÓN 39 
III.1.4. SOLIDIFICACIÓN 40 
III.2. COMPOSICION ISOTOPICA DE LAS AGUAS EN EL CICLO HIDROLÓGICO 44 
III.2. SEPARACIÓN DE LOS ISÓTOPOS EN EL CICLO HIDROLÓGICO 42 
III.2.1. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA DEL OCÉANO 44 
III.2.2. ATMÓSFERA Y FORMACIÓN DE VAPOR 44 
III.2.3. PRECIPITACIÓN 46 
III.2.4. CUERPOS DE AGUA SUPERFICIAL (LAGOS, EMBALSES) 47 
III.2.5. RÍOS 47 
III.2.6. AGUA SUBTERRANEA 48 
 
CAPÍTULO IV – Fechado de aguas 
IV. FECHADO DE AGUAS 50 
IV.1. TRITIO 51 
IV.2. CARBONO-14 53 
IV.3. CONSIDERACIONES SOBRE LA UTILIZACION DE 3H y 14C 55 
Índice 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
iii
CAPÍTULO V – Isótopos en precipitación 
V. ISÓTOPOS EN PRECIPITACIÓN 57 
V.1. RELACIÓN δ2H vs. δ18O 57 
V.2. EXCESO DE DEUTERIO (d) 61 
V.3. RELACION CON LA TEMPERATURA (δ18O vs. T, δ2H vs. T) 62 
V.4. RELACIÓN CON FACTORES GEOGRÁFICOS Y CLIMÁTICOS 63 
V.4.1. Efecto de latitud 64 
V.4.2. Efecto estacional 66 
V.4.3. Efecto continental 67 
V.4.4. Efecto de altitud 68 
V.4.5. Efecto de cantidad 70 
V.4.6. CONSIDERACIONES FINALES 72 
V.5. MEDICIÓN DE LA COMPOSICIÓN ISOTÓPICA DE LA PRECIPITACIÓN EN EL 
MUNDO 73 
V.5.1. RED GLOBAL DE ISÓTOPOS EN PRECIPITACIÓN (GNIP) 73 
V.5.2. REDES NACIONALES 77 
 
CAPÍTULO VI – Materiales y Métodos 
VI. MATERIALES Y MÉTODOS 79 
VI. 1. ESTADÍSTICA 79 
VI. 2. TÉCNICAS DE LABORATORIO 81 
VI. 2.1. MÉTODOS DE ENSAYO 81 
VI. 2.1.2. ISÓTOPOS ESTABLES 81 
VI. 2.1.2.1 Ensayo de 18O en aguas 81 
VI. 2.1.2.2. Ensayo de 2H en aguas 82 
VI. 2.1.2.3. Medición por espectrometría 82 
VI. 2.1.2.4. Incertidumbre 83 
VI. 2.1.3. TRITIO 83 
VI. 2.1.3.1. Ensayo de 3H en aguas 83 
VI. 2.1.3.2. Medición por espectrometría 84 
VI. 2.1.3.3. Incertidumbre 84 
VI. 2.1.4. CARBONO-14 84 
VI. 2.1.4.1. Ensayo de 14C en aguas 84 
VI. 2.1.4.2. Medición por espectrometría 85 
VI. 2.1.4.3. Incertidumbre 86 
VI. 2.1.4.4. Metodología para muestreo de aguas para 14C 86 
VI. 3. MUESTREO 88 
VI. 3.1. MUESTRAS DE PRECIPITACIÓN – RNC 89 
VI.3.1.1. Instrucciones para Colección de aguas de lluvia 
para estudios 90 
 
 
 
PARTE II 
 
CAPITULO VII – Composición isotópica de la Precipitación en Argentina 
VII. MEDICIÓN DE LA COMPOSICIÓN ISOTÓPICA DE LA PRECIPITACIÓN EN LA 
REPÚBLICA ARGENTINA 92 
VII.1. RED NACIONAL DE COLECTORES DE ISÓTOPOS EN 
PRECIPITACIÓN DE LA REPÚBLICA ARGENTINA 92 
VII.2.DISTRIBUCIÓN DE LAS ESTACIONES COLECTORAS DE ARGENTINA 100 
VII.3. CANTIDAD DE ANÁLISIS 103 
VII. 4. ANÁLISIS DE LAS ESTACIONES DE LA RNC 105 
VII.5. CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL CLIMA 
DE LA ARGENTINA 107 
VII.5.1. CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS DE LAS REGIONES DONDE 
ESTÁN UBICADAS LAS ESTACIONES CON REGISTROS LARGOS 110 
 
Índice 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
iv
VII.6. ESTACIÓN CIUDAD UNIVERSITARIA, BUENOS AIRES 111 
VII.6.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 113 
VII.6.1.1.Temperatura Ciudad Universitaria 113 
VII.6.1.2. Precipitación Ciudad Universitaria 115 
VII.6.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 118 
VII.6.2.1. Isótopos Estables 118 
VII.6.2.1.1. Relación entre la Temperatura y 18O (2H) 129 
VII.6.2.1.2. Relación composición isotópica – cantidad de 
Precipitación 139 
VII.6.2.2. EXCESO DE DEUTERIO 145 
VII.6.2.3. TRITIO 149 
 
VII. 7. ESTACIÓN USHUAIA, PROVINCIA DE TIERRA DEL FUEGO 151 
VII.7.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 152 
VII.7.1.1.Temperatura Ushuaia 152 
VII.7.1.2. Precipitación Ushuaia 153 
VII.7.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 156 
VII.7.2.1. Isótopos Estables 156 
VII.7.2.1.1. Relación entre Temperatura y 18 O (2H) 
VII.7.2.1.2. Relación composición isotópica – cantidad de 
Precipitación 171 
VII.7.2.2. EXCESO DEUTERIO 175 
 
VII.8. ESTACIÓN BARILOCHE, PROVINCIA DE RÍO NEGRO 178 
VII.8.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 178 
VII.8.1.1.Temperatura Estación Bariloche 178 
VII.8.1.2. Precipitación Estación Bariloche 180 
VII.8.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 182 
VII.8.2.1. Isótopos Estables 182 
VII.8.2.1.1. Relación entre Temperatura y 18O (2H) 190 
VII.8.2.1.2. Relación composición isotópica – cantidad de 
Precipitación 194 
VII.8.2.2. EXCESO DEUTERIO 197 
 
VII.9. ESTACIÓN AZUL, PROVINCIA DE BUENOS AIRES 199 
VII.9.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 200 
VII.9.1.1.Temperatura Estación Azul 200 
VII.9.1.2.Precipitación Estación Azul 201 
VII.9.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 204 
VII.9.2.1. Isótopos Estables 204 
VII.9.2.1.1. Relación entre Temperatura y 18O (2H) 211 
VII.9.2.1.2. Relación composición isotópica – cantidad de 
Precipitación 217 
VII.9.2.2. EXCESO DEUTERIO 219 
 
VII.10. ESTACIÓN SANTA FE, PROVINCIA DE SANTA FE 221 
VII.10.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 222 
VII.10.1.1.Temperatura Estación Santa Fe 222 
VII.10.1.2. Precipitación Estación Santa Fe 223 
VII.10.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 226 
VII.10.2.1. Isótopos Estables 226 
VII.10.2.1.1. Relación entre Temperatura y 18O (2H) 233 
VII.10.2.1.2. Relación composición isotópica – cantidad de 
Precipitación 237 
VII.10.2.2. EXCESO DEUTERIO 239 
 
 
 
Índice 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
v
VII.11. ESTACIÓN SALTA, PROVINCIA DE SALTA 240 
VII.11.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 241 
VII.11.1.1.Temperatura y Precipitación Estación Salta 241 
VII.11.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 242 
VII.11.2.1. Isótopos Estables 242 
VII.11.2.2. EXCESO DEUTERIO 247 
 
VII.12. ESTACIÓN MENDOZA, PROVINCIA DE MENDOZA 248 
VII.12.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 249 
VII.12.1.1.Temperatura y Precipitación 249 
VII.12.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 250 
VII.12.2.1. Isótopos Estables 250 
VII.12.2.2. EXCESO DEUTERIO 253 
 
VII.13. ESTACIÓN LA SUELA, PROVINCIA DE CÓRDOBA 255 
VII.13.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 255 
VII.13.1.1.Temperatura y Precipitación Estación La Suela 255 
VII.13.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 256 
VII.13.2.1. Isótopos Estables 256 
VII.13.2.2. EXCESO DEUTERIO 261 
 
VII.14. ESTACIÓN MAR CHIQUITA, PROVINCIA DE CÓRDOBA 262 
VII.14.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 262 
VII.14.1.1.Temperatura y Precipitación Estación Mar Chiquita 262 
VII.14.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 263 
VII.14.2.1. Isótopos Estables 263 
VII.14.2.2. EXCESO DEUTERIO 267 
 
VII.15. ESTACIÓN PADRE BUODO, PROVINCIA DE LA PAMPA 268 
VII.15.1. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS 269 
VII.15.1.1.Temperatura y Precipitación Estación Padre Buodo 269 
VII.15.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA 270 
VII.15.2.1. Isótopos Estables 270 
VII.15.2.2. EXCESO DEUTERIO 274 
 
VII.16. CONSIDERACIONES FINALES 275 
 
 
PARTE III 
 
 
CAPÍTULO VIII - Aplicaciones en áreas seleccionadas de la Argentina 
VIII.1. INTRODUCCION 278 
 
