Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

266
Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems: The Role of Environmental Factors by David Stewart Vinson Division of Earth and Ocean Sciences Duke University Date:_______________________ Approved: ___________________________ Avner Vengosh, Supervisor ___________________________ Paul Baker ___________________________ Gary Dwyer ___________________________ Heileen HsuKim Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Division of Earth and Ocean Sciences in the Graduate School of Duke University 2011

Transcript of Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

Page 1: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

 

Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems:  

The Role of Environmental Factors 

by 

David Stewart Vinson 

Division of Earth and Ocean Sciences Duke University 

 

Date:_______________________ Approved: 

 ___________________________ 

Avner Vengosh, Supervisor  

___________________________ Paul Baker 

 ___________________________ 

Gary Dwyer  

___________________________ Heileen Hsu‐Kim 

 

 

 

 

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Division of 

Earth and Ocean Sciences in the Graduate School of Duke University 

 2011 

 

 

Page 2: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

 

ABSTRACT 

Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems:  

The Role of Environmental Factors 

by 

David Stewart Vinson 

Division of Earth and Ocean Sciences Duke University 

 

Date:_______________________ Approved: 

 ___________________________ 

Avner Vengosh, Supervisor  

___________________________ Paul Baker 

 ___________________________ 

Gary Dwyer  

___________________________ Heileen Hsu‐Kim 

 

 

 

 

An abstract of a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree 

of Doctor of Philosophy in the Division of Earth and Ocean Sciences in the Graduate School of 

Duke University  

2011 

Page 3: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

 

              

Copyright by David Stewart Vinson 

2011  

Page 4: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

iv

Abstract 

Prior studies of groundwater systems have associated increasing salinity and anoxic 

conditions with increasing radium (Ra) activities in water due to the decreasing effectiveness of 

Ra removal processes. However, the components of salinity (e.g. Ca vs. Na and SO42‐ vs. Cl‐‐

dominated waters), and the relative importance of salinity‐sensitive vs. redox‐sensitive 

processes for Ra mobilization, are less well understood. In this research, the response of Ra to 

hydrochemical change was examined using a multiple tracer approach to obtain detailed 

information on divalent cation and Ra mobility. A range of salinity and redox conditions was 

examined in five field‐based studies in the United States and Morocco: (1) fresh waters in 

fractured crystalline rocks in the Piedmont region of North Carolina; (2) the Willcox Basin, an 

oxic alluvial basin‐fill aquifer in southeastern Arizona; (3) the Jordan sandstone aquifer, a 

carbonate‐cemented quartz sandstone in southeastern Minnesota; (4) an unconfined coastal 

aquifer undergoing salinization in the city of Agadir, Morocco; and (5) the confined, fresh to 

saline Cretaceous and Pliocene aquifers of the Atlantic Coastal Plain in North Carolina.  

In addition to analysis of major element concentrations, trace metal concentrations, and 

224Ra, 226Ra, and 228Ra activities, complementary isotope systems were applied to gain insights 

on the relative stability of chemical processes that remove radium and other alkaline earth 

metals: (1) strontium isotope ratios (87Sr/86Sr) trace divalent cation release from sources such as 

clay and carbonate minerals in the aquifer solids and also indicate conditions in which divalent 

cation release (rather than uptake) is dominant; (2) boron concentrations and isotopes (δ11B) 

coincide with the opposite condition in freshening conditions of the Atlantic Coastal Plain, in 

Page 5: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

v

which divalent cations are removed in exchange for Na; and (3) sulfur and oxygen isotopes (δ34S, 

δ18O) of sulfate trace sulfate sources and provide information on sulfate‐reducing conditions, 

which can inhibit barite (BaSO4) from removing Ra by coprecipitation. In addition, other isotopic 

and ion measurements trace salinity sources and groundwater residence time, including δ2H, 

δ18O, 3H, Br‐/Cl‐, Na/Cl‐, and Ca/Na. 

This dissertation documents correlations between salinity and radium in the brackish to 

saline North Carolina coastal plain aquifer with total dissolved solids (TDS) up to ~18,000 mg L‐1 

and to some degree in the Moroccan coastal aquifer, but even the lower‐salinity waters (TDS 

<3000 mg L‐1) exhibit a range of Ra activities spanning approximately 3 orders of magnitude. 

Among these low‐TDS waters, the highest Ra activities were observed in the anoxic Jordan 

sandstone aquifer and the lowest were observed in the oxic Willcox Basin aquifer. Although the 

main control on radium activities in fresh groundwater is the U‐ and Th‐series radionuclide 

content of the aquifer solids, important secondary controls include the stability of redox‐

sensitive radium adsorption sites (Mn and Fe oxides), the relative dominance of divalent vs. 

monovalent cations (e.g. the Ca/Na ratio), formation of the uncharged RaSO40 complex, and/or 

the saturation state with respect to barite. These processes interact in varied ways in the field‐

based studies. Increasing radium activities and decreasing 222Rn/226Ra ratios in the North 

Carolina fractured crystalline rock groundwater system are correlated with increasing Ba, Mn, 

and Fe concentrations and decreasing dissolved oxygen concentrations, related to weathering 

and/or organic carbon oxidation. Radium activities in the oxic, neutral to slightly basic Willcox 

Basin are very low (median 226Ra activity 2 mBq L‐1), probably due to a combination of effective 

Ra removal processes including adsorption to Mn and/or Fe oxides and the overall removal of 

Page 6: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

vi

divalent cations during groundwater evolution in this system. These are the same surface charge 

conditions that release arsenic, of regional water concern, in this pH range. Radium in Jordan 

aquifer groundwater is dependent on local variations in solid‐phase radionuclide levels, 

probably hosted in the carbonate cement phase. Also, Ra is inefficiently adsorbed to the aquifer 

solids in the aquifer’s anoxic conditions, resulting in the highest radium levels reported in this 

dissertation (226Ra up to 420 mBq L‐1) despite apparent barite precipitation that partially 

removes Ra. Radium‐224 activity in the Moroccan coastal aquifer is associated with salinity, but 

Ra overall is apparently controlled by barite, indicated by conditions near BaSO4 saturation. 

Radium activity in the saline waters of the Atlantic Coastal Plain aquifers is associated with TDS 

concentrations, but the cation exchange properties of the aquifer may provide a major 

mechanism of Ra removal in the Na‐HCO3‐ and Na‐Cl‐ waters. Overall, the complex interaction 

between groundwater chemistry and Ra‐removing processes implies that in waters with TDS  

below approximately 3,000 mg L‐1, dissolved solids concentration alone does not fully describe 

radium’s response to hydrochemical conditions, but rather that aquifer‐specific examination of 

Ra removal mechanisms is needed. 

 

 

Page 7: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

vii

Contents 

Abstract........................................................................................................................................... iv 

List of Tables ..................................................................................................................................xiv 

List of Figures .................................................................................................................................xvi 

Acknowledgements.......................................................................................................................xxii 

1. Introduction ................................................................................................................................. 1 

1.1 Overview of radium isotope geochemistry ......................................................................... 1 

1.2 Health effects and drinking water standards ...................................................................... 1 

1.3 The link between radium abundance and hydrogeochemical change ............................... 3 

1.4 Modeling radium mobilization in groundwater systems .................................................... 4 

1.5 Radium source mechanisms................................................................................................ 4 

1.5.1 Alpha recoil..................................................................................................................... 4 

1.5.2 Desorption and dissolution ............................................................................................ 5 

1.6 Radium removal mechanisms ............................................................................................. 6 

1.6.1 In situ radioactive decay................................................................................................. 6 

1.6.2 Adsorption and cation exchange.................................................................................... 6 

1.6.2.1 Salinity effects......................................................................................................... 7 

1.6.2.2 pH effects ................................................................................................................ 8 

1.6.2.3 Redox effects .......................................................................................................... 8 

1.6.3 Coprecipitation into sulfate minerals............................................................................. 9 

1.7 Controls on radium isotope ratios..................................................................................... 10 

1.7.1 228Ra/226Ra .................................................................................................................... 10 

1.7.2 224Ra/228Ra .................................................................................................................... 11 

Page 8: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

viii

1.7.3 222Rn/226Ra and 222Rn/224Ra........................................................................................... 11 

1.8 Approach of this research ................................................................................................. 12 

2. Relationships between radium and radon occurrence and hydrochemistry in fresh groundwater from fractured crystalline rocks, North Carolina (USA) ........................................... 17 

2.1 Introduction     ................................................................................................................... 17 

2.2 Methods ............................................................................................................................19 

2.2.1 Sampling procedures.................................................................................................... 19 

2.2.2 Radium isotope analysis............................................................................................... 21 

2.2.3 Major ions and trace elements .................................................................................... 23 

2.2.4 Data handling ............................................................................................................... 23 

2.3 Results ...............................................................................................................................23 

2.3.1 Major ions, trace elements, and redox‐sensitive elements......................................... 23 

2.3.2  Radionuclide activities in water .................................................................................. 24 

2.3.3 Radionuclide content of granite rock samples............................................................. 27 

2.4 Discussion ..........................................................................................................................27 

2.4.1 Major element and redox chemistry of potential Ra sinks .......................................... 27 

2.4.2 Radium and radon isotopes ......................................................................................... 30 

2.4.2.1 228Ra/226Ra activity ratio........................................................................................ 31 

2.4.2.2  224Ra/228Ra activity ratio ....................................................................................... 33 

2.4.2.3  Radon‐222............................................................................................................ 34 

2.4.2.4  222Rn/226Ra activity ratio....................................................................................... 35 

2.4.3 Overview of radionuclide sources and removal mechanisms...................................... 36 

2.5 Conclusions........................................................................................................................39 

Page 9: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

ix

3. Arsenic and other oxyanion‐forming trace elements in an alluvial basin aquifer: Evaluating sources and mobilization by isotopic tracers (Sr, B, S, O, H, Ra) ................................................... 52 

3.1 Introduction.......................................................................................................................52 

3.2 Geologic setting................................................................................................................. 55 

3.2.1 Composition of the mountain blocks ........................................................................... 56 

3.2.2 Basin geometry............................................................................................................. 56 

3.2.3 Pleistocene‐Holocene Lake Cochise ............................................................................. 57 

3.2.4 Groundwater flow and residence time ........................................................................ 57 

3.3 Methods ............................................................................................................................58 

3.3.1 Well sampling ............................................................................................................... 58 

3.3.2 Major and trace element analysis ................................................................................ 59 

3.3.3 Stable and radiogenic isotopes .................................................................................... 60 

3.3.4 Radium isotopes........................................................................................................... 62 

3.4 Results ...............................................................................................................................63 

3.4.1 Groundwater salinity and major element chemistry ................................................... 63 

3.4.2 Trace metals ................................................................................................................. 64 

3.4.3 Environmental isotopes (δ2H, δ18O, 3H, 87Sr/86Sr, δ11B, δ34S) ....................................... 64 

3.4.4 Radionuclides ............................................................................................................... 66 

3.5 Discussion ..........................................................................................................................69 

3.5.1 Recharge and groundwater residence time................................................................. 69 

3.5.2 Isotopic tracing of sediment sources using Sr.............................................................. 74 

3.5.3 Sulfate sources ............................................................................................................. 77 

3.5.4 Significance of the Ca/Na ratio..................................................................................... 79 

3.5.5 Trace element and isotope behavior: Implications for oxyanion‐forming elements ..80 

Page 10: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

x

3.5.5.1 Arsenic .................................................................................................................. 80 

3.5.5.2 Vanadium, chromium, selenium, molybdenum, and antimony........................... 82 

3.5.5.3 Boron .................................................................................................................... 83 

3.5.5.4 Radium and uranium ............................................................................................ 84 

3.6 Conclusions........................................................................................................................85 

4. Radium and strontium isotopes in the Jordan sandstone (Minnesota, USA): Carbonate control of a sandstone aquifer ................................................................................................................... 88 

4.1 Introduction.......................................................................................................................88 

4.2 Methods ............................................................................................................................93 

4.2.1 Sampling of groundwater............................................................................................. 93 

4.2.2 Major and trace element concentrations .................................................................... 93 

4.2.3 Strontium isotopes and tritium.................................................................................... 93 

4.2.4 Radium isotopes........................................................................................................... 94 

4.2.5 Analysis of aquifer solids .............................................................................................. 95 

4.2.6 Supplemental data sources .......................................................................................... 96 

4.3 Results ...............................................................................................................................97 

4.3.1 Major element chemistry and redox conditions.......................................................... 97 

4.3.2 Strontium...................................................................................................................... 98 

4.3.3 Barium, radium, and uranium ...................................................................................... 98 

4.3.3.1 Water samples ...................................................................................................... 98 

4.3.3.2 Aquifer solids ...................................................................................................... 101 

4.4 Discussion ........................................................................................................................101 

4.4.1 Groundwater residence time and evolution of dissolved solids................................ 101 

4.4.2 Strontium isotope insights on the carbonate phase .................................................. 106 

Page 11: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xi

4.4.3 The significance of 228Ra/226Ra.................................................................................... 108 

4.4.4 Radium removal mechanisms .................................................................................... 110 

4.4.4.1 Adsorption and redox conditions ....................................................................... 110 

4.4.4.2 Coprecipitation into barite ................................................................................. 111 

4.4.4.3 Sources of barium to the Jordan aquifer ............................................................ 113 

4.4.5 Relationship to alpha recoil models of Ra isotopes in groundwater ......................... 116 

4.4.6 Timing of U addition to aquifer solids ........................................................................ 118 

4.5 Conclusions......................................................................................................................120 

5. Geochemical evaluation of salinity sources and radium response to salinization of an unconfined coastal aquifer in Morocco....................................................................................... 131 

5.1 Introduction.....................................................................................................................131 

5.2 Hydrogeology of the study area ...................................................................................... 134 

5.3 Methods ..........................................................................................................................135 

5.3.1 Sample collection ....................................................................................................... 135 

5.3.2 Major and trace element analysis .............................................................................. 135 

5.3.3 Environmental isotopes (δ2H, δ18O, δ34SSO4, δ18OSO4,

 87Sr/86Sr)................................... 136 

5.3.4 Radium ....................................................................................................................... 137 

5.3.5 Speciation calculations ............................................................................................... 138 

5.4 Results .............................................................................................................................138 

5.4.1 Major element chemistry........................................................................................... 138 

5.4.2 Environmental isotope ratios ..................................................................................... 140 

5.4.3 Radium, barium, and uranium ................................................................................... 144 

5 Discussion ...........................................................................................................................148 

5.5.1 Groundwater evolution and salinity source identification ........................................ 148 

Page 12: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xii

5.5.2 Cation exchange and 87Sr/86Sr .................................................................................... 152 

5.5.3 Boron’s sensitivity to seawater intrusion and ion exchange ..................................... 155 

5.5.4 Sulfate sources and barite solubility .......................................................................... 157 

5.5.5 Radium activities ........................................................................................................ 160 

5.5.6 Radium isotope ratios ................................................................................................ 162 

5.6 Conclusions......................................................................................................................166 

6. Radium isotope response to salinity gradients in confined Atlantic Coastal Plain aquifers....168 

6.1 Introduction.....................................................................................................................168 

6.2 The Atlantic Coastal Plain aquifer system: Natural and increasing salinity .................... 170 

6.3 Methods ..........................................................................................................................172 

6.3.1 Water Sampling .......................................................................................................... 172 

6.3.2 Major and trace elements .......................................................................................... 175 

6.3.3 Environmental isotopes (δ11B, δ34SSO4, δ18OSO4, 

87Sr/86Sr)........................................... 175 

6.3.4 Radium isotopes......................................................................................................... 176 

6.3.5 Speciation calculations ............................................................................................... 177 

6.4 Results .............................................................................................................................177 

6.4.1 Major and trace element chemistry........................................................................... 177 

6.4.2 Strontium and boron.................................................................................................. 178 

6.4.3 Sulfur and oxygen isotopes of sulfate ........................................................................ 184 

6.4.4 Barium and Radium.................................................................................................... 184 

6.5 Discussion ........................................................................................................................187 

6.5.1 Major element chemistry and the aquifers’ response to salinization ....................... 187 

6.5.2 Redox conditions ........................................................................................................ 189 

Page 13: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xiii

6.5.3 Strontium.................................................................................................................... 190 

6.5.4 Boron.......................................................................................................................... 192 

6.5.5 Radium and barium.................................................................................................... 195 

6.5.5.1 Salinity effects..................................................................................................... 195 

6.5.5.2 Redox effects and the barite removal mechanism for radium........................... 198 

6.5.5.3 Radium isotope ratios......................................................................................... 202 

6.6 Conclusions......................................................................................................................203 

7. Synthesis ..................................................................................................................................205 

7.1 The components of salinity: Cation and anion effects.................................................... 205 

7.2 Salinity vs. redox effects.................................................................................................. 207 

References ...................................................................................................................................210 

Biography .....................................................................................................................................241 

 

Page 14: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xiv

List of Tables 

Table 1: United States and international standards for radon and radium in drinking water. ....... 3 

Table 2: First‐order rate constants for the terms in equation 1...................................................... 7 

Table 3: Summary of major and trace element concentrations and pH. ND indicates not detected. ........................................................................................................................................ 41 

Table 4: Major and trace element concentrations and pH............................................................ 42 

Table 5: Summary of radionuclide activities and activity ratios. ................................................... 47 

Table 6: Radionuclide activities and activity ratios........................................................................ 48 

Table 7: Radium isotope activities in Rolesville Granite samples from cores WC‐1 and WC‐3. Errors are ±2σ from counting statistics. ........................................................................................ 51 

Table 8: Major element results and mineral saturation index values. .......................................... 71 

Table 9: Concentrations of oxyanion‐forming and other trace metals. See Table 10 for B and Sr concentrations. .............................................................................................................................. 72 

Table 10: Isotope results and related trace element concentrations. .......................................... 73 

Table 11: Simplified 238U and 232Th decay series including nuclides discussed in this paper. .......90 

Table 12: Simplified list of hydrostratigraphic units discussed in this paper (modified from Mossler, 1990; Runkel et al., 2003). .............................................................................................. 91 

Table 13: Names and well construction information for the wells sampled in this study. Six‐digit well identifiers are unique identifiers in the Minnesota Department of Health County Well Index (http://www.health.state.mn.us/divs/eh/cwi/). Samples with dates not listed are unfiltered, unpreserved supplemental water samples analyzed for anions and 87Sr/86Sr only. ...................122 

Table 14: Major element chemistry and saturation index values (SI) of Jordan aquifer water samples. .......................................................................................................................................124 

Table 15: Trace metal concentrations, Sr isotope ratios, and tritium and radium activities of Jordan aquifer groundwater. Italized tritium activites are from samples collected by the Minnesota Department of Health on different dates than indicated in Table 13.......................127 

Table 16: Results of analysis of aquifer solids from Jordan aquifer wells. .................................. 130 

Page 15: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xv

Table 17: Major element concentrations and saturation index values of groundwater samples......................................................................................................................................................141 

Table 18: Element and ion ratios diagnostic of salinity sources in the coastal aquifer...............142 

Table 19: Environmental isotope ratios, trace metal concentrations, and radium activities. ....147 

Table 20: Spearman rank coefficients between major ion compositions, and radium and barium. Note (1) the decreasing values of ρ as radium half‐life increases (left to right); (2) the opposite trend associated with sulfate concentration; and (3) the close similarity between the behavior of Ba and 226Ra, but not other Ra isotopes. ..................................................................................... 149 

Table 21: Major element concentrations (in mg L‐1) of the Yorktown and Cape Fear aquifers. Data in italics appeared in Vinson et al. (in press)....................................................................... 185 

Table 22: Trace metal concentrations and isotope ratios of Yorktown and Cape Fear aquifer groundwater. Concentrations are in mg L‐1. Data in italics appeared in Vinson et al. (in press).186 

Table 23: Components of salinity and redox conditions that are correlated with increasing (↑) or decreasing (↓) radium activities in the five studied groundwater systems. ..............................205 

 

 

Page 16: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xvi

List of Figures 

Figure 1: Simplified 238U (black), 235U (green), and 232Th (blue) decay series including uranium, thorium, radium, and radon isotopes (modified from Molinari and Snodgrass, 1990). ................. 2 

Figure 2: Diagram indicating the approximate ranges of salinity and redox conditions encountered in this study. ............................................................................................................. 14 

Figure 3: Map of the study area showing the six sample groups. Numbers in parentheses are the number of sites in each group; political boundary shown is of Wake County, North Carolina. Geological data based on Clark et al. (2004); data for location map obtained from www.nationalatlas.gov. .................................................................................................................20 

Figure 4: Relationships between pH, dissolved oxygen concentration, and total ions. ................ 25 

Figure 5: Relationship between dissolved oxygen and other redox‐sensitive solutes. ................. 26 

Figure 6: Relationship between dissolved oxygen, total ions, and activities of 222Rn and 226Ra in Rolesville Granite groundwater. .................................................................................................... 28 

Figure 7: 228Ra and 224Ra activities in groundwater. Dashed line represents equilibrium value of 1. Counting error omitted where smaller than symbol size. ............................................................. 33 

Figure 8: Relationship between 222Rn and 226Ra (left), 222Rn and 224Ra (right) and histograms of isotope activities in Rolesville Granite groundwater. .................................................................... 36 

Figure 9: Relationship between dissolved oxygen and Mn (top), Ba and total ions (bottom), and the 222Rn/226Ra activity ratio. ......................................................................................................... 37 

Figure 10: Apparent KD across dissolved oxygen and Mn (top) and Ba and total ions (bottom). Steps represent median 222Rn/226Ra in each of 10 concentration intervals containing approximately equal numbers of samples..................................................................................... 38 

Figure 11: Map of Willcox Basin showing the basin’s extent, bedrock types in the mountain blocks, sample numbers, and 87Sr/86Sr ratios. Bedrock types derived from Richard et al. (2002); location of Apache Pass Fault Zone derived from Drewes (1985, 1986) and Erickson (1988). Approximate extent of cones of depression and groundwater flow directions derived water level contours in Oram (1993). Inset shows location of Willcox Basin in the Basin and Range region (USGS, Principal aquifers of the 48 conterminous United States, Hawaii, Puerto Rico, and the U.S. Virgin Islands, obtained from http://www.nationalatlas.gov). .............................................. 55 

Figure 12: Hydrogen and oxygen isotope ratios in Willcox Basin groundwater. Dashed line represents the global meteoric water line (GMWL; δ2H = 8 × δ18O + 10‰; Craig, 1961). ............ 65 

Page 17: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xvii

Figure 13: Map showing δ18O of water samples in relationship to basin topography. Elevation data obtained from U.S. Geological Survey (http://seamless.usgs.gov). ...................................... 66 

Figure 14: Relationships between 87Sr/86Sr and oxyanion‐forming trace element concentrations and Sr concentration......................................................................................................................67 

Figure 15: Relationship between Ca/Na and 87Sr/86Sr and arsenic concentration. ....................... 68 

Figure 16: δ11B in relation to B concentration, 87Sr/86Sr, and As concentration. Note the apparent separation between trend 1 plus the mountain blocks (low B concentration, high δ11B, high 87Sr/86Sr, low As) and trend 2 (high B concentration, low δ11B low 87Sr/86Sr, elevated As). Black bar represents the approximate δ11B range of rhyolite and granite (Barth, 1993)....................... 68 

Figure 17: δ34SSO4 in relation to sulfate concentration, SO42‐/Cl‐ ratio, and Ca/SO4

2‐ ratio. ...........70 

Figure 18: Map indicating δ 34S in relation to the possible gypsum source area in the Dragoon Mountains and the extent of Pleistocene lake deposits. .............................................................. 80 

Figure 19: Schematic cross‐section of a generalized alluvial basin (modified from Robertson, 1991) depicting influences on observed Sr, S, B, O, and H isotope ratios and the Ca/Na ratio. ...87 

Figure 20: Extent of Jordan‐Prairie du Chien aquifer system, confining units, and tritium activities in the Jordan aquifer and overlying Ordovician Prairie du Chien and St. Peter aquifers. Purple line represents extent of Prairie du Chien‐Jordan aquifer system derived from map data (Mossler and Book, 1984; Mossler and Bloomgren, 1990; Runkel, 1998; Mossler and Tipping, 2000; Mossler, 2001) or inferred from well logs. Tritium data are from published reports (Alexander and Alexander, 1989; Tipping, 1992, 1994; Wall and Regan, 1994; Zhang and Kanivetsky, 1996; Campion, 1997, 2002; Berg and Bradt, 2003; Petersen, 2005) and unpublished data from Minnesota Department of Health, Minnesota Geological Survey, and Minnesota Pollution Control Agency. Decorah confining unit extent is from Morey and Meints (2000); Des Moines till extent is from Hobbs and Goebel (1982)....................................................................................... 92 

Figure 21: Cross‐section along line A‐A’ (Figure 20) indicating hydrogeologic setting, open intervals (box lengths), tritium activities (in tritium units, indicated by box colors), 87Sr/86Sr (black numbers), and 226Ra activity in mBq L‐1 (red numbers). Heavy green line represents land surface elevation; city names are discussed in text. See Table 12 for hydrostratigraphic unit abbreviations. ................................................................................................................................99 

Figure 22: 87Sr/86Sr ratios in relation to 1/Sr, Sr/Ca, and Sr/Mg ratios and K concentration. Dashed line represents late Cambrian marine carbonates (McArthur et al., 2001). ..................100 

Figure 23: Map showing radium‐226 activities in Jordan Aquifer groundwater and locations of wells from which cuttings were analyzed.................................................................................... 102 

Page 18: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xviii

Figure 24: Map showing 228Ra/226Ra activity ratios of Jordan aquifer groundwater. ..................103 

Figure 25: Radium isotope activities (224Ra, 226Ra, 228Ra) plotted in relationship to each other. Line marked “MCL” indicates the EPA maximum contaminant level. ......................................... 104 

Figure 26: Plots showing Ra and U isotope activities in aquifer solids and relationship between radium‐226 in wells analyzed for groundwater and solids. Groundwater radium‐226 data for well 151582 are from Lively et al. (1992). ........................................................................................... 105 

Figure 27: Relationship between 228Ra/226Ra and 87Sr/86Sr in Jordan aquifer groundwater........109 

Figure 28: Radium‐226 versus radium‐228 in regional Cambrian‐Ordovician aquifers. Data were obtained from this study, Lively et al. (1992), and the Minnesota Drinking Water Information System database, with other sources noted in figures. Prairie du Chien‐Jordan multi‐aquifer wells are plotted with the Prairie du Chien aquifer; some Mt. Simon aquifer wells include underlying Proterozoic sandstone aquifers. ................................................................................ 111 

Figure 29: Plot of Ba vs. Ra molar concentration. Wells with anomalously high Ba/Ba are labeled by their unique numbers. ............................................................................................................ 114 

Figure 30: Inset maps across the central Twin Cities metropolitan area, where radium concentrations are higher, showing 226Ra (top), Ba concentration (middle), and Ra/Ba ratio (bottom). Data are from samples in the Jordan sandstone aquifer and overlying Ordovician Prairie du Chien and St. Peter aquifers. Dashed lines represent inferred breaks from low to high concentrations of Ra and Ba. Note that the geographic patterns of Ra and Ba do not exactly coincide. .......................................................................................................................................115 

Figure 31: Map showing sampling locations and chloride concentrations in Agadir area, western Morocco. Unlabeled square data points are from Tagma (2005). Base map content obtained from ESRI ArcGIS Online (World Topographic Map, World Terrain Base, and World Reference Overlay)........................................................................................................................................136 

Figure 32: Plot showing relationship between bromide and chloride concentration. Dashed line represents seawater ratio............................................................................................................ 142 

Figure 33: Boron concentrations in relationship to sodium and chloride concentrations. Dashed lines represent hypothetical dilution of seawater....................................................................... 143 

Figure 34: δ18O plotted against δ2H of Agadir area groundwater. GMWL denotes the global meteoric water line, δ2H=8 x δ18O + 10‰ (Craig, 1961).............................................................. 144 

Figure 35: Sulfur and oxygen isotope ratios of the sulfate ion for selected water samples. Lines indicate hypothetical two‐component mixing curves among possible sulfate sources. Box 

Page 19: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xix

marked “gypsum” represents the range of δ34SSO4 and δ18OSO4 in Mesozoic marine sulfate 

minerals (Claypool et al., 1980; Strauss, 1997)............................................................................ 145 

Figure 36: Histogram showing 87Sr/86Sr values of groundwater in relation to potential Sr sources. Bars represent ranges of marine 87Sr/86Sr values (McArthur et al., 2001) of rocks encountered in the study area or the adjacent Atlas Mountains. ........................................................................ 145 

Figure 37: Plots depicting radium‐224, ‐226, and ‐228 activities in relation to chloride, sulfate, and each other. Circled data points represent samples with 87Sr/86Sr > 0.709. ..........................146 

Figure 38: Relationship between dissolved uranium and radium‐226 and sulfate concentration......................................................................................................................................................150 

Figure 39: Relationship between chloride concentration and the (Ca+Mg)/HCO3‐ ratio. Note that 

the trend extrapolates to (Ca+Mg)/HCO3‐ = 0.5 at zero salinity. ................................................. 150 

Figure 40: Indicators of ion exchange in relation to each other and 87Sr/86Sr. Data indicated by x symbols are from Tagma (2005). ................................................................................................. 155 

Figure 41: Map showing measured values and inferred contours of 87Sr/86Sr ratios. Base map content obtained from ESRI ArcGIS Online (World Topographic Map base map). ..................... 156 

Figure 42: Sulfate and Ba2+ ion activities of Agadir groundwater. Lines represent barite saturation index values based on solubility product at 25°C. ..................................................... 158 

Figure 43: Relationship between Ra2+ thermodynamic activity (derived from 226Ra) and Ba2+ and SO4

2‐ activities. .............................................................................................................................163 

Figure 44: Relationship between anion concentrations and 228Ra/226Ra activity ratio. Circled points represent three wells with distinct 87Sr/86Sr > 0.709. ....................................................... 165 

Figure 45: Schematic cross section of the Atlantic Coastal Plain aquifer system in North Carolina. Dashed polygons represent the approximate extent of sampling in the Cape Fear and Yorktown aquifers (modified from Winner and Coble (1996), plate 7). ...................................................... 172 

Figure 46: Map showing the extent of the Yorktown, Upper Cape Fear, and Lower Cape Fear aquifers and well locations (data from North Carolina Division of Water Resources shapefiles)......................................................................................................................................................173 

Figure 47: Historic water levels in Cape Fear aquifer wells sampled at this study and selected other Cape Fear wells at the same well nests. Data provided by North Carolina Division of Water Resources (http://www.ncwater.org). ........................................................................................ 174 

Page 20: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xx

Figure 48: Ca, Mg, and Sr plotted relative to chloride, grouped by aquifer and water type. Dashed lines indicate seawater ion ratios. For clarity, the four shallowest samples are excluded from plots in the left two columns. ............................................................................................. 180 

Figure 49: Sulfate concentration plotted relative to chloride concentration, grouped by aquifer. Dashed line represents the seawater ratio.................................................................................. 181 

Figure 50: Plot of bromide vs. chloride concentrations in Cape Fear and Yorktown aquifer groundwater. Dashed line represents seawater ratio................................................................. 181 

Figure 51: Ba and 226Ra plotted relative to chloride, grouped by aquifer and water type. Dashed line indicates seawater ratio. For clarity, the four shallowest wells are excluded from plots in the left two columns. .........................................................................................................................182 

Figure 52: Environmental isotope ratios (strontium, boron, and sulfur) in Cape Fear vs. Yorktown aquifer groundwater. Dashed lines represent modern seawater values. ................................... 182 

Figure 53: Plots showing boron concentrations and isotope ratios. ........................................... 183 

Figure 54: δ34SSO4 plotted against δ18OSO4 for Yorktown and Cape Fear aquifer groundwater....184 

Figure 55: Relationship between 87Sr/86Sr and 228Ra/226Ra. Labeled bands represent the 87Sr/86Sr ratios of Cretaceous and Pliocene marine carbonate (McArthur et al., 2001). Note that most Yorktown aquifer samples exhibit Pliocene marine 87Sr/86Sr and carbonate‐like median 228Ra/226Ra < 1; most Cape Fear samples exhibit 87Sr/86Sr modified by radiogenic continental inputs and sandstone‐like median 228Ra/226Ra > 1....................................................................... 192 

Figure 56: Relationships between radium isotope (224Ra, 226Ra, 228Ra) activities and chloride concentrations. ............................................................................................................................197 

Figure 57: Calculated chemical activities of Ra2+, RaSO40, and RaCl+ along gradients of sulfate 

activity..........................................................................................................................................199 

Figure 58: Ratio of sulfate‐complexed (uncharged) to divalent alkaline earth metal activities with increasing sulfate activity. ........................................................................................................... 199 

Figure 59: Radium and barium in relationship to barite saturation. Dashed line represents barite saturation based on Ksp = 10

‐9.97 (Drever, 1997). Circled points are the shallowest two wells in each aquifer. ................................................................................................................................201 

Figure 60: Differences in radium isotope ratios (228Ra/226Ra and 224Ra/228Ra) between the Yorktown and Cape Fear aquifers................................................................................................ 204 

Page 21: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xxi

Figure 61: Relationship between total dissolved solids (TDS) and 226Ra activity in sand aquifers in this study. Dashed line is a linear regression of the Atlantic Coastal Plain waters with TDS > 103.5 mg L‐1 (slope ~15 mBq L‐1 per 1000 mg L‐1 TDS)........................................................................... 208 

 

 

Page 22: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xxii

Acknowledgements 

Throughout this research, many colleagues at Duke University provided valuable 

collaboration and assistance. Avner Vengosh, my advisor in the Division of Earth and Ocean 

Sciences, originally suggested an exploration of radium’s connections to groundwater 

salinization and served as a constant source of guidance on conducting the research, 

interpreting results, strengthening the research using a multi‐tracer approach from 

complementary isotope systems, writing, and publication. He also secured funding without 

which this research would not have been possible. Gary Dwyer provided frequent guidance on 

major element, trace element, and isotope analysis, provided many hours of instruction in the 

laboratory, and was a significant contributor to the data and interpretations presented in this 

dissertation. Additional laboratory assistance at Duke University was provided by Hadas Raanan, 

Nathaniel Warner, Laura Ruhl, Tong Zhang, Jonathan Karr, Paul Heine, Wes Willis, Heileen Hsu‐

Kim, Emily Klein, and Paul Baker. John Diemer of the University of North Carolina at Charlotte 

allowed access to rock crushing equipment. Helpful discussions on isotope analysis with W.S. 

Moore, Ralph Arnold, Matt Charette, Zoltan Szabo, and Thomas Bullen also significantly 

improved this research. I was supported by the Nicholas School of the Environment at Duke 

University through teaching and research assistantships, with partial summer support from the 

North Carolina Division of Water Quality and Minnesota Department of Health. Sulfur isotope 

analyses in Chapters 4 through 6 were supported by an International Association of 

Geochemistry student research grant with the collaboration of Bernhard Mayer and Steve 

Taylor of the University of Calgary. In addition to their roles mentioned above, Avner Vengosh, 

Page 23: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xxiii

Paul Baker, Gary Dwyer, and Heileen Hsu‐Kim served as the PhD dissertation committee, and 

generously offered their time and constructive suggestions throughout this research. Finally, the 

research reported in this dissertation would not have been possible without the support and 

patience of my wife, Christa Wagner Vinson. Other assistance specific to individual papers 

within this research is acknowledged below. 

Chapter 2: Numerous students and faculty at Duke University facilitated the large 

private well sampling program. Lori Bennear, Elizabeth Pratson, and Soumya Balasubramanya 

scheduled sampling events. Sampling and laboratory assistance was provided by Nick Baker, 

Timothy Foley, Scott Geis, Nicole Hagan, Waruntorn Kanitpanyacharoen, James Leeper, Anna 

Grzebien, and Kerry Schlichting. Phil Bradley and Michael Medina of the North Carolina 

Geological Survey; Douglas Harned, Melinda Chapman, and Kristen McSwain of the U.S. 

Geological Survey; and Richard Bolich of the North Carolina Division of Water Quality provided 

access to unpublished data and core samples. Ted Campbell, also of the North Carolina Division 

of Water Quality, was a source of many helpful discussions on radon in groundwater. GIS 

assistance was provided by Joshua Tootoo of Duke University Children's Environmental Health 

Initiative. This research was funded by U.S. Department of Agriculture Cooperative State 

Research Education and Extension Service grant NCW‐2006‐03956. Two anonymous journal 

reviewers provided constructive comments and Chemical Geology Guest Editors Jennifer 

Roberts and Annette Summers Engel provided editorial handling for the published version of 

this research. 

Chapter 3: This research was the result of a collaboration with Jennifer McIntosh of the 

University of Arizona Department of Hydrology and Water Resources, who identified the Willcox 

Page 24: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xxiv

Basin as a location for the research, arranged sampling, participated in sampling excursions, 

financially supported research costs, arranged elemental and isotopic analyses at the University 

of Arizona, and participated in interpretation of the results. Stephen Osborn of the University of 

Arizona also provided field assistance in the Willcox Basin. Tritium analyses were generously 

provided by the University of Miami Tritium Laboratory. The quality of this research was also 

significantly improved by the suggestions of Applied Geochemistry reviewers Thomas Bullen, 

Alan Fryar, and Carol Frost, Associate Editor Russell Harmon, and Editor Ron Fuge. 

Chapter 4: This research was the result of a lengthy collaboration with James Lundy of 

the Minnesota Department of Health (MDH), Environmental Health Division, who obtained 

access to sampling sites, sampled many of the waters presented in this study, arranged 

additional analysis at the Minnesota Public Health Laboratory, and provided valuable knowledge 

on regional hydrogeology and the occurrence of radium. This research would not have been 

possible without MDH’s long‐term commitment to provide this large amount of logistical 

assistance. Many helpful discussions on the hydrogeology of southeastern Minnesota with 

Robert Tipping, Anthony Runkel (Minnesota Geological Survey); Bruce Olsen, Sheila Grow, Justin 

Blum, Richard Soule, Tom Alvarez, Steve Robertson (Minnesota Department of Health); and E. 

Calvin Alexander (University of Minnesota) greatly improved the research. Alan Knaeble of the 

Minnesota Geological Survey provided access to samples of cuttings from Jordan aquifer wells. 

Chapter 5: This research was done in collaboration between the faculty and students of 

Duke University and Universite Ibn Zohr in Agadir, Morocco, including Tarik Tagma, Zineb 

Lgourna, Najat Ettayfi, Nathaniel Warner, and Lhoussaine Bouchaou. The research was funded 

Page 25: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

xxv

by the North Atlantic Treaty Organization Science for Peace Program, Project EPS.Md SFP 

983134. 

Chapter 6: This research was made possible by logistical and sampling assistance from 

personnel of the Dare County Water Department and the North Carolina Division of Water 

Resources, especially Barbara Peck. The sampling of Dare County Water Department wells was 

conducted with Haylee Schwartz of Duke University.

Page 26: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

1. Introduction 

1.1 Overview of radium isotope geochemistry 

Four naturally‐occurring radium isotopes are present in nature, all derived from alpha 

decay of thorium parents within the thorium‐232, uranium‐235, and uranium‐238 decay series 

(Figure 1). The half‐lives of these isotopes occupy a wide range: 3.6 d for 224Ra, 11.4 d for 223Ra, 

5.8 a for 228Ra, and 1600 a for 226Ra (Table 2). On a mass basis, more than 99% of natural radium 

is present as 226Ra. However, on an activity (decay rate) basis, 224Ra, 226Ra, and 228Ra are about 

equally abundant in the crust because both 232Th and 238U are also equally abundant on an 

activity basis. Due to the low abundance of 223Ra, controlled by the natural 235U/238U activity 

ratio (0.046 at secular equilibrium), it is of less concern for water quality and difficult to analyze 

at high precision. Consequently, this research is focused on the abundances of 224Ra, 226Ra, and 

228Ra in water resources and the geochemical mechanisms that control these variations. 

1.2 Health effects and drinking water standards 

In addition to understanding geochemical processes, one of the motivations for studying 

radium abundances in water resources is the potential effects on human health. The health 

effects of radium come not from chemical toxicity but from radioactivity. The primary route for 

radiation exposure from radium is to the bones, where radium accumulates due to its chemical 

similarity with calcium (Mays et al., 1985; Environmental Protection Agency, 1999). Because of 

the elevated risk of bone cancer imparted by radium, the US Environmental Protection Agency 

regulates the combined activity of 226Ra + 228Ra at the level of 5 picocuries per liter (pCi L‐1), 

equivalent to 185 millibecquerels per liter (mBq L‐1) in the SI system (Table 1). Short‐lived 

radium‐224, although a significant part of the gross alpha radioactivity of waters (Parsa, 1998), is 

Page 27: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

not regulated in the United States but is recommended for further study (Environmental 

Protection Agency, 2000). In case of high levels of radium in drinking water, treatment by 

softening (cation exchange) is effective, but concentrates radium in the brine, creating other 

potential environmental and disposal concerns (Szabo et al., 2008, 2010). 

 

Figure 1: Simplified 238U (black), 235U (green), and 232Th (blue) decay series including uranium, thorium, radium, and radon isotopes (modified from Molinari and Snodgrass, 1990).  

The solid‐phase distribution of radium is also a major control on the occurrence of radon 

isotopes. Radon‐222 is a chemically inert, short‐lived, alpha‐emitting gas that is of health 

concern in both indoor air and drinking water due to the lung cancer risk that results from 

inhalation of alpha‐emitting radon decay products. The largest source of radon exposure to the 

population is derived from soil gas and inhaled indoors. In contrast, radon degassed from 

drinking water and inhaled is a smaller health risk to the overall population than radon derived 

from soil gas, but is a significant health risk compared to other regulated waterborne substances 

(National Research Council, 1999; Environmental Protection Agency, 2003). In the United States, 

Page 28: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

drinking water standards have been proposed (11 Bq L‐1 or alternative limit of 148 Bq L‐1 if 

indoor air mitigation measures are in place; Table 1), but have not been enacted. 

Table 1: United States and international standards for radon and radium in drinking water. 

Isotope  US Environmental Protection Agency standard 

World Health Organization guideline 

224Ra  Not regulated  1000 mBq L‐1 226Ra  1000 mBq L‐1 228Ra 

185 mBq L‐1 combined 226Ra+228Ra  100 mBq L‐1 

222Rn  11‐148 Bq L‐1 (proposed)  100 Bq L‐1 Reference  Environmental Protection 

Agency, 2000 World Health Organization, 2008 

1.3 The link between radium abundance and hydrogeochemical change  

Because radium is a naturally‐occurring element broadly distributed across aquifer 

materials, high radium in groundwater is not typically a result of radium transport. In fact, the 

large majority of radium in an fresh water system remains on the solids. Elevated levels of 

radium in groundwater are the result of solid‐phase radioactivity levels, the primary control,  as 

modified by groundwater chemistry. This overall balance is described, in the aggregate, by 

adsorption and desorption rate parameters, distribution coefficients, and retardation constants 

(e.g. Krishnaswami et al., 1982). This information is useful for radionuclide transport rates under 

steady‐state conditions, but provides fewer insights about how the system may respond to 

chemical change such as salinization or modification of redox conditions. One of the motivations 

of this research is to better understand the sensitivity of radium in groundwater systems to 

hydrogeochemical changes. For example, recent research in New Jersey demonstrated that the 

nitrification of agricultural waste combined with high rates of groundwater pumping can lead to 

higher levels of radium in water by decreasing the pH of a shallow acidic aquifer (Szabo et al., 

Page 29: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

2005; Ayotte et al., 2011). This research aims to evaluate to what extent salinization and redox 

gradients can similarly induce increases in radium in groundwater. 

