Conceptual model for the origin of high radon levels in spring waters – the example of the St. Placidus spring, Grisons, Swiss Alps

Abstract

A variety of geological, hydrochemical and isotopic techniques were applied to explain the origin of exceptionally high radon levels in the St.Placidus spring near the city of Disentis in the Swiss Alps, where an average of 650 Bq/L ²²²Rn was measured. ²²²Rn is a radioactive noble gas with a half-life of 4 days, which results from the disintegration of radium (²²⁶Ra). The high radon levels can neither be explained by generally increased radium content in the fractured aquifer rock (orthogneiss), nor by the radium concentration in the spring water. It was possible to show that there must be a productive radium reservoir inside the aquifer but very near to the spring. This reservoir mainly consists of iron and manganese oxides and hydroxides, which precipitate in a zone where reduced, iron-rich groundwaters mix occasionally with oxygen-rich, freshly infiltrated rainwater or meltwater. The iron, as well as the reduced and slightly acid conditions, can be attributed to pyrite oxidation in the recharge area of the spring. Radium cations strongly adsorb and accumulate on such deposits, and generate radon, which is then quickly transported to the spring with the flowing groundwater.

Resume

La source St. Placidus de Disentis, dans les Alpes Suisses, montre des teneurs en ²²²Rn particulièrement élevées, en moyenne 650 Bq/l. L’origine de cette activité a été investiguée par des méthodes géologiques, hydrochimiques et isotopiques. Le ²²²Rn est un gaz noble radioactif, d’une période de 4 jours, qui est produit lors de la désintégration du ²²⁶Ra. L’activité importante du radon ne peut pas être expliquée par des teneurs élevées en radium contenu dans la roche ou dissous dans l’eau de l’aquifère fissuré. Le radon provient plutôt d’un réservoir de radium situé dans l’aquifère, à proximité de l’exutoire. Ce réservoir se présente sous la forme de dépôts secondaires d’oxydes et d’hydroxydes de fer et de manganèse qui précipitent dans une zone où les eaux riches en fer se mélangent ponctuellement à des eaux météoriques fraîchement infiltrées et riches en oxygène. Les teneurs élevées en fer, ainsi que le caractère réduit et relativement acide de l’eau, semble provenir de l’oxydation de la pyrite, abondante dans la zone de recharge. Le radium est adsorbé de façon très efficace sur les dépôts d’hydroxydes de fer et de manganèse et produit du radon, très soluble dans l’eau, qui est ensuite transporté, via le flux, jusqu’à l’exutoire.