VIII.2.CIUDAD DE LA PLATA Y ALREDEDORES, PROVINCIA DE BUENOS AIRES281 
VIII.2.1. UBICACIÓN 281 
VIII.2.2. CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS 283 
VIII.2.3. CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS 285 
VIII.2.4. GEOLOGÍA Y COMPORTAMIENTO HIDROGEOLÓGICO 285 
VIII.2.5. COMPOSICION QUIMICA E ISOTOPICA DE LAS 
AGUAS SUBTERRÁNEAS 289 
VIII.2.5.1. RESULTADOS 292 
VIII.2.5.2. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS 301 
VIII.2.5.2. 1. Composición Química 301 
VIII.2.5.2. 2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA. ISÓTOPOS ESTABLES304 
VIII.2.5.2.3. TRITIO 312 
VIII.2.5.2.4. CARBONO 14 313 
VIII.2.6. CONCLUSIONES 314 
Índice 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
vi
 
VIII.3. CUENCA NORTE MENDOZA RÍOS MENDOZA Y TUNUYÁN 316 
VIII.3.1. UBICACIÓN 317 
III.3.2. CARACTERÍSTICAS FISIOGÁFICAS 318 
VIII.3.3. CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS 319 
VIII.3.4. MARCO GEOLÓGICO E HIDROGEOLÓGICO 319 
VIII.3.5. COMPOSICIÓN QUÍMICA E ISOTÓPICA DE LAS AGUAS: 
RÍOS, AGUA SUBTERRÁNEA 324 
VIII.3.5.1. RESULTADOS 327 
VIII. 3.5.2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 334 
VIII.3.5.2.1. AGUAS SUPERFICIALES 334 
VIII.3.5.2.1.1. Química 334 
VIII.3.5.2.1.2. Composición Isotópica 335 
VIII.3.5.2.2. AGUAS SUBTERRÁNEAS Química y Composición Isotópica 338 
VIII.3.5.2.2.1. PRIMER NIVEL DE EXPLOTACIÓN (PNE) 338 
VIII.3.5.2.2.2. SEGUNDO NIVEL DE EXPLOTACIÓN (SNE) 342 
VIII.3.5.2.2.3. TERCER NIVEL DE EXPLOTACIÓN (TNE) 346 
VIII.3.5.3. CARBONO-14 349 
VIII.3.6. CONCLUSIONES 352 
 
VIII.4. LAGUNA DE MAR CHIQUITA, PROVINCIA DE CORDOBA 354 
VIII.4.1.UBICACIÓN 355 
VIII.4.2. CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS 356 
VIII.4.3. CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS 360 
VIII.4.4. CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS E HIDROGEOLÓGICAS 361 
VIII.4.5. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS AGUAS 
DE LA LAGUNA Y LOS RÍOS 363 
VIII.4.6. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA DE LAS AGUAS: 
LAGUNA, RÍOS, AGUA SUBTERRÁNEA 365 
VIII.4.6.1. RESULTADOS 366 
VIII.4.6.2. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS 369 
VIII.4.6.3. BALANCE ISOTÓPICO 372 
VIII.4.6.3.1. APLICACIÓN DE LAS ECUACIONES DE BALANCE 
ISOTÓPICO EN EL SISTEMA LAGUNA DE MAR CHIQUITA 379 
VIII.4.7. CONCLUSIONES 382 
 
VIII.5. VALLE ARGENTINO, PROVINCIA DE LA PAMPA 383 
VIII.5.1. UBICACIÓN 384 
VIII.5.2. CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS 386 
VIII.5.3. CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS Y GEOMORFOLÓGICAS 386 
VIII.5.4. MARCO GEOLÓGICO 388 
VIII.5.5. MARCO HIDROGEOLÓGICO 390 
VIII.5.6. COMPOSICION QUIMICA E ISOTÓPICA DE LAS 
AGUAS DEL VALLE ARGENTINO 394 
VIII.5.6.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA 396 
VIII.5.6.1. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA. ISÓTOPOS ESTABLES 399 
VIII.5.6.2.3. TRITIO 404 
VIII.5.7. CONCLUSIONES 405 
 
VIII.6. SISTEMA DE LAS ENCADENADAS DE CHASCOMUS, PROVINCIA 
DE BUENOS AIRES 406 
VIII.6.1. UBICACIÓN 407 
VIII.6.2. CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS 408 
VIII.6.3. MARCO GEOLÓGICO, GEOMORFOLÓGICO Y COMPORTAMIENTO 
HIDROGEOLÓGICO 409 
VIII.6.3.1. Caracterización de los ambientes lagunares 411 
VIII.6.4. COMPOSICIÓN QUÍMICA E ISOTÓPICA DE LAS AGUAS 
DE LAS LAGUNAS Y ARROYOS 412 
Índice 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
vii
VIII.6.4.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA 413 
VIII.6.4.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA. ISÓTOPOS ESTABLES 416 
VIII.6.5. CONCLUSIONES 420 
 
CAPÍTULO IX - Conclusiones 
IX. CONCLUSIONES 421 
 
 
BIBILOGRAFIA 426 
 
 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
 
 
 
 
PARTE I 
 
 
 
Capítulo I – Motivación – Introducción 
Capítulo II – Principios Básicos 
Capítulo III – Fraccionamiento isotópico en el ciclo hidrológico 
Capítulo IV – Fechado de aguas 
Capítulo V – Isótopos en precipitación 
Capítulo VI – Materiales y Métodos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo I –Motivación y Objetivos 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
1
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO I 
Motivación y Objetivos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo I –Motivación y Objetivos 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
2
I.1. INTRODUCCION - MOTIVACIÓN 
Las técnicas que utilizan isótopos ambientales (2H, 3H,13C, 14C, 15N, 18O, y 34S) son 
una herramienta de gran utilidad en estudios hidrológicos e hidrogeológicos cuando se 
emplean conjuntamente con los procedimientos llamados "clásicos". 
Los isótopos ambientales son aquellos que se presentan en el ambiente, se hallan 
ampliamente distribuidos y participan de los ciclos naturales. Particularmente, los del 
hidrógeno y oxígeno, como constituyentes de la molécula de agua, pues ofrecen un 
amplio rango de posibilidades para estudiar los procesos dentro del ciclo hidrológico. Los 
procesos físicos y los fenómenos meteorológicos responsables del transporte del agua en 
las diferentes fases del ciclo hidrológico producen una caracterización isotópica que 
puede ser aprovechada para obtener conclusiones sobre su origen y comportamiento. 
De esta manera se pueden resolver, en forma relativamente sencilla y a bajo 
costo, numerosos problemas relacionados con el origen y zona de la recarga de 
acuíferos, los mecanismos de salinización, los procesos en la zona no saturada (ZNS) así 
como la formulación de términos del balance hídrico y la interpretación de fenómenos 
termales. El 3H es un claro indicador de recarga reciente y junto con el 14C introducen la 
variable temporal en los estudios. En casos favorables permiten evaluar el tiempo de 
residencia y las velocidades de flujo del agua subterránea. Por otro lado, en forma 
complementaria, los isótopos del carbono, nitrógeno y azufre se utilizan para identificar 
fuentes y mecanismos de contaminación y salinización. El 13C en DIC (Carbono 
inorgánico disuelto) y DOC (Carbono orgánico disuelto) permite distinguir los orígenes del 
carbono, trayectorias de solutos e identificación de la recarga a través de campos 
cultivados. El 15N y 18O de nitratos y otros compuestos de nitrógeno permiten diferenciar 
entre la contaminación por fertilizantes y efluentes sépticos, así como documentar el 
proceso de desnitrificación conjuntamente con el 13C en DIC y DOC. El 34S y 18O en 
sulfatos son buenos indicadores de procesos de oxidación y además señalan su 
procedencia biológica, marina o de combustibles fósiles. 
Estas técnicas isotópicas también tienen gran desarrollo en el estudio de la 
Capítulo I –Motivación y Objetivos 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
3
energía geotérmica y el petróleo. Se utilizan activamente para el desarrollo del 
conocimiento de los procesos hidrogeológicos y la interacción roca-agua en sistemas 
geotermales profundos, para la identificación de aguas formacionales, seguimiento de la 
recuperación secundaria, etc. En los últimos años se ha desarrollado una nueva disciplina 
denominada Geoarqueología que estudia, entre otras cosas, la variación del 13C en 
materiales como el colágeno de huesos humanos y animales. Este material refleja los 
cambios en los ciclos fotosintéticos (C3-C4 o CAM) de las plantas que se utilizaban para 
alimento, directa o indirectamente y que a su vez están íntimamente relacionadas con 
variables climáticas prevalecientes en el ecosistema en el cual vivían (Fernández et al, 
1991, Fernández y Panarello, 1991a, b; Panarello y Fernández, 1996; Panarello, 1997). 
También son de gran importancia en las reconstrucciones paleoclimáticas que 
utilizan los registros isotópicos como proxy data. Su composición, preservada en muchos 
ambientes continentales, está controlada por el contenido isotópico de la precipitación. 
De esta forma estudiando los registros de la señal isotópica es posible conocer, con 
razonable aproximación, los parámetros meteorológicos de las condiciones climáticas 
pasadas. En el futuro cercano el estudio de los mecanismos que transfieren la señal 
isotópica de la precipitación a los archivos geológicos y biológicos (glaciares, anillos de 
árboles, espeleotemas, sedimentos de lagos, etc.) darán información cuantitativa de los 
climas del pasado (Panarello, 1997, Panarello et al., 1998).Además, existe un modelo de circulación atmosférica que incorpora los datos 
isotópicos de precipitación de todo el mundo para relacionarlos con los procesos de 
cambio global (Jouzel et al., 1991). 
La creciente utilización de isótopos en la investigación de problemas hidrológicos 
ha culminado en una nueva rama de la Hidrología, denominada Hidrología Isotópica. 
Por estas razones, la medición sistemática del contenido isotópico de la 
precipitación durante largos períodos es fundamental para el conocimiento de la función 
de entrada en los sistemas hidrológicos y de gran importancia para la aplicación de 
técnicas isotópicas en estudios hidrogeológicos, meteorológicos, paleoclimáticos, 
Capítulo I –Motivación y Objetivos 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
4
geotérmicos, arqueológicos, ambientales, etc. 
La presentación de esta tesis se realiza en tres partes. La primera abarca 6 
capítulos donde se introduce en los fundamentos básicos de la geoquímica isotópica con 
el fin de facilitar la comprensión de los temas a desarrollar en los tópicos siguientes. En 
el capitulo VI se desarrollan los materiales y métodos empleados, fundamentalmente las 
herramientas estadísticas y técnicas de laboratorio. 
La segunda parte comprende el capitulo VII donde se trata la composición de la 
precipitación en Argentina y la tercera parte abarca el capítulo VIII con las aplicaciones en 
áreas selectas de Argentina y finalmente las conclusiones y recomendaciones. 
 