1.4 Modeling radium mobilization in groundwater systems 

At steady‐state radium concentration, radium source terms are balanced by removal 

terms: 

 

in which P (in atoms per unit water volume per unit time) is the supply rate of the radium 

isotope from all sources including alpha recoil (section 1.5.1), dissolution (section 1.5.2), and in 

situ production from parent isotopes in solution (negligible for radium); iRas is the solid‐phase 

(adsorbed) concentration of the radium isotope (in atoms per unit of water volume in contact 

with the solid);  iRaaq is the aqueous radium isotope atomic concentration (in atoms per unit of 

volume); λRa‐i is the decay constant of the radium isotope, k1 is the first‐order rate constant of 

radium removal; and k2 is the first‐order rate constant of desorption (Krishnaswami et al., 1982). 

In this model of radium mobilization, the primary mechanism of radium removal is adsorption; 

Ra‐Ba solid solution in sulfate minerals (coprecipitation; section 1.6.3) is neglected.  

1.5 Radium source mechanisms 

1.5.1 Alpha recoil 

In nearly all groundwater systems, the primary source mechanism for radium in water is 

alpha recoil, in which the energy associated with the alpha decay of the parent thorium isotopes 

ejects the radium daughter products into solution. The rate of the alpha decay input from long‐

lived Th parents to shorter‐lived Ra daughters is governed by the solid‐phase atomic 

concentration of the parent isotope and the half‐life of the daughter. According to the law of 

(1)

Page 30: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

radioactive ingrowth, about 5 half‐lives of the daughter are required for the activity of the 

daughter to reach 95% equilibrium with the activity of the parent isotope. In porous systems, 

the basic concepts of radioactive ingrowth are modified significantly: (1) parent nuclides must 

be within recoil distance of the edge of the mineral (30‐40 nm; Sun and Semkow, 1998); (2) 

approximately half of radionuclides within recoil distance of the mineral edge undergo recoil 

into the water rather than the opposite direction, into the solid (Davidson and Dickson, 1986); 

and (3) the extent and effective time scale of daughter product accumulation are significantly 

affected by adsorption (Krishnaswami et al., 1982; Davidson and Dickson, 1986). 

1.5.2 Desorption and dissolution 

Compared to alpha recoil, net desorption and dissolution of radium sources in the 

aquifer solids are negligible for short‐lived isotopes of radium, although the longest‐lived 

isotope 226Ra may receive minor weathering inputs (Krishnaswami et al., 1982). This is because 

the short‐lived isotopes decay rapidly relative to dissolution and desorption, whereas these 

same isotopes are readily added to water by alpha recoil when their parents undergo decay. In 

unusual situations, desorption or mineral dissolution are major radium sources to water, 

including extremely rapid salinization from freshwater to brine levels of salinity (Wood et al., 

2004) and in saline geothermal systems (Zukin et al., 1987; Hammond et al., 1988). These result 

in unusual radium compositions enriched in long‐lived radium isotopes while in the more typical 

recoil‐adsorption scenarios, activities of the short‐lived Ra isotopes equal or exceed the 

activities of the long‐lived Ra isotopes. 

Page 31: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

1.6 Radium removal mechanisms 

1.6.1 In situ radioactive decay 

In the oceans, where water‐rock interaction is minimal, the saline nature of seawater 

supports radium as a semi‐conservative tracer in which its losses are assumed to be mostly to 

radioactive decay in the water column. Radium isotopes can be used to estimate fluxes of 

submarine groundwater discharge into the coastal ocean (e.g. Moore, 1996; Gonneea et al., 

2008; Lamontagne et al., 2008). In groundwater systems where water‐rock interaction is much 

greater, the probability that radium will be chemically removed prior to its own decay is very 

high, that is, k1 > λRa‐224. For this reason, the in situ radioactive decay term iRaaqλRa‐i in equation 1 

is negligible in groundwater systems. The implication of this well‐accepted assumption is that 

radium isotopes are not particularly applicable as tracers of flow velocity and residence time in 

groundwater systems due to the high level of water‐rock interaction in aquifers. Instead, radium 

isotopes in groundwater systems are sensitive tracers of water‐rock interaction. 

1.6.2 Adsorption and cation exchange 

Radium adsorption sites are abundant in most groundwater systems, and adsorption is 

rapid, leading to a distribution of radium that is dominated by the solid phase. Effective radium 

adsorption sites include Mn and Fe oxides (Ames et al., 1983c; Nirdosh et al., 1990; Sverjensky, 

2006), although Mn oxides seem to be far more effective than Fe oxides (Moore and Reid, 

1973); clays and zeolites (Nathwani and Phillips, 1979a; Ames et al., 1983a; Komarneni et al., 

2001; Tachi et al., 2001; Hidaka et al., 2007; Shao et al., 2009); micas (Ames et al., 1983b); and 

organic matter (Nathwani and Phillips, 1979a). Given the salinity‐ and redox‐sensitive nature of 

these adsorption sites, the removal of Ra by adsorption should be more efficient in fresh, oxic 

Page 32: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

waters. In general, adsorption of radium refers to inner‐sphere surface complexes, whereas 

cation exchange refers to much more reversible sites in outer‐sphere complexes or the diffuse 

ion swarm (Sposito, 2008), but are sometimes discussed interchangeably within the context of 

radium removal mechanisms. 

1.6.2.1 Salinity effects 

The first‐order rate constant of adsorption k1 may vary by approximately 5 orders of 

magnitude between freshwater and brine levels of salinity (Table 2; Krishnaswami et al., 1982, 

1991). In field‐based studies, increasing radium levels with groundwater salinity are often 

observed (Tanner, 1964; Bloch and Key, 1981; Kraemer and Reid, 1984; Herczeg et al., 1988; 

Krishnaswami et al., 1991; Moise et al., 2000; Sturchio et al., 2001; Tomita et al., 2010). 

Potential mechanisms include ionic strength (the increasing ion‐ion interactions at high salinity) 

and complexation with chloride (RaCl+) or sulfate (RaSO40), which may be more soluble than Ra2+ 

in some environments. Limited evidence suggests that radium levels are associated with waters 

dominated by divalent cations rather than monovalent cations, as indicated by Ca concentration 

and/or the Ca/Na ratio (Nathwani and Phillips, 1979b; Langmuir and Melchior, 1985; Zukin et al., 

1987; Gascoyne, 1989; Kitto et al., 2005; Shao et al., 2009).  

Table 2: First‐order rate constants for the terms in equation 1. 

Parameter  Half‐life  Rate constant (s‐1)  Reference λRa‐224  3.6 d  2.2 x 10‐6 λRa‐223  11.4 d  7.0 x 10‐7 λRa‐228  1600 yr  3.9 x 10‐9 λRa‐226  5.8 yr  1.4 x 10‐11 

National Nuclear Data Center, NuDat 2.5 at http://www.nndc.bnl.gov/nudat2

k1    10‐5‐10‐1 k2    10‐6‐10‐5 

Krishnaswami et al. (1982, 1991) 

Page 33: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

1.6.2.2 pH effects 

Adsorption of radium is much less effective in acidic groundwaters because of the 

increasing surface charge of Ra2+‐adsorbing minerals as pH decreases. For example, the point of 

zero charge of Mn oxide is approximately 5, with positive surface charge below that pH value 

(Stumm and Morgan, 1996). This is a documented cause of high‐Ra conditions in near‐surface, 

acidic, low‐TDS groundwater in aquifer material of little or no pH buffering capacity (Cecil et al., 

1987; Dickson and Herczeg, 1992; Kozinski et al., 1995; Senior and Vogel, 1995; Bolton, 2000; 

Lauria et al., 2004; Szabo et al., 2005; dePaul and Szabo, 2007). In some cases, the nitrification of 

agricultural waste can exacerbate the low‐pH condition and significantly increase radium levels 

(Szabo et al., 2005). 

1.6.2.3 Redox effects 

Redox effects on radium mobility have been observed qualitatively by correlations of 

radium with dissolved oxygen, manganese, or iron concentrations. These effects seem to be due 

to the redox‐sensitivity of Mn and Fe oxides because radium itself is not a redox‐sensitive 

element. Redox effects have been observed in both fresh (Tanner, 1964; Felmlee and Cadigan, 

1979; Szabo and Zapezca, 1987; Copenhaver et al., 1993) and saline waters and brines (Zukin et 

al., 1987; Herczeg et al., 1988; Gonneea et al., 2008). When metal oxides undergo reductive 

dissolution, the efficiency of radium adsorption is diminished significantly, permitting high 

radium activities in groundwater. In addition to the redox‐sensitivity of Ra adsorption sites, at 

somewhat more reducing conditions corresponding to progressive organic carbon oxidation 

coupled to inorganic electron acceptors, sulfate‐reducing conditions can prevent barite 

precipitation, which is a radium removal mechanism. 

Page 34: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

1.6.3 Coprecipitation into sulfate minerals 

Groundwater Ra activities are commonly observed to be correlated with Ba 

concentrations. Ba concentrations (Underwood et al., 2009) and Ra activities (Dickson, 1985; 

Kitto et al., 2005) have been noted to be negatively correlated with increasing sulfate 

concentration, which also implies that sulfate is linked to a net removal mechanism and 

contradicts the expected association between Ra and overall salinity. However, the levels at 

which an apparent sulfate control is observed are orders of magnitude undersaturated with 

respect to RaSO4 so that the actual mechanism of Ra removal is Ba‐Ra solid solution 

(coprecipitation) in barite, BaSO4, rather than pure radium salts (Langmuir and Melchior, 1985). 

Barite precipitation occurs in a complex solid solution incorporating Ba2+, Sr2+, Pb2+, and Ra2+ 

(Zhu, 2004a), so effects from competing cations on the extent of Ba and Ra removal may be 

significant. The presence of other competing cations (especially Sr2+) can diminish the radium 

content of barite (Ceccarello et al., 2004; Shao et al., 2009). With significant changes in the 

redox state of a system, reductive dissolution can release Ra that had been sequested in barite 

and can prevent additional barite from precipitating (Phillips et al., 2001; Landa, 2003; Martin et 

al., 2003). While barite precipitation is regarded as rapid enough to substantially limit radium in 

groundwater systems (Zhu, 2004b; Curti et al., 2010), the kinetics of this process are significantly 

more complicated than first‐order rate models. The rate of barite nucleation is higher from 

more supersaturated solutions (Nancollas and Reddy, 1974; Liu et al., 1976; Nordstrom and Ball, 

1989), so barite precipitation is probably slow at slight supersaturation and could be less 

efficient than more rapid processes such as cation exchange (Shao et al., 2009) or adsorption 

(Krishnaswami et al., 1982). Thus, it is not straightforward to incorporate Ra removal into barite 

into the first‐order Ra removal (adsorption) rate constant  k1. 

Page 35: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

10 

1.7 Controls on radium isotope ratios 

Radium isotope ratios are commonly expressed as short‐lived to long‐lived isotope 

ratios (SRa/LRa). Due to the small relative mass differences between the radium isotopes, there 

is no known fractionation. Instead, differences in Ra isotope ratios are due to the different 

decay constants of the isotopes in relationship to the rates of radium‐removing processes. 

1.7.1 228Ra/226Ra 

It is generally accepted that the 228Ra/226Ra ratio is closely associated with the solid‐

phase 232Th/238U ratio (Asikainen, 1981a; Andrews et al., 1989; Dickson, 1990; Sturchio et al., 

1993; Szabo et al., 1997; Tricca et al., 2001; Vengosh et al., 2009), which at its crustal average 

value suggests an average 228Ra/226Ra value ≈ 1. This predicts that 228Ra/226Ra values are at or 

above 1 in sandstones (Dickson et al., 1987; Lively et al., 1992; Szabo et al., 1997; Szabo et al., 

2005; Vengosh et al., 2009), and are significantly below 1 in carbonate aquifers (Hileman and 

Lee, 1993; Moise et al., 2000; Sturchio et al., 2001; Condomines et al., 2010), marine phosphates 

(Moise et al., 2000; dePaul and Szabo, 2007), and U‐mineralized areas (Dickson et al., 1984) due 

to the preferential enrichment of U in those deposits. However, several arguments have been 

advanced to explain significant deviations from the rock‐derived ratio. Low ratios may be 

obtained by preferential solubility of U relative to Th concentrating the parents of 226Ra in 

fractures and flow channels (Dickson et al., 1987; Rihs and Condomines, 2002); or by successive 

alpha‐recoil in which 226Ra is the third alpha recoil step from 238U, but 228Ra is only the first recoil 

step from 232Th, resulting in a greater recoil flux of 226Ra relative to 228Ra than would be expected 

from the Th/U ratio (Davidson and Dickson, 1986). 228Ra/226Ra ratios higher than rock ratios 

could be caused by preferential leaching of thorium during weathering processes (Dickson, 

Page 36: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

11 

1985; Sturchio et al., 1993); rapid intrusion of high‐salinity, low‐radium seawater in which 228Ra 

is replenished more rapidly by recoil during 226Ra resulting in elevated 228Ra/226Ra during the 

adjustment period (Lamontagne et al., 2008; Otero et al., 2011); or millennial‐scale variation in 

weathering rates in old, slow‐circulating groundwater (Reynolds et al., 2003). 

1.7.2 224Ra/228Ra 

The 224Ra/228Ra ratio is a short‐lived to long‐lived ratio within the 232Th decay series. 

Because both isotopes undergo recoil at the same rate, but short‐lived 224Ra is replaced by recoil 

more rapidly than 228Ra, and perhaps also because of successive recoil effects in which 224Ra’s 

parent 228Th is more likely to be near the mineral surface than 228Ra’s parent 232Th, median 

values of 224Ra/228Ra in most studies are at or slightly above 1 and rarely exceed 2 (Davidson and 

Dickson, 1986; Copenhaver et al., 1993; Sturchio et al., 1993; Luo et al., 2000; Moise et al., 2000; 

Focazio et al., 2001; Tricca et al., 2001; Reynolds et al., 2003; Ruberu et al., 2005). Values of 

224Ra/228Ra > 2 are unusual and seem to be associated with waters subjected to rapid shifts in 

solid‐phase radioactivity along the flowpath and/or very short residence time (Dickson et al., 

1987; Lamontagne et al., 2008). Values in 224Ra/228Ra significantly below 1 are associated with 

mineral dissolution, but this is mainly documented in geothermal systems (section 1.5.2). 

1.7.3 222Rn/226Ra and 222Rn/224Ra 

Studies in which both radium and radon have been analyzed provide additional 

quantification of radium’s mobility. It is commonly documented that 222Rn activities are 3 to 6 

orders of magnitude higher than 226Ra in fresh water systems (Krishnaswami et al., 1982; 

Copenhaver et al., 1993; Tricca et al., 2001), and are especially high in fractured crystalline rock 

groundwater systems (Asikainen, 1981b; Wanty et al., 1991; Senior and Vogel, 1995). In saline 

Page 37: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

12 

aquifers, the 222Rn/226Ra ratio may be on the order of ~100 (Krishnaswami et al., 1991; Moise et 

al., 2000). Due to the lack of retardation along flowpaths and its common recoil‐derived source 

in the 238U decay series, 222Rn has been assumed to be proportional to the recoil flux of all 

isotopes in the decay series. Thus, the ratio of 222Rn to other radionuclides provides an estimate 

of retardation or distribution coefficients for those radionuclides (Krishnaswami et al., 1982). 

222Rn/224Ra, a variation on the 222Rn/226Ra ratio, negates half‐life differences and primarily 

documents the differences in retardation between the inert Rn and the strongly‐adsorbed Ra. In 

most groundwater systems, values of 222Rn/224Ra are similar to 222Rn/226Ra, corrected for relative 

224Ra/226Ra abundance (Krishnaswami et al., 1982). 

1.8 Approach of this research 

In this research, additional tracers from complementary isotopic systems are used to 

evaluate specific radium‐mobilizing mechanisms along salinity and redox gradients. These 

tracers include: (1) ion ratios that relate to cation exchange including, for example, Ca/Na and 

Na/Cl‐ ratios; (2) 87Sr/86Sr ratios, which record sources of divalent cation release to groundwater, 

such as cation exchange from clays in response to seawater intrusion; (3) boron concentrations 

and δ11B, which can also coincide with conditions in which Ca and Na are being exchanged in 

response to salinization and freshening; and (4) sulfur and oxygen isotopes of sulfate, which are 

used to confirm the redox‐stability of barite (BaSO4), a mineral that can remove radium by 

coprecipitation. Although radium isotopes are reasonably well understood to trace water‐rock 

interaction processes in field‐based and modeling studies, this multi‐tracer approach represents 

a novel application in combining radium isotopes with environmental isotopes that address 

specific hypotheses related to radium mobilization. In field‐based studies of groundwater along 

Page 38: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

13 

salinity and redox gradients, critical mechanisms might include, for example, inefficient Ra 

adsorption indicated by divalent cation release, efficient Ra adsorption or cation exchange, 

and/or redox effects on Ra removal processes. The five chapters reported in this dissertation 

represent a range of hydrochemical conditions: salinity ranging from very dilute to 

approximately 50% of seawater salinity, redox conditions ranging from oxic to sulfate‐reducing 

(Figure 2), and containing radium activities ranging across three orders of magnitude.  

Chapter 2 examines radium reactivity under low‐salinity conditions in which slightly‐

acidic to neutral pH waters in fractured crystalline rocks were examined in North Carolina. These 

waters exhibit total dissolved solids commonly < 500 mg L‐1 and redox conditions ranging from 

oxic to Fe oxide reducing. This and other research in the saprolite‐fractured crystalline rock 

groundwater system in the southeastern United States documents that redox conditions, cation 

concentrations, and groundwater residence time tend to coincide, as anoxic, high‐Fe conditions 

can be the result of biogeochemical activity and/or weathering of Fe2+‐bearing minerals such as 

biotite. These higher‐cation, anoxic conditions exhibit the highest levels of radium in the study 

and the lowest values of the 222Rn/226Ra ratio. In contrast, the lowest‐TDS, oxic waters tend to 

exhibit the highest levels of 222Rn and 222Rn/226Ra. Overall, it appears that one order of 

magnitude of Ra mobility variation is documented along the gradients from oxygen‐saturated to 

anoxic and from low cation concentrations to high cation concentrations. This research, with 

contributing authors Daniella Hirschfeld, Gary S. Dwyer, and Avner Vengosh, was published in 

the journal Chemical Geology (Vinson et al., 2009). 

 

Page 39: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

14 

 

Figure 2: Diagram indicating the approximate ranges of salinity and redox conditions encountered in this study. 

Chapter 3 evaluates radium abundance in the Willcox Basin, an oxic basin‐fill aquifer in 

Arizona with total dissolved solids ranging from very dilute to ~1200 mg L‐1. Substantial variation 

in major element chemistry is apparent, but redox conditions of the waters in this study are 

consistently oxic. Throughout the study area, extremely low levels of all Ra isotopes were 

observed, except in the portion of the study area underlain by fractured crystalline rocks. The 

application of radium in this study is to assess the efficiency of adsorption sites (e.g. Fe and Mn 

oxides) that may be shared between Ra and As and other oxyanion‐forming trace elements. 

Essentially, the adsorption of radium under these conditions is very effective because all of the 

mechanisms of Ra removal are at their maximum efficiency under the oxic, neutral to slightly 

basic pH, low salinity, divalent‐cation removing conditions documented in the Willcox Basin. 

Page 40: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

15 

These redox‐pH conditions that efficiently remove radium favor the desorption of arsenate, 

meaning that there is no overlap between elevated levels of oxyanion‐forming elements and 

elevated Ra. This research is in collaboration with contributing author Jennifer C. McIntosh of 

the University of Arizona Department of Hydrology and Water Resources. 

Chapter 4 evaluates the mechanisms of high‐Ra, yet low‐salinity groundwater from the 

Jordan sandstone in Minnesota, a Cambrian quartz sandstone present in Minnesota, Wisconsin, 

Iowa, and Illinois. Waters are fresh, with Ca‐Mg‐HCO3‐ composition near saturation with calcite 

and dolomite, exhibiting low concentrations of other dissolved ions and TDS < 1000 mg L‐1. 

Redox conditions range from oxic to Fe oxide reducing, although the majority of the aquifer, 

including the high‐Ra portion of the aquifer, is Fe oxide‐reducing as indicated by elevated 

concentrations of Fe and Mn. The largest range of 226Ra, and the highest overall values of 226Ra 

in this thesis were observed in the Jordan aquifer, despite its low salinity. Because the 

radionuclide levels of the aquifer rocks are not particularly high, analysis of radium distribution 

coefficients suggests that the redox condition of the aquifer contributes to inefficient Ra 

adsorption. The overall range of radium levels in groundwater is a result of both the redox 

conditions and the approximately one order of magnitude variation in solid‐phase radionuclide 

levels. The relatively inefficient removal of radium is partially mitigated by coprecipitation of Ra 

into barite. Both Ba and 226Ra seem to be influenced by a geographic distribution in the aquifer 

of unknown origin. This chapter is a collaboration with contributing author James R. Lundy of 

the Minnesota Department of Health. 

Chapter 5 reports the radium variations under of an unconfined coastal aquifer in 

Morocco that is undergoing salinization. Application of multiple geochemical and isotopic 

tracers reveals several salinity sources, including high‐sulfate material from the adjacent Atlas 

Page 41: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

16 

Mountains foothills, oxidized marine sulfide, and urban wastewater, and thus the conditions of 

the aquifer differ from classic seawater intrusion. In general, the aquifer appears to exhibit oxic 

conditions indicated by detectable dissolved oxygen, nitrate, and uranium. Indications of cation 

behavior suggest that divalent cations are released by cation exchange, which does not favor Ra 

removal. Radium‐224 is correlated with chloride concentration, which implies that the inhibited 

adsorption by salinity is most closely linked to the short‐lived isotope’s rapid response. Radium 

is probably strongly removed by coprecipitation into barite. This removal mechanism is best 

correlated with long‐lived 226Ra, which is consistent with the relatively low rate of 226Ra 

replacement by alpha recoil. This research was conducted with contributing authors Tarik 

Tagma and Lhoussaine Bouchaou of Universite Ibn Zohr. 

Chapter 6 examines radium variations in anoxic, sulfate‐reducing, fresh to saline 

Cretaceous and Pliocene aquifers of the Atlantic Coastal Plain in North Carolina. This aquifer 

system represents a well‐studied ion exchange environment in which divalent cations are 

rapidly exchanged for Na that saturates the marine‐derived clays in the aquifer solids. Along a 

salinity gradient of chloride concentration reaching up to ~10,000 mg L‐1 (TDS ~18,000 mg L‐1), 

radium activities are correlated with chloride concentration, but in the few fresh samples 

containing higher proportions of divalent cations, indicating weaker cation exchange, Ra exhibits 

even higher levels relative to the saline groundwater. Given the strongly reducing conditions 

and their apparent interference with Ra removal by adsorption and coprecipitation, it seems 

that a rapid and highly efficient Ra removal process is cation exchange onto the aquifer solids, 

which may explain the relatively low levels of Ra in the aquifer. This study also shows that the 

association of Ra with salinity can be enhanced by the presence of the uncharged RaSO40 

complex in high‐sulfate waters. 

Page 42: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

17 

2. Relationships between radium and radon occurrence and hydrochemistry in fresh groundwater from fractured crystalline rocks, North Carolina (USA) 

2.1 Introduction    ∗ 

Groundwater sources of drinking water may contain naturally‐occurring radionuclides 

from the uranium‐238, uranium‐235, and thorium‐232 series, especially uranium (U), radium 

(Ra), and radon (Rn), all of which are the basis of current (U, Ra) or proposed (Rn) drinking water 

standards of the U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Uranium is a source of kidney 

toxicity as well as alpha radiation (EPA, 2000). Radium is a bone‐seeking form of natural 

radioactivity when consumed in drinking water (Mays et al., 1985). Radon is a radioactive gas for 

which both ingestion and inhalation present health risks, although inhalation may provide about 

one order of magnitude larger exposure (National Research Council, 1999). U, Ra, and Rn may 

co‐occur in high concentrations in the case of mineralized areas (e.g. Asikainen and Kahlos, 

1979), but in most cases, strong disequilibrium exists among U, Ra, and Rn in the groundwater 

of crystalline rocks. Disequilibrium is observed because of geochemical conditions that 

                                                            

 

 

∗  ‐ This chapter was published as Vinson, D.S., Vengosh, A., Hirschfeld, D., and Dwyer, 

G.S., 2009, Relationships between radium and radon occurrence and hydrochemistry in fresh 

groundwater from fractured crystalline rocks, North Carolina (USA): Chemical Geology, v. 260, 

no. 3‐4, p. 159‐171, doi:10.1016/j.chemgeo.2008.10.022. 

 

Page 43: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

18 

preferentially mobilize U and/or Ra as well as the inert nature of Rn. For example, waters may 

be high in U but low in other nuclides (Asikainen, 1981b); orders of magnitude higher in Rn than 

in Ra (King et al., 1982; Wanty et al., 1991); or high in Ra but relatively low in U in deep, anoxic 

waters (Andrews et al., 1989; Gascoyne, 1989). 

In addition to being of significance as natural drinking water contaminants, Ra isotopes 

are useful tools to evaluate the behavior and reactivity of radionuclides in aquifer systems. This 

is due to (1) the large range of half‐lives (3.7 d for 224Ra, 11.4 d for 223Ra, 5.8 a for 228Ra, and 1600 

a for 226Ra); and (2) the highly reactive nature of Ra, especially used in conjunction with the inert 

nature of radon‐222 (half‐life 3.8 d), the daughter of 226Ra. In fresh waters, the relationships 

between Ra isotopes and between Ra and Rn suggest that Ra is generated primarily by alpha 

recoil from the decay of its Th parents on the aquifer solids, rather than by weathering 

processes, and that transport of Ra along a flowpath is retarded several orders of magnitude 

relative to conservative solutes (Krishnaswami et al., 1982; Dickson, 1990; Porcelli, 2008). Thus, 

Ra isotope ratios and Rn/Ra ratios can indicate the balance between physical processes (alpha 

recoil) and geochemical processes such as Ra adsorption. 

Radium mobility or adsorption effectiveness is understood to vary with chemical 

parameters including pH (Cecil et al., 1987; Dickson and Herczeg, 1992; Bolton, 2000; Szabo et 

al., 2005), salinity (Kraemer and Reid, 1984; Sturchio et al., 2001; Wood et al., 2004), reduced 

conditions (Szabo and Zapezca, 1987; Herczeg et al., 1988), supersaturation with respect to 

barite (Gilkeson et al., 1984; Grundl and Cape, 2006), microbial sulfate reduction affecting barite 

stability (Phillips et al., 2001; Martin et al., 2003), and microbial Fe oxide reduction (Landa et al., 

1991). Ra adsorption is a rapid influence in freshwater at near‐neutral pH (Krishnaswami et al., 

1982), but the effects of redox processes and relatively low ion concentrations on adsorption 

Page 44: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

19 

and desorption are not well constrained in existing field investigations. In addition, many 

previous studies of Ra in fresh waters have not included detailed characterization of redox 

conditions or analysis of short‐lived Ra isotopes with which to apply the full range of Ra half‐

lives to geochemical conditions. In this research, we focus chemical and Ra isotope investigation 

on fresh, near‐neutral, bicarbonate‐dominated groundwaters from fractured crystalline rocks in 

North Carolina (USA). The objectives of the study are to evaluate mechanisms of Ra and Rn 

mobilization in shallow groundwater and to elucidate the hydrochemical influences, if any, on 

observed Ra and Rn activities under these conditions. 

2.2 Methods 

2.2.1 Sampling procedures 

117 private wells were sampled in Wake County, North Carolina, clustered into six 

groups (Figure 3): (1a) and (1b) are a complexly mapped area mostly composed of late 

Proterozoic to early Paleozoic metasedimentary and metavolcanic rocks (felsic gneiss, felsic 

schist, phyllite, meta‐tuff, and scattered ultramafic rocks) and associated felsic intrusions 

including quartz diorites (Stoddard et al., 1991; Clark et al., 2004); (2) is primarily underlain by 

the early Paleozoic Raleigh Gneiss, composed of sedimentary and granitic components 

(Stoddard et al., 1991; Clark et al., 2004); and (3a), (3b), and (3c) are underlain by the late 

Paleozoic Rolesville granitic pluton, a large, complex unit composed of monzogranite, granite, 

granodiorite and pegmatite in places (Speer, 1994; Clark et al., 2004). The study area is also 

intruded by Mesozoic dikes of mafic composition (Clark et al., 2004).  

Page 45: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

20 

 

Figure 3: Map of the study area showing the six sample groups. Numbers in parentheses are the number of sites in each group; political boundary shown is of Wake County, North 

Carolina. Geological data based on Clark et al. (2004); data for location map obtained from www.nationalatlas.gov. 

Samples were collected at wellhead taps where available, or at outdoor taps after 

ensuring that samples were not affected by chemical treatment systems. Dissolved oxygen (DO) 

and pH were measured from a continuous flow at the bottom of a polyethylene bucket using YSI 

DO200 and pH100 meters, respectively. Also from this continuous flow, a radon sample was 

collected into a submerged glass vial, and an unfiltered alkalinity sample was collected into a 

Page 46: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

21 

polyethylene bottle. Trace metal/cation samples were filtered in the field directly into new, 

high‐purity acid‐washed polyethylene bottles containing high‐purity HNO3 using syringe‐tip 

0.45 µm filters. Anion samples were similarly field‐filtered. In the lab, Ra isotopes were 

concentrated from 52 L samples onto 10 g bundles of Mn oxide‐coated acrylic fibers (Moore and 

Reid, 1973; Reid et al., 1979) at a flow rate of < 1 L min‐1. 19 of the 117 samples were 

concentrated onto one column of Mn oxide fibers and the remaining 98 samples were 

concentrated onto two sequential (A and B) columns (e.g. Luo et al., 2000). Radon‐222 samples 

were shipped overnight to a commercial laboratory for determination by liquid scintillation 

counting and are decay‐corrected to the time of collection. 

2.2.2 Radium isotope analysis 

Analysis of 224Ra was carried out as soon as possible after concentration onto Mn oxide 

fibers by alpha counting using a delayed coincidence counter (Moore and Arnold, 1996). For 

fibers with less than 20 total alpha counts per minute at time of analysis, 224Ra was quantified 

using the 220Rn channel, corrected for chance coincidence events. For fibers with greater than 20 

counts per minute, 224Ra was quantified by total counts, corrected for activity attributable to 

223Ra (Garcia‐Solsona et al., 2008) and for 224Ra‐220Rn disequilibrium during short run times. 224Ra 

was calibrated by an old, equilibrated 232Th solution that was transferred onto Mn oxide fibers. 

224Ra was decay‐corrected to the time of collection and for 224Ra supported by small amounts of 

228Th adsorbed onto the fibers after 3‐6 weeks. 226Ra analysis was performed by radon counting 

after 20 days of incubation in a sealed, evacuated glass column on a Durridge RAD7 alpha 

counting instrument. 226Ra standards are from a NIST solution transferred onto Mn oxide fibers. 

228Ra analysis was performed on a Canberra broad‐energy Ge gamma spectrometer. In order to 

Page 47: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

22 

produce a more efficient (e.g. Buesseler et al., 1995) and homogeneous (e.g. Herranz et al., 

2006) counting geometry, 228Ra analysis was performed on fibers of the A column that had been 

compressed into a disk geometry 65 mm in diameter and ~5 mm thick in a metal canister. 228Ra 

was quantified from a weighted average of counts from the 338 keV and 911 keV peaks of 228Ac 

and corrected for the partitioning of Ra between the A and B columns using relative 224Ra 

activities. The standard for gamma spectrometric analysis was U‐Th ore standard DL‐1a 

(Canadian Certified Reference Materials Project), loaded to resemble the geometry of the 

compressed fibers. For radium isotope analyses, propagation of error equations were applied to 

background subtraction, delayed coincidence counter corrections, and addition of radium 

activities from multiple columns using the methods of (Ivanovich and Murray, 1992) and Garcia‐

Solsona et al. (2008). Reported 2σ counting error (Table 6) approximates precision determined 

by repeated analyses of samples and standards at comparable activities: (1) replicate analysis of 

a 226Ra standard (equivalent to a 67 mBq L‐1 sample) indicates relative 2σ of 4% (n= 8); (2) 

routine duplicate runs of 224Ra standards (equivalent to a 10 mBq L‐1 sample) indicate an average 

difference of 9% between duplicates (n= 9 pairs);  (3) replicate analysis during one day of a low‐

activity sample containing 3 mBq L‐1 of 224Ra indicates relative 2σ of 12% for 224Ra (n= 5); and (4) 

replicate analysis of a sample equivalent to 38 mBq L‐1 of 228Ra indicates relative 2σ of 16% (n= 

6).  

Rolesville Granite samples collected from cores WC‐1 and WC‐3 at the Raleigh 

Hydrogeologic Research Station (McSwain et al., in review), located within the study area (Figure 

3), were crushed to powder, sealed into completely filled plastic canisters, incubated for three 

weeks and analyzed for 226Ra and 228Ra using the 609 keV peak of 214Bi and the 911 keV peak of 

228Ac, respectively. These were calibrated with the DL‐1a standard in the same geometry.  

Page 48: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

23 

2.2.3 Major ions and trace elements 

Ca, Mg, Na, Sr, Ba, Fe, Mn, and Si concentrations were determined by direct current 

plasma spectrometry and K was determined by flame atomic absorption spectrometry, both 

calibrated using solutions prepared from plasma‐grade single‐element standards. U 

concentrations were determined by inductively‐coupled plasma mass spectrometry calibrated 

with plasma‐grade U standard. As the wells used in this study contain metal surfaces, some 

metal concentrations may be influenced by sampling materials. However, one blank each 

evaluating bottles and filtration indicate minimal effects on major cations, Fe, Mn, and U. Major 

anion (Cl‐, NO3‐, SO4

2‐) concentrations were determined by ion chromatography, and bicarbonate 

concentrations were determined by titration to pH 4.5.  

2.2.4 Data handling 

Speciation and saturation index values were calculated using the PHREEQC geochemical 

code (Parkhurst and Appelo, 1999; Post, 2006) modified with Ra speciation coefficients from 

Langmuir and Riese (1985). Bedrock geology at each sampling site was assigned from 1:100,000‐

scale map data based on (Clark et al., 2004). Correlation coefficients reported in the text are 

Spearman rank coefficients. 

2.3 Results 

2.3.1 Major ions, trace elements, and redox‐sensitive elements 

The overall chemical composition of the investigated groundwater from the different 

lithological settings is dominated by Na‐Ca‐Mg bicarbonate, except for a few samples with 

anions dominated by a combination of bicarbonate and nitrate, chloride, or sulfate (Table 3). 

One anomalous high‐sulfate water, well 64 in Group 2 (Table 4), was excluded from plots and 

Page 49: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

24 

correlations due to its non‐representative chemistry. Average major element chemistry exhibits 

few apparent differences between the three main rock types in the study area. Wells in the 

Raleigh Gneiss exhibit lower average DO concentrations than the other rock types. Also, the 

Rolesville Granite wells exhibit lower average Ca, Mg, K, and bicarbonate concentrations than 

the other rock types (Table 3). However, concentrations of major elements and redox‐sensitive 

elements vary significantly between wells. Most samples fall along a continuum between (1) 

slightly acidic (pH 5.0‐6.0), oxic, low‐total dissolved solids (TDS) waters, and (2) near‐neutral, 

oxic to anoxic, higher‐TDS waters (Figure 4). These trends illustrate the linked nature of the 

major element and redox chemistry of the waters. Dissolved oxygen concentration is inversely 

associated with Mn, Fe, and HCO3‐ concentrations (Figure 5), reflecting the sensitivity of these 

solutes to redox processes. As barite (BaSO4) supersaturation is a potential sink for Ra, 

saturation index values were calculated from major element chemistry and Ba concentrations; 

however, waters in this study rarely approach barite saturation (median ‐1.9; range ‐3.4 to 0.2), 

indicating a negligible role for barite.  

2.3.2  Radionuclide activities in water 

In contrast to major element chemistry, radionuclide activities exhibit large variation 

between the Rolesville Granite and the other rock types in the study area. Median radon‐222 

activity (249 Bq L‐1) in the Rolesville Granite exceeds the other rock units by about one order of 

magnitude (Table 5), and median radium‐226 activity (18.6 mBq L‐1) is about a factor of 2 higher 

in the Rolesville Granite (Table 5). Median uranium concentration (5 nM) is 1‐2 orders of 

magnitude higher in the Rolesville Granite than in the other rock types (Table 5). Also, 222Rn 

activity shows an inverse relationship with total dissolved ions (TDI) and direct relationship with 

Page 50: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

25 

 

Figure 4: Relationships between pH, dissolved oxygen concentration, and total ions. 

DO, whereas 226Ra is directly associated with TDI and inversely with DO (Figure 6). Relative to 

EPA drinking water standards applied to public water systems, 77% of samples from the 

Rolesville Granite exceed the proposed alternative maximum contaminant level (MCL) for 222Rn 

of 148 Bq L‐1. 10% exceed the MCL for uranium of 126 nM (30 µg L‐1), and 6% exceed the MCL 

for 226Ra+228Ra of 185 mBq L‐1. Radionuclide levels above the MCLs are uncommon in the other 

rock types (Table 6). In the Rolesville Granite, U is correlated with pH (ρ= 0.52), HCO3‐ (ρ= 0.49),  

Page 51: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

26 

 

Figure 5: Relationship between dissolved oxygen and other redox‐sensitive solutes. 

Page 52: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

27 

Ca (ρ= 0.48), and sulfate (ρ= 0.47). However, no clear relationships were observed between U 

and redox conditions or other radionuclides except for a relatively weak association with 226Ra 

(ρ= 0.36). Because radionuclide activities and activity ratios are often lognormally distributed 

(e.g. King et al., 1982), geometric mean and geometric standard deviation are presented in Table 

5. 

2.3.3 Radionuclide content of granite rock samples 

Gamma spectrometric analysis of crushed Rolesville Granite bulk samples indicates 226Ra 

activity from 20.8 to 53.5 Bq kg‐1 and 228Ra from 42.4 to 72.1 Bq kg‐1. This produces 228Ra/226Ra of 

solids ranging from 0.99 to 2.68. These activities and activity ratios vary within each core and 

between the two cores analyzed (Table 7). 

2.4 Discussion 

2.4.1 Major element and redox chemistry of potential Ra sinks 

The high silica concentrations, dominance of bicarbonate among the dissolved anions, 

and correlation between pH and TDI (ρ= 0.55; Figure 4) indicate that most of the solutes in the 

investigated groundwater are derived from silicate weathering, which consumes protons, 

contributes cations, and converts soil gas CO2 to bicarbonate (Drever, 1997). Bicarbonate may 

also be derived from organic carbon oxidation or calcite dissolution, although the latter should 

be insignificant in long‐exposed granites in areas where denudation rates are low, such as the 

southeastern United States (White et al., 1999). The mass balance of dissolved oxygen (up to 

~0.3 mM at atmospheric saturation, ranging to near zero in some samples) suggests that a large 

proportion of bicarbonate (median 0.98 mM for all samples, 0.57 mM in the Rolesville Granite) 

is derived from the open system of unsaturated zone CO2 rather than organic carbon oxidation 

Page 53: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

28 

 

Figure 6: Relationship between dissolved oxygen, total ions, and activities of 222Rn and 226Ra in Rolesville Granite groundwater. 

in the saturated zone. Consequently, the majority of cations are also derived from the shallow 

weathering zone. The drinking water wells sampled in this study commonly contain open‐hole 

intervals tens of meters long and produce water from an unknown configuration of fractures. 

However, once groundwater passes through the weathered zone (soil and saprolite) into the 

fracture network of relatively unweathered bedrock, where the open‐hole interval is located 

Page 54: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

29 

(Daniel and Dahlen, 2002), the effect of mineral weathering on major element chemistry is 

expected to be minimal due to the relatively short residence time in the fractures and the high 

ratio of water to mineral surfaces. Therefore, major solute composition is determined during the 

early stages of groundwater evolution.  

Major species that are sensitive to redox conditions in groundwater include DO, nitrate, 

Mn, Fe, sulfate, and bicarbonate. The large variations in DO, Fe, and Mn concentrations (Figure 

5) indicate that redox processes play an important role in influencing water chemistry. In 

fractured crystalline rocks, variations in redox condition may be due to abiotic reductants 

including iron(II) in biotite (Gascoyne, 1997) or iron(II) and sulfide in pyrite (Gascoyne, 1997; 

Tarits et al., 2006). Biotite is abundant in the Rolesville Granite (Kosecki and Fodor, 1997), and 

pyrite has been observed in a pluton of similar age and setting in South Carolina (Speer et al., 

1981). Redox processes may also be driven by organic carbon oxidation (Banwart et al., 1996, 

1999; Gascoyne, 2004). In the saturated zone, organic carbon could be oxidized to bicarbonate 

by aerobic respiration or other terminal electron‐accepting processes including denitrification, 

Mn oxide reduction, and Fe oxide reduction.  

Mn concentrations over 2 µM and Fe concentrations over 10 µM are almost invariably 

associated with DO concentrations below 50 µM (Figure 5). The elevated Mn and Fe in anoxic 

fractures indicate conditions favorable for reductive dissolution of Mn and Fe oxides. No 

evidence for sulfate reduction, such as a sulfide odor, was observed, suggesting that Mn and/or 

Fe oxide reduction represent the most reducing biogeochemical conditions that prevail in a 

significant number of wells. Finally, elevated bicarbonate concentrations, when associated with 

decreasing DO concentrations (Figure 4), may indicate the effects of organic carbon oxidation, 

Page 55: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

30 

although alternative mechanisms of producing bicarbonate and consuming DO, discussed 

above, may be of equal or greater significance. 

Our results indicate negative correlation of DO with total dissolved ion (TDI) 

concentrations (ρ= ‐0.63; Figure 4), which suggests that DO is affected by some combination of 

organic carbon oxidation and oxidation of minerals such as biotite or pyrite related to 

weathering. Although determination of the rates of these processes is beyond the scope of this 

paper, other studies indicate a negative relationship between DO and apparent residence time 

in Piedmont groundwater and overall residence times of about 10‐50 a (e.g. Nelms and Harlow, 

2003; D. Harned, USGS, Raleigh, NC, unpub. data, 2007). These relationships suggest the 

potential importance of relatively slow processes such as mineral oxidation on water chemistry, 

as the role of abiotic reductants in controlling groundwater redox conditions is expected to be 

more important in older, slowly‐circulating groundwater systems (Gascoyne, 1997, 2004). In 

comparison, consumption of dissolved oxygen by biogeochemical reactions in bedrock fractures 

can be as rapid as several days (Puigdomenech et al., 2000).  