I.2. OBJETIVOS 
Los objetivos de esta investigación se dividen en dos partes. La primera, 
propósito principal del trabajo, es la medición y caracterización de la composición 
isotópica (2H, 18O y 3H) de la precipitación en distintas regiones de la Argentina y el 
análisis de su dependencia con los parámetros meteorológicos como temperatura y 
cantidad de precipitación. Esta actividad se realiza a través de la Red Nacional de 
Colectores de Isótopos en Precipitación de Argentina. La adquisición y sistematización 
de esta información básica es de gran importancia para la aplicación de técnicas 
isotópicas en estudios hidrogeológicos, hidrometeorológicos, paleoclimáticos, 
ambientales, etc. Estos datos integrarán una base de datos que estará disponible desde 
INGEIS y que podrá ser utilizada por organismos nacionales, municipales, 
internacionales, investigadores, etc. 
Se debe destacar que este proceso requiere de series de medición 
ininterrumpidas de largo plazo y que es fundamental su continuidad en el tiempo. 
El análisis crítico de los datos y la evaluación estadística son factores muy 
importantes para su correcta utilización. A partir de esta información se elaboraron los 
promedios ponderados y las primeras rectas meteóricas locales en aquellas áreas donde 
los registros son suficientemente largos y completos para ser representativos. 
Capítulo I –Motivación y Objetivos 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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La segunda etapa comprende la aplicación de la información básica obtenida en la 
primera en áreas seleccionadas de la Argentina. 
 
I.3. METODOLOGÍA 
Esta investigación se ha desarrollado en varias etapas que pueden resumirse de 
la siguiente manera: 
 Recopilación y síntesis bibliográfica 
 Obtención de las muestras 
 Análisis de laboratorio 
 Procesamiento e interpretación de los datos: 
 Aplicaciones 
 
I.3.1. Recopilación y síntesis bibliográfica 
Se realizó una selección y examen de la documentación existente relacionada con 
los isótopos ambientales y su aplicación en hidrometeorología e hidrogeología. 
 
I.3.2. Obtención de muestras 
La obtención de la muestras de lluvia se realiza a través de las estaciones de las 
estaciones de la Red Nacional de Colectores de Isótopos en Precipitación de Argentina 
(RNC), cuya operación se basa en la colección de aguas de lluvia en pluviocolectores 
diseñados para recibir el total mensual de la precipitación de cada estación. Estos datos 
se complementan con la cantidad de precipitación y la temperatura media mensual. Se 
debe destacar que esta actividad comenzó antes de la inscripción formal en la Carrera 
del Doctorado. Esto se debe a la necesidad de contar con registros lo suficientemente 
largos para obtener información estadísticamente válida. Por otro lado esta red cuenta 
con estaciones como Buenos Aires y Ushuaia que miden desde 1978. Algunas 
estaciones se instalaron para poder llevar a cabo la aplicación de las técnicas isotópicas 
a diferentes estudios hidrogeológicos. 
Capítulo I –Motivación y Objetivos 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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I.3.3. Análisis de laboratorio 
En los laboratorios de INGEIS se miden las relaciones isotópicas del hidrógeno 
(2H/1H) y oxígeno (18O/16O) por espectrometría de masas y la concentración de tritio (3H) 
por técnicas de centelleo líquido sobre la muestra enriquecida; cálculo, tratamiento 
estadístico e integración a la base de datos. 
 
I.3.4. Procesamiento e interpretación de los datos 
Todos los datos isotópicos y meteorológicos se integran a una base informática. 
El análisis crítico y el tratamiento estadístico son piezas fundamentales para la 
interpretación. Se elaboraron rectas meteóricas locales y promedios ponderados 
representativos de la función de entrada (recarga) en las estaciones con registro mayores 
a 5 años. Se analizó la dependencia de la composición isotópica con los parámetros 
meteorológicos (temperatura y cantidad de precipitación) 
 
I.3.5. Aplicaciones 
Las aplicaciones comprenden estudios previos que son reinterpretados sobre la 
base de nueva información de la RNC y nuevos, en distintas zonas de la Argentina: 
♦ Ciudad de La Plata y alrededores, provincia de Buenos Aires: definición y 
origen de la recarga, dinámica de la recarga y el mecanismo de salinización 
conjuntamente con la hidroquímica. 
♦ Cuenca de Mendoza Norte: definición y origen de la recarga. 
♦ Laguna de Mar Chiquita y Bañados del Río Dulce: balance en lagos, 
cuantificación de los aportes o pérdidas al agua subterránea. Se instaló un colector 
de la RNC para llevar a cabo la investigación. 
♦ Valle Argentino, provincia de La Pampa: definición y origen de la recarga. 
Se instaló un colector de la RNC para llevar a cabo la investigación. 
♦ Sistema de las Encadenadas de Chascomús: definición y origen de la 
recarga. Relación agua superficial-agua subterránea. 
Capítulo II –Principios Básicos 
Isótopos 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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CAPÍTULO II 
Principios Básicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Isótopos 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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II PRINCIPIOS BÁSICOS 
En este capítulo se introducen los fundamentos básicos de la geoquímica 
isotópica con el fin de facilitar la comprensión de los temas a desarrollar en los próximos 
tópicos. Algunos temas son discutidos con mayor detalle en los capítulos 
correspondientes. 
 
II.1. ISÓTOPOS 
II.1.1. DEFINICIONES y NOMENCLATURA. 
Un nucleido es una especie atómica caracterizada por la constitución de su 
núcleo, en particular el número de protones (Z) y el número de neutrones (N) que 
contiene. El número de masa (A) de un dado nucleido es la suma del número de sus 
protones (Z) y neutrones (N); i.e A = Z + N. Los nucleidos se ubican en la Tabla de las 
propiedades periódicas de los elementos de acuerdo con su Z ascendente. El número Z 
da el nombre al elemento. Los nucleidos con igual Z pero diferente N y por lo tanto 
diferente A, se encuentran en el mismo lugar en la mencionada tabla por lo que se los 
denomina isótopos(Figura 2.1). El término isótopo deriva del griego ισοσ: igual y τοποσ: 
lugar. 
Por otro lado aquellos elementos con el mismo número de neutrones se 
denominan isótonos y los que tienen el mismo número másico, isóbaros (Figura 2.1). 
Los elementos químicos aparecen en la naturaleza como mezclas de sus isótopos 
en distintas proporciones (abundancias) (Tabla 2.1). 
Es conveniente denotar los isótopos de la siguiente manera XA
Z , donde el 
superíndice indica el número de masa y el subíndice el número atómico. En la práctica 
generalmente sólo se usa el superíndice, AX. Por lo tanto la nomenclatura es: AX = 2H, 
18O, 13C, etc. 
Los nucleidos pueden ser estables o inestables. Para los elementos livianos, i.e. 
Z ≤ 20 la mayor estabilidad nuclear se produce cuando la relación Z:N es cercana a 1 y 
Capítulo II –Principios Básicos 
Isótopos 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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se incrementa hacia 1,5 para los elementos pesados (Figura 2.2). 
 
Figura 2.1. Tabla de elementos livianos mostrando las abundancias de los isótopos estables (en 
rojo) y los períodos de semidesintegración de los isótopos radiactivos (s=segundos;m =minutos; 
d= días; y= años) ver item II.1.3. 
 
 
Figura 2.2. Gráfico Z vs. N para nucleidos hasta Z=50 (Sn) 
Capítulo II –Principios Básicos 
Isótopos 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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II.1.2. ISÓTOPOS O NUCLEIDOS ESTABLES 
Son aquellos que no sufren cambios en sus propiedades nucleares con el tiempo. 
Entre los de mayor importancia en la geoquímica isotópica se encuentran los siguientes 
(Figuras 2.2 y 2.3): 
 
Figura 2.3. Principales isótopos estables con uso en hidrogeología 
 
II.1.3. ISÓTOPOS O NUCLEIDOS INESTABLES O RADIACTIVOS 
Son los que sufren transformación en otros nucleidos al transcurrir el tiempo. Esta 
transformación se describe a través de una ley de decaimiento, que es propia para cada 
elemento. El tiempo en que tarda en reducirse a la mitad el número inicial de 
radionucleidos se llama período de semidesintegración. Este período de los diferentes 
radioisótopos es muy variable, desde fracciones de segundo hasta millones de años 
(Tabla 2.1). Por otro lado pueden ser naturales o artificiales. Por ejemplo: el tritio (3H), 
isótopo radiactivo del hidrógeno y el 14C, isótopo radiactivo del carbono, son ampliamente 
utilizados en Hidrogeología. En el caso del tritio se aplica como trazador natural o 
artificial y para identificar recarga reciente y el 14C en la datación de aguas mediante la 
utilización de modelos y en la dinámica de aguas subterráneas. En los últimos años se 
han incorporado otros isótopos para la datación de aguas como el 3He, para aguas 
jóvenes y en el caso de aguas muy antiguas 81Kr, 234U y 36Cl. Además, estos dos últimos 
son utilizados para determinar la interacción agua-roca en el caso de acuíferos de alta 
temperatura. 
Capítulo II –Principios Básicos 
Isótopos 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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II.2. ISÓTOPOS AMBIENTALES LIVIANOS 
II.2.1. DEFINICIÓN 
Los isótopos ambientales livianos son aquellos que se presentan en el medio 
ambiente, se hallan distribuidos ampliamente y participan de los ciclos naturales. 
Particularmente, nos interesan los del hidrógeno y oxígeno como constituyentes de la 
molécula de agua, pues ofrecen un amplio rango de posibilidades para estudiar los 
procesos dentro del ciclo hidrológico. Otros isótopos ambientales vinculados o asociados 
con el ciclo hidrológico son los del carbono, nitrógeno y azufre. Asimismo, los isótopos 
radiactivos como el tritio y el carbono-14 son incluidos dentro de los isótopos ambientales 
livianos. 
 
 
II.3. ISÓTOPOS ESTABLES 
II.3.1. ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO 
El hidrógeno natural está formado por la mezcla de los dos isótopos estables el 
protio (1H) y el deuterio (2H o D), cuya abundancia promedio fue establecida por Way et 
al. (1950) (Tabla 2.1). El deuterio fue identificado como componente natural del 
hidrógeno en 1932 (Urey et al., 1932a, b). 
El Hidrógeno tiene un isótopo radiactivo, denominado tritio (3H o T). Este isótopo 
fue detectado en las aguas naturales en 1950 (Falting y Harteck, 1950; Grosse et al., 
1951). 
 
Isótopo Número de masa Abundancia isotópica 
1H 1 99,9844% 
2H 2 0,0156% 
 
Tabla 2.1. Abundancia promedio de los isótopos estables del Hidrógeno 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Isótopos 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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II.3.2. ISÓTOPOS DEL OXÍGENO 
El oxígeno natural es una mezcla de tres isótopos: 16O, 17O y 18O, cuya 
abundancia promedio es (Nier, 1950): 
 
Isótopo Número de masa Abundancia isotópica 
16O 16 99,7590% 
17O 17 0,0374% 
18O 18 0,2039% 
 
Tabla 2.2. Abundancia promedio de los isótopos estables del Oxígeno. 
 
Los isótopos del oxígeno, 17O y 18O fueron descubiertos en el oxígeno natural en 
1929 (Giauque y Johnston, 1929). 
 
 
II.4. ISÓTOPOS EN LAS ESPECIES MOLECULARES DEL AGUA 
La especie molecular más abundante del agua está formada por dos átomos del 
isótopo de hidrógeno de número de masa 1 (protio) y un átomo de oxígeno de número de 
masa 16 (1H1H16O). Además de esta especie molecular, tienen interés aquellas especies 
más pesadas que incorporan un átomo de deuterio (2H) o de oxígeno-18 (18O). 
Si se consideran los isótopos estables del oxígeno (16O, 17O y 18O) y los del 
hidrógeno (1H y 2H) existen cinco tipos de agua con diferente peso molecular y nueve 
posibles composiciones isotópicas.(Tabla 2.3) 
 
 
 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Isótopos 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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Molécula Peso Molecular 
1H1H16O 18 
1H1H17O 18 
1H2H16O 19 
1H2H17O 20 
1H1H18O 20 
2H2H16O 20 
1H2H18O 21 
2H2H17O 21 
2H2H18O 22 
 
Tabla 2.3. Composiciones isotópicas posibles del H2O 
 
 
De estas combinaciones en hidrogeología e hidrología se utilizan tres: 
1H1H16O, 1H1H18O y 1H2H16O. Las proporciones medias en que se encuentran estas tres 
especies en el agua de mar son aproximadamente las siguientes (Dansgaard, 1964): 
 
997.680 por millón masa 18 1H2
16O y especies menores 
320 por millón masa 19 1H2H16O 
2.000 por millón masa 20 1H2
18O 
 
Estas proporciones varían de una a otra agua de acuerdo con su historia en el 
ciclo hidrológico, es decir, su caracterización isotópica puede ser de gran utilidad en el 
estudio de su origen y comportamiento. 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
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II.5. FRACCIONAMIENTO ISOTÓPICO 
II.5.1. EFECTOS ISOTÓPICOS. DEFINICIÓN 
La estructura extranuclear de un elemento determina esencialmente su 
comportamiento químico, mientras que el núcleo es más o menos responsable de sus 
propiedades físicas. Por lo tanto, el comportamiento químico de todos los isótopos de un 
elemento dado es similar debido a que contienen el mismo número y arreglo de 
electrones. Pero, esta similitud no es ilimitada debido a las diferencias en las masas de 
los mismos y a las diferencias muy leves -aunque medibles - en las propiedades físico-
químicas de las moléculas que los contienen. 
En la naturaleza el fraccionamiento isotópico se produce en la mayoría de los 
elementos livianos (Z hasta 20) constituidos por más de un isótopo (Figura 2.2, Z vs. N) 
Estas diferencias hacen que tanto en la naturaleza como el laboratorio, se 
produzcan redistribuciones de los distintos isótopos entre fases o compuestos químicos 
presentes en el sistema. Esta acomodación hacia un estado de equilibrio, estable o 
inestable, que no afecta por igual a ambas especies isotópicasse conoce bajo la 
denominación de fraccionamiento isotópico (Panarello, 1987). 
Consecuentemente, podemos definir al fraccionamiento isotópico como la 
diferencia en la concentración de los isótopos de un mismo elemento entre dos o más 
compuestos químicos o fases en mutuo intercambio isotópico. El resultado de este 
proceso es una concentración diferente de un isótopo respecto al otro entre fases o 
compuestos que lo contienen o entre reactivos y productos de una reacción en el 
equilibrio y se lo cuantifica a través de un factor de fraccionamiento (o separación). 
La comprensión de los mecanismos de fraccionamiento isotópico es de gran 
utilidad para su aplicación en la resolución de diversos problemas geológicos, 
hidrogeológicos, hidroatmosféricos, paleoclimáticos, etc. A continuación se presenta un 
detalle de los fundamentos teóricos así como la nomenclatura utilizada y sus 
expresiones. 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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II.5.2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 
La mecánica cuántica da las bases teóricas para explicar las diferencias en las 
propiedades físico-químicas de los isótopos. La energía de una molécula se describe en 
términos de la energía electrónica más las energías traslacional, rotacional y vibracional. 
En los isótopos de un mismo elemento las tres primeras energías no difieren 
significativamente, por lo que la componente vibracional es la responsable principal de los 
efectos isotópicos (Bigeleisen y Mayer, 1947). 
Las propiedades termodinámicas de las moléculas isotópicas han sido estudiadas 
con mayor profundidad por diversos autores, entre ellos, Urey (1947), Bigeleisen (1952, 
1965), Bigeleisen y Mayer (1947). 
La Figura 2.4 muestra los tres modos de movimiento o tipos de energía. Las 
rotaciones pueden ocurrir en los dos ejes x e y; en el esquema se ilustra solamente la 
rotación alrededor del eje y. Puesto que hay simetría radial alrededor del eje z, las 
rotaciones alrededor de ese eje no son posibles de acuerdo a la mecánica cuántica. Tres 
modos de movimientos de traslación son posibles: en las direcciones x, y y z. 
 
 
Figura 2.4. Los 3 modos de movimiento o energía. 
 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
16
La figura 2.5 muestra esquemáticamente la energía potencial de una molécula 
diatómica en función de la distancia de los átomos constituyentes. La energía vibracional 
que depende de la masa será distinta según la unión se efectúe con un isótopo liviano o 
pesado. 
La frecuencia vibratoria de una molécula depende de las fuerzas que mantienen 
unidos a sus átomos y de las masas de los átomos en esa molécula y es inversamente 
proporcional a la raíz cuadrada de esas masas. Las uniones que ligan al isótopo liviano 
(menor masa) se rompen más fácilmente que las uniones involucradas con el isótopo 
pesado. Por lo tanto, durante una reacción química, las moléculas que contienen al 
isótopo liviano reaccionan más rápidamente. Es decir, que la energía de las especies 
isotópicas depende de las frecuencias vibracionales de las moléculas, que además 
dependen de las masas de sus átomos. 
 