2.4.2 Radium and radon isotopes 

Overall activities of radium are higher in the Rolesville Granite than in the 

metasedimentary and metavolcanic rocks and in the Raleigh Gneiss (Table 5). Also, Ra isotope 

activities co‐occur, that is, high 226Ra from the 238U decay series tends to be accompanied by high 

224Ra and 228Ra from the 232Th series (ρ= 0.78, 0.79, and 0.87 for the 226Ra‐228Ra, 224Ra‐226Ra, and 

224Ra‐228Ra pairs, respectively, in the overall data set). In groundwater from the Rolesville 

Granite, where Ra activities are higher and relative counting error lower, the strongest 

correlations (ρ≥ 0.40) of 226Ra with other elements are with Mn > Ca > Ba > DO (ρ= 0.51, 0.41, 

Page 56: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

31 

0.41, and ‐0.40, respectively). The strongest correlations of 228Ra are with Ba > K > Mn (ρ= 0.57, 

0.49, and 0.40, respectively). Overall, Ra is positively correlated with Ba and to a lesser degree 

with other alkaline earth metals. Ra is also correlated with redox‐sensitive solutes such as DO 

and Mn in a consistent fashion: more reduced conditions are generally associated with higher Ra 

(Figure 6). Although acidity (pH below 5) may significantly inhibit Ra adsorption (Nirdosh et al., 

1990; Moon et al., 2003), and pH variations are associated with variations in DO and TDI (Figure 

4), pH does not exhibit strong correlations with Ra or Rn (ρ= 0.07, 0.23, and 0.00 between pH 

and 222Rn, 226Ra, and 228Ra, respectively, in the Rolesville Granite). Mn oxides and clays exhibit 

negative surface charge above pH 5 (Stumm and Morgan, 1996), so within the pH range in this 

study, Ra adsorption is relatively unaffected by variations in pH. Also, because anion 

concentrations in these waters are 1‐2 orders of magnitude below levels expected to 

significantly complex Ra (Langmuir and Riese, 1985), aqueous complexation of Ra is negligible. 

Speciation calculations indicate that virtually all aqueous Ra is present as Ra2+ (in Rolesville 

Granite, median 99.7% as Ra2+, range 91.5%‐100%). The remaining Ra is complexed as RaSO40. 

Results are essentially identical for Ba (median 98.1% as Ba2+, range 79.2‐100%). Thus, Ra occurs 

primarily as Ra2+, which is strongly subject to adsorption at near‐neutral pH. 

2.4.2.1 228Ra/226Ra activity ratio 

The 228Ra/226Ra ratio in groundwater may be expected to resemble the 232Th/238U ratio 

of the host rock (Asikainen, 1981a; Porcelli, 2008) assuming secular equilibrium within the rock. 

Overall variations in 228Ra/226Ra occur with rock type; water samples from the Rolesville Granite 

exhibit lower median 228Ra/226Ra than the Raleigh Gneiss and metasedimentary and 

metavolcanic rocks (Table 5). Within the Rolesville Granite, the median 228Ra/226Ra of 

Page 57: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

32 

groundwater is 0.68 (Table 5), but the median Th/U activity ratio calculated from Th and U 

content of Rolesville Granite rock samples (median 17.2 mg kg‐1 and 4.4 mg kg‐1, respectively) is 

1.2 (n= 42; data from Costain et al., 1977; Speer and Hoff, 1997; McSwain et al., in review). 

These radionuclide levels are not unusually high for granites (e.g. Gascoyne, 1989; Speer and 

Hoff, 1997). In addition, the median 228Ra/226Ra of water samples is lower than the median 

228Ra/226Ra ratio measured directly from Rolesville Granite bulk rock samples (1.36; Table 7). 

These ratios imply that some excess 226Ra relative to 228Ra is available to fracture surfaces, 

compared to bulk rock ratios. Three possible mechanisms could reduce 228Ra/226Ra in water 

relative to the bulk rock: (1) relative 226Ra enrichment could be derived from preferential recoil 

processes within each decay series, enhancing the mobility of successive decay products. 226Ra is 

the third alpha decay in its decay series, but 228Ra is the first decay step and 224Ra is the second 

in the 232Th decay series. Thus, 226Ra would be more available due to the recoil effect placing it 

closer to the mineral surface (Davidson and Dickson, 1986);  (2) U, being more soluble than Th, 

could be mobilized by weathering or the groundwater system to provide additional 226Ra 

precursors to adsorption sites (e.g. Michel, 1984). Although some fractionation of 228Ra/226Ra is 

observed relative to bulk rock samples, we note no predominance of 226Ra that would indicate 

major net accumulations of U on fracture surfaces because wells with elevated overall Ra tend 

to contain both 228Ra and 226Ra. Localized minerals containing both U and Th and/or adjacent 

adsorption sites in fractures may be necessary, which implies that primary and/or secondary 

minerals are significant Ra sources rather than net additions from long‐range U transport in 

groundwater; and (3) dissolution of aquifer minerals would generate lower 228Ra/226Ra due to 

the half‐life difference between 228Ra and 226Ra and the slow rate of dissolution (Hammond et 

al., 1988). Dissolution as a direct source of Ra is ruled out given that short‐lived 224Ra is present 

Page 58: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

33 

at similar activities as 228Ra (Figure 7; section 2.4.2.2), indicating rapid local interaction with the 

aquifer rocks. Also, the strong retardation of Ra in fresh waters (retardation factor ~104 – 105; 

(Krishnaswami et al., 1982; Dickson, 1990) would prevent 226Ra from accumulating along a 

flowpath relative to 228Ra.  

 

Figure 7: 228Ra and 224Ra activities in groundwater. Dashed line represents equilibrium value of 1. Counting error omitted where smaller than symbol size. 

2.4.2.2  224Ra/228Ra activity ratio 

Because all isotopes of Ra exhibit identical chemical behavior but are generated by 

recoil at different rates, short‐lived to long‐lived isotope ratios may indicate the rates of Ra 

contribution or removal. High ratios may indicate that the effective first‐order rate constant of 

Ra immobilization exceeds the ingrowth rate (decay constant) of long‐lived Ra from alpha recoil, 

thus indicating that Ra sinks are effective (Krishnaswami et al., 1982; Martin and Akber, 1999; 

Moise et al., 2000). Low short‐lived to long‐lived isotope ratios may indicate a Ra source from 

Page 59: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

34 

primary mineral dissolution in which short‐lived Ra decays faster than the dissolution rate 

(Hammond et al., 1988). On average, 224Ra/228Ra activity ratios are close to the expected 

equilibrium value of 1 (Figure 7; Table 5). This probably indicates that (1) Ra sources are broadly 

distributed on fracture surfaces or are at least very close to the sampling point, rather than 

being mobilized in an earlier phase of groundwater evolution that would allow significant 224Ra 

decay; and (2) the rates of critical Ra‐mobilizing processes do not generate large changes in 

224Ra/228Ra. Thus, we conclude that Ra is not released significantly by mineral dissolution, and 

the rate constant of Ra adsorption allows long‐ and short‐lived isotopes to be generated by 

recoil without large fluctuations in Ra isotope ratios. 

2.4.2.3  Radon‐222 

Radon‐222 activity in water may be interpreted as recoil flux from mineral surfaces 

(Krishnaswami et al., 1982) or more complexly as a combination of recoil and diffusion of Rn 

from microfractures resulting from a higher effective surface area for Rn relative to Ra (Rama 

and Moore, 1984; Davidson and Dickson, 1986; Andrews et al., 1989). In this study, 222Rn is 

strongly associated with rock type, and in particular, groundwater from the Rolesville Granite 

exhibits approximately one order of magnitude higher median 222Rn (Table 5). In the granite, 

222Rn activity is positively correlated with closed casing depth (ρ= 0.61), somewhat correlated 

with DO (ρ= 0.42; Figure 6), and negatively correlated to some degree with most major cations 

including Ba (ρ= ‐0.40). Overall, high Rn occurs mainly in oxic, low‐TDS waters (Figure 6). As Rn is 

inert, these relationships indicate (1) that more oxic, low‐TDS conditions support more adsorbed 

Ra on fracture surfaces per volume of water, consistent with a recoil‐dominated interpretation 

Page 60: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

35 

(Krishnaswami et al., 1982); or (2) that oxic fractures contain a larger surface area per volume of 

water, consistent with a diffusion‐based interpretation (Rama and Moore, 1984). 

2.4.2.4  222Rn/226Ra activity ratio 

222Rn/226Ra ratio distributions are generally consistent between rock types (Table 5), 

suggesting that 222Rn/226Ra provides information on Ra adsorption in crystalline rock fractures 

regardless of the Ra and Rn sources in each rock type. If the assumption that 222Rn activity in the 

water is proportional to the recoil flux of Rn and Ra from the aquifer rocks is used, then the 

Rn/Ra activity ratio is roughly equivalent to the distribution coefficient KD for radium (i.e., 

adsorption‐desorption equilibrium between aqueous and adsorbed Ra; Krishnaswami et al., 

1982; Dickson, 1990). The highest activities of Ra and Rn occur in distinct samples and thus 

Rn/Ra occupies a large range. Given the approximately lognormal distributions of Rn and Ra, 

median values of 222Rn/226Ra and 222Rn/224Ra on the order of 104 approximate KD (Figure 8). 

Among redox‐sensitive solutes, dissolved oxygen concentration is positively correlated with 

222Rn/226Ra (ρ= 0.52; Figure 9), and Mn is negatively correlated with 222Rn/226Ra (ρ= ‐0.56; Figure 

9). Also, 222Rn/226Ra exhibits correlation with alkaline earth metals (ρ= ‐0.48 for Ba, ‐0.47 for Ca, ‐

0.45 for Sr, and ‐0.41 for TDI). As Ba in particular may compete with Ra for adsorption sites, 

these trends could indicate that adsorption of Ra is related to cation concentrations, probably 

derived from the weathering zone. Similar correlations are evident if 222Rn/224Ra is used to 

represent apparent KD instead of 222Rn/226Ra. The significance of this approach is that the similar 

half‐lives of 222Rn and 224Ra (3.8 d and 3.7 d, respectively) negate dissolution contributions of 

long‐lived 226Ra (Krishnaswami et al., 1982). The median apparent KD estimated from 222Rn/226Ra 

decreases by about one order of magnitude between oxygen‐saturated and anoxic conditions 

Page 61: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

36 

and along the range of Mn, TDI, and Ba concentrations (~20,000 to ~2000; Figure 10). In 

summary, trends in 222Rn/226Ra suggest that adsorption of recoil‐produced Ra varies as a result 

of local chemical conditions. 

 

Figure 8: Relationship between 222Rn and 226Ra (left), 222Rn and 224Ra (right) and histograms of isotope activities in Rolesville Granite groundwater. 

2.4.3 Overview of radionuclide sources and removal mechanisms 

At small scales, much of the U in granite is distributed in secondary minerals in 

microfractures and adsorbed to Fe oxides, Mn oxides, and clays (Speer et al., 1981; Guthrie and 

Kleeman, 1986; Wathen, 1987). In addition, significant disequilibrium of solid‐phase U‐ and Th‐

series radionuclides at the scale of meters indicates long‐term mobility of radionuclides, 

probably by groundwater (e.g. Michel, 1984). Long‐lived U may be mobile in groundwater 

systems until reaching reducing zones, at which it is strongly adsorbed to Fe oxides (Ames et al., 

Page 62: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

37 

1983c; Waite et al., 1994). However, the strong positive correlation of 226Ra and 228Ra obtained 

in this study indicates that both 226Ra and 228Ra are present within recoil range of fracture 

surfaces, indicating the co‐occurrence of Th and U in primary and/or secondary minerals near 

fracture surfaces.  

 

Figure 9: Relationship between dissolved oxygen and Mn (top), Ba and total ions (bottom), and the 222Rn/226Ra activity ratio. 

Page 63: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

38 

 

Figure 10: Apparent KD across dissolved oxygen and Mn (top) and Ba and total ions (bottom). Steps represent median 222Rn/226Ra in each of 10 concentration intervals containing 

approximately equal numbers of samples. 

The relatively high minimum values of apparent KD in fractured crystalline rocks (~103) 

indicate that Ra is rapidly adsorbed in fresh waters in bedrock fractures to balance input from 

alpha recoil, and that Ra does not exhibit the lower apparent KD commonly observed in 

sandstone aquifers (~101‐103; King et al., 1982; Lively et al., 1992; Reynolds et al., 2003) or saline 

Page 64: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

39 

aquifers (~100‐102; Sturchio et al., 2001). Net adsorption of Ra is less effective under the low‐DO, 

higher‐TDS conditions observed in this study because (1) anoxic fractures contain lower surface 

area of redox‐sensitive Ra adsorption sites, such as Mn oxides; and/or (2) higher concentrations 

of alkaline earth metals, such as Ba, compete with recoil‐generated Ra for adsorption sites. The 

down‐flow transition from the saprolite to water‐producing bedrock fractures involves 

increasing water‐to‐mineral surface ratio, decreasing clay content, and decreasing mineral‐

water contact time. Thus, cations in waters passing from highly to lightly weathered zones may 

experience increased competition for adsorption sites. Our results indicate that in the saprolite‐

fractured crystalline rock system, major ion concentrations and redox state (dissolved oxygen 

consumption, Mn oxide reduction, and Fe oxide reduction) are linked. Fractures receiving water 

from more weathered recharge sources contain higher concentrations of alkaline earth metals 

and bicarbonate. As these waters also tend to exhibit lower DO concentrations, they have also 

been more involved in organic carbon oxidation and/or biotite and pyrite oxidation. 

Consequently, the distinction between the individual contributions of cation concentrations 

versus redox conditions on Ra mobilization is not straightforward, and we cannot differentiate 

the redox and cation exchange effects on apparent KD. 

2.5 Conclusions 

Although the main influence on radionuclides in groundwater is the U and Th content on 

fracture surfaces, linkage between weathering‐derived ion concentrations, redox conditions, 

and radionuclide mobility in bedrock fractures occurs across a range of rock types and 

radionuclide activities. The primary source of Ra and Rn in groundwater is recoil from parent 

radionuclides on fracture surfaces, which is balanced by adsorption of Ra. While groundwater 

Page 65: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

40 

chemistry is mostly acquired during recharge through the soil and saprolite, radionuclides are 

generated by recoil in the saturated bedrock fracture network. Thus, the efficiency of adsorption 

of Ra is influenced by the redox‐sensitive stability of adsorption sites and/or competition with 

other divalent cations. In low‐DO samples, elevated Mn and Fe concentrations suggest that their 

oxides are subject to reductive dissolution and thus less efficient at removing Ra. This 

interpretation is consistent with observed trends in Ra and Rn activities, as well as variable 

222Rn/226Ra ratios correlated with DO, Mn, Ba, and TDI concentrations. Overall, the 

approximately one order of magnitude variation in the apparent Ra distribution coefficient 

across the range of dissolved oxygen and alkaline earth metal concentrations indicates that in 

fresh groundwaters from fractured crystalline rocks, water chemistry is an important influence 

of on Ra adsorption, although secondary in importance to the radionuclide content of the solids. 

Page 66: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

41 

Table 3: Summary of major and trace element concentrations and pH. ND indicates not detected. 

   Ca  Mg  Na  K  Fe  Mn  Sr  Ba  Cl‐  NO3‐  SO4

2‐  HCO3‐  SiO2  pH  DO 

All data (n=117)  (mM)  (mM)  (mM)  (mM)  (µM)  (µM)  (µM)  (µM)  (mM)  (mM)  (mM)  (mM)  (mM)     (µM) Mean  0.30  0.13  0.46  0.05  4.27  0.85  0.81  0.23  0.16  0.097  0.050  1.10  0.57  6.4  129 Median  0.20  0.11  0.42  0.05  0.25  0.15  0.68  0.14  0.09  0.036  0.010  0.98  0.56  6.3  147 2σ  0.55  0.21  0.39  0.05  34.92  3.75  1.13  0.57  0.51  0.280  0.265  1.47  0.32  1.4  160 Minimum  0.02  0.01  0.11  0.02  ND  ND  0.11  0.01  0.04  ND  ND  0.13  0.19  4.7  6 Maximum  1.38  0.55  1.34  0.17  167.50  12.92  2.97  1.65  2.41  0.643  1.248  3.75  1.08  8.6  269 Rolesville Granite (n=52)                                        Mean  0.27  0.09  0.47  0.05  1.86  0.44  0.88  0.28  0.16  0.125  0.044  0.90  0.59  6.1  155 Median  0.14  0.05  0.43  0.04  0.23  0.11  0.68  0.15  0.11  0.094  0.007  0.57  0.58  6.0  173 2σ  0.64  0.20  0.35  0.03  0.90  1.69  1.25  0.74  0.23  0.232  0.141  1.68  0.32  1.3  159 Minimum  0.03  0.01  0.11  0.02  ND  ND  0.23  0.01  0.04  ND  ND  0.13  0.22  4.7  13 Maximum  1.38  0.55  1.25  0.12  58.32  5.12  2.97  1.65  0.61  0.460  0.332  3.75  1.08  7.5  269 Raleigh Gneiss (n=24)                                           Mean  0.25  0.14  0.38  0.06  6.85  1.71  0.69  0.17  0.11  0.079  0.085  1.00  0.56  6.4  76 Median  0.19  0.12  0.32  0.07  0.63  0.44  0.46  0.13  0.08  0.011  0.021  1.05  0.54  6.4  38 2σ  0.40  0.19  0.42  0.05  1.41  5.90  1.12  0.24  0.20  0.321  0.511  1.02  0.41  1.3  144 Minimum  0.08  0.02  0.21  0.03  ND  0.05  0.23  0.06  0.05  ND  0.003  0.31  0.19  5.5  6 Maximum  0.98  0.38  1.07  0.12  51.71  12.92  2.74  0.51  0.53  0.643  1.248  2.31  1.07  8.2  188 Metasedimentary & metavolcanic rocks (n=34)                               Mean  0.36  0.18  0.50  0.06  6.99  1.01  0.78  0.18  0.22  0.075  0.038  1.41  0.55  6.6  118 Median  0.28  0.17  0.45  0.06  0.23  0.12  0.68  0.12  0.08  0.004  0.012  1.40  0.53  6.5  131 2σ  0.48  0.19  0.43  0.06  3.22  4.21  0.96  0.31  0.87  0.331  0.185  1.21  0.28  1.4  143 Minimum  0.02  0.02  0.23  0.03  ND  ND  0.11  0.02  0.05  ND  ND  0.25  0.30  5.1  9 Maximum  0.91  0.43  1.34  0.17  167.50  9.23  1.83  0.55  2.41  0.638  0.502  2.92  0.83  8.6  263 

 

Page 67: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

Table 4: Major and trace element concentrations and pH.  

Group    Well  Sampling  Rock Type  Well  Casing  pH  DO    Mg  Ca  Sr  Ba  Na  K  Cl‐  NO3‐  SO4

2‐  HCO3‐ SiO2 Mn  Fe 

     ID  date     depth (m) depth (m)    (µM)   (mM) (mM) (µM)  (µM)  (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (µM) (µM) 

1  A  20  19 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic124  18  8.57 127 0.27 0.24 0.58  0.32  0.36 0.09 0.06 0.008 0.006 1.37 0.56 0.11 0.41

1  A  22  21 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic125  20  6.32 89 0.20 0.50 0.39  0.07  0.57 0.07 0.08 0.066 0.039 1.90 0.41 0.04 0.25

1  A  23  21 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic179  18  7.50 87 0.43 0.91 1.56  0.35  0.53 0.17 0.42 0.109 0.028 2.92 0.45 0.05 0.18

1  a  24  21 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic57  21  7.20 222 0.08 0.13 0.37  0.08  0.23 0.04 0.08 0.110 0.005 0.53 0.54 0.15 0.26

1  a  25  21 Jan 2007 Metadiorite/ 

Metagranodiorite107  14  6.79 145 0.32 0.80 1.55  0.93  0.70 0.09 0.38 0.028 0.126 2.28 0.70 0.32 0.34

1  a  26  26 Jan 2007  Ultramafic 124  19  7.12 171 0.14 0.17 0.38  0.13  0.27 0.09 0.07 0.111 0.007 0.89 0.55 0.16 0.491 

a  27  26 Jan 2007 Metadiorite/ 

Metagranodiorite    6.54 240 0.11 0.16 0.50  0.05  0.29 0.03 0.10 0.162 0.004 1.16 0.37 0.15 0.23

1  a  28  26 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic112  8  7.50 149 0.14 0.22 0.42  0.05  0.34 0.07 0.06 0.016 0.016 1.23 0.47 0.15 0.18

1  a  29  26 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic92    6.04 151 0.22 0.25 0.66  0.23  0.46 0.06 0.10 0.010 0.006 1.33 0.66 0.07 0.08

1  a  30  26 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic81  15  6.20 180 0.23 0.72 1.05  0.12  0.47 0.06 0.39 0.495 0.004 2.37 0.51 0.12 0.21

1  a  31  28 Jan 2007 Metadiorite/ 

Metagranodiorite76  13  6.33 47 0.21 0.64 1.20  0.48  0.46 0.09 0.11 0.022 0.039 1.74 0.59 1.04 0.68

1  a  32  28 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic    6.21 134 0.33 0.56 1.87  0.56  0.67 0.09 1.01 0.602 0.007 1.02 0.50 0.03 0.31

1  a  34  28 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic75  31  6.51 160 0.13 0.19 0.63  0.24  0.42 0.06 0.07 0.005 0.005 1.02 0.72 0.20 ND

1  a  35  28 Jan 2007 Metadiorite/ 

Metagranodiorite50  18  6.15 96 0.21 0.33 1.10  0.62  0.62 0.05 0.18 0.028 0.052 1.95 0.79 0.07 0.72

1  a  36  02 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic    6.62 263 0.11 0.12 0.50  0.03  0.31 0.04 0.08 0.007 0.004 0.76 0.43 ND ND

1  a  37  02 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic    6.88 133 0.14 0.63 0.79  0.05  0.58 0.04 0.10 0.066 0.243 1.57 0.37 0.04 0.15

1  a  38  02 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic81  19  7.45 32 0.20 0.91 1.41  0.13  0.93 0.07 0.09 0.002 0.501 2.07 0.42 0.18 0.46

42 

Page 68: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

43 

Group    Well  Sampling  Rock Type  Well  Casing  pH  DO    Mg  Ca  Sr  Ba  Na  K  Cl‐  NO3‐  SO4

2‐  HCO3‐ SiO2 Mn  Fe 

     ID  date     depth (m) depth (m)    (µM)   (mM) (mM) (µM)  (µM)  (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (µM) (µM) 1 

a  39  02 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic55  20  6.21 46 0.30 0.78 1.20  0.35  0.42 0.08 0.52 0.001 0.095 2.08 0.55 9.24 16.95

1  a  40  02 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic69  12  6.13 218 0.26 0.50 1.64  0.54  0.67 0.07 0.44 0.638 0.015 1.25 0.63 0.06 0.22

1  a  48  11 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic93  11  5.78 0.10 0.22 0.58  0.06  0.32 0.03 0.09 0.025 0.005 1.42 0.41 0.07 0.35

1  a  49  11 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic185  15  6.31 0.31 0.35 1.20  0.18  0.48 0.06 0.14 0.150 0.006 1.68 0.56 0.03 0.14

1  b  19  19 Jan 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic104  12  6.87 19 0.12 0.34 1.23  0.04  0.86 0.05 0.06 ND 0.010 1.75 0.29 0.17 0.16

1  b  41  09 Feb 2007 Metadiorite/ 

Metagranodiorite    7.16 68 0.17 0.30 0.74  0.11  0.40 0.06 0.06 0.001 0.049 1.35 0.56 0.78 1.36

1  b  42  09 Feb 2007  Raleigh gneiss 46  29  7.08 13 0.34 0.56 0.94  0.06  0.54 0.06 0.09 0.001 0.039 2.31 0.53 1.16 8.37

1  b  43  09 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic104    6.51 0.15 0.28 0.50  0.22  0.44 0.04 0.07 0.001 0.009 1.30 0.81 0.02 0.03

1  b  44  09 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic70  38  6.32 12 0.20 0.29 0.33  0.10  0.39 0.06 0.06 ND 0.030 1.93 0.62 3.91 15.45

1  b  45  09 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic92  28  5.99 184 0.02 0.06 0.16  0.16  0.35 0.04 0.05 0.001 0.005 0.58 0.65 0.00 0.32

1  b  50  16 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic    5.60 127 0.30 0.49 1.76  0.44  1.34 0.07 2.41 0.080 0.025 1.42 0.79 0.08 0.03

1  b  51  16 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic99  47  8.28 10 0.17 0.32 1.02  0.02  0.71 0.06 0.07 0.001 0.016 1.67 0.32 0.06 ND

1  b  52  16 Feb 2007  Raleigh gneiss 113  37  7.82 38 0.13 0.40 1.79  0.09  1.06 0.07 0.07 0.001 0.032 1.87 0.48 0.55 0.59

1  b  53  16 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic75  32  6.29 27 0.12 0.10 0.35  0.04  0.44 0.03 0.06 0.001 0.022 1.10 0.69 3.08 10.99

1  b  54  16 Feb 2007 Metadiorite/ 

Metagranodiorite    6.30 168 0.05 0.08 0.28  0.09  0.21 0.02 0.06 0.008 0.003 0.48 0.64 0.06 0.00

1  b  55  23 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic    6.70 130 0.17 0.34 0.65  0.11  0.42 0.09 0.06 0.002 0.005 1.45 0.56 0.19 0.25

1  b  56  23 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic86  20  6.20 164 0.04 0.09 0.29  0.16  0.31 0.03 0.06 0.001 0.005 0.64 0.60 0.23 ND

1  b  57  23 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic75  24  7.21 36 0.18 0.66 0.69  0.27  0.46 0.04 0.07 0.001 0.051 2.19 0.81 3.66 2.00

1  b  58  23 Feb 2007  Raleigh gneiss 39    6.29 15 0.23 0.39 0.69  0.17  0.32 0.07 0.12 0.001 0.079 1.58 0.52 5.33 22.97

Page 69: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

44 

Group    Well  Sampling  Rock Type  Well  Casing  pH  DO    Mg  Ca  Sr  Ba  Na  K  Cl‐  NO3‐  SO4

2‐  HCO3‐ SiO2 Mn  Fe 

     ID  date     depth (m) depth (m)    (µM)   (mM) (mM) (µM)  (µM)  (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (µM) (µM) 1 b  59  23 Feb 2007 

Metasedimentary/ Metavolcanic

    5.12 208 0.02 0.03 0.17  0.41  0.48 0.05 0.18 0.124 ND 0.24 0.47 0.11 0.20

1  b  60  25 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic80  25  6.65 166 0.15 0.23 0.48  0.03  0.47 0.03 0.05 ND 0.011 1.09 0.83 0.65 0.11

1  b  61  25 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic    6.95 83 0.24 0.51 1.30  0.03  0.62 0.09 0.10 ND 0.012 2.06 0.47 0.08 0.40

1  b  62  25 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic    7.26 81 0.24 0.43 0.78  0.19  0.42 0.07 0.09 ND 0.016 1.90 0.43 1.37 1.10

1  b  63  25 Feb 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic76  32  6.10 188 0.06 0.04 0.18  0.03  0.27 0.03 0.07 0.028 0.017 0.26 0.52 0.22 0.31

1  b  74  04 Mar 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic69  33  6.91 153 0.23 0.25 0.56  0.04  0.50 0.07 0.06 ND 0.012 1.44 0.48 0.05 0.21

1  b  75  04 Mar 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic70  57  6.81 33 0.23 0.22 0.46  0.02  0.45 0.06 0.06 ND 0.032 1.38 0.70 3.18 18.37

2    11  14 Jan 2007  Raleigh gneiss 24  20  6.45 11 0.32 0.18 0.41  0.25  0.22 0.10 0.08 0.002 0.046 1.23 1.07 12.93 51.712    64  02 Mar 2007  Raleigh gneiss 73  10  6.86 30 0.17 9.26 28.37  0.13  7.34 0.07 0.92 ND 13.261 0.31 0.24 1.42 1.62

2    65  02 Mar 2007 Metasedimentary/ 

Metavolcanic75  44  6.32 25 0.09 0.18 0.95  0.35  0.28 0.04 0.06 ND 0.024 0.92 0.47 6.68 167.52

2    66  02 Mar 2007  Raleigh gneiss 61  16  7.01 14 0.15 0.40 0.94  0.12  0.40 0.07 0.08 ND 0.106 1.37 0.60 4.48 7.882    67  02 Mar 2007  Raleigh gneiss 52  15  6.49 43 0.14 0.32 0.78  0.08  0.37 0.07 0.07 0.009 0.075 1.14 0.68 0.23 0.092    68  09 Mar 2007  Raleigh gneiss   28  6.39 172 0.11 0.20 0.79  0.13  0.30 0.04 0.08 0.033 0.003 0.88 0.57 0.06 0.692    69  09 Mar 2007  Raleigh gneiss     6.30 13 0.14 0.13 0.38  0.13  0.33 0.07 0.06 0.001 0.076 1.06 0.90 0.86 1.742    70  09 Mar 2007  Raleigh gneiss 122  31  5.94 172 0.08 0.12 0.36  0.07  0.31 0.06 0.08 0.086 0.006 1.44 0.64 0.05 ND2    71  09 Mar 2007  Raleigh gneiss 37  20  7.05 7 0.14 0.19 0.46  0.30  0.33 0.07 0.05 ND 0.038 1.05 0.65 3.20 20.972    72  04 Mar 2007  Raleigh gneiss     6.04 154 0.04 0.11 0.30  0.14  0.21 0.03 0.09 0.077 0.038 0.45 0.30 0.43 ND2    73  04 Mar 2007  Raleigh gneiss 69  28  5.54 186 0.04 0.10 0.36  0.11  0.29 0.04 0.07 0.030 0.003 0.53 0.52 0.32 0.632    76  04 Mar 2007  Raleigh gneiss 64  29  6.36 9 0.19 0.25 0.59  0.46  0.28 0.05 0.06 ND 0.017 1.18 0.62 4.93 25.992    77  18 Mar 2007  Raleigh gneiss     6.44 22 0.14 0.17 0.46  0.16  0.23 0.09 0.06 ND 0.096 0.81 0.89 1.55 12.172    78  18 Mar 2007  Raleigh gneiss 93  21  5.97 175 0.04 0.08 0.27  0.10  0.22 0.04 0.07 0.067 0.004 0.42 0.48 0.09 0.152    79  18 Mar 2007  Raleigh gneiss 75  31  6.39 119 0.12 0.21 0.77  0.18  0.29 0.07 0.07 0.011 0.006 1.06 0.63 0.28 0.372    80  18 Mar 2007  Raleigh gneiss     5.94 173 0.07 0.23 0.96  0.20  0.41 0.07 0.20 0.643 0.006 0.31 0.49 0.15 1.042    81  18 Mar 2007  Raleigh gneiss 165  14  6.11 95 0.10 0.16 0.48  0.06  0.37 0.05 0.12 0.085 0.019 0.76 0.55 0.22 0.16

Page 70: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

45 

Group    Well  Sampling  Rock Type  Well  Casing  pH  DO    Mg  Ca  Sr  Ba  Na  K  Cl‐  NO3‐  SO4

2‐  HCO3‐ SiO2 Mn  Fe 

     ID  date     depth (m) depth (m)    (µM)   (mM) (mM) (µM)  (µM)  (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (µM) (µM) 2     82  25 Mar 2007  Raleigh gneiss 61  43  6.16     0.03 0.08 0.39  0.07  0.32 0.03 0.07 0.014 0.003 0.65 0.60 0.06 ND2    83  25 Mar 2007  Raleigh gneiss     5.56 0.06 0.13 0.34  0.28  0.28 0.03 0.15 0.368 0.003 0.37 0.23 0.16 0.222    84  25 Mar 2007  Raleigh gneiss 70  24  6.46 0.11 0.15 0.49  0.16  0.24 0.05 0.07 0.022 0.003 0.82 0.47 0.05 0.282    85  25 Mar 2007  Raleigh gneiss 73  42  8.24 13 0.38 0.97 2.78  0.11  0.91 0.12 0.16 0.005 1.248 1.29 0.33 1.79 1.452    86  25 Mar 2007  Raleigh gneiss     5.87 0.08 0.23 0.41  0.51  0.45 0.12 0.53 0.364 0.021 0.42 0.19 0.47 0.093  a  7  12 Jan 2007  Granite 55  20  6.31 176 0.02 0.07 0.43  0.20  0.35 0.05 0.05 0.001 0.003 0.64 0.83 0.03 0.173  a  8  14 Jan 2007  Granite 46  7  6.80 188 0.12 0.33 1.03  0.07  0.53 0.04 0.10 0.198 0.046 1.03 0.60 0.11 ND3  a  9  14 Jan 2007  Granite 18  13  5.74 213 0.05 0.18 0.73  0.13  0.41 0.05 0.11 0.234 0.001 0.44 0.53 0.15 0.073  a  10  14 Jan 2007  Granite 38  16  6.01 215 0.06 0.18 0.93  0.14  0.33 0.06 0.08 0.061 0.003 0.74 0.53 2.45 3.613  a  12  14 Jan 2007  Granite     6.33 178 0.20 0.24 0.63  0.30  0.43 0.03 0.16 0.198 0.016 0.91 0.75 0.07 0.073  a  13  15 Jan 2007  Granite 49  29  6.50 13 0.05 0.08 0.49  0.31  0.45 0.06 0.04 ND 0.005 1.42 1.08 1.17 58.323  a  14  15 Jan 2007  Granite 61  18  5.77 171 0.03 0.10 0.79  0.30  0.42 0.04 0.17 0.107 0.004 0.52 0.72 0.14 0.343  a  16  15 Jan 2007  Granite 92  18  5.68 268 0.01 0.03 0.31  0.11  0.19 0.04 0.05 0.011 0.002 0.29 0.52 0.00 0.343  a  17  15 Jan 2007  Granite 75  20  6.02 260 0.02 0.08 0.44  0.20  0.25 0.05 0.08 0.117 0.004 0.41 0.54 0.05 0.803  a  18  19 Jan 2007  Granite 147  21  6.87 118 0.04 0.20 0.95  0.25  0.53 0.05 0.08 0.062 0.085 0.78 0.46 0.35 ND3  a  21  19 Jan 2007  Granite 43  24  6.00 136 0.02 0.07 0.43  0.20  0.33 0.05 0.05 0.004 0.003 0.61 0.68 0.23 1.853  a  33  28 Jan 2007  Granite 55  28  6.62 248 0.02 0.06 0.35  0.12  0.33 0.04 0.05 0.004 0.004 0.53 0.67 0.10 0.273  a  47  11 Feb 2007  Granite 52    6.61 15 0.22 0.73 2.31  1.09  0.59 0.04 0.15 0.002 0.150 2.17 0.70 1.68 6.813  a  89  09 May 2007  Granite     5.28 200 0.03 0.08 0.52  0.31  0.43 0.06 0.36 0.192 0.002 0.21 0.32 0.09 0.103  a  90  09 May 2007  Granite 69  25  6.04 33 0.06 0.13 0.43  0.12  0.30 0.05 0.10 0.074 0.141 0.60 0.61 0.84 1.143  a  92  11 May 2007  Granite     6.48 259 0.04 0.09 0.41  0.02  0.36 0.04 0.06 0.011 0.006 0.58 0.79 0.08 ND3  a  93  11 May 2007  Granite 58  31  6.17 214 0.02 0.07 0.42  0.17  0.27 0.06 0.07 0.039 0.004 0.46 0.68 0.11 0.103  a  95  20 May 2007  Granite     5.25 228 0.02 0.03 0.20  0.28  0.11 0.05 0.07 0.049 ND 0.25 0.22 0.06 ND3  a  96  20 May 2007  Granite     5.81 135 0.06 0.15 0.99  0.15  0.57 0.04 0.14 0.237 0.002 0.65 0.81 0.10 0.103  a  97  20 May 2007  Granite 45  24  5.93 255 0.02 0.06 0.28  0.18  0.29 0.05 0.12 0.184 0.003 0.30 0.50 0.02 0.033  a  99  21 Oct 2007  Granite 92    5.87 236 0.04 0.10 0.43  0.06  0.39 0.04 0.05 0.010 0.005 0.56 0.80 0.06 0.133  b  1  14 Dec 2006  Granite 343  12  6.30 17 0.07 0.24 0.85  0.13  0.69 0.03 0.28 0.156 0.021 2.09 0.47 0.52 1.833  b  2  14 Dec 2006  Granite 119  19  6.92 44 0.09 0.30 0.91  0.36  0.45 0.03 0.10 0.086 0.011 1.18 0.55 0.26 0.073  b  3  14 Dec 2006  Granite 275  18  5.96 68 0.11 0.51 0.81  0.06  0.55 0.04 0.28 0.304 0.086 1.10 0.43 0.30 0.073  b  4  14 Dec 2006  Granite     7.44 26 0.34 0.84 3.01  1.64  1.25 0.04 0.10 0.002 0.087 3.24 0.54 1.19 1.58

Page 71: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

46 

Group    Well  Sampling  Rock Type  Well  Casing  pH  DO    Mg  Ca  Sr  Ba  Na  K  Cl‐  NO3‐  SO4

2‐  HCO3‐ SiO2 Mn  Fe 

     ID  date     depth (m) depth (m)    (µM)   (mM) (mM) (µM)  (µM)  (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (mM) (µM) (µM) 3  b  5  12 Jan 2007  Granite 127  10  5.23 241 0.02 0.08 0.41  0.12  0.40 0.03 0.10 0.187 0.003 0.35 0.57 0.06 0.343  b  6  12 Jan 2007  Granite 104  9  7.10 12 0.55 1.38 2.47  1.55  0.60 0.05 0.14 0.007 0.189 3.76 0.45 5.12 2.763  b  15  15 Jan 2007  Granite 55  13  6.43 139 0.08 0.26 0.92  0.04  0.55 0.02 0.09 0.118 0.076 1.16 0.70 0.12 0.253  b  46  11 Feb 2007  Granite     5.02 35 0.05 0.14 0.87  0.73  0.62 0.12 0.44 0.346 0.029 0.28 0.47 0.08 0.623  b  87  09 May 2007  Granite     5.37 147 0.07 0.19 1.44  0.35  0.78 0.07 0.61 0.318 0.041 0.38 0.58 0.09 ND3  b  88  09 May 2007  Granite 21  6  5.46 235 0.02 0.07 0.38  0.03  0.47 0.03 0.10 0.346 0.006 0.15 0.49 0.14 0.263  b  91  11 May 2007  Granite     6.10 177 0.03 0.26 0.53  0.14  0.42 0.03 0.10 0.051 0.048 0.79 0.38 0.41 3.853  b  94  13 May 2007  Granite     5.46 103 0.02 0.18 0.55  1.38  0.34 0.08 0.24 0.206 0.008 0.41 0.31 0.41 ND3  b  98  10 Sep 2007  Granite     6.59 158 0.19 0.52 1.07  0.40  0.51 0.03 0.15 0.062 0.095 1.51 0.57 0.05 0.183  c  100  21 Oct 2007  Granite 31    5.68 253 0.08 0.13 0.59  0.03  0.57 0.04 0.17 0.354 0.001 0.29 0.67 0.05 0.183  c  101  21 Oct 2007  Granite 47    5.75 133 0.06 0.14 0.56  0.20  0.30 0.04 0.08 0.142 0.108 0.24 0.42 1.13 3.953  c  102  21 Oct 2007  Granite 124  16  6.75 69 0.19 1.35 2.15  0.14  0.57 0.04 0.18 0.051 0.130 3.19 0.51 0.11 0.123  c  103  26 Oct 2007  Granite     206 0.09 0.13 0.50  0.13  0.33 0.04 0.11 0.104 0.009 0.48 0.58 0.05 0.233  c  104  26 Oct 2007  Granite 69  17  7.10 162 0.11 0.98 1.63  0.15  0.53 0.04 0.17 0.069 0.087 2.03 0.54 1.37 0.263  c  105  26 Oct 2007  Granite 73  19  7.25 36 0.24 0.96 2.27  0.01  0.67 0.04 0.21 0.030 0.332 2.16 0.50 0.04 0.083  c  106  11 Nov 2007  Granite 58  16  5.76 175 0.05 0.17 1.00  0.29  0.57 0.06 0.16 0.460 0.001 0.38 0.73 0.12 0.053  c  107  11 Nov 2007  Granite 44  18  7.47 14 0.38 0.70 0.99  0.11  0.53 0.04 0.14 0.014 0.117 2.35 0.64 1.82 0.243  c  108  11 Nov 2007  Granite 130    6.03 175 0.12 0.50 2.11  0.17  0.67 0.05 0.36 0.112 0.262 0.94 0.52 0.11 0.053  c  109  11 Nov 2007  Granite 40  19  6.04 236 0.03 0.08 0.41  0.09  0.40 0.04 0.13 0.153 0.005 0.29 0.73 0.09 1.153  c  110  11 Nov 2007  Granite 61  14  4.73 163 0.05 0.09 0.84  0.86  0.53 0.07 0.42 0.196 0.004 0.13 0.31 0.28 0.213  c  111  18 Nov 2007  Granite 45  16  5.10 200 0.04 0.09 0.44  0.10  0.38 0.03 0.12 0.043 0.010 0.43 0.65 ND 0.063  c  112  18 Nov 2007  Granite 87  34  5.68 172 0.10 0.20 1.29  0.24  0.61 0.06 0.31 0.340 0.005 0.58 0.75 0.09 0.153  c  113  18 Nov 2007  Granite     5.90 156 0.07 0.14 0.75  0.14  0.42 0.05 0.10 0.021 ND 0.76 0.66 0.35 0.623  c  114  18 Nov 2007  Granite     5.91 213 0.06 0.13 0.63  0.13  0.43 0.04 0.17 0.232 ND 0.38 0.68 0.09 0.593  c  115  18 Nov 2007  Granite 86    6.54 213 0.05 0.13 0.35  0.05  0.36 0.02 0.10 0.047 0.009 0.57 0.81 0.10 0.333  c  116  07 Dec 2007  Granite     88 0.05 0.14 0.65  0.09  0.44 0.04 0.09 0.063 0.010 0.68 0.78 0.40 0.333  c  117  07 Dec 2007  Granite 83      216   0.03 0.09 0.55  0.06  0.35 0.02 0.17 0.102 0.001 0.33 0.50 0.04 1.80

ND indicates not detected; these were treated as zero concentrations in data analysis. 

Page 72: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

47 

Table 5: Summary of radionuclide activities and activity ratios.  

All data  222Rn (Bq L‐1)  224Ra (mBq L‐1) 226Ra (mBq L‐1) 228Ra (mBq L‐1) U (nM) 222Rn/224Ra 222Rn/226Ra 228Ra/226Ra 224Ra/228RaMean  170  17.4 21.4 17.9 25 22,420 17,710 1.17 1.03Median  77  8.5 9.4 9.3 1 11,190 9,023 0.95 0.962σ  451  73.0 81.5 66.7 172 63,214 56,879 1.59 0.93Geometric  76  8.6 9.8 9.5 3 8,693 7,603 0.94 0.932 geom std  2.9  2.1 2.4 2.0 4.4 3.1 2.9 1.37 0.9Minimum  <3  0.6 0.7 ND ND 194 201 0.15 0.20Maximum  1,113  324.0 348.6 234.1 593 170,900 247,800 4.26 2.60Rolesville Granite (n=52)    Mean  335  26.4 36.9 26.4 55 36,450 24,700 0.76 1.08Median  249  11.6 18.6 12.3 5 17,910 12,060 0.68 0.982σ  503  100.6 109.1 89.3 245 80,981 76,245 1.24 0.89Geometric  249  14.0 22.4 13.9 9 17,776 11,114 0.62 1.012 geom std  1.7  1.9 1.9 2.0 4.3 2.8 2.8 1.24 0.8Minimum  23  2.4 1.4 2.0 ND 331 307 0.15 0.43Maximum  1,113  324.0 348.6 234.1 593 170,900 247,800 4.26 2.47Raleigh Gneiss (n=24)    Mean  44  11.5 11.1 12.3 ND 13,680 10,880 1.23 0.89Median  30  5.6 6.0 5.5 ND 6,904 6,142 0.98 0.912σ  79  44.0 42.0 42.3 2 34,947 28,712 1.44 0.71Geometric  31  5.4 6.1 6.7 2 5,673 5,071 1.07 0.822 geom std  2.0  2.3 1.9 2.1 2.4 3.1 2.8 1.05 0.8Minimum  <3  0.7 0.9 ND ND 194 201 0.51 0.35Maximum  152  108.7 104.9 102.7 5 76,890 60,170 3.11 1.86Metasedimentary & metavolcanic rocks (n=34)Mean  35  9.8 8.3 10.8 2 6,839 12,130 1.68 1.12Median  31  6.7 4.0 6.6 1 4,530 9,693 1.69 0.992σ  58  25.7 28.9 34.1 9 13,183 25,629 1.56 1.09Geometric  25  6.6 4.6 7.0 1 3,672 5,594 1.49 0.992 geom std  2.1  1.7 1.9 1.8 3.2 2.6 3.0 1.04 1.1Minimum  <3  0.6 0.7 ND ND 245 247 0.39 0.20Maximum  96  76.0 83.3 96.3 17 23,470 50,830 3.53 2.60ND indicates not detected. a‐ Samples below detection excluded from geometric mean and geometric standard deviation

Page 73: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

48 

Table 6: Radionuclide activities and activity ratios.  