Figura 2.5. Diagrama de niveles de energía para la molécula del hidrogeno. 
Las frecuencias fundamentales son 4405 cm-1 para 2H, 3817 cm-1 para H2H y 3119 cm-1 para 2H2. 
La energía del punto cero (ZPE) del H2 es mayor que el del H2H el cual es mayor que el del 2H2. 
Las flechas muestran la energía en [kJ/mol] requerida para disociar las 3 especies 
 (O’Neill, 1986) 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
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La energía vibracional de una molécula es descripta por las siguientes 
ecuaciones: 
ν=ν h
2
1E (Ec.2.1)  
µπ
=ν
k
2
1 (Ec.2.2)  
kxF −= (Ec.2.3) 
donde: Ev=energía vibracional, h=constante de Plank; ν=frecuencia vibracional; k=es 
una constante de elasticidad, µ =(m1 m2)/m1+m2); x=distancia interatómica. 
 
Cuando un isótopo pesado reemplaza a uno liviano la energía disminuye debido a 
que la masa de las moléculas aumenta. La frecuencia vibracional disminuye, por lo tanto 
el isótopo pesado forma una unión más fuerte y en consecuencia la molécula es más 
estable. De aquí surge la Regla de Bigelsen (1965) que establece que el isótopo pesado 
va preferentemente a los compuestos con uniones más fuertes. 
 
A modo de resumen podemos concluir que: 
♦ La energía de estos movimientos depende la masa 
♦ Los sistemas se mueven hacia las configuraciones de menor energía 
♦ La molécula que contiene el isótopo pesado se ubica en los niveles de menor 
energía respecto a la misma molécula con el isótopo liviano 
♦ Las uniones con alta energía potencial se rompen más fácilmente 
♦ Las fuerzas de las uniones varían para los isótopos livianos y pesados de un 
mismo elemento 
♦ Los isótopos pesados forman las uniones de menor energía; por lo tanto forman 
las uniones más fuertes en los compuestos. 
 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
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II.5.2. NOMENCLATURA: DEFINICIONES. NOTACIÓN. EXPRESIÓN DE LOS 
RESULTADOS. 
Antes de considerar las causas del fraccionamiento y para su mejor comprensión 
y cuantificación es conveniente definir algunos parámetros, tales como relación isotópica, 
desviación isotópica, factores de fraccionamiento y de enriquecimiento. 
 
RELACIÓN ISOTÓPICA (R): cociente entre el número de moléculas que contienen a la 
especie menos abundante (en general la más pesada) y el número de moléculas que 
contienen a la especie más común (en general la más liviana). De manera general puede 
expresarse como: 
)X(
)X(
X moléculas de Número
X moléculas de NúmeroR
**
X* == (Ec.2.4) 
donde X y X* son isótopos de un elemento dado. 
Para el caso de los isótopos del oxígeno y del hidrógeno en el agua la relación 
isotópica R es igual a: 
)O(
)O(
OH moléculas de Número
OH moléculas de NúmeroR 16
18
16
2
18
2
O18 == (Ec.2.5) 
 
) H(
)H(
OHH moléculas de Número
OHH moléculas de NúmeroR 1
2
11
21
H2 == (Ec.2.6) 
 
FACTOR DE FRACCIONAMIENTO (α ): Es el cociente entre las relaciones isotópicas 
correspondientes a dos fases o especies en equilibrio. De manera general puede 
expresarse como: 
B molécula en )XX(
A molécula en )XX(
*
*
=α (Ec.2.7) 
donde X y X* son isótopos de un elemento contenido en las moléculas A y B. 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
19
Por ejemplo, tomando al oxigeno-18, para el caso de la reacción que involucra a 
las moléculas de dióxido de carbono y agua, el factor de fraccionamiento se expresa 
como: 
OH
1818
CO
1618
2
2
)OO(
)OO(
=α (Ec.2.8) 
El valor numérico de α es igual al valor de la constante de equilibrio K en las 
reacciones de intercambio monoatómico (Ec. 2.22, 2.24, 2.26 y 2.29). 
El cambio de estado o fase es un caso especial de los procesos de 
fraccionamiento isotópico y el coeficiente de separación. Se puede definir de manera 
análoga como: 
2fase
*
1fase
*
)XX(
)XX(
=α (Ec.2.9) 
En el caso del oxígeno-18 en la molécula del agua, definimos α 18-O para el 
cambio de estado en equilibrio líquido-vapor (L-V) como: 
V
L
V)OH(
1618
L)OH(
1618
R
R
)OO(
)OO(
2
2 ==α (Ec.2.10) 
Como ya hemos dicho, el factor tiene el valor de una constante de equilibrio 
termodinámico y por lo tanto depende de la temperatura. En las reacciones de 
intercambio isotópico(ecuaciones Ec. 2.22, 2.24, 2.26 y 2.29) y en equilibrio, el factor de 
fraccionamiento está relacionado con la constante de equilibrio (K) a través de 
N1K=α (Ec.2.11) 
donde: N es el número de átomos intercambiados. 
Cuando los coeficientes de la molécula que contienen a la especie intercambiada 
son unitarios resulta como se mencionó precedentemente, que: 
α = K (Ec.2.12) 
La mayoría de los factores de fraccionamiento son cercanos a 1, excepto para el 
hidrógeno (Plata Bedmar, 1979). 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
20
FACTOR DE ENRIQUECIMIENTO (ε): se define como: 
ε =  α- 1 o bien ε (‰) = 1000 ε (Ec.2.13) 
 
DESVIACIÓN ISOTÓPICA (δ): La abundancia absoluta de los isótopos estables 
habitualmente no se mide en aguas u otros compuestos naturales. Solamente se 
determina la diferencia relativa en la relación entre el isótopo pesado (generalmente el 
menos abundante) respecto al isótopo liviano (generalmente el más abundante) de la 
muestra respecto a una referencia. Esa diferencia se designa por la letra griega (delta δ) 
y como las diferencias entre las muestras y la referencia son muy pequeñas se expresa 
en δ (‰). Se define de la siguiente manera: 
1000 
R
R R)‰(
R
RM −
=δ (Ec.2.14) 
donde δ: desviación isotópica en partes por mil. 
R: relación isotópica (2H/1H, 18O/16O, etc). 
M: muestra. 
R: referencia internacional. 
 
Un valor positivo de 18O o de 2H significa que el contenido de 18O o 2H de la 
muestra es mayor que el del patrón (muestra enriquecida, es decir mayor concentración 
de los isótopos pesados); un valor negativo indica lo contrario (muestra empobrecida). 
 
II.5.3. REFERENCIAS 
De acuerdo a lo expresado en el punto anterior es necesario contar con materiales 
de referencia ya que las mediciones de las relaciones isotópicas se comparan con esos 
valores. 
La referencia o patrón utilizado para aguas es el V-SMOW (Vienna Standard 
Mean Ocean Water) definido por Craig (1961a). 
El primer patrón adoptado universalmente como referencia para las variaciones 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
21
isotópicas del oxígeno e hidrógeno en aguas naturales fue el llamado SMOW (Standard 
Mean Ocean Water). Esta muestra correspondía a un agua hipotética, definida a partir 
del NBS-1, que tenía tanto las relaciones isotópicas del oxígeno como del deuterio igual a 
la de las relaciones del agua de mar. Fue medida y evaluada por Craig (1961a), Epstein 
y Mayeda (1953) y Horibe y Kobayakawa (1960). La elección del agua del océano media 
es obvia, para las muestras de aguas naturales, puesto que el océano contiene el 97% de 
las aguas presentes en la superficie terrestre y además tiene una composición isotópica 
homogénea, por lo cual constituye un apunto de partida lógico para describir los procesos 
del ciclo hidrológico en la naturaleza. 
Sin embargo, el problema es que esa muestra de SMOW se agotó rápidamente y 
por lo tanto no pudo seguir usándose para intercalibrar los laboratorios. Por esta razón, 
fue reemplazado por el V-SMOW, que corresponde a una muestra preparada con una 
composición isotópica lo más similar posible a la definida originalmente. Esta muestra 
fue preparada por el profesor Craig en1966 a pedido de la Organización Internacional de 
Energía Atómica (OIEA) y se obtuvo por la mezcla de agua del océano destilada (tomada 
en Julio de 1967 del Océano Pacífico, 0º Lat., 18º W Long) con pequeñas cantidades de 
otras aguas para ajustar las relaciones isotópicas a los valores requeridos. Esta muestra 
fue llamada V-SMOW y está disponible en el OIEA y el NIST (National Institute of 
Standards and Technology) para intercalibración de todos los laboratorios del mundo 
(IAEA, 1981). Debido a la precisión alcanzada en la medición de isótopos del agua, en 
este momento se están preparando nuevos patrones de referencia que satisfagan las 
necesidades de todos los estudios que involucren análisis isotópicos. 
Para mejorar la uniformidad de los análisis realizados por diferentes laboratorios 
se acordó internacionalmente crear un segundo patrón con un contenido en isótopo 
pesado lo más próximo posible al límite inferior observado en aguas naturales. Esta 
muestra se definió como SLAP (Standard Light Antartic Precipitation). Fue nuevamente 
preparada por Craig a partir de nieves colectadas en 1967 por E. Picciotto en la Antártida. 
Los valores de SLAP son por consenso: -428‰ para deuterio y -55.5 ‰ para oxígeno-18 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
22
(Gonfiantini, 1978). Asimismo, durante una reunión internacional en 1976 se incorporó 
una referencia con una composición intermedia entre VSMOW y SLAP. Este material fue 
obtenido de nieve de Groenlandia y se denomina GISP ((Greenland Ice Sheet 
Precipitation). Los valores de las referencias internacionales se muestran en la Tabla 2.4 
(IAEA, 2005). 
 δ18O‰ δ2H‰ 
VSMOW 0 0 
SLAP -55,5 -428 
GISP -24,8 -189,5 
 
Tabla 2.4. Referencias internacionales para aguas. 
 