  Group  

Well ID 

U (nM) 

 224Ra  (mBq L‐1) 

226Ra  (mBq L‐1) 

 228Ra (mBq L‐1) 

222Rna 

(Bq L‐1)    

1 a  20  1  11.3 ±  1.1  5.1 ±  0.9  9.4 ± 1.9  49   1 a  22  17  6.1 ±  0.7  5.5 ±  0.7  5.6 ± 2.4  3   1 a  23  5  7.0 ±  0.8  4.0 ±  0.8  6.1 ± 2.3  23   1 a  24  ND  3.4 ±  0.4  4.9 ±  0.9  2.9 ± 1.9  79   

1 a  25  1  12.5 ±  0.9  6.5 ±  1.1  10.7 ± 3.3  <3   1 a  26  1  1.2 ±  0.2  1.5 ±  0.9  4.2 ± 2.9  52   1 a  27  ND  2.3 ±  0.3  2.6 ±  0.9  4.9 ± 1.8  40   1 a  28  1  3.3 ±  0.4  1.6 ±  0.6  3.2 ± 2.3  7   1 a  29  1  6.4 ±  0.7  4.8 ±  1.0  17.0 ± 5.9  47   1 a  30  14  2.5 ±  0.3  0.7 ±  0.9  1.3 ± 1.9  32   1 a  31  6  13.3 ±  0.9  7.0 ±  0.9  13.8 ± 2.9  27   1 a  32  ND  12.1 ±  0.7  6.2 ±  1.1  12.7 ± 2.3  <3   1 a  34  ND  1.8 ±  0.3  3.7 ±  0.6    ND  40   1 a  35  1  1.6 ±  0.2  2.2 ±  0.7  4.6 ± 2.7  19 1 a  36  ND  5.7 ±  0.6  3.7 ±  0.7  9.3 ± 3.8  95 1 a  37  7  7.1 ±  0.7  1.6 ±  0.8  3.1 ± 3.3  50 1 a  38  16  20.7 ±  1.3  20.5 ±  1.6  8.0 ± 6.2  5 1 a  39  1  13.2 ±  1.2  22.1 ±  1.4  14.3 ± 4.3  14 1 a  40  ND  2.4 ±  0.3  1.2 ±  0.9  1.5 ± 2.4  11 1 a  48  1  4.4 ±  0.5  2.6 ±  0.6  2.7 ± 1.9  37 1 a  49  1  7.0 ±  0.7  5.0 ±  0.8  7.2 ± 4.8  81 1 b  19  2  13.7 ±  0.8  7.1 ±  1.1  12.3 ± 4.2  13 1 b  41  ND  6.2 ±  0.7  7.3 ±  1.1  8.1 ± 3.4  12 1 b  42  ND  13.0 ±  0.9  7.0 ±  1.0  21.8 ± 5.0  14 1 b  43  ND  3.7 ±  0.4  2.6 ±  1.0  6.1 ± 3.2  3 1 b  44  ND  10.2 ±  1.0  13.9 ±  1.1  14.8 ± 4.9  <3 1 b  45  ND  4.7 ±  0.6  2.9 ±  0.6  3.7 ± 2.4  48 1 b  50  ND  8.5 ±  1.0  4.0 ±  0.6  5.2 ± 1.9  8 1 b  51  3  8.0 ±  1.0  5.0 ±  0.9  8.5 ± 3.6  58 1 b  52  5  22.1 ±  1.7  11.3 ±  1.3  31.2 ± 7.1  32 1 b  53  1  2.4 ±  0.3  3.9 ±  0.8  2.8 ± 2.3  8 1 b  54  ND  1.6 ±  0.3  3.7 ±  0.7  3.9 ± 4.1  7 1 b  55  ND  0.6 ±  0.2  1.5 ±  0.5  3.1 ± 4.9  <3 1 b  56  1  5.0 ±  0.6  3.7 ±  0.6  7.0 ± 3.6  70 1 b  57  ND  76.0 ±  6.1  83.3 ±  3.8  96.3 ± 23.2  41 1 b  58  ND  15.4 ±  0.7  10.0 ±  1.1  17.0 ± 4.7  14 1 b  59  ND  23.0 ±  1.5  6.9 ±  0.9  23.5 ± 3.6  31 1 b  60  ND  8.2 ±  0.6  5.1 ±  0.9  9.4 ± 1.3  76 1 b  61  4  5.9 ±  0.8  1.3 ±  0.9  3.5 ± 2.3  66 1 b  62  ND  5.0 ±  0.7  2.5 ±  0.7    ND  5   1 b  63  ND  13.4 ±  1.1  2.7 ±  0.9  7.7 ± 3.9  66 1 b  74  1  4.5 ±  0.5  3.2 ±  0.8  3.5 ± 1.8  80 

Page 74: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

49 

  Group  

Well ID 

U (nM) 

 224Ra  (mBq L‐1) 

226Ra  (mBq L‐1) 

 228Ra (mBq L‐1) 

222Rna 

(Bq L‐1)    

1 b  75  1  19.4 ±  1.2  19.3 ±  1.2  41.3 ± 7.5  14 2   11  ND  5.9 ±  0.4  8.7 ±  1.7  6.3 ± 1.4  5 

2   64  ND  71.4 ±  6.2  68.3 ±  2.3  83.1 ± 23.5  13 2   65  ND  8.4 ±  0.7  18.9 ±  1.6  14.6 ± 4.5  25 2   66  ND  9.6 ±  0.7  10.2 ±  1.2  5.2 ± 3.8  7 2   67  1  1.5 ±  0.2  3.4 ±  0.6  1.9 ± 1.6  25 2   68  ND  6.4 ±  0.8  2.9 ±  0.8  5.5 ± 1.5  24 2   69  ND  16.3 ±  1.2  21.0 ±  1.5  17.3 ± 5.6  57 2   70  ND  5.6 ±  0.8  10.3 ±  1.1  10.1 ± 2.3  79 2   71  ND  4.1 ±  0.5  4.8 ±  0.9  10.0 ± 4.4  <3 2   72  ND  14.8 ±  0.9  7.0 ±  0.9  13.2 ± 3.1  42 2   73  ND  3.2 ±  0.5  2.7 ±  0.6  ND   100 2   76  ND  1.7 ±  0.2  2.1 ±  0.5  2.7 ± 3.1  5 2   77  ND  10.8 ±  0.7  16.7 ±  1.4  9.8 ± 1.9  97 2   78  ND  3.6 ±  0.4  5.3 ±  0.9  6.3 ± 1.6  90 2   79  ND  0.7 ±  0.2  0.9 ±  0.6  1.1 ± 3.2  51 2    80  ND  4.0 ±  0.4  6.0 ±  1.2  4.4 ± 2.5  67    2    81  3  6.8 ±  0.4  7.2 ±  1.1  5.3 ± 2.1  152   2   82  ND  2.4 ±  0.3  2.9 ±  0.9  1.8 ± 3.0  78  2   83  ND  1.8 ±  0.3  3.5 ±  0.7  3.0 ± 2.6  30  2   84  ND  0.8 ±  0.2  2.2 ±  0.8  2.2 ± 2.4  13  2   85  ND  4.1 ±  0.5  5.0 ±  0.9  3.7 ± 9.2  20 b 

2   86  ND  108.7 ±  6.6  104.9 ±  3.3  102.8 ± 8.9  21  3 a  7  6  9.3 ±  1.0  19.0 ±  1.3  10.3 ± 2.1  1070  3 a  8  102  11.1 ±  0.6  11.9 ±  1.1  10.0 ± 1.5  375  3 a  9  80  21.1 ±  2.4  58.4 ±  3.2  20.8 ± 1.7  705  3 a  10  19  9.5 ±  0.7  15.6 ±  1.4  10.9 ± 1.5  187  3 a  12  2  12.2 ±  0.6  10.1 ±  1.0  9.3 ± 2.2  168  3 a  13  ND  4.9 ±  0.6  15.3 ±  1.5  7.9 ± 1.9  371  3 a  14  2  18.9 ±  1.0  25.8 ±  1.8  19.8 ± 3.9  207  3 a  16  ND  14.4 ±  1.2  17.3 ±  1.7  12.4 ± 2.5  453  3 a  17  5  22.9 ±  1.4  18.6 ±  1.4  9.4 ± 2.1  225  3 a  18  83  45.8 ±  1.5  44.5 ±  2.5  31.2 ± 5.9  219  3 a  21  6  11.7 ±  1.1  23.6 ±  1.8  12.1 ± 2.3  259  3 a  33  8  7.5 ±  0.9  20.6 ±  1.6  17.0 ± 5.9  868  3 a  47  1  324.0 ±  15.2 348.6 ±  7.6  234.1 ± 34.5  107  3 a  89  22  29.5 ±  2.0  28.2 ±  1.7  13.8 ± 4.6  159  3 a  90  8  57.6 ±  3.1  75.4 ±  2.9  64.1 ± 10.7  395  3 a  92  28  6.5 ±  1.1  18.5 ±  1.4  5.0 ± 3.2  1113  3 a  93  ND  9.2 ±  0.8  14.9 ±  1.2  14.3 ± 4.3  499  3 a  95  ND  6.8 ±  0.7  14.2 ±  1.4  10.3 ± 3.6  368  3 a  96  ND  8.6 ±  0.8  17.7 ±  1.6  11.1 ± 3.7  118  3 a  97  2  16.9 ±  1.6  16.8 ±  1.5  17.6 ± 5.4  443  3 a  99  36  9.8 ±  1.7  21.6 ±  1.9  10.1 ± 5.7  679  

Page 75: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

50 

  Group  

Well ID 

U (nM) 

 224Ra  (mBq L‐1) 

226Ra  (mBq L‐1) 

 228Ra (mBq L‐1) 

222Rna 

(Bq L‐1)    

3 b  1  1  9.2 ±  0.9  48.0 ±  2.2  14.3 ± 6.0  23  3 b  2  60  22.0 ±  1.5  41.1 ±  2.7  23.8 ± 2.2  295  3 b  3  340  22.0 ±  2.6  65.5 ±  2.7  15.1 ± 3.2  310  3 b  4  4  30.6 ±  1.6  33.4 ±  1.7  44.3 ± 2.6  70  3 b  5  3  2.4 ±  0.3  6.1 ±  0.8  2.0 ± 1.5  92  3 b  6  489  7.0 ±  1.1  84.1 ±  2.6  16.3 ± 2.1  64  3 b  15  90  6.7 ±  1.0  32.5 ±  1.9  4.8 ± 2.9  240  3 b  46  2  31.1 ±  1.8  14.4 ±  1.4  31.1 ± 6.5  130  3 b  87  9  14.4 ±  1.0  25.8 ±  1.7  20.3 ± 5.5  221  3 b  88  1  9.6 ±  0.8  13.9 ±  1.4  6.9 ± 2.4  103  3 b  91  593  10.4 ±  1.0  42.3 ±  2.0  13.9 ± 4.5  163  3 b  94  ND  12.3 ±  1.2  33.2 ±  1.7  25.3 ± 8.1  30  3 b  98  107  16.7 ±  0.8  29.1 ±  2.1  6.8 ± 2.5  265  3 c  100  4  7.7 ±  0.9  6.6 ±  0.9  5.5 ± 3.1  638  3 c  101  9  47.6 ±  3.4  56.5 ±  2.8  68.4 ± 17.7  117  3 c  102  348  103.4 ±  6.5  184.3 ±  5.8  132.7 ± 26.7  156  3 c  103  ND  4.7 ±  0.4  7.1 ±  1.3  4.5 ± 3.2  364  3 c  104  97  164.9 ±  8.5  129.1 ±  4.8  199.6 ± 34.8  227 b 

3 c  105  174  4.6 ±  0.4  1.4 ±  1.1  6.1 ± 6.6  358  3 c  106  4  14.5 ±  2.0  31.4 ±  2.0  15.3 ± 7.4  380  3 c  107  21  4.1 ±  0.5  6.1 ±  0.9  3.2 ± 2.5  188  3 c  108  34  74.8 ±  5.2  69.7 ±  3.5  75.8 ± 17.7  223  3 c  109  2  9.1 ±  1.9  13.0 ±  1.3  5.5 ± 4.0  594  3 c  110  ND  22.5 ±  1.7  18.0 ±  1.5  17.1 ± 6.1  135  3 c  111  2  11.6 ±  1.0  12.0 ±  1.3  9.6 ± 3.4  187  3 c  112  ND  13.1 ±  1.1  14.6 ±  1.4  18.9 ± 5.9  695  3 c  113  4  16.8 ±  1.3  16.7 ±  1.6  11.8 ± 4.2  411  3 c  114  2  7.9 ±  0.9  16.7 ±  1.4  7.6 ± 3.5  471  3 c  115  36  4.2 ±  0.6  6.5 ±  1.1  3.1 ± 2.4  548  3 c  116  9  4.4 ±  1.1  13.6 ±  1.1  2.7 ± 3.0  643  3 c  117  1  6.3 ±  0.5  8.1 ±  1.2  8.2 ± 2.7  78  

Errors are ±2σ from counting statistics. ND indicates not detected; these were treated as zero activities in data analysis. a‐ Values less than the reporting limit of 3 Bq L‐1 were treated as zero values for data analysis b‐ Rn sample collected on a later date than indicated on Table 4.   

 

Page 76: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

51 

Table 7: Radium isotope activities in Rolesville Granite samples from cores WC‐1 and WC‐3. Errors are ±2σ from counting statistics.  

Sample 226Ra 

(Bq kg‐1) 

228Ra (Bq kg‐1) 

228Ra/226Ra 

WC‐1‐41.4  43.0  ±  5.6  42.4  ±  4.6  0.99 WC‐1‐59.6  31.3  ±  3.8  61.5  ±  3.8  1.97 duplicate can  27.3  ±  2.5  53.3  ±  2.5  1.95 WC‐1‐70.0  53.5  ±  5.6  56.5  ±  5.0  1.06 duplicate can  51.9  ±  5.7  54.8  ±  5.2  1.06 WC‐3‐48.5  44.6  ±  4.4  72.1  ±  4.2  1.62 WC‐3‐66.3  20.8  ±  5.8  55.6  ±  5.8  2.68 WC‐3‐117.3  47.8  ±  5.9  51.9  ±  4.9  1.09 

 

  

Page 77: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

52 

3. Arsenic and other oxyanion‐forming trace elements in an alluvial basin aquifer: Evaluating sources and mobilization by isotopic tracers (Sr, B, S, O, H, Ra) 

3.1 Introduction 

Occurrence of oxyanion‐forming trace elements, primarily arsenic (As), imposes 

limitations on the use of groundwater from alluvial basin aquifers in the semi‐arid western 

United States (Robertson, 1989; Welch et al., 2000; Smedley and Kinniburgh, 2002). Population 

growth, degradation of existing water resources, and the 2001 reduction of the U.S. 

Environmental Protection Agency (EPA) maximum contaminant level (MCL) for arsenic to 

10 µg L‐1 have emphasized the need to provide sustainable sources of high‐quality drinking 

water for the region. Other related elements may co‐occur with As and form oxyanions that are 

mobile under similar conditions, including boron (B), chromium (Cr), vanadium (V), molybdenum 

(Mo), selenium (Se), and antimony (Sb). Numerous published studies have implicated both 

lithologic and geochemical controls on these elements. Volcanic rocks, especially silicic volcanic 

rocks, and clastic sediments derived from volcanic rocks contain leachable As‐bearing phases 

that yield significantly higher As than other contributing sediment sources to groundwater 

(Welch et al., 2000; Smedley and Kinniburgh, 2002). In addition, the mobility of oxyanion‐

forming trace elements is enhanced by the oxic and near‐neutral to slightly basic (pH ~6.5‐9.5) 

conditions in alluvial basin‐fill aquifers (Robertson, 1989). Under these conditions, oxyanion‐

forming trace elements are dominantly found in soluble, oxidized species including HAsO42‐, 

H2AsO4‐, MoO4

2‐, CrO42‐ , SeO4

2‐, VO3OH2‐, VO2(OH)

2‐, and Sb(OH)6‐ (Baes and Mesmer, 1976; Fujii 

and Swain, 1995; Amrhein et al., 1998). Potential adsorption sites for these oxyanions (e.g. Fe 

Page 78: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

53 

oxides) are present on aquifer solids in oxic, near‐neutral conditions, with desorption promoted 

at increasing pH (e.g. Robertson, 1989; Scanlon et al., 2009).  

This study focuses on groundwater in Willcox Basin, a typical alluvial basin in semi‐arid 

southeastern Arizona (Figure 11). The groundwater in this basin is characterized by 

concentrations of As commonly exceeding 10 µg L‐1 (Towne and Freark, 2001), which is typical 

for basins of the region (Robertson, 1989; Coes et al., 2002). Because the observed As 

concentration in groundwater is a function of lithologic source, weathering, and 

adsorption/desorption equilibrium, the purpose of this study is to apply several isotopic tracers, 

including strontium, boron, sulfur, and radium isotopes, in order to evaluate (1) the variations in 

sediment source that affect oxyanion‐forming natural trace elements’ abundance in 

groundwater in Willcox Basin and (2) the mechanisms that control their mobilization from the 

aquifer lithology.  

Because there is only one naturally‐occurring isotope of As, and because O isotopes of 

arsenate and arsenite ions are subject to rapid isotopic exchange with water limiting their use as 

process tracers (Larese‐Casanova and Blake, 2010), tracing of As sources could be obtained 

indirectly using other isotopic proxies that are sensitive to potential geologic sources of 

oxyanion‐forming elements and geochemical mobilization processes. The ratio of radiogenic to 

nonradiogenic strontium (87Sr/86Sr) is a sensitive tracer for sediment sources and silicate 

weathering processes in groundwater systems (Franklyn et al., 1991; Bullen et al., 1996; McNutt, 

1999; Harrington and Herczeg, 2003). It is hypothesized that Sr would not directly relate to 

geochemical processes controlling oxyanions because it is a divalent cation, but rather would 

indicate the origin of sediments (Sr sources) within alluvial basins. Due to the presence of 

Proterozoic granitic rocks containing K‐feldpar adjacent to the Willcox Basin, it is inferred that 

Page 79: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

54 

highly radiogenic Sr would be present in sediments derived from these older materials, whereas 

the Tertiary silicic volcanic rocks would be characterized by unradiogenic Sr isotope 

composition. The boron isotope ratio is another tracer that could provide indication for the 

origin of oxyanion‐forming elements and/or chemical controls on these elements. For example, 

boron could possibly be used as an analogue to arsenic because both exhibit pH‐dependent 

adsorption‐desorption reactions that are associated with B isotope fractionation and because As 

and B commonly co‐occur in volcanic‐derived materials (e.g. Welch and Lico, 1998; Fujii and 

Swain, 1995; Scanlon et al., 2009). A major difference between B and As(V) is that the dominant 

B species at neutral pH is the uncharged B(OH)3, whereas the dominant As(V) species are the 

charged H2AsO4‐ (below pH ~7) and HAsO4

2‐ (above pH ~7). The potential application of sulfur 

isotopes is that some of the sulfate in the system is hypothesized to be derived from oxidation 

of volcanic sulfide, which is also a possible As source. In addition, S isotopes can diagnose the 

presence of sulfate reduction, which could influence oxyanion mobility by converting oxyanion‐

forming trace elements to less soluble or uncharged forms. Radium and uranium isotope 

occurrence may supply additional understanding of oxyanionic trace elements because uranium 

is a mobile anion in oxic conditions, primarily as carbonate complexes, whereas the major 

adsorption sites of radium (e.g. Mn and Fe oxides) are most stable in oxic conditions. The state 

of these metal oxides can influence both radionuclide activities and oxyanion concentrations. 

Because metal oxides can adsorb As(V) and Ra at near‐neutral pH, the disequilibrium between 

226Ra and 238U in the 238U decay series permits inferences on the reactivity of the U‐decay chain 

nuclides and indirectly also on sinks of other oxyanion‐forming trace elements. Additionally, 

isotopes of the water molecule (3H, δ2H, and δ18O) are reported to provide information on 

groundwater residence time and the relationship to modern precipitation.  

Page 80: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

55 

 

Figure 11: Map of Willcox Basin showing the basin’s extent, bedrock types in the mountain blocks, sample numbers, and 87Sr/86Sr ratios. Bedrock types derived from Richard et al. (2002); location of Apache Pass Fault Zone derived from Drewes (1985, 1986) and Erickson (1988). Approximate extent of cones of depression and groundwater flow directions derived water level contours in Oram (1993). Inset shows location of Willcox Basin in the Basin and Range region (USGS, Principal aquifers of the 48 conterminous United States, Hawaii, Puerto Rico, 

and the U.S. Virgin Islands, obtained from http://www.nationalatlas.gov). 

3.2 Geologic setting 

The complex geologic history of the Willcox Basin affects both groundwater evolution 

and the availability of oxyanion‐forming trace elements. As a tectonically and hydrologically 

closed basin, isotopic end members in the Willcox Basin are locally defined and represent a 

mixture of the mobile sources exposed in the basin.  

Page 81: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

56 

3.2.1 Composition of the mountain blocks 

The mountain blocks bounding the Willcox Basin and other tectonic basins of southern 

Arizona contain a complex assortment of crystalline and sedimentary rocks from ~1.7 Ga to 

Tertiary‐Quaternary volcanic rocks. Briefly, the main rock types surrounding the Willcox Basin 

include: (1) 1.7 Ga metavolcanic and metasedimentary rocks (felsic tuff, basalt, quartzite, 

sandstone, and conglomerate; Condie et al., 1985); (2) 1.4 Ga granitic rocks (Erickson, 1981); (3) 

Cambrian through Triassic sedimentary rocks (conglomerate, sandstone, and carbonate rocks; 

(Hayes, 1978; Drewes, 1985); (4) Late Cretaceous to early Tertiary volcanic (felsic to 

intermediate tuff and breccias) and intrusive rocks (granite and granodiorite; Drewes et al., 

1988); and (5) mid‐Tertiary felsic volcanic and intrusive rocks (Cooper, 1960; Drewes, 1996; 

Figure 11). Of these, the Tertiary volcanic rocks and Proterozoic rocks are the most extensive 

surrounding the Willcox Basin and are closest to the sample locations in this study (Figure 11). 

The presence of outliers of Tertiary rocks in the southern Willcox Basin (Figure 11) implies that 

these rocks are also abundant in the subsurface. Although it may be inferred that the fluvial 

basin‐fill sediments are dominated by nearby bedrock lithologies, there is inadequate 

subsurface data to characterize the spatial variation in the composition of basin‐fill sediments.  

3.2.2 Basin geometry 

Depth to bedrock increases steeply from the edges of the Willcox Basin and from 

bedrock outliers (Drewes, 1986; Drewes et al., 1988; Richard et al., 2007). At its center, the 

Willcox Basin exceeds 1500 m depth (Richard et al., 2007). Overall, the depth of basin‐fill 

deposits greatly exceeds the depth of most of the wells in this study. The Apache Pass Fault 

(Figure 11), a major Precambrian structural feature, is preserved in the Dos Cabezas Mountains 

Page 82: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

57 

and beneath the eastern portion of the Willcox Basin. This fault has been hypothesized to supply 

high‐As water to wells along its trace (Towne and Freark, 2001), and, in general, basement‐

penetrating faults in the southwestern USA have been observed locally to contribute waters 

with high levels of salinity, CO2, and/or natural trace elements affecting water quality to basin‐

fill aquifers (e.g. Coes et al., 2002; Newell et al., 2005; Earman et al., 2008; Crossey et al., 2009). 

3.2.3 Pleistocene‐Holocene Lake Cochise 

The surficial deposits at the center of the Willcox Basin represent periodic filling and 

drying of a large closed‐basin lake during the Pleistocene and early Holocene epochs. A 

distinctive shoreline deposit at 1274 m elevation (14 m above the present dry lake bed) formed 

approximately 13.5 ka and lower high stands occurred during the early Holocene (Waters, 

1989). At least 40 m of black, sulfidic clay is beneath the present‐day dry lake bed (Schreiber et 

al., 1972; Vine et al., 1979). At greater depth (up to 300 m), the sediments become dominated 

by alternating calcite and gypsum layers (Vine et al., 1979), consistent with evaporation at the 

center the basin being a major drain for the groundwater system during the basin’s history. 

3.2.4 Groundwater flow and residence time 

Based on relationships between precipitation and water levels, Gardner and Heilweil 

(2009) suggested that mountain‐front recharge and infiltration from ephemeral streams near 

the basin edges are the major source of recharge to the basin, and that natural groundwater 

flow directions follow the surface topography of the Willcox Basin. At the center of the basin, 

fine‐grained lake bed deposits locally create a shallow (<30 m depth), perched groundwater 

system (Oram, 1993) and may be responsible for the historical artesian conditions in the 

underlying basin‐fill aquifer (Meinzer et al., 1913). Although historically, the main discharge 

Page 83: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

58 

point for the hydrologically‐closed basin has been evapotranspiration at Willcox Playa, a more 

significant mechanism today is water withdrawals for irrigation. The main irrigated areas, 

located north and southeast of the Willcox Playa, are the sites of large cones of depression 

(Mann et al., 1978; Oram, 1993; Arizona Department of Water Resources, 2005; Gardner and 

Heilweil, 2009) that significantly affect groundwater flow (Figure 11). Quantitative data on 

groundwater residence time are sparse; however, one published carbon‐14 activity near the 

center of the basin (26% modern carbon; Robertson, 1991) is consistent with Holocene‐aged 

groundwater, rather than the basin‐fill groundwater being solely a remnant of elevated 

Pleistocene recharge. 

3.3 Methods 

3.3.1 Well sampling 

Samples were collected from 15 domestic and high‐capacity irrigation wells and one 

spring. Wells were sampled during a period of water use at a tap as close to the wellhead as 

possible. Well depths are known in some cases (Table 8), but the lengths of well screens 

probably vary significantly among the irrigation and domestic drinking water wells sampled for 

this study. pH, temperature, and dissolved oxygen were measured in the field using meters that 

were calibrated daily. Trace metal, cation, anion, and Sr and B isotope samples were filtered in 

the field using 0.45 µm nylon filters. Major cation/trace metal samples were filtered directly into 

new polyethylene bottles that had been cleaned with trace metal grade HCl and HNO3, then 

rinsed with deionized water having resistivity > 18 MΩ cm‐1. Major cation/trace metal samples 

were immediately acidified with high‐purity HNO3 (Fisher Optima). Sample aliquots for anion 

and water stable isotope analyses were stored in DI‐washed HDPE bottles and glass scintillation 

Page 84: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

59 

vials, respectively, with no headspace. Unfiltered samples were also collected for tritium and 

sulfur isotope analysis; nitric acid was added to the S isotope samples to prevent sulfate 

reduction. All samples (except radium) were kept on ice in the field and refrigerated in the 

laboratory prior to analysis. 40 liter unfiltered samples were collected for radium isotopes in 

completely filled polyethylene containers and kept closed until processing upon return to the 

laboratory later the same day. An acidified blank was prepared by filling an acid‐washed sample 

bottle with unfiltered deionized water (> 18 MΩ cm‐1) in the lab, with the same subsequent 

transportation, acid addition, and handling as water samples. 

3.3.2 Major and trace element analysis 

Major cation concentrations (Na, K, Ca, Mg, Si) and Fe were determined using a Perkin 

Elmer Optima 5300 inductively‐coupled plasma optical emission spectrometer, and major anion 

concentrations (F‐, Cl‐, Br‐, NO3‐, SO4

2‐) were analyzed using a Dionex ICS‐3000 ion 

chromatograph with AS23 analytical column. Alkalinity concentrations were determined by the 

Gran‐Alk titration within 24 h of sampling (Gieskes and Rogers, 1973). Trace element (B, Sr, V, 

Cr, Mn, As, Se, Mo, Sb, Ba, and U) concentrations were determined by inductively‐coupled 

plasma mass spectrometry on a VG Plasmaquad 3 instrument. Calibration standards were 

prepared from serial dilution of certified trace metal solution NIST1643e. Samples and standards 

were diluted to similar proportions with an internal standard solution of 10ppb In, Tm, and Bi in 

2% HNO3 to monitor and correct for drift. Dilutions were carried out with solutions prepared 

from quartz‐distilled deionized water and nitric acid. Instrument drift was also monitored and 

corrected for each element by analysis of one of the calibration standards at regular intervals. 

To allow for U analysis, NIST1643e was spiked with a plasma‐grade single‐element U solution 

Page 85: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

60 

prior to serial dilution. Trace element analysis included a field blank for which resulting 

concentrations were <1 µg L‐1 except B (1.0 µg L‐1), Sr (2.1 µg L‐1), and Ba (2.9 µg L‐1). Boron and 

arsenic speciation were calculated using the PHREEQC geochemical code (Parkhurst and Appelo, 

1999). The code was directed to use dissolved oxygen measurements to calculate pe under 

assumptions of redox equilibrium. Arsenic speciation was not calculated for well 2 due to the 

anoxic nature of the well. 

3.3.3 Stable and radiogenic isotopes 

Hydrogen isotope analysis was conducted by Cr metal reduction at 750°C (Gehre et al., 

1996) and oxygen analysis by CO2 equilibration at 15°C (Craig, 1957), both on a Finnigan Delta S 

gas‐source isotope ratio mass spectrometer at the University of Arizona. Isotope ratios were 

standardized relative to VSMOW and VSLAP and are reported as per mil relative to VSMOW. 

Precision is within 0.9‰ for δ2H and 0.08‰ for δ18O based on replicate analyses. Sulfur isotope 

ratios of sulfate were analyzed using a ThermoQuest Finnigan Delta PlusXL continuous flow 

isotope ratio mass spectrometer at the University of Arizona. 34S/32S ratios are normalized to the 

CDT standard and reported as δ34S with precision of 0.15‰. Tritium activities were analyzed at 

the University of Miami Tritium Laboratory by gas proportional counting with precision (1σ) of 

approximately 0.1 tritium unit (TU). 

Due to the generally low B concentrations, samples were prepared for B isotope analysis 

by preconcentrating filtered, non‐acidified water samples to approximately 500 µg B L‐1 at ~40°C 

in ultra‐clean Teflon vials in a laminar‐flow hood using B‐free filters and treating with 30% H2O2 

(Fisher Optima) to oxidize labile organic matter. Approximately 2 ng B (less in the case of low‐B 

samples) was loaded directly onto degassed Re filaments in a B‐free synthetic seawater solution 

Page 86: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

61 

prepared from plasma‐grade standards (Dwyer and Vengosh, 2008) and analyzed by negative 

ion thermal ionization mass spectrometry (TIMS) on a ThermoFisher TRITON thermal ionization 

mass spectrometer at Duke University. Samples were analyzed by stabilizing 11BO2 signal at a 

maximum of ~1 V (significantly less in the case of low‐B samples), then 11B/10B ratios were 

measured for approximately 30 minutes (60 cycles). B isotope ratios were normalized to the 

long‐term average 11B/10B of the NIST 951 standard (4.0067±0.25‰; 1σ, n=238) and reported as 

δ11B. A two‐step protocol was used to accept measured 11B/10B ratios: (1) Potential interference 

at mass 42 (from CNO) was monitored by verifying CN at mass 26 (Hemming and Hanson, 1992) 

to be < 5000 counts per second using the secondary electron multiplier. Although the 

relationship between CN and CNO in negative‐ion TIMS is not completely understood, the  CN 

signal on mass 26 is used as a proxy for possible interference at mass 42 and ratios are rejected 

in cases of CN > 5000 counts per second; and (2) stable ratios (maximum drift < ~1 ‰) during 

data acquisition, including samples for which temperature varied during acquisition. In addition 

to replicate analysis of the NIST 951 standard, five representative samples from this project 

were subjected to whole‐process replication, yielding four replicates within a range of 1.8 ‰, 

and one sample rejected for less favorable replication. The overall precision is therefore 

estimated to be 1‐2‰.  

Sr isotope samples were prepared by dry‐down, HNO3 digestion, and subsequent 

column extraction of ~3 µg Sr using Eichrom Sr‐specific resin conditioned with HNO3 and eluted 

with quartz‐distilled deionized water. The resulting Sr was loaded onto single degassed Re 

filaments in a Ta load solution (Birck, 1986) and analyzed by TIMS in positive ion mode at Duke 

University. 87Sr/86Sr ratios are reported without normalization to the NIST 987 standard; long‐

term average 87Sr/86Sr of NIST 987 during the period preceding and including this study was 

Page 87: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

62 

0.710245 ± 0.000010 (1σ, n=109). Whole‐process replicates (n=4) indicate precision within the 

expected analytical uncertainty reported for NIST 987. 

3.3.4 Radium isotopes 

Radium was preconcentrated onto two sequential plastic columns containing 10 g (dry 

weight) of manganese oxide‐impregnated acrylic fibers (Moore and Reid, 1973) at a flow rate of 

~500 mL min‐1 and analyzed at Duke University within 2 d of sampling. Radium‐224 was analyzed 

by alpha counting of its daughter 220Rn using a delayed coincidence counter (Moore and Arnold, 

1996; Moore, 2008; Garcia‐Solsona et al., 2008) at a detector efficiency designed for hand‐

squeezed fibers. Low‐activity samples were quantified by 220Rn coincidence counts and high‐

activity samples by total alpha counts. In both methods, count rates were corrected for counts 

attributable to 223Ra, 224Ra decay, and background count rate. High activity (>20 cpm samples) 

were re‐analyzed ~1 week later for quantification of 223Ra interference (Moore and Arnold, 

1996). For radium‐226 analysis, fibers were sealed into an evacuated glass tube for 20 days, 

then analyzed for its daughter 222Rn using a Durridge RAD7 radon‐in‐air monitor (Kim et al., 

2001) calibrated using a NIST radium‐226 solution transferred onto Mn oxide fibers and 

corrected for background count rate. For radium‐228 analysis, fibers (first column only) were 

compressed into a wafer (5 mm tall and 65 mm in diameter) inside a metal can using a hydraulic 

jack and analyzed using the 911 keV peak of 228Ac on a Canberra broad‐energy germanium 

gamma detector, corrected for background count rate and the fraction of radium on the first 

column, and calibrated using an average of three 232Th (equilibrated with 228Ra) standards 

loaded to resemble the geometry of the compressed fibers. Stated 2σ errors represent counting 

statistics only, following published methods for error calculation and propagation of error 

Page 88: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

63 

(Eaton et al., 2005; Garcia‐Solsona et al., 2008) and thus do not incorporate other potential 

uncertainties including moisture content (224Ra) or counting geometry within the compressed 

disc (228Ra). The detection limit, defined as the activity with 95% probability of being detected at 

±100% precision, is estimated by 1.96σ (Eaton et al., 2005), so the quoted 2σ errors provide an 

estimate of the sample‐specific detection limit for the counting time used. 

3.4 Results 

3.4.1 Groundwater salinity and major element chemistry 

The 16 wells in the study yielded a large range of salinity with total dissolved solids of 

156‐1147 mg L‐1 (Table 8). Groundwater with the highest dissolved solids is located near the 

center of Willcox Basin while groundwater with the lowest dissolved solids is in the mountain 

blocks and upper elevations of the basin‐fill aquifer. However, salinity does not systematically 

increase down‐gradient through the Willcox Basin groundwater system. In general, groundwater 

from the mountain blocks and upland areas is characterized by a Ca‐Mg‐HCO3‐ composition, and 

down‐gradient waters in the basin are composed of mix of dominant cations and anions, as well 

as a distinctive Na‐HCO3‐ water containing very low concentrations of Ca and Mg (e.g. well 8; 

Table 8). Among the widely varied anion concentrations include local values of nitrate 

(>10 mg L‐1 as N, n=1) and fluoride (>4 mg L‐1, n=3) in excess of EPA standards. Temperature and 

pH exhibit a wide range of variability within the basin‐fill aquifer (20‐33 °C and 6.8‐9.3, 

respectively; Table 8). Neither pH nor temperature is clearly associated with location within the 

basin. Almost all of the wells contain measurable dissolved oxygen (median 63% atmospheric 

saturation, range 3‐95%).  

Page 89: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

64 

3.4.2 Trace metals 

Oxyanion‐forming metal concentrations (Table 9) occupy a wide range of 

concentrations: V 0.6‐21.7 µg L‐1, Cr 0.8‐26.2 µg L‐1, As 0.3‐29.4 µg L‐1, Se 0.2‐10.2 µg L‐1, Mo 1.0‐

11.1 µg L‐1, and Sb 0.3‐1.9 µg L‐1. Among the oxyanion‐forming trace elements, only As exceeded 

the U.S. EPA MCL for public drinking water systems (10 µg L‐1, n=4). Arsenic is also associated (ρ 

> 0.50) with several major chemical parameters: SO42‐ (ρ = 0.76), F‐ (ρ = 0.74), Na (ρ = 0.74), Cl‐ (ρ 

= 0.67), NO3‐ (ρ = 0.58), and Ca/Na (ρ = ‐0.67). Notably, As is not correlated with pH (ρ = 0.11). 

Among trace elements, As is correlated with V (ρ = 0.87), Cr (ρ = 0.73), Se (ρ = 0.66), Mo (ρ = 

0.62), B (ρ = 0.58), and Sb (ρ = 0.54).  

3.4.3 Environmental isotopes (δ2H, δ18O, 3H, 87Sr/86Sr, δ11B, δ34S) 

Groundwater from the Willcox Basin and its mountain blocks exhibits some variation in 

hydrogen and oxygen isotope ratios (δ2H ‐85 to ‐66‰, δ18O ‐11.8 to ‐8.6‰; Figure 12). In 

general, waters near the edges of the Willcox Basin exhibit similar isotopic values as the limited 

data for the mountain blocks (generally < ‐10‰). A slight apparent effect was observed in which 

higher values of δ18O (> ‐10‰) occur in the southern and western samples, located near the 

center of the basin at relatively low elevation (Figure 13). All waters analyzed for tritium are 

consistently near the detection limit (≤0.6 tritium units (TU); Table 10).  

Page 90: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

65 

 

Figure 12: Hydrogen and oxygen isotope ratios in Willcox Basin groundwater. Dashed line represents the global meteoric water line (GMWL; δ2H = 8 × δ18O + 10‰; Craig, 1961). 

A wide geographic variability was observed among Sr isotope ratios, generally 

decreasing from exceedingly radiogenic values up to 0.75010 in groundwater from the 

crystalline mountain blocks, to a minimum value of 0.71012 at the center of the basin (Figure 

11). Waters with 87Sr/86Sr > 0.72 in the northern and southeastern parts of the basin (Figure 11) 

are associated with low concentrations of oxyanion‐forming trace elements (B, As, V, Cr, Se, Sb, 

Mo) and high Ca/Na (Figure 14), and are referred to as “trend 1”. Samples in the central part of 

the basin exhibiting more significant oxyanion concentrations are characterized by 87Sr/86Sr < 

0.72 and generally lower Ca/Na (Figure 15), and are referred to as “trend 2”. Boron isotope 

ratios (as δ11B) vary significantly (‐7.0‰ to 18.2‰), and the higher values of δ11B are somewhat 

associated with lower B concentrations (Figure 16a). B isotope ratios exhibit some geographic 

trends also in that the samples with the highest 87Sr/86Sr and Ca/Na (trend 1) tend to exhibit 

somewhat lower As and B concentrations and higher δ11B than trend 2 waters (Figure 16a‐c). 

Page 91: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

66 

 

Figure 13: Map showing δ18O of water samples in relationship to basin topography. Elevation data obtained from U.S. Geological Survey (http://seamless.usgs.gov). 

Sulfur isotope ratios (as δ34S) vary from 2.0‰ to 13.4‰. The results indicate that trend 1 waters 

exhibit generally lower δ34S values than trend 2 waters (Figure 17a) and that sulfate‐dominated 

waters (SO42‐:Cl‐ > 1 and Ca/SO4

2‐ < 2) exhibit δ34S in the narrow range of 8‐10‰ (Figure 17b‐c). 

3.4.4 Radionuclides 

With the exception of samples in the mountain blocks (sites 1‐3), Ra isotope activities 

are exceedingly low (Table 10), 1‐2 orders of magnitude below the EPA maximum contaminant 

level. Ra isotope activities are essentially uncorrelated with salinity, pH, and oxyanion‐forming 

trace elements. 224Ra, 226Ra, and 228Ra are reasonably well correlated with Ca (ρ = 0.59‐0.76), Mg 

(ρ = 0.39‐0.71), and Sr (ρ = 0.60‐0.72), but not with radium’s chemical analogue Ba (ρ = 0.05‐

0.32). U is present at low to moderate concentrations (0.3‐13 µg L‐1) throughout the basin‐fill, 

and concentrations are much higher in the mountain blocks (10‐71 µg L‐1; Table 10). One

Page 92: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

67 

 

Figure 14: Relationships between 87Sr/86Sr and oxyanion‐forming trace element concentrations and Sr concentration.  

Page 93: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

68 

mountain block water sample yielded radionuclide levels in excess of EPA drinking water 

standards for U (30 µg L‐1) and Ra (185 mBq L‐1 226Ra + 228Ra). 

 

Figure 15: Relationship between Ca/Na and 87Sr/86Sr and arsenic concentration.  

 

Figure 16: δ11B in relation to B concentration, 87Sr/86Sr, and As concentration. Note the apparent separation between trend 1 plus the mountain blocks (low B concentration, high 

δ11B, high 87Sr/86Sr, low As) and trend 2 (high B concentration, low δ11B low 87Sr/86Sr, elevated As). Black bar represents the approximate δ11B range of rhyolite and granite (Barth, 1993). 

Page 94: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

69 

3.5 Discussion 

3.5.1 Recharge and groundwater residence time 

Hydrogen and oxygen isotope ratios (as δ2H and δ18O) of groundwater in the Willcox 

Basin plot along a linear trend (Figure 12) that is along or slightly below the global meteoric 

water line, consistent with groundwaters in adjacent alluvial basins in Arizona (Baillie et al., 

2007; Earman et al., 2008; Gu et al., 2008; Adkins, 2009). Specifically, the majority of δ18O values 

are within the range of winter precipitation reported from adjacent mountain blocks (‐12.1 to 

‐8.7‰) whereas summer precipitation exhibits higher δ18O values (‐9.5 to ‐6.8‰; Earman et al., 

2006; Adkins, 2009). Overall, δ2H and δ18O values of Willcox Basin groundwaters record waters 

derived from local (basin floor) winter precipitation and/or mountain‐front recharge of higher‐

elevation precipitation, as in adjacent basins (Earman et al., 2008; Adkins, 2009). There is no 

isotopic evidence of substantial evaporation within the basin (Figure 12) but some evidence of 

higher‐elevation δ18O values near the basin’s northern and eastern edges (Figure 13) . Tritium 

activities consistently <1 TU in the basin‐fill sediments (Table 10) indicate that precipitation is 

not a source of rapid recharge on the scale of years to decades, which is consistent with the 

semi‐arid nature of the basin. In places, the low tritium activities contradict other indications 

from the data, such as elevated nitrate concentrations in irrigated areas, which implies 

significant recharge from the surface. The most likely explanation is that recharge of tritium‐free 

irrigation water derived from groundwater pumping conveys nitrate to the basin‐fill aquifer. The 

slow replenishment of the basin‐fill aquifer by precipitation is indicated by large water table 

declines in irrigated areas since the 1940s, although these declines have been locally reversed as 

irrigation withdrawals have been reduced since the 1970s (Mann et al., 1978; Oram, 1993). 