La preparación de estas referencias es difícil y sumamente costosa y cada 
laboratorio necesita definir sus propias referencias secundarias que están referidas y 
calibradas respecto a V-SMOW y SLAP. 
Las referencias secundarias utilizadas en los laboratorios del INGEIS 
corresponden a aguas de distintos orígenes para cubrir el espectro de las aguas 
naturales. En la Tabla 2.5 se resumen las referencias y sus valores. 
 
Nombre Nombre Patrón (Material de referencia) Fecha de 
colección 
δ18O‰ 
±0.2 
δ2H‰ 
±0.5 
H2O-INGEIS – 07 ATLÁNTICO: Agua del Océano Atlántico. 1980 -0.45 -5.9 
H2O-INGEIS – 08 PLAN: Base Marambio (Antártida) 1980 -16.21 -123.0 
H2O-INGEIS – 09 ACBA-6: Agua corriente de Buenos Aires. 1991 -2.90 -17.8 
H2O-INGEIS – 10 BELGRANO: Base Belgrano (Antártida) 1999 -22.52 -175.2 
H2O-INGEIS – 11 SM: Base San Martín (Antártida) 1999 -15.24 -117.6 
H2O-INGEIS – 12 ACBA-7: Agua corriente de Buenos Aires 2002 -4.41 -27.4 
 
Tabla 2.5. Referencias secundarias del Laboratorio de Isótopos Estables del INGEIS 
*Las referencias fueron medidas en el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) 
 Nota: ACBA se corresponde con la sigla en inglés BATW (Buenos Aires Tap Water) 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
23
A partir de las referencias internacionales, V-SMOW y SLAP, se recomienda a 
todos los laboratorios normalizar sus medidas (IAEA, 1981). Es decir, por una parte 
adoptar V-SMOW como valor cero de la escala delta (δ) y por otra corregir los valores así 
obtenidos multiplicándolos por la relación entre los valores del SLAP definidos y los 
particulares de cada laboratorio (referencias internas). Para la normalización se aplica la 
ecuación de Dansgaard (1969) como se cita en Gonfiantini (1981, pág. 69) originalmente 
concebida para la normalización de mediciones de oxígeno-18 en aguas, pero que es 
aplicable también a deuterio, i.e. 
( )
R/1rR/2r
R/1rR/S
VSMOW/1rVSMOW/2rVSMOW/1rVSMOW/S δ−δ
δ−δ
δ−δ+δ=δ (Ec. 2.15) 
donde: S: muestra ; r1 y r2: referencias internas 1 y 2; pt: patrón de trabajo 
 
Esta fórmula es equivalente a la ecuación de normalización presentada en Coplen 
(1988) que utiliza al V-SMOW y SLAP, referencias internacionales, como referencias 
internas: 
10001
OY1000
OY1000
O
pt/VSMOW
18
pt/S
18
VSMOW/S
18








−
δ+
δ+
=δ (Ec.2.16) 
 
10001
HZ1000
HZ1000
H
pt/VSMOW
2
pt/S
2
VSMOW/S
2








−
δ+
δ+
=δ(Ec.2.17) 
 
donde: S: muestra; pt: patrón de trabajo; Y: coeficiente calculado según 
Y= -55,5 / (δ18OSLAP/pt – 0,9445 δ18OVSMOW/pt), donde –0,9445 es 1 + (-5,5/1000) 
Z: coeficiente calculado según Z = -428 / (δ2HSLAP/pt – 0,572 δ2HVSMOW/pt), donde –0,572 es 
1 + (-428/1000). 
 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
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24
Si por algún motivo esto no es posible, los datos se pueden normalizar utilizando 
una de esas referencias internas y las siguientes ecuaciones (Gonfiantini, 1981, págs. 36 
y 68): 
1000
* VSMOW/1r1r/s
VSMOW/1r1r/sVSMOW/S
δδ
+δ+δ=δ (Ec.2.18) 
donde: S: muestra, r1: referencia interna y pt: patrón de trabajo y, 
 
1000
1000
1000
pt/1r
pt/s
1r/s 







δ+
δ+
=δ (Ec.2.19) 
 
La ecuación (2.18) calcula el δS-VSMOW utilizando una sola referencia interna y por 
lo tanto el valor obtenido no está corregido por la escala 
V-SMOW-SLAP. Para realizar esta corrección, se multiplica el valor obtenido por un 
factor de corrección F definido como: 
 
( )medidoSMOW/SLAP
0,428F
δ
−
= (Ec.2.20) 
 
Este δSLAP-VSMOW(medido) se obtiene de la siguiente ecuación: 
( )
1000
1 pt/VSMOW
pt/SLAP
medidoSMOW/SAP δ
+
δ
=δ (Ec.2.21) 
 
El valor del factor de corrección F se controla periódicamente cada vez que se 
miden las referencias internacionales V-SMOW y SLAP. 
 
 
 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
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25
II.6. PRINCIPALES PROCESOS QUE PRODUCEN FRACCIONAMIENTO ISOTÓPICO 
Los procesos que dan lugar al fenómeno del fraccionamiento isotópico se 
producen en diferentes tipos de reacciones químicas y fenómenos físicos: 
Los principales son: 
 Reacciones de intercambio isotópico 
 Procesos cinéticos, principalmente los dependientes de las diferencias en las 
velocidades de reacción de las moléculas isotópicas. 
 
II.6.1. INTERCAMBIO ISOTÓPICO 
El intercambio isotópico incluye procesos con varios mecanismos distintos. Este 
término se utiliza para el intercambio de átomos entre compuestos químicos o fases 
cuando se alcanza el equilibrio y en los cuales, además no hay cambios en el sistema 
químico. 
Las reacciones de intercambio isotópico son aquellas que involucran la 
distribución de los isótopos de un elemento entre las diferentes moléculas que contienen 
ese elemento. 
De manera general podemos definirlas así: 
X AX 
n
1 X AX 
n
1 *
n
*
n +⇔+ (Ec.2.22) 
donde: X y X* corresponden a un elemento y su isótopo respectivamente. 
Su constante de equilibrio es 
X
X
AX
AX
K *
n
1
n
*
n
*






= (Ec.2.23) 
 
De manera particular para el caso de n=1 podemos definir las reacciones y su 
constante de equilibrio: 
XB AX XB AX ** +⇔+ (Ec.2.24) 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
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26
 
]BX[ ]AX[
]BX[ ]AX[K *
*
= (Ec.2.25) 
 
Por ejemplo, la reacción de equilibrio entre el dióxido de carbono y el agua, su 
constante de equilibrio y su coeficiente de fraccionamiento (18O) 
( ) ( ) ( ) ( )L
16
2g
1816
L
18
2g
1616 OH OOC OH OOC +⇔+ (Ec.2.26) 
 
OHOH
 OOCOOC
OH OOC
OH OOC K 16
2
18
2
16161816
18
2
1616
16
2
1816
=
×
×
= (Ec.2.27) 
 
( )
( )
( )
( )
( ) ( )L2g2
L2
g2
OHCO
OH
1618
CO
1618
OO
OO
K −α== (Ec.2.28) 
 
Considerando la molécula del agua podemos escribir por ejemplo la siguiente 
reacción y sus expresiones a través de su constante de equilibrio y el factor de 
fraccionamiento (18O): 
( ) ( ) ( ) ( )V
16
2L
18
2V
18
2L
16
2 OH OH OH OH +⇔+ (Ec.2.29) 
 
( ) ( )
( ) ( )L
16
2V
18
2
V
16
2L
18
2
OH OH
OH OH
K
+
×
= (Ec.2.30) 
 
( )
( )
( )
( )
( ) ( )VO2HLO2H
V2
L2
OH
1618
OH
1618
OO
OO
K
−
α== (Ec.2.31) 
 
Como ya se mencionó la constante K depende de la temperatura y se puede 
relacionar con el factor de fraccionamiento (ecuaciones 2.11 y 2.12). 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
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27
II.6.1.2. RELACIÓN ENTRE K, α y T (Kelvin) 
El logaritmo de la constante de equilibrio (K) definida como en la ecuación (Ec. 
2.25) es proporcional a la inversa de la temperatura, es decir 
T
1 A Kln = (Ec.2.32) 
donde: A: constante de proporcionalidad y T: temperatura absoluta. 
 
De esta ecuación (2.32) se deduce que a bajas temperaturas (T 0), será 1/T ∞ 
y por lo tanto lnK ∞ , o sea que el equilibrio se desplazará totalmente hacia la derecha. 
En cambio, a altas temperaturas (T ∞ ), será 1/T 0 o sea que lnK 0 y por lo tanto 
K 1. En este caso el fraccionamiento isotópico será nulo. 
En reacciones de intercambio isotópico como la indicada en la ecuación 
intercambio CO2-H2O (Ec. 2.26) a 25ºC la constante de equilibrio (Ec. 2.27) tiene el valor 
de 1,0412, por lo que la lo que la fase gaseosa se enriquecerá en 41,2‰ en el isótopo 
pesado (O´Neil et al., 1975). 
En el caso de reacciones que involucran los cambios de estado del agua como la 
indicada en la ecuación de equilibrio Líquido – Vapor (Ec. 2.29) a 20ºC la constante de 
equilibrio (Ec. 2.30) tiene el valor de 1,0098 por lo que la fase líquida (H2O) se 
enriquecerá en 9,8% en el isótopo pesado (Majoube, 1971a). 
Esta relación de K con la temperatura es una de las propiedades más importantes 
desde el punto de vista geológico y puede observarse en procesos físicos tales como 
evaporación y condensación, fusión y cristalización y difusión de iones o moléculas 
debido a gradientes de concentración o temperatura en los cuales juegan las diferencias 
de masas. 
En el caso particular del agua la dependencia del factor de fraccionamiento con la 
temperatura de las fases de transición en equilibrio en los sistemas líquido – vapor - 
sólido para las especies isotópicas se puede observar en la Figura 2.6. 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
28
 
 
Figura 2.6. 
Fraccionamiento isotópico del deuterio y oxígeno-18 en el sistema agua líquido-vapor-sólido. 
 
Los valores 18O para el fraccionamiento han sido calibrados utilizando las siguientes ecuaciones y 
donde T corresponde a la temperatura absoluta (K) 
líquido - vapor (L-V) (Bottinga y Craig, 1969) 
1000 lnα18O= 2.644 - 3.206 x 103 T-1 + 1.534 x 103 T-2 
sólido (hielo) - vapor (H-V) (O´Neil , 1968 y Gonfiantini 1971) 
1000 lnα18O= 2.644 - 3.206 x 103 T-1 + 1.534 x 103 T-2 
Los valores α deben ser multiplicados por los factores de fraccionamiento 
 entre el hielo y el agua a 0ºC (α 18Ohielo-agua = 1.0030) 
 
Los valores para deuterio son: 
líquido - vapor (L-V) (Majoube, 1971b; Gonfiantini, 1971) 
1000 lnα = 24.844 x 106 T-2 - 76.248 x 103 T-1 + 52.612 
sólido (hielo) - vapor (Merlivat y Nief, 1967) 
1000 lnα2H = -94.5 + 16.289 x 106 T-2 
 
 
II.6.2. EFECTOS CINÉTICOS 
La teoría de los efectos cinéticos ha sido estudiada por numerosos investigadores 
entre los que se destacan Bigeleisen y Wolfsberg (1958), Melander (1960) y Melander y 
Saunders (1980). 
El conocimiento de los efectos cinéticos isotópicos es muy importante porque 
aportan información acerca de los caminos de reacción. 
En estos procesos el fraccionamiento se produce debido a las diferencias en la 
velocidad de reacción de diferentes moléculas portadoras de especies isotópicas de un 
mismo elemento. Son reacciones unidireccionales en las cuales las velocidades de 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos:su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
29
reacción dependen de las composiciones isotópicas de los reactivos y los productos y de 
sus energías vibracionales (Hoefs, 1987). 
Los efectos cinéticos suelen ser de gran magnitud y pueden alterar las 
concentraciones de equilibrio, favoreciendo, neutralizando o revirtiendo el estado teórico 
final predicho por la termodinámica. Esa magnitud depende del camino de la reacción, 
de la velocidad de la reacción y de las energías relativas de las uniones que se rompen o 
forman por la reacción. 
En general hay un enriquecimiento preferencial en la especie liviana en los 
productos de reacción, debido a que las uniones entre los isótopos livianos se rompen 
más fácilmente que sus equivalentes en los isótopos pesados. En el caso de las 
moléculas del agua, por ejemplo, la que contiene al 18O o 2H. Generalmente está 
asociado a procesos rápidos o unidireccionales como las reacciones que involucran 
procesos biológicos, evaporación, reacciones de disociación, difusión, etc. 
Los procesos de difusión pueden causar fraccionamiento isotópico significativo. 
Generalmente los isótopos livianos son más móviles que los pesados. La relación de los 
coeficientes de difusión expresa los factores de enriquecimiento isotópico. Para los 
gases la relación es equivalente a la raíz cuadrada del cociente de sus masas y en los 
sólidos y soluciones es mucho más compleja. Las velocidades de difusión de dos 
isótopos se pueden calcular de acuerdo a la siguiente ecuación: 
m2
kT
π
=ν (Ec.2.33) 
donde ν = velocidad molecular; k = constante de Boltzman; m = masa molecular; 
T=temperaura absoluta. 
El factor de fraccionamiento está dado por la Ley de Graham, que iguala la 
relación entre las velocidades con la relación entre las masas, de acuerdo a: 
*
**
mm m
m
m2
kT
m2
kT
* =
π
π=
ν
ν
=α − (Ec.2.34) 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
30
En el caso del ciclo del agua, cuando no se cumplen las condiciones de equilibrio, 
la velocidad de evaporación de las distintas especies moleculares del agua depende 
además de las respectivas presiones de vapor, de sus coeficientes de difusión en el agua 
y en el aire (Plata Bedmar, 1979). Las velocidades de difusión de las especies 
moleculares del agua 1H1HO, 2H1HO y 1H1H18O se ordenan de la siguiente forma 
(Dansgaard, 1964): 
V(1H1HO) > V(2H1HO) > V(1H1H18O) 
Como consecuencia de esta relación, cuando se produce la evaporación en 
condiciones de no equilibrio, el vapor producido tendrá una mayor proporción de 1H1HO 
que aquel originado en condiciones de equilibrio. 
El ejemplo más prominente de procesos de no equilibrio donde la influencia de la 
difusión es importante, es el fraccionamiento del vapor en cuerpos de aguas superficiales 
que se produce en la interfase agua-atmósfera, que depende de los parámetros 
atmosféricos, especialmente de la humedad ambiental (Gat, 1981). 
 
 
II.7. ECUACIÓN DE RAYLEIGH 
Para comprender mejor estos procesos de separación isotópica asociados a los 
mecanismos de evaporación-condensación en el ciclo del agua, reducción de sulfatos por 
bacterias, etc. es necesario plantear la llamada “destilación de Rayleigh” (Rayleigh, 
1896), que caracteriza y define los procesos de destilación fraccionada y supone 
condiciones cuasiestáticas y remoción constante del vapor formado. Obedece a 
ecuaciones de tipo exponencial que describen la partición de los isótopos entre dos 
reservorios mientras uno disminuye su tamaño. Estas ecuaciones pueden utilizarse para 
describir el fraccionamiento isotópico si se considera una destilación ideal, el líquido 
reservorio es finito y homogéneamente mezclado y no debe reaccionar con el producto 
(por ejemplo vapor) y donde se cumple que: 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
31
1. El material es continuamente removido de un sistema mixto que contiene 
moléculas de dos o más especies isotópicas (i.e. agua con 18O y 16O); 
2. El fraccionamiento que acompaña el proceso de remoción en cualquier instante es 
descrito por el factor de fraccionamiento (a) 
3. no debe cambiar durante el proceso. 
 
Bajo estas condiciones la evolución de la composición isotópica del material 
residual (reactivo) es descripta por 
( )1
o
f
R
R −α= (Ec.2.35) 
donde: 
R y Ro: son la relación isotópica (por ejemplo 18O/16O) en el tiempo t y to respectivamente; 
f : es la fracción residual del líquido en el tiempo t 
α: es el factor de fraccionamiento que gobierna la distribución de las especies isotópicas 
 
Es decir que, la forma general de esta ecuación establece que la relación 
isotópica (R) en un reservorio, donde el reactivo disminuye, es función de la relación 
isotópico inicial (Ro), la fracción remanente de ese reservorio (f: N/N0) y el factor de 
fraccionamiento (a) entre ambos (Figura 2.7). 
En sentido estricto el término “fraccionamiento de Rayleigh” solamente debe 
usarse en sistemas abiertos donde las especies isotópicas que son removidas a cada 
instante están en equilibrio termodinámico e isotópico con los remanentes en el sistema 
en el momento de la remoción. Una completa discusión del tema se puede consultar en 
Craig y Gordon (1965), Gat (1981), Gonfiantini (1986), Clark y Fritz (1997) y Mook (2000). 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
32
 
Figura 2.7. 
Enriquecimiento en 18O y 2H en agua destilada durante evaporación bajo condiciones controladas. 
Temperatura 25ºC Humedad: 0%. A medida que la fracción de agua remanente se aproxima a 0, 
la destilación de Rayleigh produce un incremento exponencial de los isótopos pesados. Bajo 
condiciones de aumento de humedad, el intercambio con la fase vapor reduce el enriquecimiento 
exponencial. Bajo condiciones de máxima humedad se alcanza un valor estacionario debido al 
completo intercambio con la masa de vapor (Mook, 2000). 
 