Page 95: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

70 

 

Figure 17: δ34SSO4 in relation to sulfate concentration, SO42‐/Cl‐ ratio, and Ca/SO4

2‐ ratio.  

Page 96: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

71 

Table 8: Major element results and mineral saturation index values.  

Well  Elevation  Depth  pH  Temp Diss.O2 TDS Ca  Mg  Na K  Si F‐ Cl‐ NO3‐ SO4

2‐ Alkalinity 

   (m)  (m)     (°C) (% saturation) (mg L‐1) (mM)                    (meq L‐1) 

Mountain blocks                                          1  2769  Spring  7.12  10.1 55 161 0.6  0.2  0.3 0.01  0.3 0.03 0.07 <0.01 0.04 1.68 2  1545  92  7.00  21.4 3 704 2.0  0.9  4.0 0.08  0.4 0.08 2.83 0.19 0.81 4.80 3  1512    7.12  27.0 67 586 0.9  0.8  4.2 0.05  0.4 0.04 0.49 <0.01 0.36 5.90 

Willcox Basin – trend 1                       4  1446    7.13  27.3 95 352 1.0  0.5  1.1 0.04  0.7 0.07 0.35 0.07 0.15 3.23 5  1409    9.12  29.5 63 347 1.2  0.4  1.2 0.04  0.5 0.07 0.57 0.09 0.24 2.94 6  1342  153  6.67  20.7 122 156 0.4  0.2  0.5 0.02  0.6 0.02 0.15 0.18 0.05 1.12 7  1332  138  8.36  27.8 20 362 0.8  0.3  1.9 0.06  0.5 0.07 0.28 0.05 0.17 3.49 

Willcox Basin – trend 2                       8  1288  86  9.27  23.0 639 0.03  0.002  7.8 0.05  1.2 0.42 1.39 0.19 1.41 2.96 9  1310  183  7.76  32.9 83 342 0.3  0.02  3.2 0.04  0.7 0.28 0.24 0.06 0.67 2.13 

10  1303  245  7.54  28.4 71 452 0.4  0.1  5.2 0.04  0.4 0.04 2.88 0.09 0.37 2.35 11  1297  168  7.76  23.1 64 378 1.2  0.2  2.0 0.06  0.5 0.10 0.58 0.08 1.00 2.02 12  1294  245  7.94  31.7 53 950 1.0  0.1  12.6 0.06  0.4 0.06 11.77 0.06 1.05 1.19 13  1284  80  7.95  22.4 83 795 2.8  0.4  4.3 0.09  0.6 0.07 1.06 0.72 2.89 2.91 14  1274    7.08  21.3 51 600 0.8  0.3  5.0 0.07  0.7 0.26 1.03 0.30 0.61 4.61 15  1272  35  6.75  24.5 21 722 2.1  0.6  3.9 0.05  1.0 0.12 2.56 0.30 1.29 3.86 16  1266     7.11  19.8 50 1147 2.2  2.0  8.4 0.13  0.5 0.07 7.65 0.07 2.99 3.62  

Page 97: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

72 

Table 9: Concentrations of oxyanion‐forming and other trace metals. See Table 10 for B and Sr concentrations. 

   Concentrations in µg L‐1       Proportion of As            

Well  V Cr Mn Fe1 As as HAsO42‐  Se Mo Sb Ba

Mountain blocks                          1  1.0 1.0 0.2 10 0.3 0.62  0.2 1.3 0.3 18.32  2.0 3.8 15.7 18 1.5   2.2 11.1 2.0 81.43  0.6 0.9 0.7 ND 0.4 0.67  0.6 3.8 0.3 49.8

Willcox Basin – trend 1   4  1.6 0.8 0.6 ND 0.5 0.66  0.8 2.3 0.3 58.85  3.0 1.5 1.2 6 1.2 0.99  1.9 3.6 0.8 84.56  4.6 1.5 0.2 10 0.4 0.37  0.5 1.0 0.3 54.17  1.4 0.8 0.9 8 0.7 0.97  1.1 3.7 0.3 50.0

Willcox Basin – trend 2   8  10.0 3.6 0.3 10 29.4 1.00  1.2 6.7 0.8 33.29  5.4 3.8 0.3 ND 5.5 0.89  0.6 4.7 0.5 33.3

10  20.3 8.8 0.3 ND 9.2 0.84  1.3 1.9 0.3 187.111  3.6 3.8 1.0 ND 2.1 0.89  1.1 4.7 0.8 44.412  12.2 26.2 0.2 ND 4.3 0.94  3.0 2.4 0.4 50.813  4.7 4.0 2.6 ND 3.1 0.94  4.1 3.9 1.8 47.114  21.7 4.9 0.5 ND 21.7 0.64  7.8 8.2 0.5 63.315  9.5 9.0 9.2 49 19.0 0.48  10.2 4.5 1.9 53.316  12.4 12.4 2.1 ND 13.1 0.70  1.3 6.4 1.7 47.1

USEPA primary maximum contaminant levels                 100     10    50   6 20001‐ ND indicates element not detected (detection limit 6 µg L‐1). 

Page 98: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

73 

Table 10: Isotope results and related trace element concentrations. 

   B  Proportion  δ11B  Sr    δ18O δ2H δ34SSO43H  U                       

Well  (µg L‐1)  of B as B(OH)3  (‰)  (µg L‐1) 87Sr/86Sr (‰) (‰) (‰) (TU) (µg L‐1) 224Ra (mBq L‐1)  226Ra (mBq L‐1) 228Ra (mBq L‐1)

Mountain blocks                                                   1  8.7  0.99  9.4  35  0.750097 ‐11.4 ‐79 7.7   10  1.0 ±0.4  2.6 ±0.6  ‐0.2 ± 1.1 2  77  0.99  11.4  1030  0.732472 ‐9.8 ‐72 5.0   71  220 ±11  303 ±8  351 ± 49 3  106  0.99  5.3  912  0.745016 ‐11.7 ‐85 10.6 0.0 27  19.5 ±1.0  4.5 ±0.6  33.5 ± 4.5 Willcox Basin – trend 1                           4  26  0.99  1.9  164  0.733361 ‐10.9 ‐78 6.5   4.4  20.4 ±1.5  5.7 ±0.7  18.9 ± 5.1 5  44  0.53  7.8  192  0.720641 ‐9.1 ‐64 5.1 0.0 1.7  5.6 ±0.8  1.6 ±0.6  7.9 ± 4.5 6  16  1.00  18.2  68  0.728224 ‐11.1 ‐79 7.1   0.3  5.8 ±1.2  1.5 ±0.5  3.4 ± 3.3 7  50  0.87  14.8  410  0.725143 ‐9.8 ‐71 6.3 0.0 14  1.3 ±0.4  1.6 ±0.4  1.8 ± 3.6 Willcox Basin – trend 2                           8  76  0.46  ‐6.7  7.4  0.715026 ‐11.2 ‐83 10.2   2.7  0.2 ±0.1  0.4 ±0.6  1.5 ± 3.0 9  201  0.96    65  0.711471 ‐9.5 ‐68 9.5 0.1 11  2.6 ±0.3  0.6 ±0.5  2.2 ± 2.3 10  99  0.98  ‐0.5  190  0.711904 ‐11.2 ‐80 11.1 0.1 1.6  3.0 ±0.7  0.6 ±0.6  3.1 ± 2.3 11  127  0.97  3.9  268  0.710778 ‐9.3 ‐66 9.2 0.1 2.0  14.5 ±0.9  2.2 ±0.4  7.6 ± 3.6 12  98  0.94  0.9  333  0.713142 ‐11.8 ‐85 10.8 0.0 1.4  4.2 ±0.6  2.7 ±0.4  2.1 ± 2.3 13  215  0.95  0.3  671  0.710594 ‐8.6 ‐62 8.8 0.4 13  21.7 ±1.0  2.9 ±0.3  9.9 ± 3.9 14  126  0.99  4.0  218  0.711677 ‐11.0 ‐81 8.3   3.7  3.9 ±0.6  2.7 ±0.6  2.6 ± 2.5 15  390  1.00  2.3  641  0.714158 ‐10.0 ‐72 2.0 0.6 11  9.5 ±1.6  1.1 ±0.5  5.2 ± 4.3 16  103  0.99  2.7  2270  0.710122 ‐9.4 ‐69 13.4 0.2 11  10.4 ±1.1  48.6 ±1.1  2.4 ± 2.7 

 

Page 99: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

74 

3.5.2 Isotopic tracing of sediment sources using Sr 

As documented in previous studies, Sr concentrations and isotope ratios in groundwater 

are primarily derived from interaction with the host aquifer rocks (Franklyn et al., 1991; McNutt, 

1999; Harrington and Herczeg, 2003). Given that 87Sr/86Sr ratios in groundwater are not 

fractionated by the reaction processes themselves, the isotopic ratios represent the 

composition of the host aquifer rocks and in a case of multiple rock types, the Sr isotope ratio 

could indicate the relative mixing combinations of the different sediment sources. The Sr 

isotope ratios of some contributing aquifer rocks in the Willcox Basin have been previously 

reported: (1) Proterozoic granite and schist with whole‐rock 87Sr/86Sr > 0.78 (Erickson, 1981); (2) 

Tertiary volcanic rocks, inferred to be contaminated by melting of Paleozoic‐Mesozoic 

sedimentary rocks and exhibiting whole‐rock 87Sr/86Sr of 0.708 to 0.716 (Bryan, 1987); and (3) 

relatively minor exposures of Cambrian to Triassic sedimentary rocks including conglomerate, 

sandstone, carbonates, and locally present gypsum with inferred seawater‐derived strontium of 

87Sr/86Sr < 0.709 (McArthur et al., 2001). From these broad ranges of isotopic ratios, it appears 

that the 87Sr/86Sr ratios of Paleozoic and Tertiary rocks could overlap; however, the Proterozoic 

crystalline rocks impart a distinctive, radiogenic signature. 

Willcox Basin samples were divided into two major trends based on Sr isotope ratios. 

Trend 1 with radiogenic isotope composition (n=4, 87Sr/86Sr 0.720‐0.733) represents granitic‐

source material in locations ranging from near the mountain front to the axis of the basin. Trend 

1 waters exhibit a Sr isotope signature clearly associated with the mountain block samples in 

Proterozoic crystalline rocks (n=3, 87Sr/86Sr 0.733‐0.750). Trend 1 samples exhibit exceedingly 

radiogenic 87Sr/86Sr ratios for sandstone aquifers up to ~10 km from the mountain front (Figure 

Page 100: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

75 

11), derived from mixing of water from Proterozoic rock units (Frost and Toner, 2004; Uliana et 

al., 2007) or by weathering of geologically old K‐feldspar in the aquifer sediments (Harrington 

and Herczeg, 2003). Because of the large distance from the crystalline rocks at which 87Sr/86Sr > 

0.720 is observed (Figure 11), the ratios must be the result of weathering of sediments within 

the basin. A radiogenic 87Sr/86Sr signature is made possible by (1) the large proportion of K‐

feldspar in the mountain block granites (Erickson, 1981); (2) the age of the crystalline mountain 

block rocks (section 3.2.1); and (3) the apparently original (unweathered) nature of feldspars 

deposited in the basin. Thus, the radiogenic values of 87Sr/86Sr of groundwater are dominated by 

K‐feldspar weathering rather than by plagioclase weathering which, with its low Rb‐Sr ratio and 

high Sr concentration, contributes nonradiogenic Sr to groundwater regardless of the minerals’ 

age (Franklyn et al., 1991).  

Trend 2 with relatively unradiogenic isotope composition (n=9, 87Sr/86Sr 0.710‐0.715) 

records the influence of Cretaceous to Tertiary volcanic rocks and/or Paleozoic sedimentary 

rocks. 87Sr/86Sr values of Sr derived from these rocks are expected to fall within a large range 

(0.708‐0.716) as discussed above, but are substantially less radiogenic than Proterozoic granitic 

rocks contributing to trend 1. These are inferred to contain sediments derived from Tertiary 

silicic volcanic rocks, but this source cannot be clearly distinguished from Paleozoic‐source 

material from the groundwater tracers in this study alone. In some instances, the proximity to 

dominant rock types is ambiguous; for example, sample 8 is also close to Proterozoic 

metasedimentary and metavolcanic rocks that may contribute radiogenic Sr. Trend 2 waters 

include three samples (8, 10, and 12) located near the trace of the Apache Pass Fault Zone 

(Figure 11), a major regional fault that predates the opening of the Willcox Basin (Drewes, 1986; 

Erickson, 1988), and could contribute waters to explain the large differences in temperature, 

Page 101: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

76 

major element chemistry, and 87Sr/86Sr between nearby wells. Towne and Freake (2001) 

suggested that the Apache Pass Fault Zone may serve as a conduit for deep, high‐As waters to 

the Willcox Basin. In such a case, mixing of a deep, high‐As water into shallow groundwater 

could be a significant mechanism for generating high As concentrations in addition to local 

water‐rock interaction (Coes et al., 2002; Crossey et al., 2009; Scanlon et al., 2009).  

Overall, the weak relationship between strontium concentration  and 87Sr/86Sr ratios (ρ = 

0.23 between 1/Sr and 87Sr/86Sr; Figure 14) implies that Sr in the groundwater is not derived 

from simple mixing of water or strontium sources. Rather, the large Sr isotope variations can be 

explained by interaction with different rock types imparting distinctive 87Sr/86Sr ratios. The 

observed trends associated with these 87Sr/86Sr ratios (Figure 14) also reflect the control of the 

aquifer lithology on the water composition. However, the concentration of Sr in groundwater 

can be controlled by secondary reactions that reduce divalent cation concentrations (section 

3.5.4) but that would not affect the original 87Sr/86Sr ratios. At the center of the Willcox Basin, 

not directly sampled by this study, lake bed carbonate preserves the 87Sr/86Sr ratio of strontium 

in calcite‐precipitating waters. Thus, this value reports a mixture of contributing Sr sources to 

the closed basin at the time of mineral precipitation, which could be useful for paleohydrologic 

inference (e.g. Hart et al., 2004). A reported 87Sr/86Sr of 0.71049 (Naiman et al., 2000) of 

Pleistocene Lake Cochise lake bed carbonate is consistent with the lowest 87Sr/86Sr value 

reported in this study (0.71012) observed at well 16 near the Pleistocene shoreline (Figure 11). 

Thus, the radiogenic Sr derived from crystalline rocks must be balanced by Sr with 87Sr/86Sr < 

0.710 to produce values ~0.710 at the center of the basin. This may include Permian marine 

gypsum (section 3.5.3) with an expected 87Sr/86Sr ratio of 0.707‐0.708 (McArthur et al., 2001) or 

other Paleozoic sedimentary rocks with low 87Sr/86Sr ratios (Bryan, 1987). Gypsum or anhydrite 

Page 102: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

77 

with their high solubility and low 87Sr/86Sr can sharply modify groundwater Sr isotope signatures 

(Jacobson and Wasserburg, 2005). Overall, it seems that groundwater 87Sr/86Sr ratios are 

acquired during calcite dissolution and/or silicate hydrolysis that contribute Sr relatively early 

along groundwater flowpaths prior to down‐gradient geochemical modifications that consume 

divalent cations while leaving the groundwater Sr isotopic ratio unmodified. 

3.5.3 Sulfate sources 

Sulfur isotopes of sulfate may provide information on oxyanion–forming trace element 

behavior by tracing a potential source in the sulfide minerals within volcanic rocks (Smedley et 

al., 2002) and by indicating possible sulfate‐reducing conditions (Krouse and Mayer, 1999), 

which may strongly influence the mobility and speciation of trace elements including As (Kirk et 

al., 2004; Xie et al., 2009). No evidence of sulfate reduction has been encountered in these 

primarily oxic waters except for a faint sulfide odor during pumping of well 15, a shallow well 

near the center of the basin. This odor dissipated prior to collecting the sample. Other 

investigators have identified sulfide in the shallow black clay beneath the lake bed (Schreiber et 

al., 1972), but the primary fate for sulfate at high concentrations is gypsum precipitation in the 

evaporative environment of the Willcox Playa indicated by thick buried lake bed gypsum 

deposits (Vine et al., 1979), which does not significantly fractionate δ34S of residual sulfate. 

Because no widespread sulfate removal mechanism is capable of fractionating δ34S in the 

Willcox Basin, δ34S is primarily sensitive to sulfate sources rather than removal mechanisms. 

Thus, δ34S could have some potential use in tracing As and other trace elements if a sulfur 

source derived from volcanic sulfide oxidation can be identified. In general, the volcanic‐derived 

material (trend 2) exhibits higher δ34S than granite‐derived material and sulfate concentrations 

Page 103: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

78 

and SO42‐/Cl‐ are generally higher in the volcanic‐derived portion of the aquifer (trend 2). 

However, the mode of samples with δ34S near 10‰ and high SO42‐/Cl‐ (Figure 17b), consistent 

with the findings of Eastoe et al., (2004), Gu (2005), and Adkins (2009) in nearby basins, exhibits 

a marine gypsum isotope signature rather than that of oxidized volcanic sulfide, which is 

characterized by a lower δ34S range in the region (2‐4‰; Burtel, 1989), or meteoric‐derived 

sulfate (2‐8‰; Eastoe et al., 2004). Overall, the inferred volcanic‐source material in trend 2 does 

not exhibit systematically lower δ34S that might be characteristic of oxidized volcanic sulfide. 

Gypsum in lower Permian carbonates in the basin‐bounding mountain blocks, 

specifically the Epitaph Dolomite, is a documented source of sulfate with δ34S ~12‰ (Burtel, 

1989) influencing regional groundwater (Eastoe et al., 2004; Adkins, 2009), and this sulfate can 

be broadly redistributed in alluvial basins (Eastoe et al., 2004; Gu, 2005). In the mountain blocks 

bounding the Willcox Basin, the Epitaph Dolomite is present in the Dragoon Mountains west of 

the basin (Figure 18; Drewes, 1987). Undifferentiated Paleozoic sedimentary rocks underlie the 

basin‐fill sediments at the floor of the Willcox Basin (Drewes, 1985, 1987) and could also have 

contributed gypsum during the basin’s history. The sulfur isotope results are consistent with a 

marine gypsum source, probably from the western mountain block and recycled in the lake bed 

deposits at the center of the basin (e.g. Eastoe et al., 2004; Gu, 2005). The extent of gypsum 

influence can be seen in the location of gypsum‐like δ34S values mainly within the Pleistocene 

extent of Lake Cochise rather than up‐gradient portions of the basin where atmospheric values 

occur (Figure 17). The anomalously low δ34S value of 2.0‰ at well 15 is consistent with 

oxidation of biogenic sulfide minerals (Krouse and Mayer, 1999) such as those observed in the 

shallow lake bed (Schreiber et al., 1972). Overall, application of the sulfur isotope system implies 

that dissolution of marine gypsum is a significant source of sulfate in groundwater from the 

Page 104: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

79 

central and western Willcox Basin. In the northern and eastern portions of the basin where 

gypsum is absent, δ34S is lower (6.5‐7.7‰; Figure 14) and thus more consistent with 

atmospheric sources. Paradoxically, the system obtains oxyanion‐forming trace elements from 

volcanic sources, yet δ34S does not reflect oxidation of volcanic sulfide. Apparently, the large 

contributions of sulfur from gypsum overwhelm the contribution from oxidized volcanic sulfide, 

both in the Willcox Basin and in alluvial basins throughout the region, where δ34S  values are 

consistently near Permian gypsum values (Gu, 2005). 

3.5.4 Significance of the Ca/Na ratio 

Another paradox evident from the sulfur isotope data is that samples with gypsum‐like 

δ34S values exhibit the lowest Ca/Na ratios in the study area, and many exhibit Ca/SO42‐ ratios 

below the expected ratio of 1 from gypsum dissolution (Figure 17d). This apparent inconsistency 

must be resolved by down‐gradient groundwater evolution that systematically removes divalent 

cations. Isotopic evidence for the reactive nature of divalent cations includes the poor 

correlation between Sr concentration and 87Sr/86Sr (section 3.5.2), which implies that Sr 

concentrations do not simply record mixing of two main Sr sources. Shallow, recently‐recharged, 

and calcite‐undersaturated groundwaters acquire a relatively high Ca/Na ratio from calcite 

dissolution in both granitic‐derived (e.g. White et al., 2005) and volcanic‐derived sediments (e.g. 

Earman et al., 2005). Subsequent groundwater evolution with increasing residence time and/or 

distance down‐gradient may contribute Ca through dissolution of broadly distributed gypsum in 

the Pleistocene lake deposits (e.g. Eastoe et al., 2004; Gu, 2005), but apparently Ca is removed 

effectively by chemical processes including calcite precipitation, silicate hydrolysis linked to 

smectite precipitation, and/or cation exchange (Robertson, 1991; Bowser and Jones, 2002). In 

Page 105: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

80 

the Willcox Basin, Ca/Na ratios vary widely, but distinctive low values <0.2 (Figure 15) occur near 

the center of the basin (samples 8, 9, 10, 12, and 14; Figure 11). Although the lowest values of 

Ca/Na are seen in trend 1 waters with inferred volcanic‐source aquifer sediment, the 

relationships between Ca/Na and As concentration (ρ=0.67; Figure 15), δ34S and Ca/Na (Figure 

17d), 87Sr/86Sr and Ca/Na (Figure 15), and 87Sr/86Sr and Sr concentration (Figure 14) collectively 

suggest that Ca/Na at least partially records hydrogeochemical processes along groundwater 

flowpaths and/or surface charge of sediments rather than merely fingerprinting the geologic 

sources of solutes within the basin. 

 

Figure 18: Map indicating δ 34S in relation to the possible gypsum source area in the Dragoon Mountains and the extent of Pleistocene lake deposits. 

3.5.5 Trace element and isotope behavior: Implications for oxyanion‐forming elements 

3.5.5.1 Arsenic 

Broadly, the correlations between arsenic and fluoride, pH, and other oxyanion‐forming 

trace metals in the Willcox Basin are consistent with existing data sets for the Willcox Basin 

Page 106: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

81 

(Towne and Freark, 2001; USGS National Water Information System at 

http://waterdata.usgs.gov/nwis, accessed 17 Feb 2010) and other published studies of oxic, 

neutral to slightly basic groundwater systems (Robertson, 1989; Del Razo et al., 1993; Smedley 

et al., 2002; Armienta and Segovia, 2008; Ortega‐Guerrero, 2009; Scanlon et al., 2009; Currell et 

al., 2011). The correlation between Ca/Na and As (ρ= ‐0.67) is consistent with non‐conservative 

behavior of As in which the presence of Ca rather than Na increases the surface charge of As 

adsorption sites, most likely Fe oxides (Wilkie and Hering, 1996; Smith et al., 2002; Masue et al., 

2007; Jia and Demopoulos, 2005; Scanlon et al., 2009). Thus, the pH value at which As can be 

adsorbed effectively increases as Ca/Na increases because of the more positive surface charge 

of Fe oxides interacting with Ca, and thus high Ca/Na ratios would be associated with lower As 

concentrations. These positively charged sites could effectively remove arsenate species such as 

H2AsO4‐ and HAsO4

2‐.  

Although the Ca/Na ratio of groundwater seems to be associated with down‐gradient 

geochemical evolution (section 3.5.4) that also releases As, it is possible that low Ca/Na ratios 

are associated with the high‐As volcanic rock types. For example, the even stronger correlation 

between As and F‐ (ρ = 0.74) is probably unrelated to surface charge effects due to the relatively 

conservative nature of fluoride in waters undersaturated with respect to fluorite (e.g. Levy et al., 

1999; Rango et al., 2009), and thus it seems that this correlation is due to co‐occurrence of As 

and F in volcanic‐derived sediments. In sum, although water chemistry and Ca predominance 

over Na could control As abundances in oxic groundwater, As concentrations in groundwater 

seem to be controlled by rock type as indicated by the association of As with 87Sr/86Sr ratios 

(Figure 14) and the relatively weak association between pH and As concentration. In other 

Page 107: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

82 

words, many of the waters in this study with low As concentration (and high 87Sr/86Sr and Ca/Na 

ratios) seem to be in aquifer material from non‐volcanic sources with inferred low As content. 

3.5.5.2 Vanadium, chromium, selenium, molybdenum, and antimony 

Although the occurrence of V, Cr, Se, Mo, and Sb is of less water quality significance 

than As in the Willcox Basin, the behavior of these oxyanions can be treated as analogous to As 

due to their similar chemical behavior. All of these elements occur at higher concentrations in 

trend 2 (Figure 14), and all exhibit correlation with each other, although correlations are 

significantly weaker for Cr and Se. Vanadium is consistently associated with volcanic‐source 

aquifer material and with other oxyanion‐forming trace elements (Aiuppa et al., 2003; Vivona et 

al., 2007) and in the study area, V concentrations are higher in trend 2 waters (3.6‐21.7 µg L‐1) 

than in trend 1 waters or the mountain blocks (0.6‐4.6 µg L‐1). Cr exists primarily as soluble Cr(VI) 

in oxic waters, and has been observed in basin‐fill aquifers sourced from mafic volcanic rocks 

(Ball and Izbicki, 2004; Izbicki et al., 2008) or fine‐grained weathered volcanic material 

(Robertson, 1975). Cr concentrations of up to 26.2 µg L‐1 were observed in this study, but most 

concentrations are much lower; the felsic nature of the volcanic source rocks may explain the 

relatively low Cr concentrations. In addition, Cr is not well correlated with Ca/Na (ρ= ‐0.22) or 

other oxyanion‐forming trace metals (maximum ρ=0.50 with Mo). Selenium concentrations, 

while generally low throughout the study area (0.2‐10.2 µg L‐1), are highest in waters of trend 2, 

consistent with other oxyanion‐forming elements (Figure 14). Molybdenum may be associated 

with rhyolite rather than mafic volcanic rocks (Arnórsson and Óskarsson, 2007) and is correlated 

with As in high‐As alluvial basins of the southwestern USA (Robertson, 1989). The highest Mo 

concentration (11.1 µg L‐1) was observed in a mountain block water sample, although otherwise, 

Page 108: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

83 

concentrations above 5 µg L‐1 were only observed in trend 2 waters consistent with other 

oxyanion‐forming elements (Figure 14). Antimony concentrations are low throughout the study 

area (≤ 2 µg L‐1; Table 9) and except for one mountain block sample, the highest concentrations 

were observed in trend 2 waters. However, Towne and Freark (2001) reported an isolated 

occurrence of elevated Sb (9 µg L‐1) above drinking water standards. Thus, overall, the behavior 

of V, Cr, Se, Mo, and Sb is similar to As in the Willcox Basin. 

3.5.5.3 Boron 

Boron isotope data in groundwater can reflect either (1) adsorption reactions in which 

tetrahedral boron (B(OH)4‐) is preferentially adsorbed onto clay minerals or (2) boron sources 

with different isotopic ratios (Vengosh et al., 1994, 1999). The low‐boron groundwater of trend 

1 and the mountain blocks exhibits relatively higher δ11B values (up to 18‰) than waters with 

higher B concentrations in trend 2, forming two distinct groups (open vs. filled symbols in Figure 

16a). The associations between δ11B and 87Sr/86Sr, and arsenic concentration (Figure 16b‐c) 

suggests that the boron isotopic composition in Willcox Basin groundwater is controlled by 

boron sources rather than processes in the aquifer. It seems that rain‐derived boron with higher 

δ11B (Vengosh and Spivack, 1999; Rose‐Koga et al., 2006) controls the composition of the less‐

evolved, low‐B groundwater in the granite or granitic‐derived basin‐fill materials. In contrast, 

the association of low δ11B with low 87Sr/86Sr (samples with δ11B < 5‰ are characterized by 

87Sr/86Sr < 0.715 and relatively low Ca/Na) ratios implies that rhyolite weathering affects boron 

isotope ratios.  

Page 109: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

84 

3.5.5.4 Radium and uranium 

The very low Ra activities are consistent with previous studies of the Willcox Basin, in 

which high Ra occurs only in the crystalline mountain blocks (Towne and Freark, 2001). Also, the 

radionuclide activities reported here are consistent with previously published results from 

another closed basin‐fill aquifer composed of granitic‐source sediment, the Carson River Basin in 

Nevada (Thomas et al., 1993). In that investigation, median 226Ra activity and 226Ra/238U activity 

ratio were similarly low as the Willcox Basin (4.4 mBq L‐1 and 0.026, respectively) and the basin 

exhibits a similar pH range (~6.5‐9.5) as the Willcox Basin. The elevated 228Ra/226Ra ratios 

throughout the basin (median 3.4), except for sample 16 at the basin center exhibiting 

228Ra/226Ra < 0.1 (Table 10), are also consistent with the higher mobility of U relative to Th or Ra 

because weathering‐derived 238U may be transported toward the center of the basin and thus 

not contribute by decay into the precursors of 226Ra. Long‐term transport of U to the center of 

the basin is also consistent with the U deposit hosted in lake bed deposits at the center of 

Willcox Basin and other alluvial basins in Arizona (Duncan and Spencer, 1993), locally 

contributing high U to groundwater in the center of the basin (Towne and Freark, 2001).  

In contrast to the relatively soluble nature of U, several co‐occurring mechanisms may 

remove Ra from water in the aquifer: (1) adsorption to Mn and Fe oxides (Ames et al., 1983c; 

Herczeg et al., 1988) and clays (Ames et al., 1983a); (2) coprecipitation of radium into barite in 

waters at or above barite saturation (Table 8; Grundl and Cape, 2006) ; and/or (3) processes that 

remove divalent cations including Ra2+ from solution (section 3.5.4). The pH‐dependent 

adsorption‐desorption behavior of Ra is essentially the opposite of As in oxic waters; Ra is 

inefficiently adsorbed at pH < 5 due to the positive surface charge of Mn oxides (e.g. Szabo et 

al., 2005). In the Willcox Basin, the high pH of the aquifer maintains negative surface charge on 

Page 110: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

85 

Mn and Fe oxides, which makes Ra2+ adsorption highly effective; thus, pH‐sensitive oxyanion 

desorption from Fe oxides (e.g. Robertson, 1989) corresponds with increasingly efficient Ra 

adsorption. The non‐overlapping, pH‐dependent nature of Ra and As(V) desorption implies that 

both elements should not co‐occur at high levels in oxic waters except in mineralized areas. 

Overall, the occurrence of all Ra isotopes (224Ra, 228Ra, 226Ra) in groundwater, including 

224Ra/228Ra broadly on the order of 1 in the basin‐fill aquifer (Table 10), is consistent with the 

concept that radium isotopes’ thorium parents are present on aquifer surfaces and radium is 

released by alpha recoil with rapid subsequent adsorption (Davidson and Dickson, 1986; Tricca 

et al., 2001). 

3.6 Conclusions 

Willcox Basin groundwater samples have been divided into two groups, trend 1 and 

trend 2, based primarily on 87Sr/86Sr variations. This provides a framework for assessing the 

relative contributions of low‐As (granitic) sediment sources and high‐As (volcanic) sources in 

imparting high arsenic concentrations to groundwater. Strontium isotope ratios record 

weathering sources from aquifer rocks with different 87Sr/86Sr ratios, but do not trace Sr (and Ca) 

removal processes. Sulfur isotopes record atmospheric sources, apparently modified in the 

central and western Willcox Basin by marine gypsum dissolution. Boron isotopes primarily trace 

atmospheric sources and weathering of volcanic‐source material during and after recharge. 

Thus, the consistent patterns between Sr, B, and S isotopes are largely attributable to water‐

rock interaction (B, S, Sr) and to some degree also meteoric sources (B, S) in which all three 

isotope signatures are acquired (Figure 19). Hydrogeochemical modification associated with 

high‐As, bicarbonate‐dominated waters in down‐gradient portions of the aquifer is apparently 

Page 111: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

86 

not recorded by Sr or S isotope variations but is recorded by the Ca/Na ratio. However, the 

Ca/Na ratio is also somewhat associated with inferred sediment source in the Willcox Basin, 

which complicates its use as a tracer of subsequent hydrochemical modification. Also, the 

combined use of Ra isotopes and U concentration is consistent with inferred oxyanion 

desorption behavior. The results of this study demonstrate that multiple tracers of water‐rock 

interaction can provide information on the relative contributions of the aquifer’s lithologic 

composition and hydrogeochemical processes to concentrations of oxyanion‐forming trace 

elements in groundwater in groundwater from alluvial basins. 87Sr/86Sr in particular could be a 

useful tracer for evaluating many alluvial basins in the southwestern United States (Figure 19), 

where highly radiogenic Proterozoic rocks, Paleozoic sedimentary rocks, and Tertiary‐

Quaternary volcanic rocks with distinct 87Sr/86Sr ratios contribute sediment to basin‐fill aquifers. 

These sediments impart elevated concentrations of As and other oxyanion‐forming trace 

elements and affect water quality in one of the most water‐scarce areas of the United States. 

Page 112: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

87 

 

 

 

Figure 19: Schematic cross‐section of a generalized alluvial basin (modified from Robertson, 1991) depicting influences on observed Sr, S, B, O, and H isotope ratios and the Ca/Na ratio. 

Page 113: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

88 

4. Radium and strontium isotopes in the Jordan sandstone (Minnesota, USA): Carbonate control of a sandstone aquifer 

4.1 Introduction 

Naturally‐occurring radionuclides in the uranium and thorium decay series can 

contribute excessive levels of radioactivity to some groundwater sources, including uranium, 

radium, and radon. Sandstone aquifers in particular can yield radium (Ra) isotope activities that 

exceed allowable drinking water levels, although the aquifer rocks themselves may exhibit 

unexceptional concentrations of U and Th (e.g. Lively et al., 1992; Szabo et al., 1997; Vengosh et 

al., 2009). This is generally interpreted to be the result of alpha recoil effects in which the 

thorium parents of radium are concentrated on mineral surfaces and radium is released to 

groundwater by alpha recoil (Table 11). This effect is balanced by rapid removal of radium, 

resulting in a distribution of radium that is retained to the solid phase under most 

hydrochemical conditions (Krishnaswami et al., 1982; Davidson and Dickson, 1986; Tricca et al., 

2001). Radium removal is influenced by pH, salinity, and redox effects. In a fresh, near‐neutral 

bicarbonate‐dominated aquifer (TDS < 1000 mg L‐1) with little variation in cation and anion 

composition, the effects of salinity and pH are negligible but redox conditions may significantly 

affect radium adsorption due to the redox‐sensitivity of Mn and Fe oxides, which adsorb radium 

if present (Szabo and Zapezca, 1987; Herczeg et al., 1988). 

Radium activity in groundwater in excess of the U.S. Environmental Protection Agency 

maximum contaminant level of 5 pCi L‐1 (185 mBq L‐1) combined 226Ra+228Ra activity is a well‐

documented regional groundwater problem in the Cambrian‐Ordovician sandstone and 

carbonate aquifer system of the midwestern United States, a major water resource for the 

Page 114: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

89 

region. Numerous potential sources and controls on radium have been suggested in previous 

regional studies: shale content and exchange site distribution (Weaver and Bahr, 1991), salinity 

(Horick and Steinhilber, 1978), uranium‐enriched carbonate units in multi‐aquifer wells (Jansen, 

1994), control by barite solubility (Grundl and Cape, 2006), and perturbation of the groundwater 

system by Pleistocene recharge events related to glacial melting (Gilkeson et al., 1983). 

However, these studies have not addressed the balance between radium source and removal 

mechanisms (alpha recoil vs. chemical release), nor has the use of short‐lived radium‐224 been 

applied to these problems.  

In this study, the problem of radium in an upper Cambrian sandstone aquifer is 

addressed by detailed hydrogeochemical investigation of drinking water wells and related 

aquifer solids. In contrast to previous studies that draw inferences from multi‐aquifer wells open 

to several Cambrian‐Ordovician carbonate and sandstone aquifers and confining units, this 

study focuses on a large number of single‐aquifer wells open specifically to the Jordan 

sandstone. The Jordan aquifer is a calcite‐ and dolomite‐cemented quartz sandstone with 

scattered tongue‐shaped bodies containing significant K‐feldspar (Runkel, 1994). Secondary 

porosity is associated with carbonate dissolution, especially in shallow bedrock settings (Runkel 

et al., 2003, 2006). The Jordan sandstone overlies the St. Lawrence confining unit, composed of 

shaly and dolomitic rocks, and is overlain by the Ordovician Prairie du Chien group, which 

contains crystalline and sandy dolomite (Table 12). In subcrop areas, the Jordan aquifer is 

overlain by up to 100 m of Pleistocene glacial clay, sand, and/or gravel deposits that locally form 

areas of favorable recharge or, especially in the west where Des Moines Lobe tills (Figure 20) 

constitute an effective confining unit (Runkel et al., 2003). As a highly productive, low‐salinity 

aquifer generally protected from surficial sources of contamination in the areas it is heavily 

Page 115: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

90 

used, the Jordan sandstone is a major water resource for southeastern Minnesota and 

northeastern Iowa, including the Minneapolis‐St. Paul metropolitan area (Horick and Steinhilber, 

1978; Runkel et al., 2003). Large variation of radium activities, especially radium‐226, has been 

documented in several Jordan aquifer groundwater wells (Lively et al., 1992) and some wells in 

the Minneapolis‐St. Paul metropolitan area exceed EPA limits for radium activity. However, the 

geographic extent of elevated radium levels in this aquifer was not well understood prior to this 

study.  

Table 11: Simplified 238U and 232Th decay series including nuclides discussed in this paper. 

Nuclide  Half‐life (yr)  Mode of decay 238U decay series    238U  4.47 x 109  α 234Pa  7.65 x 10‐4  β 234Th  0.091  β 234U  246,000  α 230Th  75,400  α 226Ra  1600  α 232Th decay series    232Th  1.41 x 1010  α 228Ra  5.75  β 228Ac  7.02 x 10‐4  β 228Th  1.91  α 224Ra  4.11 x 10‐4  α 

 

This objective of this research is to improve understanding of radium sources and 

removal mechanisms in a confined, anoxic quartz sandstone aquifer at near‐neutral pH in which 

Ra is known to occur both above and below the US drinking water standard of 185 mBq L‐1 

(4 pCi L‐1; Lively et al., 1992). In addition to these broadly applicable questions, this study 

addresses the vertical and geographic extent of elevated radium in the Jordan sandstone aquifer 

Page 116: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

91 

for obtaining water that complies with EPA drinking water regulations without chemical 

treatment. In addition, the detailed isotopic data obtained in this study (224Ra, 226Ra, 228Ra, 

87Sr/86Sr) are combined with large data sets collected by the Minnesota Department Health, 

Environmental Health Division. These data include stratigraphic and well depth information 

(Table 13), radium‐226 and radium‐228 activities, and tritium activities. Using this broad 

combination of groundwater data and analysis of the radionuclide content of selected aquifer 

solids, radium sources and dominant removal mechanisms in the aquifer are investigated.  

Table 12: Simplified list of hydrostratigraphic units discussed in this paper (modified from Mossler, 1990; Runkel et al., 2003). 

Series  Aquifer Name Confining 

unit Rock types 

Thickness (m) 

Abbreviation 

Drift    Sand, gravel Quaternary 

  Till  Silt, clay 0‐100  Q 

Galena   Limestone, 

dolomite, shale 55‐65  GAL 

  Decorah‐Platteville‐Glenwood 

Shale, carbonate 

10‐35  DPG 

St. Peter    Sandstone  40‐50  STP 

Ordovician 

Prairie du Chien 

  Dolomite and sandy dolomite 

45‐95  PDC 

Jordan    Sandstone  20‐40  JDN  

St. Lawrence Siltstone and silty dolomite 

15  STL 

Franconia‐Ironton‐Galesville 

 Sandstone  60‐65  FIG 

  Eau Claire  Shale  25‐35  ECR 

Cambrian 

Mt. Simon    Sandstone  45‐85  MTS 

Page 117: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

92 

 

Figure 20: Extent of Jordan‐Prairie du Chien aquifer system, confining units, and tritium activities in the Jordan aquifer and overlying Ordovician Prairie du Chien and St. Peter aquifers. Purple line represents extent of Prairie du Chien‐Jordan aquifer system derived from map data (Mossler and Book, 1984; Mossler and Bloomgren, 1990; Runkel, 1998; Mossler and Tipping, 2000; Mossler, 2001) or inferred from well 

logs. Tritium data are from published reports (Alexander and Alexander, 1989; Tipping, 1992, 1994; Wall and Regan, 1994; Zhang and Kanivetsky, 1996; Campion, 1997, 2002; Berg and Bradt, 2003; Petersen, 2005) and unpublished data from Minnesota Department of Health, Minnesota Geological Survey, and Minnesota 

Pollution Control Agency. Decorah confining unit extent is from Morey and Meints (2000); Des Moines till extent is from Hobbs and Goebel (1982).

Page 118: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

93 

4.2 Methods 

4.2.1 Sampling of groundwater  

Water samples were collected from drinking water wells after a period of pumping to 

ensure that the well’s internal volume was fully purged. In most cases, the wells sampled for this 

study are high‐capacity municipal drinking water wells (~4000 L min‐1) such that the well volume 

is replaced within minutes. Field chemical measurements (pH, temperature, conductivity, 

dissolved oxygen concentration) were determined using meters that were calibrated daily. 

Construction details and related geographic information systems data for these wells were 

obtained from the Minnesota Department of Health County Well Index (Table 13).  

4.2.2 Major and trace element concentrations 

Analysis of Ca, Mg, Na, Si, Sr, Ba, Fe, and Mn on filtered (<0.45 µm), acidifed water 

samples was performed by direct current plasma spectrometry, and K was analyzed by flame 

atomic absorption spectrometry. For these elements, analysis was calibrated by a multi‐element 

standard solution prepared from plasma‐grade single element standards. A subset of filtered, 

acidified water samples was analyzed for uranium concentrations by inductively coupled plasma 

mass spectrometry (ICP‐MS), calibrated using plasma‐grade uranium standard in a multi‐

element matrix solution. Major anion concentrations (Cl‐, NO3‐, and SO4

2‐) were analyzed by ion 

chromatrography. Bicarbonate concentrations were determined by titration of unfiltered water 

samples to pH 4.5. 

4.2.3 Strontium isotopes and tritium 

Samples were prepared for strontium isotope analysis by placing filtered water samples 

containing ~3 µg of Sr in Teflon vials and drying down on a hot plate in a laminar flow hood. 

Page 119: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

94 

After digestion in Optima HNO3, Sr was separated from samples using Eichrom SR‐B50‐S resin, 

loaded onto degassed Re filaments in a Ta solution, and analyzed for 87Sr/86Sr using a 

ThermoFisher TRITON thermal ionization mass spectrometer at Duke University. The long‐term 

average 87Sr/86Sr  value of NIST SRM 987 was 0.710245 ± 0.000010; 1σ, n=109). Tritium analysis 

of selected unfiltered water samples was performed at the University of Waterloo 

Environmental Isotope Laboratory by liquid scintillation counting subsequent to enrichment by 

electrolysis. This method has precision of approximately 0.8 tritium units (TU).  