 
II.8. 
 RELACIONES ENTRE FACTOR DE FRACCIONAMIENTO (α), NOTACIÓN DELTA ( δ) 
Y ECUACIÓN DE RAYLEIGH. 
El factor de fraccionamiento α está relacionado con la notación delta δ de la 
siguiente manera: 
 
Para el caso δ 18O y definiendo RV,RL, RE: 18O/16O en el vapor, líquido y estándar 
1000
R
RRO
R
RV
V
18 −
=δ (Ec.2.36) 
1000
R
RRO
R
RL
L
18 −
=δ (Ec.2.37) 
y despejando RV y RL de las ecuaciones (Ec.2.29 y 2.30): 
 
Capítulo II –Principios Básicos 
Fraccionamiento Isotópico 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
Cristina Dapeña, 2007. 
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( )
1000
1000ORR
1000
ROR V
18
R
R
RV
18
V
+δ
=+
δ
= (Ec.2.38) 
 
( )
1000
1000ORR
1000
ROR L
18
R
R
RL
18
L
+δ
=+
δ
= (Ec.2.39) 
 
sustituyendo en 
V
L
R
R
=α (Ec.2.40) 
se obtiene: 
1000O
1000O
V
18
L
18
+δ
+δ
=α (Ec. 2.41) 
 
En el caso de la ecuación de Rayleigh (Ec. 2.35), convirtiendo R y RO a la 
notación delta (δ), se obtiene 
 
( )
( )1
o
18
18
o
f
1000O
1000O
R
R −α=
+δ
+δ
= (Ec.2.42) 
 
( )[ ] ( ) 1000f1000OO 1
o
18
V
18 −⋅+δ=δ −α 
Capítulo III –Fraccionamiento isotópico en el ciclo hidrológico 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
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CAPÍTULO III 
Fraccionamiento isotópico en el 
Ciclo Hidrológico 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo III –Fraccionamiento isotópico en el ciclo hidrológico 
 
 
 
Isótopos Ambientales Livianos: su aplicación en hidrología e hidrogeología 
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III. FRACCIONAMIENTO ISOTÓPICO EN EL CICLO HIDROLÓGICO 
III.1.PRINCIPIOS GENERALES 
La principal causa del fraccionamiento isotópico en el ciclo hidrológico se debe a 
la diferencia en la masa molecular de las especies isotópicas constituyentes de la molé-
cula de agua. Cuando esa diferencia relativa es apreciable, como en el caso de los isó-
topos del oxígeno y especialmente en el hidrógeno, se producen ligeras diferencias en las 
propiedades físicas. Un ejemplo de lo mencionado se observa en las especies isotópi-
cas puras del agua (agua común, agua deuterada y agua pura con 18O (Tabla 3.1) (IAEA, 
1981). Debemos aclarar que estas son especies extremas que no existen en la naturale-
za. Las combinaciones que se utilizan en hidrogeología e hidrología son 1H 1H16O, 
1H1H18O y 1H2H16O con las abundancias indicadas en la (Tabla 2.3, Capitulo II). 
 
PROPIEDAD FÍSICA H2O H2 18O 2H2O 
Densidad a 20ºC(g/cm3) 0,9982 1,1078 1,1032 
Temperatura de mayor densidad (ºC) 4,000 4,305 11,240 
Volumen molar a 20ºC(cm3.mol-1) 18,049 18,072 18,129 
Punto de fusión a 1atm (ºC) 0,00 0,28 3,81 
Punto de ebullición a 1atm (ºC) 100 100,14 101,42 
Presión de vapor a 100ºC (torr) 760 721,6 
 
Tabla 3.1. Características de las propiedades físicas de tres especies isotópicas del agua 
 
La diferencia entre las masas hace que las moléculas más pesadas tengan mayor 
inercia o menor "capacidad de movimiento", lo que se traduce en una redistribución de 
las especies ante el proceso físico considerado. Las presiones de vapor de las diferentes 
Capítulo III –Fraccionamiento isotópico en el ciclo hidrológico 
 
 
 
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especies isotópicas moleculares son inversamente proporcionales a sus masas. En el 
caso del agua, la presión de vapor de las especias isotópicas determina la relación entre 
las especies pesadas y livianas en la fase líquida y la fase vapor (cambio de estado). Por 
lo tanto, las especies que contienen a las moléculas ligeras, que tienen mayor presión de 
vapor, evaporan más rápidamente y condensan más lentamente que las pesadas (Tabla 
3.1) es decir, presentan una tendencia mayor a permanecer en la fase vapor durante el 
cambio de estado. Si dicho cambio de estado se produce en condiciones de equilibrio, 
los coeficientes de fraccionamiento (ecuaciones 2.7 a 2.10, Capítulo II) determinan las 
relaciones isotópicas en la fase líquida y vapor de acuerdo con la expresión. 
V
L
R
R
=α (Ec.3.1) 
Asimismo, el factor de fraccionamiento α a una temperatura determinada y en 
condiciones de equilibrio se puede expresar en función de la relación de las presiones de 
vapor como: 
( )
( )
( )OHHP
OHP
1612
16
2
1
H2 =α (Ec.3.2) 
( )
( )
( )OHP
OHP
18
2
1
16
2
1
O18 =α (Ec.3.3) 
Utilizando las relaciones isotópicas se puede escribir como: 
( )
V
1
2
L
1
2
H
H
H
H
H
2












=α (Ec.3.4) 
( )
V
18
18
L
18
18
O
O
O
O
O
18












=α (Ec.3.5) 
 
Estas expresiones son válidas tanto para la evaporación como para la condensa-
ción. 
Capítulo III –Fraccionamiento isotópico en el ciclo hidrológico 
 
 
 
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Los valores de los factores de fraccionamiento α2-H y α18-O son mayores que 1 y 
aumentan a medida que disminuye la temperatura. En la Figura 2.6 (Capítulo II) y la Figu-
ra 3.1 se puede observar la dependencia de este factor con la temperatura y en la Tabla 
3.2 los valores correspondientes para los factores α18-O y α2-H en el sistema vapor-líquido-
sólido. 
 
Figura 3.1. Variación de los factores de fraccionamiento isotópico en equilibrio con la temperatura 
en el sistema vapor-líquido 
 
 α18-O α2-H REFERENCIAS 
Sólido (hielo) - Vapor 
a 0º C 
a -10º C 
 
1.0152 
1.0166 
 
1.132 
1.151 
 
Majoube (1971b) 
Majoube (1971b) 
Líquido - Vapor 
a 25º C 
a 20º C 
a 0º C 
 
1.0092 
1.0098 
1.0117 
 
1.074 
1.084 
1.111 
 
Craig y Gordon (1965) 
Majoube (1971a) 
Majoube (1971a) 
Sólido (hielo) - Líquido 
a 0º C 
 
1.0035 
 
1.0208 
 
Majoube (1971b)/Arnäson (1969) 
 
Tabla 3.2. Factores de fraccionamiento isotópico en equilibrio durante los cambios de fase del 
agua. 
Capítulo III –Fraccionamiento isotópico en el ciclo hidrológico 
 
 
 
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Por lo tanto, de acuerdo con estos valores (Tabla 3.2) en el agua que contiene las 
moléculas 1H1H18O, 1H2H16O y 1H1H16O de masa 20, 19 y 18 respectivamente, el vapor se 
enriquece en la molécula 1H1H16O mientras que el líquido remanente lo hace en 1H2H16O 
y 1H1H18O, durante el proceso de evaporación la especie 1H1H16O tiene una presión de 
vapor significativamente mayor que 1H2H16O y 1H1H18O. Por esta razón el vapor formado 
por evaporación de agua líquida está enriquecido en 16O y 1H. Por otro lado el 18O y 2H se 
concentran en la fase líquida. En el ciclo hidrológico en el agua que se evapora de la 
superficie del océano, el vapor se enriquece en 16O y 1H porque la especie que contiene 
H2
16O tiene mayor presión de vapor que las que contienen H2
18O o 2H1HO. Consecuen-
temente, el δ18O y δ2H del vapor de agua en la atmósfera sobre los océanos son negati-
vos. 
De acuerdo con lo enunciado en los párrafos anteriores los procesos de evapora-
ción y condensación son los principales determinantes del fraccionamiento isotópico en el 
ciclo del agua. 
 
III.1.2. EVAPORACIÓN 
El fraccionamiento isotópico producido durante la evaporación depende de las 
condiciones en que se produce el cambio de estado. Cuando existe equilibrio entre las 
fases, el fraccionamiento y el vapor es removido constantemente, se produce de acuerdo 
con la ecuación de Rayleigh (Capítulo II.7). Si un volumen inicial de agua Vo con relación 
isotópica Ro se somete a evaporación, reduciéndose hasta un valor Ve, la relación isotó-
pica de ese volumen remanente Rf está dada por la ecuación, donde f es la fracción re-
manente dada por la relación Ve/Vo: 





 −
α⋅=
11
of fRR (Ec.3.6) 
Durante la evaporación desde cuerpos superficiales de agua, el fraccionamiento 
de los isótopos del hidrógeno y oxígeno depende de la temperatura superficial, la veloci-
dad del viento, la salinidad y fundamentalmente de la humedad. A baja humedad el inter-
Capítulo III –Fraccionamiento isotópico en el ciclo hidrológico 
 
 
 
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cambio agua-vapor es mínimo. En la naturaleza, la evaporación se comporta como un 
proceso progresivo de no equilibrio, donde el agua se enriquece en ambos isótopos (2H y 
18O) (Figura 3.4) y este enriquecimiento depende del contenido de humedad (Gat, 1981). 
A mayores contenidos de humedad (ca. 100%) resulta en menor fraccionamiento. Los 
efectos de la evaporación extrema son importantes en los cálculos de balances hídricos y 
concentración de sales en lagos o cuerpos similares. A 100% de humedad no debería 
haber apartamiento del equilibrio εdiff =0 y no debería haber exceso de deuterio. 
 
Figura 3.4. 
Enriquecimiento de 18O y 2H en agua destilada durante evaporación en condiciones con-
troladas, con humedad 0% y 25ªC. A medida que la fracción de agua remanente se aproxima a 0, 
la destilación de Rayleigh prouce un incremento exponencial en los isótopos pesados 
 
III.1.3. CONDENSACIÓN 
La condensación del vapor de agua en la naturaleza ocurre siempre en condicio-
nes de equilibrio, debido a que se produce con gran lentitud. Si Ro y Rf son las relaciones 
isotópicas en las masas de vapor inicial y final, la ecuación de Rayleigh (Capítulo II.7) 
corresponde a la forma. 
( )1
of fRR −α= (Ec.3.7) 
Un ejemplo natural en el ciclo hidrológico es el fraccionamiento entre los