4.2.4 Radium isotopes 

Radium isotopes were preconcentrated from unfiltered, 40 L water samples collected 

into polyethylene containers by slowly pumping samples through two sequential columns each 

containing 10 g (dry weight) of manganese oxide‐coated acrylic fibers. Sample containers were 

kept closed until processing and samples were processed the same day that they were collected. 

Quantitative extraction of Ra from these mostly anoxic water samples was monitored by 

analyzing 224Ra on the first and second columns and by comparison of selected samples with 

whole‐process replicates analyzed at the Minnesota Department of Health laboratory for 226Ra 

using EPA‐accepted standard methodology based on BaSO4 precipitation and gross alpha 

counting. 

Radium‐224 was analyzed using a delayed coincidence alpha counter. For samples with 

total alpha counts > 20 cpm, the majority of the samples in the study, activities were 

determined using total alpha counts corrected for 223Ra interference. For the samples of lower 

count rate, 220Rn coincidence counts were used to determine 224Ra activity. In all cases, 224Ra 

activities were decay‐corrected to the time of collection (Moore and Arnold, 1996; Garcia‐

Page 120: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

95 

Solsona et al., 2008). This system was calibrated at an efficiency matching firmly hand‐squeezed 

Mn oxide fibers. 226Ra was determined using a RAD7 radon‐in‐air monitor after sealing the Mn 

fibers in a glass tube, which was evacuated and incubated for three weeks prior to analysis (Kim 

et al., 2001). This was calibrated using a 226Ra solution (National Institute for Standards and 

Technology) that had been transferred onto Mn oxide fibers. 228Ra was quantified by gamma 

spectrometry using Canberra germanium detectors at Duke University using the 911 keV peak of 

228Ac analyzed on the Mn fibers compressed into a disc geometry 5 mm thick and 65 mm in 

diameter. The system was calibrated using three 232Th standards: DL‐1a uranium‐thorium ore 

standard (Canadian Certified Reference Materials Project), GSP‐2 (USGS), and a 232Th solution on 

compressed fibers, loaded in matching geometry. For 224Ra, error calculations follow the 

methods of Garcia‐Solsona et al. (2008); for 226Ra and 228Ra, standard methods of counting 

statistics and propagation of error were used (Eaton et al., 2005) including background count 

rate subtraction and correction for the fraction of radium on the second column of fibers. For 

radium isotope analyses, 2σ errors represent counting statistics only and do not include 

potential uncertainties associated with other factors such as varied counting geometry (228Ra) or 

moisture content variation (224Ra). 

4.2.5 Analysis of aquifer solids 

Cuttings from six wells were collected from the archive of the Minnesota Geological 

Survey. According to well records, these wells were constructed using cable tool methods 

without the addition of drilling mud. Selected samples were subjected to three analytical 

procedures. (1) 0.5 g of dried, crushed well cuttings were shaken in 25 mL of 1 N HCl for 16 

hours at room temperature (Hedley et al., 1982) to dissolve calcite and dolomite, plus other HCl‐

Page 121: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

96 

soluble phases such as metal oxides coating grain surfaces. These samples were centrifuged and 

the extracts analyzed for U and Th concentrations by ICP‐MS. (2) 34 mg of dry, crushed well 

cuttings were dissolved in a HF‐HNO3 solution (modified from Stewart et al., 2002) and 

underwent bulk chemical analysis for U and Th by ICP‐MS at Duke University, calibrated using 

nine internationally accepted rock standards. (3) Dry well cuttings were crushed, weighed, and 

sealed into polyethylene containers containing ~60 g of sediment. These were analyzed by 

gamma spectrometry for 238U using the 63 keV peak of 234Th corrected for self‐adsorption effects 

due to density differences (Gilmore, 2008), 226Ra (weighted average of the 352 keV peak of 214Pb 

and the 609 keV peak of 214Bi), and 228Ra (weighted average of the 911 keV peak of 228Ac and the 

583 keV peak of 208Tl) after an incubation period of at least three weeks. This analysis was 

calibrated with DL‐1a loaded in matching geometry and corrected for the background count 

rate.  

4.2.6 Supplemental data sources 

The maps presented in this study contain radium, barium, and tritium data from the 

Minnesota Department of Health’s Minnesota Drinking Water Information System using 

samples that could be identified as being collected from sample points prior to blending or 

treatment. Radium‐226 and radium‐228 data are averages of all available results for each well, 

generally with a reporting limit of 1 pCi L‐1 (37 mBq L‐1). Wells in which a majority of available 

results were below the reporting limit were plotted as zero. Barium data represent an average 

of all available results, giving preference to more recent ICP‐MS data where available. For 

tritium data, the most recent available result was used if not collected specifically for this study 

(Table 15).  

Page 122: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

97 

4.3 Results 

4.3.1 Major element chemistry and redox conditions 

Major element analysis of water samples indicates that Jordan aquifer groundwater 

exhibits a consistent Ca‐Mg‐bicarbonate composition with approximately a 3:2 Ca:Mg molar 

ratio. Concentrations of Na are uniformly lower than Ca and Mg; elevated concentrations of Na 

and Cl occur in a few settings where the Jordan aquifer is near the surface and/or heavily 

pumped (Table 14). In general, total dissolved solids increase to the south where the aquifer 

becomes deeper and more confined, and to the west where the aquifer subcrops beneath Des 

Moines Lobe tills. In most of the aquifer, conditions are essentially anoxic, indicated by low 

dissolved oxygen concentrations (<1 mg L‐1) and elevated concentrations of dissolved Fe and Mn 

(Table 14). Exceptions to this pattern of redox conditions are seen in subcropping or isolated 

bedrock bodies of Jordan aquifer (e.g. the Hastings and Shakopee areas of Figure 21; the 

Northeast Subcrop group; Table 14; and the eastern part of the Southern group such as well 

642018; Table 14). The relationship between hydrogeologic setting and groundwater residence 

time is illustrated along the cross‐section from east to west across the Jordan Aquifer (Figure 

21). The few oxic portions of the Jordan aquifer generally exhibit measurable tritium, as do 

several areas where the aquifer subcrops below sandy glacial sediments (e.g. the Shakopee and 

Hastings areas of Figure 21) and/or is heavily pumped in the Twin Cities Metropolitan Area (e.g. 

the Burnsville and Apple Valley areas of Figure 21). However, subcropping portions of the Jordan 

aquifer in the western part of the study area exhibit tritium activities below detection due to the 

presence of thick Des Moines Lobe tills in this area (Figure 20; e.g. the Chaska area of Figure 21), 

which create a barrier to modern recharge.  

Page 123: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

98 

4.3.2 Strontium 

Strontium concentrations (median 0.14 mg L‐1, range 0.05‐0.45 mg L‐1) and 87Sr/86Sr 

ratios (median 0.71136, range 0.70861‐0.71347) exhibit large variations within the study area 

(Table 15, Figure 22). The lowest concentrations of Sr were observed in areas where the aquifer 

subcrops and contains lower levels of dissolved solids derived from carbonate material. 

Strontium concentration is very well correlated with other alkaline earth metals Mg (Spearman 

rank coefficient ρ=0.75), Ca (ρ=0.79), and HCO3‐ (ρ=0.82), but not with Ba (ρ=0.34) or 226Ra (ρ = 

0.29). 87Sr/86Sr ratios exhibit large variations within the study area. The minimum ratio of 

0.708610 is located in the far southeastern portion of the study area, and the maximum value of 

0.713466 is in the Twin Cities metropolitan area (Table 13). In the Twin Cities metropolitan area, 

Sr concentration is correlated with 87Sr/86Sr to imply a mixture of two strontium sources: one 

source with low Sr concentration and radiogenic 87Sr/86Sr, a second source with high Sr 

concentration and nonradiogenic 87Sr/86Sr  (Figure 22). 

4.3.3 Barium, radium, and uranium 

4.3.3.1 Water samples 

Barium concentrations exhibit large variations within the study area, approximately two 

orders of magnitude (median 0.10 mg L‐1, range 0.001‐0.32 mg L‐1; Table 15), and exhibits 

geographic patterns that are distinct from other alkaline earth metals Mg, Ca, and Sr. Barium 

concentration is generally lowest in the subcrop areas of the aquifer (e.g. well 182655) and the 

western area (e.g. well 414034), and generally higher in the Twin Cities metropolitan area, but 

but not in the more deep, confined portions of the aquifer (e.g well 217550). Ba is not clearly 

associated with concentrations of Mg (ρ=0.29), Ca (ρ =0.33), or Sr (ρ =0.33). On the other hand, 

Ba concentration is much better correlated with its chemical analogue 226Ra (ρ = 0.59).  

Page 124: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

99 

 

Figure 21: Cross‐section along line A‐A’ (Figure 20) indicating hydrogeologic setting, open intervals (box lengths), tritium activities (in tritium units, indicated by box colors), 87Sr/86Sr (black numbers), and 226Ra activity in mBq L‐1 (red numbers). Heavy green line represents land surface elevation; city names are discussed in text. See Table 12 for hydrostratigraphic unit abbreviations.  

Page 125: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

100 

 

Figure 22: 87Sr/86Sr ratios in relation to 1/Sr, Sr/Ca, and Sr/Mg ratios and K concentration. Dashed line represents late Cambrian marine carbonates (McArthur et al., 2001). 

Radium‐226 activities occur over two orders of magnitude (median 85 mBq L‐1, range 

0.4‐418 mBq L‐1) while 224Ra and 228Ra activities are lower and less varied (median 47 mBq L‐1for 

both). High activities of 226Ra occur in a broad, continuous region that occupies the center of the 

Twin Cities Basin and a narrow north‐south belt south of the Twin Cities (Figure 23), whereas 

228Ra activities are far more consistent throughout the study area, so that 228Ra rarely exceeds 

226Ra. This results in 228Ra/226Ra activity ratios significantly below 1 in the high‐Ra area (median 

0.5 overall; Figure 24), and these ratios are lowest in the waters highest in Ra (Figure 25). 

Activities of 224Ra and its great‐grandparent 228Ra are similar in most samples, considering 

analytical uncertainty, resulting in 224Ra/228Ra averaging approximately 1 (median 1.0; Figure 25). 

Page 126: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

101 

In relationship to US Environmental Protection Agency drinking water standards, 27% of the 

wells sampled in the Jordan aquifer for this study would exceed the drinking water standard for 

radium of 185 mBq L‐1 (5 pCi L‐1) of combined 226Ra+228Ra activity without blending or treatment. 

In contrast to radium activities, uranium concentrations (median 0.4 µg L‐1, range <0.1‐6.3 µg L‐1) 

are far below the EPA drinking water standard (30 µg L‐1) throughout the primarily anoxic wells 

analyzed for U (Table 15).  

4.3.3.2 Aquifer solids 

Based on the gamma spectrometric analysis of bulk rock samples, 226Ra and 238U 

activities of aquifer solids vary within approximately one order of magnitude (226Ra 1.6‐

15.2 Bq kg‐1; 238U up to 15.2 Bq kg‐1; Table 16). Solid phase 228Ra activities are consistently low 

throughout the samples analyzed (median=2.7 Bq kg‐1), resulting in solid‐phase 228Ra/226Ra < 1 

(median=0.5; Figure 26a). Equivalent isotope activities calculated from ICP‐MS elemental 

analysis of bulk rock samples are broadly consistent with the gamma spectrometric analysis, also 

indicating low Th/U (inferred median 228Ra/226Ra activity ratio 0.3 in the subset of samples 

analyzed by ICP‐MS). Overall, the 1N HCl‐extractable U and Th concentrations indicate that 

approximately half of the radionuclide activities present in the bulk rock were easily extractable 

using a weak extraction method intended for calcite, dolomite, and other acid‐soluble minerals 

(Figure 26b). 

4.4 Discussion 

4.4.1 Groundwater residence time and evolution of dissolved solids 

Overall, within the study area, tritium is above the detection limit in the northeast 

subcrop areas, the isolated groundwater cells containing the Shakopee and Hastings wells, and 

Page 127: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

102 

heavily pumped areas of the Minneapolis‐St. Paul metropolitan areas where downward leakage 

has occurred (Figure 20; e.g. the Burnsville and Apple Valley areas of Figure 21). Due to the 

surficial nature of nitrate inputs and the more oxic conditions in near‐surface sections of the 

Jordan aquifer, elevated nitrate concentrations (Table 14) also indicate recent recharge and are 

broadly consistent with the pattern of tritium results. These areas of comparatively rapid 

recharge are in areas where bedrock confining units are absent and the aquifer underlies 

permeable glacial sediments. Beneath the Des Moines Lobe tills in the western portion of the 

study area and the Decorah shale confining unit in the southern portion of the study area,  

 

Figure 23: Map showing radium‐226 activities in Jordan Aquifer groundwater and locations of wells from which cuttings were analyzed.  

Page 128: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

103 

 

Figure 24: Map showing 228Ra/226Ra activity ratios of Jordan aquifer groundwater.  

tritium activities are generally below the reporting limit of 0.8 TU (Figure 20; e.g. Chaska in 

Figure 21, which indicates that little or no modern recharge later than ~1950 has recharged the 

aquifer in these areas. Beneath the Decorah shale confining unit in the southern portion of the 

study area (Figure 20), groundwater is substantially slower‐circulating, with widespread 

Pleistocene 14C model ages (Campion, 1997, 2002; Berg and Bradt, 2003). Overall, while the 

lowest radium activities are observed in subcrop areas with tritium‐bearing water, such as the 

northeastern portion of the study area, and the Shakopee and Hastings areas (Figure 21), there 

is not a clear relationship between radium activity and groundwater residence time because the  

Page 129: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

104 

 

 

 

 

Figure 25: Radium isotope activities (224Ra, 226Ra, 228Ra) plotted in relationship to each other. Line marked “MCL” indicates the EPA maximum contaminant level. 

 

Page 130: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

105 

 

Figure 26: Plots showing Ra and U isotope activities in aquifer solids and relationship between radium‐226 in wells analyzed for groundwater and solids. Groundwater radium‐226 data for well 151582 are from Lively et al. (1992). 

Page 131: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

106 

oldest waters, under the Decorah confining unit, also exhibit relatively low radium. In sum, 

elevated radium occurs in waters of intermediate or mixed groundwater residence time, which 

implies that radium does not significantly accumulate as water travels down hydraulic gradients. 

4.4.2 Strontium isotope insights on the carbonate phase 

Throughout the Jordan aquifer, fresh groundwater exhibits a consistent Ca‐Mg‐HCO3 

composition in which the molar Ca/Mg ratio is approximately 1.5 in all samples. This ratio is 

seen consistently in the Jordan aquifer and overlying Ordovician sandstone and carbonate 

aquifers in southeastern Minnesota (Tipping, 1994) in which both calcite and dolomite are 

present (Thomas, 1991). This indicates a combination of calcite and dolomite equilibria in the 

groundwater system where temperatures are approximately 10°C (median 10.1°C, range 8.0‐

12.9°C), a temperature at which calcite and dolomite solubilities are similar. In such situations 

where both calcite and dolomite are present, the Ca/Mg ratio of groundwater depends on the 

abundance of calcite and dolomite, temperature, and groundwater flow rate because both 

congruent and incongruent dissolution of both minerals are possible. However, given that 

Ca/Mg > 1, there must be net dissolution of both calcite and dolomite; congruent or incongruent 

dissolution of dolomite alone would result in Ca/Mg ≤ 1 (Freeze and Cherry, 1979). 

In the majority of the samples in this study, including the intensively sampled Twin Cities 

metropolitian area, a systematic variation in 87Sr/86Sr was observed with Sr composition (Figure 

22), which suggests that mixing relationships are seen between a low‐Sr source with high 

87Sr/86Sr and a high‐Sr source with low 87Sr/86Sr (e.g. Bullen et al., 1996; McNutt, 1999). In the 

Jordan aquifer, the 87Sr/86Sr ratio in groundwater (up to 0.71347; Figure 22) is significantly more 

radiogenic than latest Cambrian (~490 Ma) seawater (~0.7090; McArthur et al., 2001), which 

Page 132: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

107 

indicates that the Sr contributing to the present‐day groundwater system is terrestrially derived 

and that the carbonate is not of primary marine origin. In addition to Sr concentration, 87Sr/86Sr 

is well correlated with the Sr/Ca and Sr/Mg ratios (Figure 22), which implies that 87Sr/86Sr is 

influenced by carbonate mineral dissolution (Banner et al., 1994), and thus that the release of Sr 

from calcite and/or dolomite contributes significantly to the observed 87Sr/86Sr. However, there 

is a distinctive interruption of this carbonate‐linked pattern in the southern portion of the study 

area where the relationship between 87Sr/86Sr and 1/Sr, Sr/Ca, and Sr/Mg (Figure 22) diverges 

into two trends. One trend is the continuation of the correlation observed in the Twin Cities 

area indicating contribution of nonradiogenic Sr with high Sr/Ca and Sr/Mg, although offset 

toward lower values of 87Sr/86Sr. The divergent trend ends at low‐Sr, low‐Sr/Ca, low‐Mg/Ca 

waters with nonradiogenic 87Sr/86Sr near 0.709 (Figure 22).  

Several possible sources could contribute Sr of high 87Sr/86Sr to the aquifer. These 

include: (1) near‐surface radiogenic Sr related to the Precambian crystalline rock components of 

Quaternary glacial deposits (e.g. Franklyn et al., 1991; Vinson et al., 2010); (2) Sr derived from 

clay minerals interacting with the aquifer, which would exhibit significantly higher 87Sr/86Sr than 

primary carbonate (Stueber et al., 1987; Winter et al., 1995); (3) Sr from diagenetic dolomite, 

associated with high‐temperature fluids and exhibiting 87Sr/86Sr 0.710‐0.711 in Ordovician quartz 

sandstone in the Michigan Basin (Winter et al., 1995); and/or (4) depositional K‐feldspar that 

occurs in discontinuous bodies in the Jordan sandstone (Odom, 1975; Thomas, 1991; Runkel, 

1994), which with its high Rb/Sr ratio and Proterozoic age of crystallization would contribute 

radiogenic Sr to waters of sufficiently long residence time to weather feldspar. In the divergent 

trend in Figure 22, K is positively correlated with 87Sr/86Sr, consistent with K‐feldspar hydrolysis. 

However, in the majority of the data, low K concentration is associated with high 87Sr/86Sr which 

Page 133: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

108 

is inconsistent with contributions from K‐feldspar hydrolysis. Because the most radiogenic 

values of 87Sr/86Sr in the Jordan aquifer occur not in subcrop areas but in confined bedrock 

conditions in the southern part of the Twin Cities metropolitan area (Figure 21) where Paleozoic 

bedrock units, Superior lobe tills, and Des Moines Lobe tills are present in a complex pattern 

(Mossler, 1990; Hobbs et al., 1990) it is implied that proximity to glacial deposits alone is not the 

main control on 87Sr/86Sr. Overall, regardless of the geologic sources of radiogenic Sr, the 

presence of carbonate minerals, the greater solubility of carbonate minerals over feldspar, 

generally short groundwater residence time (tens to hundreds of years), and the relationships 

between Sr, Ca, and Mg (Figure 22) imply that the immediate reactive source of Sr to most 

Jordan aquifer waters is carbonate mineral dissolution, especially in the Twin Cities metropolitan 

area.  

4.4.3 The significance of 228Ra/226Ra  

The ratio between 228Ra and 226Ra is primarily considered to indicate Ra sources rather 

than Ra‐mobilizing mechanisms, and thus should be close to the 232Th/238U activity ratio of the 

aquifer rocks (Dickson, 1990; Szabo et al., 1997). In sandstone aquifer systems, some previous 

studies report median 228Ra/226Ra activity ratio near 1 (Dickson et al., 1987; Szabo et al., 1997, 

2005) due to the tendency of U and Th to co‐occur at similar concentrations in major silicate 

minerals, resulting in 232Th/238U activity ratio ≈1. On the other hand, carbonate aquifers are 

distinguished by 228Ra/226Ra < 1 (Moise et al., 2000; Sturchio et al., 2001) due to the greater 

affinity for U rather than Th in carbonate minerals. In the Jordan aquifer, 228Ra/226Ra ratios of 

both rocks (Figure 26d) and groundwater (Figure 25) exhibit a continuum between low Ra 

activity with 228Ra/226Ra ≈ 1 and high Ra activity with 228Ra/226Ra < 0.5. This similarity of 

Page 134: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

109 

228Ra/226Ra  ratios, and the general association of higher‐226Ra aquifer solids with higher‐226Ra 

groundwater (Figure 26c), imply that the U and Th content of the aquifer solids is a major 

influence on the distribution of Ra in the studied groundwater. The low, carbonate‐like 

228Ra/226Ra ratios in both groundwater and aquifer solids are consistent with an additional U‐

series radionuclide source to the aquifer beyond the detrital sandstone matrix alone. This 

implies that a past fluid flow event could have locally added uranium to the aquifer. Additional 

evidence that the low 228Ra/226Ra ratios reflect post‐depositional modification is seen in the 

relationship between 228Ra/226Ra and 87Sr/86Sr (Figure 27). This correlation (ρ= ‐0.54) implies that 

the lowest 228Ra/226Ra ratios, that is, the highest levels of radium in groundwater, are associated 

with radiogenic strontium sources ‐ those that are most separated from a depositional 

signature. This radiogenic Sr isotope signature, derived from carbonate (section 4.4.2), is 

associated with carbonate‐like 228Ra/226Ra activity ratios <1. The relationship between 87Sr/86Sr 

and 228Ra/226Ra also is consistent with the assumption that 228Ra/226Ra indicates Ra sources in 

this system. 

 

Figure 27: Relationship between 228Ra/226Ra and 87Sr/86Sr in Jordan aquifer groundwater. 

Page 135: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

110 

Low 228Ra/226Ra ratios are also seen in four major Cambrian‐Ordovician aquifers in the 

region: the Galena carbonate aquifer, the St. Peter quartz sandstone, the Prairie du Chien 

carbonate aquifer, and the Jordan sandstone (Figure 28). The quartz sandstone matrix in the St. 

Peter and Jordan aquifers seems to have little apparent radium contribution light of the similar 

levels of 226Ra and 228Ra in all four aquifers. In contrast to the four Cambrian‐Ordovician aquifers 

documented in Figure 28, the underlying Cambrian Mt. Simon aquifer exhibits 228Ra/226Ra 

generally ≥ 1 (Figure 28; Gilkeson et al., 1983; Lively et al., 1992). These data may imply that the 

poor correlations between 226Ra and 228Ra in previous studies of groundwater radium in Illinois 

(Gilkeson et al., 1983) and Wisconsin (Weaver and Bahr, 1991; Grundl and Cape, 2006) may be 

partially due to sampling from multi‐aquifer wells in those studies. The data presented here 

indicate that Ra sources are distinct between the upper and lower portions of the Cambrian‐

Ordovician aquifers. Similarly, Ra‐mobilizing processes may not be the same between the upper 

and lower parts of the system. 

4.4.4 Radium removal mechanisms 

4.4.4.1 Adsorption and redox conditions 

The most effective adsorption sites for radium include clay minerals, but also include 

Mn oxides, which are redox‐sensitive. Therefore, reducing conditions could increase observed 

levels of radium in groundwater (Szabo and Zapezca, 1987; Herczeg et al., 1988). Several wells 

exhibit measurable dissolved oxygen, all of which are low in radium. However, the large majority 

of the wells in this study are essentially anoxic and encompass a large range of radium activities. 

Overall, the anoxic, Fe‐ and Mn‐oxide reducing conditions in the Jordan aquifer make radium 

adsorption less efficient than oxic conditions, but the large differences observed in radium 

Page 136: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

111 

activities between wells of similar anoxic, high‐Fe conditions is probably due to differences in 

radium supply from the aquifer solids. 

 

Figure 28: Radium‐226 versus radium‐228 in regional Cambrian‐Ordovician aquifers. Data were obtained from this study, Lively et al. (1992), and the Minnesota Drinking Water 

Information System database, with other sources noted in figures. Prairie du Chien‐Jordan multi‐aquifer wells are plotted with the Prairie du Chien aquifer; some Mt. Simon aquifer 

wells include underlying Proterozoic sandstone aquifers. 

4.4.4.2 Coprecipitation into barite 

Precipitation of barite (BaSO4) in groundwater systems may be a significant radium 

removal mechanism in waters at or above barite saturation (Martin and Akber, 1999; Grundl 

and Cape, 2006) unless prevented by sulfate‐reducing conditions (Bolze et al., 1974; Martin et 

al., 2003). Coprecipitation into barite has been invoked as a major control on radium in the 

Page 137: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

112 

Cambrian‐Ordovician aquifer system (Grundl and Cape, 2006) and has been directly observed 

due to mixing in the boreholes of multi‐aquifer wells in Illinois (Gilkeson et al., 1983). Conditions 

in the aquifer system seem to favor barite precipitation as a regionally significant mechanism: 

(1) Low groundwater temperature (~10 °C) results in very low barite solubility. Calculations 

using the PHREEQC code indicate that BaSO4 has solubility product of 10‐10.27 in dilute water at 

10°C;  (2) On average, the Jordan aquifer is saturated with respect to barite (median saturation 

index ‐0.06, range ‐2.7 to 0.8); and (3) Sulfate reduction is not effective enough to compete with 

barite precipitation. The high iron concentrations in anoxic waters (Table 14) imply that sulfate 

reduction is ineffective due to the strong affinity of Fe2+ for sulfide, and one δ34S analysis of 

sulfate is consistent with sulfide oxidation rather than sulfate reduction (‐7.8 ‰ for sample 

716426; analysis provided by B. Mayer, University of Calgary).  

It has been inferred that a constant Ra/Ba molar ratio of ~1.2 x 10‐8 indicates control of 

aqueous radium by barite solubility in the Cambrian‐Ordovician regional aquifer (Grundl and 

Cape, 2006). However, the constancy of this ratio would only hold significance if barite 

dissolution is the major source of radium to water, in which case it would be related to the 

Ra/Ba ratio of the barite solids. During radium removal by barite, the aqueous Ra/Ba ratio would 

also be influenced by the rate of Ra supply from recoil and would not be expected to be 

constant throughout an aquifer. In a system at chemical equilibrium with respect to barite, the 

Ra/Ba ratio of barite and groundwater should reach a stable value governed by the partition 

coefficient in which the Ra/Ba ratio of the barite is 1.8 times the Ra/Ba ratio of the water (Zhu, 

2004a). This last scenario is most realistic for an aquifer with stable chemical conditions such as 

the Jordan aquifer. Because the solid‐phase Ra source varies within the Jordan aquifer according 

to variations in U and Th concentrations (Figure 26), the Ra/Ba ratio at chemical equilibrium 

Page 138: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

113 

would be expected to vary with the U(Ra) content of the aquifer solids and thus would vary 

throughout the aquifer.  

Ra and Ba concentrations are reasonably well correlated (ρ = 0.59) in the Jordan aquifer 

(Figure 29), which implies that they experience similar removal mechanisms. The median value 

of the Ra/Ba molar ratio in the Jordan aquifer is 1.26 x 10‐8, similar to the observed ratio of 

Grundl and Cape (2006). Also, it is evident that a small number of wells (labeled in Figure 29 and 

including well 200664) exhibit significantly higher Ra/Ba (Figure 29). In addition to the high 

aqueous Ra/Ba in well 200664, analysis of aquifer solids from that well indicates anomalously 

high radium in water relative to the measured 238U and 226Ra activities in the rock (Figure 26). 

Thus, this outlying group represents wells where chemical removal of radium is less effective, 

similar to the suggestions of Grundl and Cape (2006) for wells with anomalously high Ra/Ba.  

4.4.4.3 Sources of barium to the Jordan aquifer 

As with radium, geographic variability of barium concentrations indicates regional 

variation of source and/or removal mechanisms. However, unlike radium, barium undergoes no 

alpha recoil so that geochemical mechanisms alone, that is, barite equilibrium, would explain 

groundwater barium concentrations (Underwood et al., 2009). A distinct zone of low Ra, high Ba 

(low Ra/Ba ratio) can be seen at the western edge of the Twin Cities metropolitan area, and a 

small area of high Ra, low Ba (high Ra/Ba ratio) can be seen at the eastern edge (Figure 30). 

Potential geologic sources of Ba could include downward leakage from Quaternary glacial 

deposits, feldspar weathering, or other unidentified sources. While the highest concentrations 

of barium in Minnesota are seen in Pleistocene glacial aquifers (Minnesota Pollution Control 

Agency, GWMAP data set), correlations were not observed in this study that would provide clear 

Page 139: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

114 

support for downward leakage of high‐Ba water from Pleistocene aquifers. For example, 

groundwater concentrations of barium in the bedrock aquifers are not highest near the bedrock 

surface, but are vertically consistent throughout the Jordan aquifer and overlying Ordovician 

formations. Primarily, variation of barium within the bedrock aquifers is geographic rather than 

vertical (Figure 30). Overall, these results suggest that the barium source is independent of 

radium, but in the large area where elevated Ba and Ra coincide, Ra levels are retarded relative 

to the area where Ba concentrations are much lower and the barite removal process is less 

significant (e.g. well 200664; Figure 26). 

 

Figure 29: Plot of Ba vs. Ra molar concentration. Wells with anomalously high Ba/Ba are labeled by their unique numbers. 

Page 140: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

115 

 

Figure 30: Inset maps across the central Twin Cities metropolitan area, where radium concentrations are higher, showing 226Ra (top), Ba concentration (middle), and Ra/Ba ratio (bottom). Data are from samples in the Jordan sandstone aquifer and overlying Ordovician Prairie du Chien and St. Peter aquifers. Dashed lines represent inferred breaks from low to high concentrations of Ra and Ba. Note that the geographic patterns of Ra and Ba do not 

exactly coincide. 

Page 141: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

116 

4.4.5 Relationship to alpha recoil models of Ra isotopes in groundwater 

Models of Ra mobility in groundwater describe a balance between Ra sources and 

removal mechanisms for individual Ra isotopes of different half‐lives (Krishnaswami et al., 

1982). As used to develop retardation and distribution coefficients, these models do not 

explicitly address salinity, redox, or coprecipitation phenomena but instead use a ratio of the 

inferred Ra supply rate to the Ra removal rate to describe the overall effects of hydrochemical 

processes on Ra mobility (Krishnaswami et al., 1982; Copenhaver et al., 1993; Sturchio et al., 

2001). The good agreement between absolute 226Ra activity of water and rocks and 228Ra/226Ra 

ratios of both water and rocks (Figure 26d) implies that recoil from the aquifer rocks is a primary 

control on observed Ra levels in the groundwater. Moreover, the solid‐phase 226Ra, 228Ra, and 

228Ra/226Ra ≈ 1 in the low‐Ra areas of the aquifer (well 161435; Table 15) are consistent with the 

U and Th content of quartz sands (Murray and Adams, 1958; Rogers and Richardson, 1964), and 

the lower values of 228Ra/226Ra in the high‐Ra areas implies that U is the major radionuclide 

source and is related to a secondary enrichment and not the detrital minerals. Thus, a model of 

recoil could focus on the entire rock as the general source of Ra, or on the carbonate cement 

phase itself as a specific Ra source. 

The detailed radionucide analyses of aquifer solids from a range of Ra levels in 

groundwaters allows calculation of the dimensionless distribution coefficient K for either 

situation, which is an expression of the removal effectiveness of radium relative to its supply 

rate. Petrographic analysis of Jordan sandstone samples (Thomas, 1991) indicates that, on 

average, 69% of the rock is primary or secondary quartz, 21% is open porosity (φ), and 10% is  

occupied by carbonate cement (χcement). K is defined by the expression: 

Page 142: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

117 

 

in which Cd is the radionuclide activity of the solids (activity/mass), C is the radionuclide activity 

of groundwater (activity/volume), ρs is the density of the solid (2.5 g cm‐3), and φ is porosity 

(0.21; equation from Krishnaswami et al., 1982). Solving this using the data for the Jordan 

aquifer in the six wells where both solids and groundwater were analyzed, K has a median value 

of 550 and ranges from 150 to 920 in the Jordan aquifer when the whole rock is treated as the 

source of radioactivity (Table 16). This is consistent with anoxic sedimentary aquifers 

(Copenhaver et al., 1993) but lower than oxic aquifers by perhaps one order of magnitude (e.g. 

Krishnaswami et al., 1982), possibly reflecting the relative inefficiency of Ra adsorption under 

reducing conditions (Copenhaver et al., 1993). If the quartz sandstone matrix is neglected as 

inert and the Ra‐enriched carbonate cement is treated as the primary radioactivity source (here 

φcement = φ/(φ+ χcement)=0.68), and recalculating Cd based on the radionuclides being 

concentrated in only 10% of the rock (χcement), median K would increase to 2200 (range 1200‐

4300), still within the previously reported range of K values for fresh, anoxic carbonate aquifers 

in the midwestern USA (Sturchio et al., 2001). However, the second model would require 

carbonate‐phase U and Ra activities up to 150 Bq kg‐1, which may be unrealistic. Overall, these 

calculations illustrate that the inferred location and nature of the radionuclide source within the 

aquifer source affects the extent of radium retardation contemplated by calculated K values by 

about a factor of 5; however, both models produce reasonable estimates of adsorption behavior 

for anoxic systems. 

(2)

Page 143: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

118 

4.4.6 Timing of U addition to aquifer solids 

Isotopic evidence including solid‐phase 228Ra/226Ra and groundwater 87Sr/86Sr suggests 

that Ra enrichment in the Jordan aquifer and overlying Ordovician aquifers is related to an input 

of U to the carbonate phase rather than being driven by the U and Th present in the sandstone 

detrital material. The principles of U‐series disequilibrium allow evaluation of whether this 

variation in solid‐phase uranium and groundwater 226Ra occurred due to Pleistocene glaciation, 

which substantially altered the physical and hydrochemical makeup of the Paleozoic aquifers of 

Minnesota by inducing significant regional increases in recharge, transporting reactive minerals 

to the region (e.g. metal sulfides in till deposits), and depositing overlying drift aquifers and till 

confining units (Siegel, 1989, 1991; Person et al., 2007; Grasby et al., 2010). Where the Jordan 

aquifer today subcrops below glacial deposits and exhibits anoxic, tritium‐free characteristics, 

for example, the aquifer may have been oxic and rapidly recharged in the presence of glacial 

meltwater. This might be expected to significantly affect the uranium chemistry of the aquifer, 

either by introducing U from the surface or by leaching U from the aquifer.  

In the case of U deposition at an expected initial 234U/238U value near 1 (e.g. Osmond 

and Cowart, 1992), ingrowth of 226Ra’s parent 230Th would be governed by the 75 kyr half‐life of 

230Th. Thus, if U were added during Pleistocene recharge, one would expect solid‐phase 

226Ra/238U < 1 (Levinson et al., 1984). On the other hand, if U were removed by oxidizing fluids 

during the Pleistocene, one would expect solid‐phase 226Ra/238U > 1 because 226Ra would be in 

transient equilibrium with the relatively insoluble 230Th and its decay would be governed by the 

75 kyr half‐life of 230Th rather than the 1600 yr half‐life of 226Ra. Gamma spectrometric analysis 

of crushed rock samples from the Jordan aquifer indicates 226Ra/238U ≈ 1 (Figure 26e) and thus 

implies that 226Ra and 238U are at or near secular equilibrium in the aquifer. Although 234U and 

Page 144: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

119 

230Th, the longest‐lived intermediates between 238U and 226Ra (Table 11), were not measured for 

this study, it is apparent that 238U through 226Ra are at or near secular equilibrium: (1) 226Ra and 

230Th are at or near secular equilibrium, governed by the 1600 yr half‐life of 226Ra, because the 

Holocene (>5 half‐lives of 226Ra) has been more hydrologically stable than the Pleistocene; (2) 

Although apparent equilibrium between 226Ra and 238U could be caused by initial 234U/238U >1, 

perhaps introduced by glacial recharge that had interacted with freshly crushed rock or been 

forced through shale confining units (Gilkeson and Cowart, 1982; Gilkeson et al., 1983; Osmond 

and Cowart, 1992), it is not apparent that uranium with initial 234U/238U > 1 was introduced to 

the Jordan aquifer in Minnesota. Three lines of evidence support initial 234U/238U ≈ 1 in Jordan 

aquifer solids in Minnesota: (a) aqueous 234U/238U slightly above 1 (median 2.0) in anoxic Jordan 

aquifer samples from Minnesota (Lively et al., 1992) implies, considering alpha recoil effects into 

anoxic waters (Osmond and Cowart, 1992), that the solids themselves exhibit 234U/238U ≈ 1; (b) 

Ordovician carbonate aquifer solids from Wisconsin exhibit 234U/238U ≈ 1 (Aument, 1989); and (c) 

Pleistocene speleothems in Ordovician carbonate formations of southeastern Minnesota exhibit 

234U/238U ≈ 1 (Lively, 1983). The interpretation presented here may not be broadly applicable to 

the entire regional aquifer system; anomalous values of 234U/238U > 20 occur in deep, confined, 

anoxic groundwater in Minnesota (Lively et al., 1992), Iowa (Siegel, 1989), and Illinois (Gilkeson 

et al., 1983). These high ratios are difficult to explain by recoil‐adsorption behavior alone and 

could signal initial solid‐phase 234U/238U > 1, perhaps during glacially‐induced recharge (Gilkeson 

et al., 1983). In Minnesota, however, these ratios are limited to the underlying Mt. Simon‐

Hinckley aquifer and were not documented in limited sampling of the Jordan aquifer, primarily 

in areas where the aquifer is not overlain by shale confining units (Lively et al., 1992). 226Ra‐238U 

secular equilibrium implies a minimum U enrichment age of ~350 ka (5 half‐lives of 230Th; 

Page 145: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

120 

Ivanovich et al., 1992) in the areas from which solids were sampled. In addition to a lack of 

evidence consistent with a Pleistocene source of radionuclides, there is also no compelling 

evidence suggesting that barium from Pleistocene till deposits influences radium removal 

processes within the geographic area of this study. Uranium may be have been added to the 

aquifer by older fluid flow events not identified during this study (e.g. Winter and Johnson, 

1995) to explain the observed order‐of‐magnitude variations of 226Ra activity and 228Ra/226Ra . 

4.5 Conclusions 

The findings of this study demonstrate that the carbonate cement phase can be a 

significant source of radium precursors in quartz sandstones, in addition to the U and Th present 

in the detrital grains themselves, and that barite coprecipitation is a significant hydrochemical 

control on Ra activities in groundwater in general agreement with the findings of Grundl and 

Cape (2006). Also, in the anoxic conditions of the Jordan aquifer, redox effects on Ra adsorption 

sites are probably important limiting factors, facilitating high levels of groundwater radium 

relative to the solid phase by making radium adsorption less effective. The low, carbonate‐like 

228Ra/226Ra values <1 in four Cambrian‐Ordovician sandstone and carbonate aquifers imply that 

a regional U mobilization event has affected the aquifer system; the similarity of 228Ra/226Ra 

ratios between solids and water samples implies that the solid‐phase radionuclides are the 

source of waterborne radium. Apparent secular equilibrium between 226Ra and 238U on the 

aquifer solids suggests that the addition of U to the carbonate cement occurred before ~350 ka; 

extreme disequlibrium between 226Ra and 238U in water samples is controlled by redox 

conditions rather than the isotopic composition of the aquifer solids due to the different 

geochemical behavior of U‐ and Th‐series nuclides. Except for this minimum age estimate for the 

Page 146: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

121 

U addition to the system, no specific depositional or diagenetic control was identified to explain 

the variation in radionuclide levels within the study area. Likewise, the source of the similar but 

not identical geographic distribution of barium, which affects radium mobility, was not 

specifically identified. These results demonstrate that cements can contain regionally significant 

enrichments of naturally‐occurring trace elements of water quality concern in the Paleozoic 

aquifers of the midwestern United States. Similar results have been documented in the case of 

high‐arsenic sulfide cement in Ordovician sandstone aquifers in Wisconsin (Schreiber et al., 

2000; Thornburg and Sahai, 2004). 

 

Page 147: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

122 

Table 13: Names and well construction information for the wells sampled in this study. Six‐digit well identifiers are unique identifiers in the Minnesota Department of Health County 

Well Index (http://www.health.state.mn.us/divs/eh/cwi/). Samples with dates not listed are unfiltered, unpreserved supplemental water samples analyzed for anions and 87Sr/86Sr only.  

Well Name Sampling Date 

Unique ID 

Wellhead (m) 

Depth to bedrock (m) 

Top of open interval (m) 

Bottom of open interval (m) 

Hastings Group             Hastings 4    207993 264 17 96  122Hastings 7  16 May 2008 509053 239 18 63  87Northeast Subcrop Group             Wilder 5  05 May 2009 182655 302 36 52  61ISD 831    208548 317 49 62  105Lakamaga 12  05 May 2009 687180 291 52 53  67Southern Group             St. Clair 1  13 Jan 2009 132254 301 73 94  122Medford 2  29 Jul 2009 147951 339 33 153  176Randolph 1  12 May 2008 161402 270 15 79  109Carleton College 2  12 May 2008 171005 283 1 86  108Sakatah Lake SP 1  16 Jul 2009 213638 330 66 128  155Kingdom Hall  06 Apr 2010 216520 301 20 114  130Mantorville 2  04 May 2010 217550 369 20 204  229Zumbrota 3  29 Jul 2009 228317 315 18 111  146Kenyon 1  05 Sep 2008 228324 351 14 177  201Cannon River Scout Camp  14 May 2008 228331 304 6 139  150Cannon Falls 3  05 Sep 2008 433273 258 2 91  120Morristown 2  15 May 2008 463537 319 35 124  149Rice Co. Recycling Center  06 Apr 2010 466198 334 4 136  147Waterville 3  29 Jul 2009 516045 317 37 159  185Faribault 6  29 Jul 2009 541549 299 16 100  123Medford 4  29 Jul 2009 541775 346 22 78  144Northfield 5  12 May 2008 559422 294 13 87  112Rochester 36    601336 319 24 121  146Zumbro Falls 4  29 Jul 2009 642018 299 6 73  103Gopher Hills Golf Course  14 May 2008 697770 288 4 109  116Rochester 38    698933 323 17 114  143Faribault 7  16 Jul 2009 716426 296 10 95  127Rochester 39    733087 314 15 111  140Dundas 2  12 May 2008 743063 337 6 130  158Hwy 76 Spring  02 Aug 2009 spring         Twin Cities Metropolitan Group           Eagan 5  16 May 2008 112234 291 71 124  153 Burnsville 13  04 Sep 2008 112235 265 47 99  124 Burnsville 10  13 May 2008 127259 262 26 91  118 Apple Valley 6  15 Jul 2009 127263 303 15 130  155 Bloomington 4  29 Apr 2010 133389 254 86 86  115 Apple Valley 9  02 Sep 2008 151561 310 24 131  157 MNPCA  12 May 2009 151590 235 58 94  116 Inver Grove Hts 5  14 May 2008 165640 270 54 109  138 Empire Twp 2  29 Jul 2009 171018 282 32 109  140

Page 148: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

123 

Well Name Sampling Date 

Unique ID 

Wellhead (m) 

Depth to bedrock (m) 

Top of open interval (m) 

Bottom of open interval (m) 

UM Entymology Fisheries  01 May 2009 200160 298 49 157  183 South St. Paul 6  15 May 2008 200664 273 15 122  148 South St. Paul 3  15 May 2008 200665 228 10 74  104 South St. Paul 1  16 May 2008 200674 259 12 98  123 Edina 13  30 Apr 2009 203613 289 32 131  151 Minnetonka 3  14 May 2009 204470 278 36 120  142 Plymouth 1  14 May 2009 204617 299 43 135  154 Orono 1  09 Jul 2009 205627 297 80 96  118 ISD 623  01 May 2009 205789 291 40 141  157 Apple Valley 3  02 Sep 2008 205812 317 37 146  179 Apple Valley 2  02 Sep 2008 205825 298 22 132  162 Burnsville 8  30 Mar 2010 206172 255 34 83  109 Edina 11  30 Apr 2009 206183 253 55 98  123 Richfield 1  30 Apr 2009 206353 255 61 105  134 Long Lake 2    206933 295 48 112  137 Lakeville 3  05 Sep 2008 207727 291 37 111  141 St. Louis Park 15  23 Jul 2009 215447 284 31 122  154 Eagan 4  16 May 2008 235373 263 89 103  127 Farmington 4    235586 283 24 114  146 Lake Auburn Camp Entry  21 Jul 2009 414034 302 87 89  102 Shakopee 7  04 Sep 2008 415975 231 2 44  67 Burnsville 16  13 May 2008 420992 311 45 142  173 Lakeville 8  13 May 2008 433296 335 76 160  188 Private well  21 Jul 2009 453886 300 64 94  102 Inver Grove Hts 7  06 May 2009 463527 289 49 128  157 Brooklyn Center 10    468118 259 31 76  98 Lexington Riverside 2  16 May 2008 519954 243 1 102  125 Greenfield‐Town Hall 1  21 Jul 2009 583308 304 72 73  74 Bloomington 5  15 Jul 2009 603079 257 87 94  124 Eagan 20  04 Sep 2008 626784 270 103 117  153 Shakopee 13  04 Sep 2008 674456 273 32 78  103 Chaska 9  04 May 2009 677176 276 61 69  102 Science Museum of Minn  12 May 2009 705735 217 14 74  92 Webster 3 (west)  16 Jul 2009 725107 336 70 105  131 Medina‐Hamel 6  14 May 2009 747666 309 70 95  116 Rosemount 15  15 Jul 2009 753663 294 44 119  149 Medina‐Hamel 7  09 Jul 2009 759809 311 57 95  124

Page 149: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

124 

Table 14: Major element chemistry and saturation index values (SI) of Jordan aquifer water samples.  

Unique ID  pH  O2  T (°C)  Ca Mg Na Fe Mn K Si Cl NO3‐ as NO3

‐  SO42‐ HCO3

‐ Calcite SI Dolomite SI Barite SI

Hastings Group                       207993                        13.36  41.3        509053  7.65  3.3  11.4  76.5 26.6 17.4 0.02 0.01 1.2 7.4 32.8 21.81  31.4 278 0.29 0.27 ‐0.20Northeast Subcrop Group                   182655  7.43  1.3  9.8  48.8 18.2 4.2 0.02 0.00 1.3 8.1 3.8 1.51  7.5 223 ‐0.19 ‐0.70 ‐1.65208548                        7.44  4.0        687180  7.98  0.8  11.8  29.6 11.3 4.6 1.23 0.03 1.8 5.3 1.0 0.41  0.1 168 0.07 ‐0.12 ‐2.73Southern Group                       147951  7.02  0.2  9.6  117.4 33.5 27.7 0.80 0.05 3.4 5.3 0.8 1.77  60.7 520 0.04 ‐0.34 0.11161402  7.41    9.7  56.3 22.7 2.9 0.28 0.04 1.3 5.1 0.9 0.04  21.6 259 ‐0.11 ‐0.50 ‐0.43171005  7.33    10.1  92.5 28.4 6.1 1.09 0.06 2.3 5.3 1.3 0.06  17.8 424 0.21 0.02 ‐0.07213638  7.12  0.1  12.2  109.2 35.1 13.5 2.60 0.05 3.1 6.4 1.0 0.25  51.3 503 0.14 ‐0.04 0.06216520  7.06  0.2  9.5  87.7 30.9 10.5 1.05 0.05 3.6 6.9 1.5 0.06  10.3 466 ‐0.05 ‐0.45 0.02217550  7.19  0.4  10.4  68.2 23.9 3.4 0.29 0.01 1.6 4.0 0.8 0.07  27.8 322 ‐0.16 ‐0.64 ‐0.10228317  7.16  0.2  9.4  78.8 23.6 4.5 0.57 0.05 1.2 5.6 5.5 0.06  30.5 324 ‐0.14 ‐0.70 0.06228324  7.30  <0.1  11.3  68.9 21.2 4.0 0.23 0.03 3.2 3.3 4.1 1.29  58.0 270 ‐0.11 ‐0.59 ‐0.02228331  7.77  0.7  8.3  76.3 25.7 3.7 0.35 0.08 1.1 5.2 0.8 0.11  30.0 338 0.45 0.51 ‐0.14433273  7.56  0.0  10.5  49.4 18.5 2.9 0.24 0.03 1.2 4.9 4.5 1.29  25.7 227 ‐0.05 ‐0.40 ‐0.44463537  7.21  1.6  9.9  105.1 30.7 22.8 1.09 0.06 3.2 5.8 1.4 <0.01  43.3 475 0.17 ‐0.08 0.35466198  7.68  1.9  10.6  80.8 26.0 3.9 0.05 0.07 1.4 6.2 1.6 0.04  15.3 357 0.44 0.53 ‐0.01516045  7.26  0.2  9.8  92.5 28.5 21.2 0.61 0.04 2.8 6.1 1.1 0.08  46.0 422 0.12 ‐0.16 0.09541549  7.07  0.7  10.2  119.5 34.4 14.1 0.86 0.05 2.7 5.5 5.2 0.10  54.6 433 0.04 ‐0.33 0.55541775  7.12  0.3  10.8  111.1 31.6 20.5 1.39 0.05 4.2 5.2 1.0 0.10  24.1 521 0.15 ‐0.11 ‐0.06559422  7.43    9.5  82.5 31.0 3.6 0.07 0.08 1.3 5.9 5.8 0.72  35.6 360 0.18 0.05 ‐0.28601336                        0.02  18.6        642018  7.42  9.3  11.0  63.0 24.9 2.7 0.03 <0.01 0.8 7.1 3.4 7.81  8.6 318 0.05 ‐0.16 ‐0.73697770  7.89  0.5  10.4  44.0 17.1 2.4 1.22 0.05 0.7 5.3 0.7 <0.01  16.2 207 0.19 0.10 ‐0.70698933                        0.02  29.3        716426  7.15  0.2  10.9  96.6 29.0 17.7 0.79 0.05 2.7 5.6 13.6 0.15  48.0 405 0.10 ‐0.22 0.81733087                        0.86  33.2        743063  7.24    9.5  71.5 24.5 2.4 0.92 0.04 1.2 5.9 1.0 0.07  21.5 347 ‐0.07 ‐0.49 ‐0.25

Page 150: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

125 

Unique ID  pH  O2  T (°C)  Ca Mg Na Fe Mn K Si Cl NO3‐ as NO3

‐  SO42‐ HCO3

‐ Calcite SI Dolomite SI Barite SISpring    11.2  9.2  60.0 27.1 4.0 0.03 <0.01 0.7 6.8 7.6 18.69  6.4 301      Twin Cities Metropolitan Group                 112234  7.45  0.4  10.0  73.8 28.5 3.5 0.08 0.10 1.1 6.3 5.9 0.06  22.1 359 0.17 0.04 ‐0.29112235  7.32  <0.1  10.1  80.3 29.1 5.3 0.31 0.06 2.0 5.8 15.0 1.30  21.6 369 0.08 ‐0.15 0.34127259  7.01    10.2  70.3 25.2 3.5 0.26 0.08 2.2 5.3 5.0 <0.01  18.7 346 ‐0.30 ‐0.91 0.03127263  7.33  0.4  10.1  73.4 24.2 6.7 0.41 0.07 1.8 6.3 13.4 0.05  20.7 323 0.01 ‐0.34 0.26133389  7.26  0.1  9.9  80.4 31.9 6.4 2.36 0.07 2.8 9.3 17.7 0.05  9.4 406 0.06 ‐0.17 0.08151561  7.33  <0.1  10.2  85.9 30.1 9.8 0.53 0.07 1.7 6.6 28.5 <0.01  37.5 345 0.09 ‐0.16 0.40151590  7.62  0.1  12.8  50.8 18.9 4.2 2.58 0.18 2.1 4.8 1.5 0.28  4.2 281 0.15 0.03 ‐1.12165640  7.56  0.8  10.0  81.7 29.3 6.6 0.06 0.25 1.5 6.3 17.9 1.68  21.1 354 0.31 0.30 0.42171018  7.52  0.1  9.2  62.1 21.7 3.2 0.53 0.06 1.7 5.9 0.9 0.09  8.9 304 0.10 ‐0.15 ‐0.23200160  7.36  0.1  10.5  51.3 18.3 5.6 0.29 0.05 1.9 6.7 2.1 0.45  1.9 282 ‐0.14 ‐0.59 ‐1.12200664  7.62  1.3  10.2  61.4 22.6 4.1 0.29 0.04 1.6 5.3 1.0 <0.01  8.9 323 0.24 0.16 ‐0.36200665  7.53  1.2  10.6  64.2 25.6 4.7 0.27 0.05 2.9 4.9 2.1 0.11  11.8 300 0.14 0.01 ‐0.23200674  7.61  0.4  10.5  72.2 25.9 5.6 0.35 0.06 2.1 5.9 6.8 0.07  16.0 335 0.30 0.29 ‐0.06203613  7.17  0.2  10.1  82.8 30.7 15.5 0.71 0.05 2.1 7.7 37.6 0.27  19.2 361 ‐0.07 ‐0.45 0.14204470  7.30  0.2  9.7  68.3 27.2 12.5 0.29 0.18 2.4 8.0 2.5 0.32  6.8 393 0.03 ‐0.24 ‐0.42204617  7.39  0.1  9.7  65.6 21.9 4.1 0.49 0.13 1.6 8.9 1.8 0.33  3.2 352 0.06 ‐0.23 ‐0.62205627  7.45  0.2  9.7  88.0 41.4 23.2 0.54 0.20 4.2 7.7 1.4 0.05  21.9 509 0.36 0.50 ‐0.03205789  7.61    10.6  45.1 16.0 5.2 1.29 0.05 2.0 5.8 1.7 0.39  1.5 254 0.02 ‐0.27 ‐1.44205812  7.44  <0.1  10.1  66.1 25.9 3.3 0.28 0.07 1.1 5.8 5.7 <0.01  23.3 320 0.07 ‐0.14 0.04205825  7.42  <0.1  11.0  71.3 23.7 4.9 0.33 0.05 1.7 6.5 3.9 1.36  5.8 344 0.13 ‐0.07 ‐0.19206172  7.14  0.1  9.9  77.5 30.3 5.6 0.51 0.07 2.2 6.4 16.1 0.16  23.5 373 ‐0.11 ‐0.51 0.48206183  7.19  0.1  10.2  83.4 32.0 15.3 0.59 0.06 2.0 7.6 51.4 0.76  26.9 358 ‐0.05 ‐0.39 0.35206353  7.24  0.1  10.4  80.2 30.0 15.9 0.41 0.08 2.3 7.9 54.2 0.28  27.1 344 ‐0.03 ‐0.36 0.17207727  7.45  <0.1  10.9  68.4 23.2 3.2 0.58 0.08 1.3 6.7 4.8 1.33  11.6 313 0.11 ‐0.12 ‐0.01215447  7.25  0.3  10.0  93.7 31.7 11.2 0.81 0.10 2.0 7.1 25.1 0.08  33.5 387 0.08 ‐0.18 0.43235373  7.71  0.9  10.0  78.6 27.8 4.4 0.28 0.25 1.5 8.5 6.6 0.10  18.6 375 0.47 0.61 0.23235586                        0.02  20.6        414034  7.30  0.3  9.7  83.2 39.3 11.7 0.45 0.03 3.6 5.5 1.3 0.18  14.4 478 0.17 0.12 ‐2.19415975  7.30  3.8  11.3  91.1 34.7 45.0 0.01 0.01 4.3 8.2 92.6 22.08  13.6 333 0.07 ‐0.13 ‐0.21420992  7.24    9.9  79.9 29.9 5.8 0.36 0.15 1.6 6.3 19.3 <0.01  20.1 356 ‐0.02 ‐0.34 0.30433296  7.53    9.8  73.8 24.0 5.6 0.36 0.07 1.6 5.4 1.6 0.36  7.9 369 0.27 0.16 ‐0.15

Page 151: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

126 

 Unique ID  pH  O2  T (°C)  Ca Mg Na Fe Mn K Si Cl NO3‐ as NO3

‐  SO42‐ HCO3

‐ Calcite SI Dolomite SI Barite SI453886  7.17  0.3  12.9  91.4 36.4 14.6 0.20 1.71 4.9 6.1 1.5 0.13  12.7 492 0.14 0.05 ‐0.05463527  7.23  <0.1  10.0  69.8 24.7 4.0 0.11 0.25 1.8 7.9 1.7 0.03  11.0 338 ‐0.09 ‐0.51 0.11519954  7.69  2.3  12.0  65.3 24.6 4.3 0.28 0.10 1.6 6.0 5.0 0.05  19.1 325 0.35 0.44 ‐0.04583308  7.33  0.2  12.9  93.2 34.8 15.4 0.72 0.07 2.8 8.6 1.4 0.02  10.8 488 0.30 0.35 ‐0.23603079  7.42  0.3  10.7  76.6 29.6 5.1 0.76 0.08 2.2 8.4 14.6 1.51  20.0 338 0.14 0.00 0.43626784  7.50  <0.1  10.1  67.3 24.1 3.7 0.17 0.08 1.4 8.0 4.1 1.28  11.6 327 0.15 ‐0.02 ‐0.05674456  7.23  1.4  10.0  89.2 36.4 9.4 0.01 0.07 4.0 8.3 16.3 4.75  17.7 428 0.09 ‐0.10 0.13677176  6.95  0.1  9.2  81.1 33.9 20.8 0.11 0.71 4.1 7.6 1.5 0.27  20.1 481 ‐0.20 ‐0.67 ‐0.23705735  7.37  0.1  10.7  57.0 21.1 4.8 0.32 0.11 2.0 6.8 4.7 0.34  17.8 299 ‐0.07 ‐0.44 0.02725107  7.26  0.1  9.9  100.5 41.1 25.8 2.45 0.15 2.0 6.9 1.1 0.10  32.1 551 0.25 0.23 0.10747666  7.30  0.2  9.0  81.4 30.0 5.9 0.48 0.31 2.6 10.5 1.3 0.27  5.0 452 0.14 ‐0.06 ‐0.58753663  7.30  0.4  9.8  73.8 26.9 3.8 0.09 0.08 1.8 5.5 5.6 4.02  24.4 307 ‐0.05 ‐0.41 ‐0.12759809  7.24  0.1  10.3  90.4 31.6 6.9 1.21 0.27 1.9 8.1 1.1 0.02  1.4 455 0.14 ‐0.05 ‐1.24

Page 152: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

127 

Table 15: Trace metal concentrations, Sr isotope ratios, and tritium and radium activities of Jordan aquifer groundwater. Italized tritium activites are from samples collected by the Minnesota Department of Health on different dates than indicated in Table 13. 

Unique ID  Ba (mg L‐1)  Sr (mg L‐1) 87Sr/86Sr  Tritium (TU)  224Ra (mBq L‐1)   226Ra (mBq L‐1)    228Ra (mBq L‐1)   U (µg L‐1)

Hastings Group 207993     0.710870 7.2                  509053  0.05  0.10 0.710985 10.2 7.3 ± 1.2  8.2 ±  2.7  3.7 ± 8.9 Northeast Subcrop Group 182655  0.00  0.06 0.712407 6.3 0.6 ± 0.3  0.5 ±  0.8 <1      0.7208548     0.712073                  687180  0.04  0.07 0.710953 2.9 4.9 ± 0.7  9.0 ±  1.3 3.9  ± 2.5   Southern Group 132254     0.709965                  147951  0.06  0.36 0.709354 <0.8 112  ± 7  92.8  ±  4.4 84.8  ± 18.4  <0.1161402  0.03  0.09 0.710276 <0.8 23.3 ± 1.8  59.7  ±  3.8 33.5  ± 7.3 171005  0.11  0.21 0.710026 <0.8 54.1 ± 2.9  94.5  ±  4.0 56.5  ± 10.5  0.3213638  0.06  0.37 0.709732 <0.8 69.6 ± 3.1  61.0  ±  3.1 86.4  ± 15.8  0.8216520  0.22  0.33 0.709933 <0.8 147  ± 6  214  ±  7  127  ± 20 217550  0.06  0.12 0.710631 <0.8 54.7 ± 3.8  31.1  ±  1.9 47.4  ± 12.3 228317  0.08  0.11 0.710465 2.3 43.5 ± 2.5  46.2  ±  2.6 43.8  ± 10.0 228324  0.04  0.25 0.709802 <0.8 83.2 ± 5.6  79.1  ±  3.9 63.0  ± 11.8 228331  0.05  0.13 0.710362 <0.8 40.8 ± 2.5  48.1  ±  3.6 46.9  ± 9.2 433273  0.03  0.09 0.710234 <0.8 30.0 ± 3.0  63.3  ±  3.9 21.6  ± 5.2 463537  0.13  0.26 0.709761 <0.8 56.4 ± 3.8  57.4  ±  3.8 57.7  ± 13.8 466198  0.06  0.14   <0.8 59.0 ± 3.9  75.1  ±  3.4 70.6  ± 19.4  0.4516045  0.06  0.25 0.710258 <0.8 88.5 ± 3.8  64.2  ±  2.9 108  ± 16  0.4541549  0.17  0.27 0.709793 1.2 77.5 ± 3.7  64.4  ±  3.4 74.0  ± 12.0 541775  0.09  0.45   <0.8 34.6 ± 2.5  140  ±  6  47.7  ± 13.5 559422  0.03  0.10 0.710185 3.3 38.9 ± 2.6  22.1  ±  4.1 26.2  ± 7.0  1.4601336     0.709943 1.2                  642018  0.04  0.06 0.709451 3.3 17.8 ± 1.7  4.7  ±  1.0 16.8  ± 5.5 697770  0.02  0.05 0.709595 <0.8 13.4 ± 1.3  37.4  ±  3.1 11.3  ± 3.4 

Page 153: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

128 

Unique ID  Ba (mg L‐1)  Sr (mg L‐1) 87Sr/86Sr  Tritium (TU)  224Ra (mBq L‐1)   226Ra (mBq L‐1)    228Ra (mBq L‐1)   U (µg L‐1)

698933     0.710147 1.9                  716426  0.32  0.26   <0.8 89.7 ± 3.9  145  ±  7  91.8  ± 18.9 733087     0.709113 3.7                  743063  0.05  0.09 0.710660 <0.8 18.8 ± 1.4  21.2  ±  3.0 34.5  ± 7.7  <0.1   0.04  0.05 0.708610   10.6 ± 0.9  3.8  ±  0.5 8.5  ± 4.9   Twin Cities Metropolitan Group 112234  0.05  0.09 0.713091 47.0 ± 2.4  87.3 ±  4.3 47.1  ± 9.5  0.4112235  0.22  0.14 0.712394 5.0 47.8 ± 3.0  119  ±  4  54.6  ± 13.4 127259  0.12  0.14 0.711415 2.7 38.2 ± 3.1  84.6 ±  4.3 39.5  ± 8.8  0.5127263  0.18  0.14 0.711684 2.2 43.1 ± 3.2  92.2 ±  4.6 42.5  ± 10.9  0.2133389  0.27  0.23 0.711352 55.9 ± 3.7  94.6 ±  3.9 43.4  ± 13.2 151561  0.15  0.13 0.712413 6.1 61.2 ± 5.7  137  ±  6  47.7  ± 9.3 151590  0.04  0.10 0.711970 <0.8 6.3 ± 1.3  30.8 ±  2.1 11.9  ± 2.5 165640  0.27  0.12 0.712516 5.2 61.8 ± 8.0  233  ±  8  60.6  ± 21.2 171018  0.12  0.09 0.711885 <0.8 26.9 ± 2.4  73.7 ±  3.8 29.0  ± 9.7 200160  0.07  0.14 0.712201 <0.8 34.7 ± 2.1  82.3 ±  3.8 36.8  ± 5.3 200664  0.09  0.12 0.712034 <0.8 56.4 ± 9.9  418  ±  12  58.3  ± 37.6  0.2200665  0.10  0.18 0.710503 <0.8 23.1 ± 2.1  86.9 ±  5.9 39.7  ± 9.3 200674  0.11  0.14 0.711780 32.1 ± 2.1  61.7 ±  3.8 39.8  ± 7.0  0.2203613  0.16  0.19 0.712009 2.4 78.4 ± 5.1  156  ±  6  82.7  ± 9.2 204470  0.11  0.25 0.711185 <0.8 57.4 ± 3.8  149  ±  5  41.7  ± 5.7  1.5204617  0.14  0.12 0.712333 <0.8 20.5 ± 1.7  107  ±  4  19.4  ± 2.9 205627  0.10  0.29 0.711360 <0.8 145  ± 8  213  ±  7  130  ± 27 205789  0.04  0.10 0.712467 <0.8 20.4 ± 0.9  49.6 ±  2.3 16.7  ± 3.1  <0.1205812  0.09  0.09 0.713123 2.8 29.8 ± 2.1  51.8 ±  3.9 30.7  ± 5.7 205825  0.23  0.14 0.711540 <0.8 69.5 ± 5.7  148  ±  6  61.8  ± 11.4 206172  0.27  0.16 0.712159 40.6 ± 2.1  97.6 ±  4.1 44.1  ± 7.6 206183  0.19  0.19 0.712253 6.1 81.7 ± 4.1  125  ±  5  68.6  ± 8.9 206353  0.12  0.20 0.712093 5.8 100  ± 6  128  ±  5  75.9  ± 7.4 206933     0.710852                  207727  0.17  0.10 0.712664 1.6 61.2 ± 5.7  129  ±  6  55.4  ± 12.4  0.5215447  0.19  0.18 0.712199 60.4 ± 4.9  167  ±  5  72.4  ± 17.4  0.2

Page 154: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

129 

 

 

 

Unique ID  Ba (mg L‐1)  Sr (mg L‐1)  87Sr/86Sr  Tritium (TU)  224Ra (mBq L‐1)    226Ra (mBq L‐1)   228Ra (mBq L‐1)   U (µg L‐1)

235373  0.19  0.12 0.712393 3.7 40.2 ± 2.8  110  ±  5  67.3  ± 15.7  0.5235586     0.710743 2.9                  414034  0.001  0.28 0.711670 2.5 ± 0.6  1.9 ±  0.7 2.6  ± 2.9 415975  0.11  0.18 0.711653 6.0 33.8 ± 2.0  10.0 ±  2.9 10.9  ± 2.4 420992  0.21  0.13 0.712833 35.6 ± 2.2  63.5 ±  3.9 37.8  ± 9.1 433296  0.17  0.14 0.711519 1.1 46.6 ± 2.7  117  ±  5  56.0  ± 14.7 453886  0.19  0.41 0.710350 71.7 ± 4.9  21.9 ±  1.8 51.8  ± 11.3 463527  0.23  0.11 0.712545 <0.8 58.1 ± 4.8  250  ±  7  69.7  ± 9.2 468118     0.712977                  519954  0.10  0.12 0.711983 1.6 52.1 ± 3.8  298  ±  7  48.8  ± 13.7  0.2583308  0.15  0.26 0.711204 <0.8 55.4 ± 4.8  83.4 ±  3.5 40.5  ± 13.3 603079  0.29  0.17 0.711923 3.8 36.2 ± 2.6  113  ±  5  37.3  ± 9.2  0.1626784  0.15  0.11 0.712135 <0.8 45.9 ± 3.4  105  ±  5  37.2  ± 6.6 674456  0.17  0.29 0.710698 1.9 18.6 ± 1.5  6.6 ±  3.6 9.3  ± 2.3 677176  0.06  0.40 0.710786 <0.8 85.1 ± 3.4  30.4 ±  2.1 47.4  ± 7.0 705735  0.11  0.12 0.712582 1.6 102  ± 6  136  ±  5  79.7  ± 9.9  0.5725107  0.10  0.26 0.711361 <0.8 72.6 ± 4.4  116  ±  5  70.5  ± 15.4  0.9747666  0.10  0.25 0.711160 <0.8 129  ± 6  188  ±  7  127  ± 26 753663  0.06  0.09 0.713466 2.7 41.8 ± 3.6  63.5 ±  2.7 31.5  ± 9.2  6.3759809  0.09  0.23 0.711239  <0.8 83.8 ± 5.9  211  ±  7  84.4  ± 20.0  1.3

Page 155: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

130 

Table 16: Results of analysis of aquifer solids from Jordan aquifer wells.  

1N‐HCl extractable (mg kg‐1) 

Equivalent activities (Bq kg‐1) 

Bulk  ICP‐MS (mg kg‐1)

Equivalent activities  (Bq kg‐1)  Bulk gamma analysis (Bq kg‐1) 

  

  

UniqueID 

Depth (m)  U  Th  238U  232Th232Th/238U/

U  Th  238U 232Th232Th/238U 

226Ra  228Ra  228Ra/226Ra 238U  K 

161435  70  ‐  78  0.3  0.6  0.0  0.0  0.6            4.5 ± 1.1  3.8  ± 3.0 0.8 ± 2.7         (1)  78  ‐  83  0.1  0.2  0.0  0.0  0.6  2.4 ± 0.7  2.6  ± 1.5 1.1 ± 1.8        83  ‐  92  0.1  0.2  0.0  0.0  0.7  3.1 ± 1.0  3.9  ± 2.0 1.3 ± 2.9         92  ‐  98  0.2  0.7  0.0  0.0  1.4            1.9 ± 1.1  3.4  ± 2.6 1.8 ± 5.1         

920 

151582  87  ‐  96  0.6  0.5  0.0  0.0  0.3  1.1 0.7 13.4 2.7 0.2  15.2 ± 0.8  3.9  ± 1.6 0.3 ± 0.4 15.2 ±  3.3  96  ‐  106  0.7  0.5  0.0  0.0  0.3  0.9 0.9 11.6 3.5 0.3  6.2 ± 1.0  3.1  ± 2.4 0.5 ± 1.3        106  ‐  115  0.2  0.2  0.0  0.0  0.3  0.4 0.4 4.7 1.5 0.3  5.3 ± 0.5  2.4  ± 0.8 0.4 ± 0.4 8.1 ±  2.5   115  ‐  119  0.2  0.9  0.0  0.0  1.3  0.5 1.1 6.8 4.4 0.6  6.7 ± 0.7  3.5  ± 1.3 0.5 ± 0.8 4.3 ±  3.5

350 

133389  81  ‐  90              1.6 ± 0.7  2.8  ± 1.7 1.8 ± 3.3           92  ‐  96  0.1  0.2  0.0  0.0  0.5    3.2 ± 0.9  1.7  ± 1.9 0.5 ± 1.2         107  ‐  112  0.4  0.4  0.0  0.0  0.4  0.9 0.8 11.1 3.2 0.3  8.1 ± 0.8  3.9  ± 1.5 0.5 ± 0.8         

430 

151561  138  ‐  141  0.4  0.7  0.0  0.0  0.6  0.8 1.1 10.1 4.3 0.4  12.4 ± 0.5  4.0  ± 0.7 0.3 ± 0.3 9.0  ± 1.9   144  ‐  147  0.4  0.6  0.0  0.0  0.6  0.9 1.4 10.9 5.8 0.5  9.7 ± 0.6  6.2  ± 1.1 0.6 ± 0.8 11.9  ± 2.6

760 

200664  116  ‐  125  0.5  0.3  0.0  0.0  0.2  1.0 0.5 12.4 2.1 0.2  9.1 ± 0.9  2.3  ± 1.9 0.3 ± 0.5           125  ‐  135  0.5  0.2  0.0  0.0  0.2  0.8 0.7 10.0 2.6 0.3  7.1 ± 1.0  2.0  ± 2.3 0.3 ± 0.7         135  ‐  142  0.3  0.2  0.0  0.0  0.2  0.6 0.4 7.1 1.5 0.2  3.8 ± 0.9  2.3  ± 1.9 0.6 ± 1.3         

150 

753663  116  ‐  118  0.3  0.4  0.0  0.0  0.4  5.9 ± 0.6  2.0  ± 0.9 0.3 ± 0.4 5.6 ±  1.8  118  ‐  119  0.1  0.3  0.0  0.0  0.7  2.8 ± 0.6  2.4  ± 1.1 0.9 ± 1.1 4.1 ±  2.5  131  ‐  133  0.3  0.2  0.0  0.0  0.2  3.6 ± 0.6  2.2  ± 1.1 0.6 ± 0.8 6.6 ±  2.2   145  ‐  147  0.3  0.5  0.0  0.0  0.7  6.1 ± 0.5  3.2  ± 0.7 0.5 ± 0.5 7.2 ±  2.0

680 

1‐ Well 161435 is adjacent to Jordan aquifer well 677176 sampled for this study.    

Page 156: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

131 

5. Geochemical evaluation of salinity sources and radium response to salinization of an unconfined coastal aquifer in Morocco 

5.1 Introduction 

Coastal aquifer salinization is a global phenomenon, primarily the result of the high level 

of groundwater demands in densely‐populated and groundwater‐dependent coastal areas, but 

also exacerbated by sea level rise (Vengosh, 2003). Salinization by modern seawater, as opposed 

to mixing with other natural saline groundwater sources, is often characterized by a rapid 

salinity increase as a relatively sharp freshwater‐saltwater interface is drawn across the open 

interval of a well. In contrast, the mixing of natural saline groundwaters into fresh waters results 

in a more gradual salinity increase due to the more diffuse nature of salinity interfaces with old 

saline waters such as old unflushed seawater (Jones et al., 1999; Vengosh, 2003). In practice, 

heavily pumped urban coastal aquifers may be impacted by a mixture of seawater, other natural 

saline waters, and high‐nitrate wastewater (e.g. Vengosh et al., 1999, 2005; Fakir et al., 2002; 

Land et al., 2004; Bouchaou et al., 2008), which seriously complicates prediction of future 

salinity trends and planning of adaptation mechanisms. Modern seawater intrusion can be 

diagnosed and distinguished from other salinization mechanisms using a combination of ion 

ratios and environmental isotopes including Br/Cl‐, Na/Cl‐, Mg/Ca, δ2H, δ18O, δ34SSO4, and δ11B 

(Jones et al., 1999; Vengosh, 2003). Numerous case studies in North Africa and the 

Mediterranean region have documented the extent of coastal aquifer salinization, especially in 

heavily exploited urban aquifers (Giménez and Morell, 1997; Ben Kabbour and Toto, 2001; 

Ekwurzel et al., 2001; Yechieli et al., 2001; Fakir et al., 2002; Vengosh, 2003; Sivan et al., 2005; 

Vengosh et al., 2005; Ben Hamouda et al., 2008; Bouchaou et al., 2008; Kouzana et al., 2009). 

Page 157: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

132 

Reconnaissance isotopic investigations in the Souss‐Massa region of Morocco, near the city of 

Agadir (Figure 31), have indicated that intrusion of modern seawater is occurring, but that 

salinity is also derived from other natural and anthropogenic sources (Ekwurzel et al., 2001; 

Bouchaou et al., 2008). 

In addition to the increase of total dissolved solids, which alone can render a water 

resource unusable, salinization stimulates water‐rock interaction that could cause mobilization 

of naturally‐occurring trace elements and further impair water quality. Examples of naturally‐

occurring trace elements that may respond to salinization events include (1) arsenic,  which 

more typically responds to pH and redox conditions than salinity but also is adsorbed less 

effectively in waters of high Ca/Na subsequent to mixing of fresh and saline inland waters 

(Scanlon et al., 2009); (2) boron, which tends to be lost from seawater by adsorption onto 

marine clays during seawater intrusion (Vengosh and Spivack, 1999), but can be released from 

adsorption sites during freshening reactions (Ravenscroft and McArthur, 2004; Faye et al., 2005; 

Halim et al., 2010); and (3) radium, which is less efficiently adsorbed as salinity increases 

(Kraemer and Reid, 1984; Moise et al., 2000; Sturchio et al., 2001; Tomita et al., 2010). In some 

cases (e.g. B(OH)30, H3AsO3

0), natural contaminants may even remain in saline waters treated by 

reverse osmosis due to their uncharged nature at near‐neutral pH (Prats et al., 2000; Walker et 

al., 2008; Vinson et al., in press). Finally, over‐exploited urban coastal aquifers are also subject 

to anthropogenic contamination associated with extensive development and human activities 

(Vengosh et al., 2005; Bouchaou et al., 2008). The water quality deterioration of coastal aquifers 

is therefore often a result of multiple processes and not typically simple intrusion of seawater. 

In general, the increase of aqueous radium with increasing salinity at near‐neutral pH 

has been consistently observed along salinity gradients, but a more detailed understanding is 

Page 158: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

133 

required due to significant uncertainties associated with the composition of saline waters. 

Although desorption or cation exchange can be the dominant means of Ra release in extreme 

salinization events (Wood et al., 2004), it is assumed that in typical groundwater settings, the 

primary mechanism of Ra release in fresh to saline waters is alpha recoil (Krishnaswami et al., 

1982). The mechanism by which radium activities increase with salinity is that radium removal 

becomes less efficient, rather than the source term becoming larger. Within this basic 

understanding of radium behavior, unresolved issues remain. For example, the possible effects 

imparted by relative cation or ion compositions in inhibiting radium removal in saline waters are 

not as well documented. As an example of effects specific to major ion composition, it has been 

documented that Ca, where present at high concentrations, successfully competes with Ra for 

adsorption sites (Nathwani and Phillips, 1979b). In addition, because many saline aquifers are 

also anoxic, and specifically seawater intrusion is often associated with sulfate reduction 

(Magaritz and Luzier, 1985; Appelo and Postma, 1993; Jones et al., 1999; Sivan et al., 2005; de 

Montety et al., 2008), the concurrent role of redox conditions in impairing radium adsorption 

sites remains unresolved.  

The suite of tracers utilized in this study assess not only the sources of salinity, which is 

essential for anticipating future trends and mitigation measures, but also provide constraints on 

specific mechanisms that relate to radium’s behavior in the groundwater system undergoing 

salinization: (1) Multi‐isotopic radium analysis (224Ra, 226Ra, 228Ra) assesses Ra from U‐ vs. Th‐

derived sources and may also identify critical radium‐removing processes due to their half‐life 

differences; (2) Strontium isotopes identify sources and mechanisms of divalent cation mobility 

such as cation exchange; (3) Boron concentrations and B/Cl‐ ratios complement Sr isotopes 

because B is commonly released during freshening events associated with cation exchange in 

Page 159: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

134 

which sodium is released, which would not be recorded by Sr isotopes because Sr is removed 

from the groundwater; and (4) Sulfur and oxygen isotopes of sulfate evaluate the sources of 

sulfate, sulfate reduction processes, and the stability of barite ‐ which removes radium by 

coprecipitation ‐ in sulfate‐reducing conditions. In addition to these isotopic tracers, additional 

insights on the salinization process and salinity sources are gained through the δ2H, δ18O, and Br‐

/Cl‐, Na/Cl‐, Ca/Na, and Ca/Mg ratios.  

5.2 Hydrogeology of the study area 

In the study area including the city of Agadir in western Morocco (Figure 31), the main 

aquifer sediments range from mid‐Pliocene to early Pleistocene in age and represent 

transgressive marine sediments. The lower portion of the Pliocene deposits outcrop in the 

structurally complex area near well M9‐41, at the northern edge of the study area, but in most 

of the study area, the ~100 m thick older Pliocene (Plaisancian‐Astian) deposits are deeper than 

the typical depth of water wells. These marine rocks include limestone, sandstone, coquina, and 

marl. The primary aquifer for most of the area is the overlying, Pliocene to Pleistocene 

(Villafranchian) transgressive deposits. This unit is composed of ~100 m of marine clay, sand 

gravel, and limestone, overlain by a wedge‐shaped unit composed of conglomerate, sandy 

limestone, and shelly sandstone. Further east (inland) these deposits are of fluvial‐lacustrine 

origin. This upper unit thickens north to south from ~15 to ~75 m approximately along a line 

from Agadir to the vicinity of sample AC‐50 in Figure 31 (Dijon, 1969). The known well depths 

(Table 17) correspond mostly to the Villafranchian aquifer, which is interpreted as an 

unconfined aquifer. The sandstone and conglomerate layers in the shallow aquifer are especially 

important as water‐yielding units (Dijon, 1969). 

Page 160: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

135 

5.3 Methods 

5.3.1 Sample collection 

Water samples were collected from drilled wells, primarily those delivering large 

quantities of water for landscaping, public supply, and commercial uses (Figure 31). Samples 

were collected as close to the wellhead as possible and while pumps were operating. However, 

in some cases it was only possible to collect water samples after storage tanks. pH, temperature, 

specific conductance, and dissolved oxygen were measured in the field, minimizing aeration 

during dissolved oxygen measurement whenever possible. Filtered samples were collected for 

trace metals, major anions, and isotopes of boron, sulfur, and strontium using syringe‐tip 0.45 

µm filters. The trace metal samples were collected and acid‐preserved in new polythelene 

bottles that had been acid‐washed using trace metal grade acids. Unfiltered samples were 

collected without headspace for alkalinity and stable isotopes. 

5.3.2 Major and trace element analysis 

Major cations (Ca, Mg, Na, Si, Sr) were analyzed by direct current plasma spectrometry. 

Potassium analysis was performed by flame atomic absorption spectrometry. All were calibrated 

using a solution prepared from commercially obtained single‐element standards. Major anions 

(Cl‐, Br‐, NO3‐, SO4

2‐) were analyzed by ion chromatography at favorable dilution factors for each 

anion. Boron, barium, and uranium concentrations were analyzed by inductively coupled plasma 

mass spectrometry with B and Ba calibrated using NIST 1643e solution and U calibrated with a 

plasma‐grade single‐element standard. 

Page 161: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

136 

 

Figure 31: Map showing sampling locations and chloride concentrations in Agadir area, western Morocco. Unlabeled square data points are from Tagma (2005). Base map content obtained from ESRI ArcGIS Online (World Topographic Map, World Terrain Base, and World 

Reference Overlay). 

5.3.3 Environmental isotopes (δ2H, δ18O, δ34SSO4, δ18OSO4,

 87Sr/86Sr) 

Hydrogen and oxygen isotopes of water samples were analyzed at the Duke University 

Environmental Isotope Laboratory with a ThermoFinnigan thermochemical analyzer and 

Delta+XL isotope ratio mass spectrometer on the peaks of H2 and CO gas, normalized to the 

VSMOW and VSLAP standards and reported as δ2H and δ18O with precision of 0.3‰ and 0.1‰, 

respectively. Sulfur and oxygen isotope ratios of sulfate (δ34SSO4, δ18OSO4) were analyzed from 

BaSO4 precipitates which were prepared by extracting ~7 mg of sulfate from filtered water 

samples using BaCl and filtering the resulting precipitate onto glass fiber filters. The sulfate was 

Page 162: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

137 

analyzed at the University of Calgary Isotope Science Laboratory. Sulfur isotope ratios were 

analyzed by continuous flow isotope ratio mass spectrometry, normalized to VCDT using NIST 

and IAEA sulfate standards, and reported as δ34S with precision of 0.25‰. Oxygen isotopes of 

sulfate were analyzed by reacting BaSO4 in a thermochemical analyzer and determining the δ18O 

of the resulting CO gas using a Delta+XL mass spectrometer. As a check on the purity of BaSO4 

precipitate, δ18O data are reported only from samples containing 27±2% oxygen. These ratios 

were normalized to VSMOW, also using NIST and IAEA sulfate standards, and reported as δ18O 

with precision of 0.3‰. 

Strontium isotope ratios were analyzed by the thermal ionization mass spectrometry 

(TIMS) technique at Duke University. Samples were prepared for Sr isotope measurement by 

drying down ~3 µg of Sr in a Teflon vial in a laminar flow hood, digesting the sample in high‐

purity (Optima) HNO3, and extracting Sr using Eichrom SR‐B50‐S resin. Samples were then 

loaded onto degassed Re filaments in a Ta load solution. Analysis was performed in positive ion 

mode and all sample runs included replicates of the NIST 987 standard (long‐term average 

0.710245 ± 0.000010; 1σ, n=109). 

5.3.4 Radium 

Large‐volume, unfiltered water samples collected into rinsed plastic containers (25‐50 L) 

were concentrated onto manganese oxide‐coated acrylic fibers on the same day of collection. 

17 of the 19 radium samples were collected onto two sequential columns of Mn oxide fibers to 

confirm the efficient extraction of Ra. Fibers were analyzed for the short‐lived radium‐224 upon 

arrival at Duke University within 3‐8 d of collection. Analysis methods for radium include: (1) 

delayed coincidence counting for 224Ra, in which count rates were corrected for decay since 

Page 163: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

138 

collection and alpha interference from 223Ra (Moore and Arnold, 1996; Garcia‐Solsona et al., 

2008) and calibrated using an efficiency appropriate for hand‐squeezed fibers; (2) alpha 

counting of 222Rn at equilibrium with 226Ra incubated in a sealed glass tube using a RAD7 radon‐

in‐air monitor (Kim et al., 2001); and (3) gamma spectrometry for 228Ra of fibers compressed 

into a wafer 65 mm in diameter and 5 mm tall using the 911 peak of 228Ac. In all cases, samples 

were corrected for background count rate and standard propagation of error equations were 

applied to background subtraction and the division of radium between the first and second 

columns of Mn oxide (Eaton et al., 2005). The reported 2σ errors represent random error from 

counting statistics only and do not consider other factors such as moisture content variation 

(224Ra) or geometric variation (228Ra). The sample‐specific 2σ counting errors provide an estimate 

of detection limit, defined as the activity with ±100% precision and 95% probability of being 

detected (1.96σ; Eaton et al., 2005). 

5.3.5 Speciation calculations 

Saturation index and speciation were calculated using the PHREEQC version 2 

geochemical code (Parkhurst and Appelo, 1999). Thermodynamic constants were added to the 

default database for the species Ra2+, RaSO40, RaCl+, and RaHCO3

‐ (Langmuir and Riese, 1985). 

5.4 Results 

5.4.1 Major element chemistry 

Total dissolved solids (TDS) vary across one order of magnitude within the study area 

(e.g. Na 96‐1050 mg L‐1; Cl‐ 242‐2120 mg L‐1; SO42‐ 63‐816 mg L‐1; Table 17). The spatial 

distribution of salinity is irregular. While the highest‐chloride waters are, in general, seen in 

wells closest to the Atlantic Ocean, there is no systematic trend in salinity with distance relative 

Page 164: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

139 

to the coastline (Figure 31). Nitrate concentrations in these waters (median 27.6 mg L‐1 as NO3‐, 

range 0.1‐90.3 mg L‐1) in some cases exceed Moroccan allowable limits and World Health 

Organization guidelines for drinking water (50 mg L‐1 as NO3‐; World Health Organization, 2008; 

Tagma et al., 2009). Where dissolved oxygen data are available, waters are generally oxic (Table 

17), although these are maximum values due to the possibility of aeration prior to sampling of 

some wells. 

Overall, three general groups of waters were identified; (1) relatively fresh (TDS 

<1800 mg L‐1) waters in which bicarbonate exceeds 25% of anions (as equivalents; samples M9‐

42, M9‐43, M9‐45 AC‐50, and M10‐50); (2) Cl‐dominated waters (51‐81% of anions) with SO42‐

/Cl‐ < 0.25 and TDS > 2000 mg L‐1; and (3) a distinctive high‐sulfate (43‐45% of anions), low‐

chloride water with SO42‐/Cl‐ > 0.5 and TDS > 1000 mg L‐1 (samples M9‐46 and M9‐47) located 

near the Oued (Wadi) Souss (Figure 31; Table 17). The cation composition of samples overlaps 

significantly between these three salinity groups. The proportion of sodium among the major 

cations ranges from 26 to 63% (median 43%). The three lowest sodium proportions (26‐28%) are 

observed in the three wells near the Oued Souss, which comprise the group 3 waters plus well 

AC‐50 (Figure 31). Only in five group 2 wells closest to the ocean does Na (or Na+K) exceed 50% 

of total cations present in the waters. In the rest of the waters, including all of group 1 and 

group 3 and approximately half of group 2, the combined Ca+Mg ions are more abundant than 

Na. Although the most sodium‐dominated waters are located near the Atlantic Ocean, molar ion 

ratios directly associated with seawater exhibit significant overlap within the waters in this study 

(Table 18) and exhibit large deviations from expected seawater values, even in group 2 waters 

where seawater influence is most plausible: (1) SO42‐/Cl‐ ratios is above the seawater value of 

0.05 (group 2 median 0.11, range 0.04‐0.24); (2) Na/Cl‐ is below the seawater value of 0.86 

Page 165: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

140 

(group 2 median 0.69, range 0.44‐0.87); Ca/Na is substantially above the seawater value of and 

0.02 (group 2 range 0.13‐0.41); and (4) Ca/Mg is far above the seawater value of 0.20 (group 2 

median 0.88, range 0.73‐1.07). Another ion ratio, Br‐/Cl‐, exhibits distinctive values for seawater 

and other salinity sources including brine, evaporite dissolution, and wastewater. Br‐/Cl‐ ratios 

were observed throughout the study area near and slightly below the marine value of 1.5 x 10‐3 

(median 1.4 x 10‐3; Figure 32; Table 18). The lowest values of Br‐/Cl‐ were observed in low‐Cl‐, 

high‐SO4‐/Cl‐ waters of group 3, and the highest values of Br‐/Cl‐ (near the seawater value) were 

observed in the coastal wells of group 2 (Figure 32). 

Boron concentrations (Table 19) and the B/Cl‐ ratio (Table 18) also vary significantly 

within the data set (Table 19) and some correlations between indicators of salinity were 

observed. In general, the B/Cl‐ ratio exceeds the seawater value of 7.8 x 10‐4. Strong correlations 

were observed between boron and sodium and chloride concentrations (Spearman rank 

coefficients ρ=0.94 and 0.85, respectively; Figure 33). Although boron concentration was not 

correlated with bicarbonate concentration, the B/Cl‐ ratio is somewhat correlated with 

bicarbonate concentration (ρ=0.48; Figure 33), with the exception of M9‐42, an isolated fresh 

water sample surrounded by saline  wells. B/Cl‐ is also moderately correlated with the Na/Cl‐ 

ratio (ρ=0.57; Figure 33). 

5.4.2 Environmental isotope ratios 

δ18O  and δ2H values vary within a broad range in the coastal aquifer of Agadir (‐40.6‰ 

to ‐16.0‰ and  ‐6.5‰ to ‐3.2‰ respectively; Table 19). The data plot roughly along the global 

meteoric water line (Figure 34) although with apparent deviations. The slight deviations from 

the global meteoric water line are not supported by any relationships between δ18O and

Page 166: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

141 

Table 17: Major element concentrations and saturation index values of groundwater samples. 

   Depth           Concentrations in mg L‐1                    Saturation index

Sample  (m)  Date  T (°C)  pH  O2  Ca  Mg  Na  K Si  Cl‐ Br‐  NO3‐ SO4

2‐ HCO3‐ Calcite  Barite 

Group 1                                   AC‐50    11 Mar 2008  24.3  6.9 1.7 125  107  123  7.8 15.0  257 0.46  90.3 139    0.09 ‐0.04M9‐42    19 May 2009  22.2  7.4 8.2 101  47.9 126  5.1 7.1  242 0.62  9.5 155  232 0.13 0.21M9‐43    19 May 2009  25.1  7.2 5.6 127  103  160  6.2 11.0  396 1.35  0.4 149  465 0.33 0.05M9‐45    19 May 2009  25.3  6.8 5.9 179  112  225  6.2 14.2  398 1.05  13.2 358  474 0.01 ‐0.12M10‐50  130  18 Mar 2010  26.1  7.5   87.2 48.7 96.5  4.4 14.7  163 0.53  0.1 63.2  468 0.54 ‐0.08Group 2                                   AC‐43    11 Mar 2008  24.4  6.8 4.1 230  183  1050  9.3 13.9  1860 5.82  37.2 482    0.09 0.07M8‐11    18 Dec 2008  24.0  7.0 3.4 191  148  411  6.7 12.0  843 2.71  8.6 370  408 0.19 0.00M8‐12    18 Dec 2008  23.4  7.1 3.9 243  201  663  13.5 11.7  1530 4.81  27.6 444  413 0.26 0.35M9‐41  70  19 May 2009  24.0  6.8 6.5 259  138  376  6.7 14.8  1020 3.38  55.7 166  474 0.20 0.17M9‐44    19 May 2009  24.8  6.9 7.2 400  291  627  11.9 12.0  1870 6.21  43.2 605  402 0.27 0.14M9‐48    27 May 2009  24.8  6.9 4.2 254  165  418  7.2 13.6  1160 3.94  15.1 332  351 0.07 0.05M9‐49  80  29 May 2009  23.1  7.0 0.2 251  207  687  16.1 11.1  1480 4.57  28.9 423  457 0.23 0.29M10‐51  70  18 Mar 2010  23.9  7.1   236  192  966  9.8 12.9  1880 6.42  59.5 555  585 0.35 0.02M10‐52A    18 Mar 2010  24.2  7.0   169  111  428  5.4 14.1  703 1.97  45.3 450  560 0.22 ‐0.10M10‐52B    18 Mar 2010  22.8  7.1   182  117  412  6.2 13.8  739 2.09  33.3 483  534 0.34 ‐0.04M10‐53    18 Mar 2010  23.6  7.0   363  230  777  9.1 14.0  2120 7.10  20.9 500  455 0.34 0.14M10‐54    18 Mar 2010  25.6  6.9   341  192  478  5.8 14.9  1680 5.50  45.8 188  370 0.25 0.25M10‐55  90  18 Mar 2010  25.3  7.1   280  167  511  6.8 14.5  1440 4.71  71.0 262  357 0.35 0.29Group 3                                   M9‐46    20 May 2009  23.3  6.9 0.5 242  195  235  6.0 12.3  433 0.58  25.2 816  490 0.16 0.30M9‐47  61  20 May 2009  23.7  7.2 4.1 165  112  155  3.8 11.6  236 0.46  1.2 522  481 0.35 0.27

Seawater (Millero and Sohn, 1991)    8.2    412  1280  10800  399     19400 67     2710 114      

 

Page 167: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

142 

Table 18: Element and ion ratios diagnostic of salinity sources in the coastal aquifer. 

   Na/Cl‐  Ca/Mg  Ca/Na  B/Cl‐  Br‐/Cl‐  SO42‐/Cl‐ 

Group 1                   AC‐50  0.79  0.7  0.14  1.5 x 10‐3  8.0 x 10‐4  0.11 M9‐42  0.80  1.3  0.46  2.7 x 10‐3  1.2 x 10‐3  0.24 M9‐43  0.63  0.8  0.46  1.6 x 10‐3  1.5 x 10‐3  0.14 M9‐45  0.91  1.1  0.52  1.8 x 10‐3  1.2 x 10‐3  0.14 M10‐50  0.94  0.9  0.23  2.5 x 10‐3  1.5 x 10‐3  0.24 Group 2             AC‐43  0.56  0.9  0.35  4.2 x 10‐3  1.4 x 10‐3  0.11 M8‐11  0.52  0.8  0.37  1.4 x 10‐3  1.4 x 10‐3  0.12 M8‐12  0.72  0.7  0.21  1.0 x 10‐3  1.4 x 10‐3  0.11 M9‐41  0.74  0.7  0.58  1.2 x 10‐3  1.5 x 10‐3  0.20 M9‐44  0.87  1.0  0.46  7.0 x 10‐4  1.5 x 10‐3  0.33 M9‐48  0.67  0.7  0.21  6.2 x 10‐4  1.5 x 10‐3  0.11 M9‐49  0.57  1.1  0.40  1.3 x 10‐3  1.4 x 10‐3  0.06 M10‐51  0.86  0.9  0.25  3.7 x 10‐3  1.5 x 10‐3  0.24 M10‐52A  0.57  1.0  0.27  2.2 x 10‐3  1.3 x 10‐3  0.09 M10‐52B  0.44  1.1  0.41  2.0 x 10‐3  1.3 x 10‐3  0.04 M10‐53  0.55  1.0  0.31  2.1 x 10‐3  1.5 x 10‐3  0.07 M10‐54  0.84  0.8  0.59  8.2 x 10‐4  1.5 x 10‐3  0.70 M10‐55  1.02  0.9  0.61  1.2 x 10‐3  1.5 x 10‐3  0.82 Group 3             M9‐46  0.87  0.8  0.13  1.1 x 10‐3  6.0 x 10‐4  0.10 M9‐47  0.75  0.8  0.27  1.9 x 10‐3  8.7 x 10‐4  0.16 Seawater  0.86  0.2  0.02  7.8 x 10‐4  1.5 x 10‐3  0.05 

 

 

Figure 32: Plot showing relationship between bromide and chloride concentration. Dashed line represents seawater ratio. 

Page 168: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

143 

 

Figure 33: Boron concentrations in relationship to sodium and chloride concentrations. Dashed lines represent hypothetical dilution of seawater.  

chloride, nitrate, or total dissolved solids concentrations in the data, which might indicate 

seawater and/or evaporated wastewater, nor is δ18O associated with the three salinity groups. 

Sulfur and oxygen isotope ratios are somewhat bimodal, with a group of samples exhibiting a 

narrow range of positive values (11.6‐17.3 ‰), and the two high‐sulfate samples (group 3 

above) exhibit distinctive, negative δ34SSO4 values (‐9.1 to ‐8.0 ‰). The higher values of δ34SSO4 

Page 169: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

144 

generally correspond with higher δ18OSO4 (6.5‐11.6 ‰), and the lowest value of δ34SSO4 

corresponds with the lowest value of δ18OSO4 (Figure 35). Strontium isotope ratios fall within a 

narrow distribution (0.70835‐0.70887; Figure 36) for all but three samples in the southeastern 

part of the study area (0.70929‐0.70962, representing Group 3 plus sample AC‐50) exhibiting 

more radiogenic values than other samples and modern seawater (0.70924; Table 19). 

Strontium isotope ratios are not correlated with strontium concentration. 

 

Figure 34: δ18O plotted against δ2H of Agadir area groundwater. GMWL denotes the global meteoric water line, δ2H=8 x δ18O + 10‰ (Craig, 1961). 

5.4.3 Radium, barium, and uranium 

Overall, radium activities are significantly below WHO guidance levels for drinking water 

(100 mBq L‐1 for 228Ra, 1000 mBq L‐1 for 224Ra and 226Ra; World Health Organization, 2008) 

throughout the study area and thus below levels of concern for water quality (224Ra, 226Ra, and 

228Ra are all below 40 mBq L‐1; Figure 37). Several significant correlations were observed among 

the radium isotope data: (1) radium isotopes are generally correlated with each other: 224Ra and 

Page 170: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

145 

 

Figure 35: Sulfur and oxygen isotope ratios of the sulfate ion for selected water samples. Lines indicate hypothetical two‐component mixing curves among possible sulfate sources. Box marked “gypsum” represents the range of δ34SSO4 and δ

18OSO4 in Mesozoic marine sulfate minerals (Claypool et al., 1980; Strauss, 1997). 

 

Figure 36: Histogram showing 87Sr/86Sr values of groundwater in relation to potential Sr sources. Bars represent ranges of marine 87Sr/86Sr values (McArthur et al., 2001) of rocks 

encountered in the study area or the adjacent Atlas Mountains. 

  

 

Page 171: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

146 

 

Figure 37: Plots depicting radium‐224, ‐226, and ‐228 activities in relation to chloride, sulfate, and each other. Circled data points represent samples with 87Sr/86Sr > 0.709. 

Page 172: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

147 

Table 19: Environmental isotope ratios, trace metal concentrations, and radium activities. 

         Radium activities in mBq L‐1      

Sample δ2H (‰) 

δ18O (‰) 

δ34SSO4 (‰) 

δ18OSO4 (‰)  Sr (mg L‐1) 87Sr/86Sr 

224Ra  226Ra  228Ra B  

(µg L‐1)Ba 

(µg L‐1)

% aBaas 

BaSO40

% aRa‐226as 

RaSO40

U  (µg L‐1)

Group 1                                                           AC‐50      16.7  8.5  1.04  0.709622  12.4 ±  1.3  9.8 ±  1.5  4.9 ± 2.2 117  53  20 23 3.7M9‐42  ‐22.2  ‐3.5  11.6  10.4  0.89  0.708676  5.1 ±  0.4  3.9 ±  0.7  5.8 ± 2.1 197  61  26 29 2.0M9‐43  ‐16.0  ‐3.4  ‐2.2  11.6  1.67  0.708469  16.7 ±  1.3  25.5 ±  1.6  35.8 ± 8.8 198  63  21 24 1.3M9‐45  ‐30.6  ‐4.9  16.0    2.10  0.708348  6.4 ±  0.6  2.8 ±  0.6  8.8 ± 2.8 220  23  38 42 10.6M10‐50  ‐25.9  ‐5.5      0.93  0.708684  18.1 ±  1.2  27.7 ±  1.5  20.1 ± 4.7 126  80  12 14 1.1Group 2                                         AC‐43      15.2  6.1  2.81  0.708691  19.9 ±  1.3  4.2 ±  1.2  6.9 ± 1.8 2350  41  39 42 9.3M8‐11          2.39  0.708484  24.0 ±  1.7  8.5 ±  1.1  12.6 ± 3.6 356  33  37 40 6.5M8‐12          4.42  0.708770  26.8 ±  1.8  8.2 ±  0.9  20.9 ± 5.0 472  75  38 41 7.3M9‐41  ‐19.3  ‐3.2  13.0  6.5  1.73  0.708671  25.3 ±  1.8  20.4 ±  2.1  18.2 ± 5.1 358  102  20 22 5.0M9‐44  ‐29.0  ‐4.8  16.4  9.1  5.78  0.708524  34.5 ±  2.4  7.7 ±  0.9  34.8 ± 8.4 401  46  41 44 12.8M9‐48  ‐38.9  ‐5.9  17.3    2.95  0.708396  23.6 ±  1.6  5.8 ±  1.0  13.4 ± 3.8 219  46  32 35 6.4M9‐49  ‐31.6  ‐4.9  17.3  9.2  4.08  0.708727  32.4 ±  2.1  8.0 ±  1.0  18.5 ± 5.0 565  69  36 39 6.9M10‐51  ‐24.5  ‐3.9      3.09  0.708652  14.8 ±  1.1  6.3 ±  0.9  9.0 ± 2.5 2120  32  42 46 10.5M10‐52A  ‐40.6  ‐6.5      2.00  0.708576  17.2 ±  1.3  5.0 ±  1.0  9.6 ± 2.5 462  21  43 47 9.0M10‐52B  ‐33.5  ‐5.1      2.14  0.708579                    455  22  44 10.4M10‐53  ‐35.7  ‐5.6      4.84  0.708602  34.2 ±  2.3  10.6 ±  1.0  16.4 ± 3.9 1380  49  38 41 10.3M10‐54  ‐20.9  ‐3.8      2.13  0.708865  41.2 ±  2.6  17.3 ±  1.3  32.8 ± 6.8 420  145  19 21 4.4M10‐55  ‐26.5  ‐4.2      2.23  0.708726  30.5 ±  2.3  17.0 ±  1.3  35.9 ± 7.6 505  105  26 29 5.7Group 3                                         M9‐46  ‐27.8  ‐4.5  ‐8.0    2.10  0.709516  6.5 ±  0.5  1.8 ±  0.6  6.0 ± 2.2 147  37  55 59 11.2M9‐47  ‐34.3  ‐6.0  ‐9.1  2.8  1.53  0.709287  8.2 ±  0.5  3.6 ±  0.6  12.1 ± 3.1 137  39  49 53 5.7Seawater           0.0         0.0        21.0 1         9.5 1 7.9 2  0.70924 1                        4600 3    14 2       1‐ Clark and Fritz, 1997                               2‐ Millero and Sohn, 1991                               3‐ Vengosh and Spivack, 1999                             

Page 173: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

148 

228Ra (ρ=0.71), 228Ra and 226Ra (ρ=0.67), and 224Ra and 226Ra (ρ=0.55). The relationship between 

radium and salinity is more complex. 224Ra, the shortest‐lived Ra isotope, is well correlated with 

Mg, Ca, Na, K, and Cl‐ but not with sulfate concentration. In contrast, the longest‐lived radium 

isotope 226Ra is essentially uncorrelated with salinity, except that it is significantly negatively 

correlated with sulfate concentration (ρ = ‐0.60). Radium‐228, of intermediate half‐life, exhibits 

correlations between those of 224Ra and 226Ra (Table 20). Like radium isotopes and salinity 

overall, barium concentrations vary within approximately one order of magnitude 

(21‐145 µg L‐1). Barium concentration is well correlated with 226Ra activity (ρ=0.72) and exhibits 

progressively weaker correlations with 228Ra (ρ=0.61) and 224Ra (ρ=0.51) activities. Barium’s 

relationship to salinity is essentially identical to that of 226Ra, but the opposite of 224Ra and 228Ra 

(Table 20). Moderate uranium concentrations were detected throughout the study area, 

(1.1‐12.8 µg L‐1), below the international recommendation of 15 µg L‐1 (World Health 

Organization, 2008). Uranium was not observed to follow clear spatial trends, but uranium 

concentration is moderately inversely correlated with 226Ra activity and strongly positively 

correlated with sulfate concentration (ρ= ‐0.59 and 0.86, respectively; Figure 38).  

5 Discussion 

5.5.1 Groundwater evolution and salinity source identification 

The fresh water end member (represented approximately by Group 1 waters) exhibits a 

Ca‐Mg‐HCO3‐ composition ((Ca+Mg/HCO3

‐ ≈ 0.5; Figure 39) that is characteristic of carbonate 

mineral dissolution associated with initial equilibration of fresh recharging waters with the 

carbonate‐rich aquifer solids. The ratio of 0.5 is based on the combination of 1 mole of soil or 

microbal CO2 decreasing pH to stimulate 1 mole of Ca(Mg)CO3 dissolution (buffering), yielding 2 

Page 174: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

149 

moles of dissolved inorganic carbon (DIC) per mole Ca+Mg. Based on relationships between 

limited δ13C and carbon‐14 activities, the evolution of DIC in the lower Souss plain, including the 

study area, is defined by dissolution of carbonate minerals into the fresh water end member 

(Bouchaou et al., 2008). The fresh, Ca‐Mg‐HCO3‐ waters at or near calcite saturation are 

modified by inputs of saline water. As salinity increases, the Ca+Mg/HCO3‐ ratio increases 

significantly (Figure 39), indicating both the Ca and Mg content of saline waters and the effects 

of cation exchange. In contrast to increasing cation concentrations, bicarbonate concentrations 

do not increase with salinity. Although conservative mixing of seawater and fresh, calcite‐

saturated groundwater is associated with calcite undersaturation (Sanford and Konikow, 1989), 

inputs of Ca, including by ion exchange, may drive supersaturation with respect to calcite 

(median saturation index 0.25; Table 17), which implies calcite precipitation in the saline waters 

(de Montety et al., 2008) and would also support the interpretation that DIC is contributed to 

waters primarily in the fresh water end member. Another possible component of DIC evolution 

is the composition of wastewater, which could enable organic matter metabolism yielding 

additional CO2 and thus higher HCO3‐ concentrations. However, without extensive δ13C or 

organic carbon analysis, the possible role of microbial respiration cannot be evaluated.  

Table 20: Spearman rank coefficients between major ion compositions, and radium and barium. Note (1) the decreasing values of ρ as radium half‐life increases (left to right); (2) the opposite trend associated with sulfate concentration; and (3) the close similarity between the 

behavior of Ba and 226Ra, but not other Ra isotopes. 

   224Ra  228Ra  226Ra  Ba Ca  0.79 0.45 0.14 0.27 Mg  0.66 0.27 ‐0.07 0.07 Na  0.62 0.22 ‐0.06 ‐0.04 K  0.50 0.16 0.08 0.10 Cl‐  0.71 0.28 0.09 0.08 SO4

2‐  0.06 ‐0.18 ‐0.60 ‐0.59 

Page 175: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

150 

 

Figure 38: Relationship between dissolved uranium and radium‐226 and sulfate concentration. 

  

 

Figure 39: Relationship between chloride concentration and the (Ca+Mg)/HCO3‐ ratio. Note 

that the trend extrapolates to (Ca+Mg)/HCO3‐ = 0.5 at zero salinity. 

Page 176: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

151 

Mixing of saline waters, such as seawater and wastewater, with the Ca‐Mg‐HCO3‐ fresh 

water is the simplest possible model for the observed distribution of salinity. While δ18O, δ2H, 

and chloride concentration should behave conservatively during mixing, both seawater and 

evaporated wastewater would exhibit higher values of δ18O (closer to 0‰) and lower deuterium 

excess than precipitation, making these two sources indistinguishable by these tracers alone. 

Because δ18O and δ2H record mixing of waters rather than solutes, small volumetric 

contributions of water, difficult to detect isotopically, could explain large variations in salinity. 

Overall, the distribution of δ18O and δ2H is broadly consistent with regional groundwater of the 

lower Souss plain (Bouchaou et al., 2008). δ18O and δ2H are also consistent with the global 

meteoric water line with deuterium excess of 10, and consistent with Atlantic‐derived Moroccan 

precipitation with deuterium excess near 10 (Ouda et al., 2008), rather than converging to 

seawater with deuterium excess of 0, although deviations from the global meteoric water line 

are present within the data (Figure 34). Overall, these results do not demonstrate clear mixing 

relationships between two water sources. 

Beyond the inadequate model of mixing of water sources, other environmental tracers 

of salinity sources may explain the evolution of the coastal groundwater. The lack of distinct 

geographic trends in salinity (Figure 31) and ion ratios (Table 18) implies that the coastal aquifer 

receives a combination of salinity sources, possibly including modern seawater, sewage, and 

Triassic (Atlas) evaporites (Hsissou et al., 2002; Bouchaou et al., 2008). Thus the salinity cannot 

be described in terms of a single seawater intrusion front, but instead salinity is contributed by a 

combination of natural and possibly anthropogenic sources, as is typical of heavily‐exploited 

urban coastal aquifers (Giménez and Morell, 1997; Vengosh et al., 1999; Fakir et al., 2002; 

Vengosh et al., 2005; Bouchaou et al., 2008). The general geographic areas of high chloride 

Page 177: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

152 

concentrations (group 2) and sulfate concentrations (group 3) have been identified in previous 

studies (Dijon, 1969; Hsissou et al., 2002; Tagma, 2005; Bouchaou et al., 2008); at a minimum, 

the chloride concentrations and dissolved solids in group 2 seem to be increasing with time, 

whereas in other areas there may be a basis for naturally‐occurring salinity in the shallow 

aquifer, such as the high sulfate concentrations in group 3. The consistently high nitrate 

concentrations (Table 17) clearly indicate recharge of wastewater to the water table in a 

broadly‐distributed pattern across the aquifer. Additional evidence of non‐seawater salinity is 

seen in the Br‐/Cl‐ ratios of Group 3 waters which, consistent with the findings of Hsissou et al. 

(2002), are lower than the marine ratio (Figure 32) and could indicate the presence of 

wastewater or evaporite‐derived chloride (Davis et al., 1998). As an additional complication to 

the geographic distribution of salinity, waters may be diluted locally by recharge of waters such 

as potable municipal water. Overall, although progressive salinization seems to be underway in 

the Agadir urban groundwater system, it is not straightforward to clearly separate recent salinity 

increases from natural saline water that has been present in the aquifer since pre‐development. 

5.5.2 Cation exchange and 87Sr/86Sr 

One form of water‐rock interaction, well documented in seawater intrusion settings, is 

Ca/Na exchange resulting in Ca enrichment in the salinized groundwater relative to seawater 

abundance (Nadler et al., 1980; Mercado, 1985; Jones et al., 1999; Vengosh et al., 2002; Sivan et 

al., 2005). These source and removal mechanisms for alkaline earth metals directly affect 

radium because the cation exchange environment in which Mg, Ca, and Sr are being released is 

unfavorable for Ra removal by adsorption or ion exchange. For example, Ca successfully 

competes with Ra for adsorption sites in high‐Ca waters, maintaining high Ra levels (Nathwani 

Page 178: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

153 

and Phillips, 1979b). Cation exchange is here indicated by a notation such as ΔNa that 

represents the difference of cation concentrations relative to seawater diluted to the same 

chloride concentration as the groundwater. Assuming seawater to be the salinity source, this 

notation indicates release or uptake of cations from exchange sites (Vengosh et al., 2002):  

 

When plotted against ΔNa, ΔCa is close to the ‐1:1 line (equivalents ratio; Figure 40) indicating 

direct cation exchange, but slightly higher in the divalent cations than can be accounted for by 

cation exchange alone (Figure 40). This implies that some Ca release has occurred in addition to 

that induced by base‐exchange reactions. Excess Ca (ΔCa+ΔMg+ΔNa+ΔK) is plotted against 

ΔHCO3‐ to indicate the presence of cations that cannot be explained by saline inputs and ion 

exchange alone (Figure 40). The probable source of additional Ca is net dissolution of carbonate 

minerals and the effect of excess Ca is most apparent at samples with ΔNa <10 meq L‐1, that is, 

those least affected by salinization (Figure 40), consistent with the Ca‐Mg‐HCO3‐ composition of 

the fresh end member.  

Although Sr isotopes can indicate conservative mixing relationships, including a few 

seawater intrusion studies (Kim et al., 2003; Jørgensen et al., 2008), seawater strontium is often 

not clearly traceable using 87Sr/86Sr of groundwater because base‐exchange reactions and/or 

carbonate mineral dissolution release Sr from sources other than modern seawater with its 

distinctive 87Sr/86Sr ratio of 0.70924 (Vengosh et al., 2002; Bouchaou et al., 2008; Lara and 

Weber, 2010). Given that the 87Sr/86Sr of seawater recorded in primary marine carbonate and 

evaporites has varied substantially during geologic time, these values may provide some 

indication of geologic Sr sources although the immediate source of Sr to an aquifer is more 

(3)

Page 179: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

154 

typically clays whose exchange sites record prior hydrogeochemical events. The observed values 

of 87Sr/86Sr are both above and below the modern seawater ratio, but most waters exhibit less 

radiogenic values, indicating additions of older marine‐derived strontium (Figure 36). The 

majority of 87Sr/86Sr values in this study are less radiogenic than the inferred Pliocene age of the 

aquifer sediments (0.7090‐0.7091) but significantly more radiogenic than the Triassic‐

Cretaceous (0.7072‐0.7083; McArthur et al., 2001) age of marine sedimentary rocks of the 

western Atlas Mountains and other rocks adjacent to the study area (Bouchaou et al., 2008). 

Also, in the waters exhibiting 87Sr/86Sr < 0.709, the ratio generally decreases progressively inland 

(Figure 41). This may indicate a mixing relationship between modern seawater and Mesozoic 

marine Sr, but could also indicate a mixture of Pliocene Sr with Mesozoic Sr, presumably 

reworked from the nearby Atlas foothills into the Pliocene formations. However, the observed 

87Sr/86Sr ratios are inconsistent with a mixture of Sr from modern seawater and the Pliocene 

aquifer solids alone. Thus, 87Sr/86Sr is consistent with Sr release to the aquifer from marine‐

derived solids of pre‐Pliocene age but does not adequately test the presence or absence of 

modern seawater. The three samples with 87Sr/86Sr > 0.709 are located along the Oued Souss 

river and more inland than the other sampling sites (Figure 41). These values apparently 

represent nonmarine Sr sources, which are abundant in the sediment source area of the 

southern Souss valley including crystalline rocks (Bouchaou et al., 2008). The evidence of cation 

exchange indicated by ion ratios and 87Sr/86Sr implies that Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra are inefficiently 

removed during the salinization process. This chemical mechanism is evaluated in subsequent 

discussion. 

Page 180: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

155 

5.5.3 Boron’s sensitivity to seawater intrusion and ion exchange 

Boron is a useful trace element for diagnosing seawater intrusion because of the high B 

concentration in seawater and its distinctive adsorption behavior. The expected behavior of 

boron in a seawater intrusion event is to undergo adsorption upon contact with solids in the 

previously fresh part of the aquifer such that the residual water exhibits B/Cl‐ ratios lower than 

seawater values (Jones et al., 1999; Vengosh and Spivack, 1999; Vengosh et al., 2005). Because 

the B adsorption coincides with cation exchange reactions, the co‐occurrence of low B/Cl‐, low  

 

Figure 40: Indicators of ion exchange in relation to each other and 87Sr/86Sr. Data indicated by x symbols are from Tagma (2005). 

Page 181: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

156 

Na/Cl‐, and high Ca/Na both diagnose the salinity source and provide constraints on the removal 

of radium in the salinization environment. 

The boron concentrations in the Agadir coastal aquifer are not consistent with the 

expected boron behavior of seawater intrusion settings for two reasons: (1) B/Cl‐ ratios are 

higher than the seawater value, especially at higher boron and chloride concentrations (Table 

18; Figure 33); and (2) The high values of B/Cl‐ are inconsistent with the observed cation 

exchange behavior of the aquifer, in which net Ca release occurs to groundwater, whereas B  

 

Figure 41: Map showing measured values and inferred contours of 87Sr/86Sr ratios. Base map content obtained from ESRI ArcGIS Online (World Topographic Map base map). 

Page 182: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

157 

increases would be associated with waters receiving Na from reverse cation exchange during 

freshwater flushing (Ravenscroft and McArthur, 2004; Faye et al., 2005; Goldberg et al., 2008; 

Halim et al., 2010). Possible explanations for this trend include (1) mixing of an additional 

salinity source with high Na/Cl‐ and high B/Cl‐; or (2) boron desorption. The highest values of 

B/Cl‐ occur at Na/Cl‐ ratios near or above seawater values (Figure 40). These are waters in which 

seawater intrusion cannot be the sole source of salinity due to the expected Na/Cl‐ decline in 

base‐exchange reactions. Instead, these elevated Na/Cl‐ and B/Cl‐  ratios could result from 

partial freshening subsequent to salinization, in which the elevated B concentrations are the 

result of desorption and elevated Na/Cl‐ is the result of cation exchange. Although cyclic 

salinization and freshening (Russak and Sivan, 2010) have not been documented in this coastal 

aquifer, one potential source of fresh water to the aquifer is recharge of municipal water, which 

is locally blended with high‐TDS groundwater to produce irrigation water of acceptable salinity.  

5.5.4 Sulfate sources and barite solubility 

While the behavior of alkaline earth metals (Mg, Ca, Sr) has been examined to elucidate 

salinity sources, ion exchange, and potential mechanisms of divalent cation removal, barium 

warrants special attention because it is analogous to radium and undergoes similar removal 

mechanisms, including the potential for radium removal by coprecipitation into barite. Barium 

control by barite was considered by calculating the activities of Ba2+ and SO42‐ ions using the 

PHREEQC geochemical code and considering the solubility product of 10‐9.97 at 25°C (Drever, 

1997). Also, Ba2+ species activity is distinct from total Ba because a significant amount (median 

37%, range 12‐55%) of total Ba activity is complexed as the BaSO40 species (Table 19). The 

inverse relationship between barium and sulfate activities is consistently associated with barite 

Page 183: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

158 

saturation (Figure 42), and implies that barium concentrations are controlled by barite 

precipitation. The median barite saturation index in the coastal aquifer is 0.10 (range ‐0.12‐0.35; 

Table 17). 

 

Figure 42: Sulfate and Ba2+ ion activities of Agadir groundwater. Lines represent barite saturation index values based on solubility product at 25°C. 

Thus, the sulfate content of the system apparently suppresses barium activity through 

barite coprecipitation, which is itself made possible by sufficient barium and sulfate 

concentrations as well as apparently oxic conditions. The latter aspect is particularly important 

as sulfate‐reducing conditions can induce reductive dissolution of barite (Bolze et al., 1974), 

resulting in elevated levels of aqueous Ra (Phillips et al., 2001; Landa, 2003; Martin et al., 2003). 

Seawater intrusion may commonly result in sulfate‐reducing conditions by contributing high‐

sulfate water to high‐organic carbon coastal sediments (Appelo and Postma, 1993; Andersen et 

al., 2005; Sivan et al., 2005; Yamanaka and Kumagai, 2006; de Montety et al., 2008). The large 

Page 184: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

159 

range of δ34SSO4 could imply that these variations are the result of sulfate reduction, which is 

faster for isotopically light sulfate and thus causes δ34SSO4 and δ18OSO4 of the residual 

groundwater to increase with a predictable slope when δ34SSO4 and δ18OSO4 are plotted against 

one another (Krouse and Mayer, 1999; Berner et al., 2002; Tuttle et al., 2009). However, there 

seems to be no sulfate reduction induced by seawater intrusion because δ34SSO4 never exceeds 

the modern seawater value of 21‰, nor does δ18OSO4 exceed the modern seawater value of 

9.5‰ (Figure 35). Instead of the elevated values of δ34SSO4 expected from sulfate reduction, a 

trend leading to ~ ‐10‰ was observed (Figure 35). Such a negative value cannot be obtained 

from seawater or evaporite‐derived gypsum, nor do anthropogenic sources of sulfate exhibit 

such negative δ34SSO4 values (Barker et al., 1998; Krouse and Mayer, 1999; Hosono et al., 2010). 

Instead, these ratios are distinctive of sulfate derived from oxidation of biogenic sulfide (e.g. 

pyrite; Strauss, 1997; Krouse and Mayer, 1999).  

From these observations, it is inferred that the variations in δ34SSO4 are the result of 

mixing of sulfate sources rather than sulfate reduction and thus, fractionation of δ34SSO4 within 

the various sulfate sources should be negligible. Four possible sulfate sources may be 

contributing to the aquifer (Figure 35): (1) Mesozoic marine gypsum from the Atlas Mountains 

reworked in the coastal formations, represented by a hypothetical saline water with 3000 mg L‐1 

sulfate with δ34SSO4 ≈ 15‰ and 1000 mg L‐1 Cl‐; (2) sulfate derived from oxidation of marine 

sulfide, represented by a fresh water containing 500 mg L‐1 SO42‐ with δ34SSO4 = ‐9‰ and 

250 mg L‐1 Cl‐ (similar to sample M9‐47); and/or (3) modern seawater with δ34SSO4 = 21‰ 

(Krouse and Mayer, 1999); and (4) anthropogenic sulfate from wastewater, not represented on 

Figure 35. The mixing model indicates that the presence of sulfate sources 1 through 3 is 

consistent with the observed isotope ratios, and most of the samples plot along one of the 

Page 185: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

160 

hypothetical two‐component mixing curves between seawater‐ and gypsum‐derived sulfate and 

seawater‐ and sulfide‐derived sulfate (Figure 35). In general, it was possible to explain the 

observed data without introducing anthropogenic sulfate to the mixing model.  

A similar mixing model was not attempted using δ18OSO4 because the sulfate derived 

from sulfide oxidation exhibits ambiguous δ18OSO4 if the sulfide oxidation pathway is not known. 

Sulfide oxidation by molecular oxygen imparts a different δ18OSO4 than if water molecules are 

the oxygen source (Lloyd, 1968;Tuttle et al., 2009). Despite these complications, the pattern in 

δ18OSO4 is broadly consistent with the interpreted δ34SSO4 pattern, yet inconsistent with mixing of 

only seawater and Mesozoic gypsum‐derived sulfate (Figure 35). In contrast to other studies of 

seawater intrusion, some waters in this study clearly exhibit sulfide oxidation and no samples 

indicate sulfate reduction. This apparent lack of widespread sulfate reduction also implies that 

barite precipitation is plausible. 

5.5.5 Radium activities 

224Ra, 226Ra, and 228Ra activities are correlated with each other (Figure 37, first row), but 

correlations of Ra isotopes with the components of salinity vary within the half‐lives of the 

isotopes being considered (half‐lives of 224Ra < 228Ra < 226Ra). The chloride ion, whose primary 

interaction with Ra is to form the soluble RaCl+ complex, would be expected to enhance radium 

solubility. Chloride concentration is more strongly positively correlated with 224Ra than 228Ra or 

226Ra (Table 20; Figure 37, first row), that is, the correlation weakens with increasing radium 

isotope half‐life. The sulfate ion would be expected to form the uncharged complex RaSO40, 

which could enhance Ra solubility in low‐Ba waters. However, saturation of the insoluble BaSO4 

(section 5.5.4) suggests that elevated sulfate concentrations may be associated with Ra removal. 

Page 186: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

161 

In contrast to the correlations with chloride, sulfate is negatively correlated with long‐lived 226Ra 

but is essentially uncorrelated with shorter‐lived 228Ra and 224Ra (Table 20; Figure 37, third row).  

As an enhancer of aqueous radium, chloride is more strongly associated with short‐lived 

224Ra because short‐lived isotopes are rapidly replenished in relationship to the rates of removal 

processes. In contrast, removal terms of radium are more closely associated with longer‐lived 

226Ra because its replenishment by recoil is relatively slow, preserving the signature of chemical 

removal of radium. Thus, the shortest‐lived isotope is most responsive to the Ra‐mobilizing 

effects of salinization. Considering 224Ra, 226Ra, and 228Ra together, the radium‐salinity 

relationship depends on the balance of major anions present in the water rather than simply 

total dissolved solids. Overall, the SO42‐/Cl‐ ratio is significantly negatively associated with 224Ra 

(ρ=‐0.82), 226Ra (ρ=‐0.60), and 228Ra (ρ=‐0.55) in approximate proportion to the random 

(counting) error associated with radium isotope analysis. Seawater‐like values of SO42‐/Cl‐ 

(~0.05), which are mostly associated with high chloride concentrations overall, exhibit the 

highest levels of aqueous Ra (Figure 37, fourth row). If the three samples with distinctive 

87Sr/86Sr > 0.709 (circled points in Figure 37), possibly representing different aquifer conditions 

in the southeastern part of the study area (sample AC‐50 plus the Group 3 samples with high 

SO42‐ and δ34SSO4), are excluded from the above analysis, the correlations between radium and 

SO42‐/Cl‐ deteriorate somewhat (ρ=‐0.73 for 224Ra, ρ=‐0.45 for 226Ra, and ρ=‐0.41 for 228Ra). 

Although it is possible that this observed pattern is the result of the geographic distribution of 

uranium and thorium in aquifer rocks, that is, that the high‐Cl‐ waters occupy higher‐Th rocks 

and the high‐SO42‐ waters occupy lower‐Th rocks, the chloride‐based and sulfate‐based 

correlations with radium isotope activities are independent. Another independent line of 

evidence is seen in the uranium data. The positive correlation between SO42‐ concentration and 

Page 187: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

162 

uranium concentration and negative correlation between SO42‐ concentration and 226Ra activity 

(Figure 38) imply that high‐sulfate waters do not occupy low‐uranium rocks. This suggests that 

either U or Ra mobility is affected by sulfate concentrations. Speciation calculations suggest that 

sulfate complexes for oxidized uranium are negligible, whereas Ra‐sulfate interactions have a 

clear ability to remove Ra through barite precipitation.  

The precipitation of barite is probably a significant removal mechanism for Ra, indicated 

by the correlation between Ra2+ and Ba2+ ion activities (Figure 43), even though the geochemical 

sources of these elements differ (only radium is released by alpha recoil). Further evidence is 

seen in the negative correlation between Ra2+ and SO42‐ ion activities, similar to the behavior of 

Ba2+ (Figure 43). Overall, barite is a potentially significant removal mechanism for radium that 

removes some of the radium released by recoil, whereas the RaSO40 complex is unavailable to 

barite and diminishes the effectiveness of removal by barite (median 21% of total Ra, range 

9‐40%; Table 17). Perhaps given the strong correlation between Ra and Ba activities (Figure 43), 

salinization would increase Ba and sulfate concentrations, inducing barite precipitation, and 

consequently removing 226Ra most efficiently because the short‐lived isotopes are replenished 

more rapidly by recoil than is 226Ra.  

5.5.6 Radium isotope ratios 

Radium isotope ratios, here presented as the ratio of the short‐lived to the long‐lived 

isotope (SRa/LRa), are another potential source of useful information on Ra sources and critical 

Ra‐mobilizing processes. The 228Ra/226Ra isotope ratio is primarily sensitive to the Th/U ratio of 

the aquifer solids that are within recoil distance of the water (Dickson, 1990; Sturchio et al., 

Page 188: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

163 

2001; Vengosh et al., 2009) as long as groundwater is not adjusting to major changes in solid‐

phase radioactivity or water chemistry along its flowpath. The median 228Ra/226Ra of 1.9 is  

within the expected range for sand or sandstone aquifers (e.g. Vengosh et al., 2009), but is too 

high to represent radium derived from a carbonate aquifer, which may imply that marine 

carbonate is not a major radionuclide source to the aquifer if it is assumed that the 228Ra/226Ra 

ratio represents the solid‐phase 232Th/238U ratio. However, sulfate concentration is somewhat 

correlated with 228Ra/226Ra (ρ= 0.65 or 0.46 when the high‐87Sr/86Sr points are excluded; Figure 

44), but not chloride (ρ=0.19 or 0.32 when the high‐87Sr/86Sr points are excluded). This may 

imply that 228Ra/226Ra is not completely controlled by the aquifer lithology, but may be higher 

than the 232Th/238U of the aquifer rocks because the recoil‐removal balance is not identical 

between 228Ra and the longer‐lived 226Ra. 

 

Figure 43: Relationship between Ra2+ thermodynamic activity (derived from 226Ra) and Ba2+ and SO4

2‐ activities.  

Page 189: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

164 

During the salinization process, the recoil flux of radium remains constant but the first‐

order rate constant of radium removal, k1, slows, which permits the radium activity in water to 

increase. k1 can vary by about 5 orders of magnitude between fresh groundwaters and brines 

(Krishnaswami et al., 1982, 1991). Absent another Ra removal process, the difference in decay 

constants between 228Ra and 226Ra (half‐lifes of 5.8 yr and 1600 yr respectively) implies that in 

response to a change in the system, 228Ra would grow in from alpha recoil 280 times faster than 

226Ra, resulting in extremely high 228Ra/226Ra ratios. In contrast, adsorption or coprecipitation 

would remove all radium isotopes equally rapidly, which counteracts recoil's tendency to favor 

short‐lived isotopes in solution. A related effect of effective Ra removal is that by quickly 

removing most of the recoil flux per time unit, the steady‐state radium activity is much lower, 

and is reached much more rapidly, than if there were little or no Ra removal. In other words, Ra 

removal increases the effective decay constants of Ra isotopes (decreases the half‐lives) by 

orders of magnitude. Thus, 228Ra/226Ra ratios respond strongly to large, rapid increases in salinity 

on a time span shorter than both 228Ra and 226Ra's decay constants, perhaps months or shorter. 

This effect is most dramatic in wells located in beach sands adjacent to the ocean, where high‐

salinity, low‐Ra seawater with 228Ra/226Ra ~1 is pumped into the coastal aquifer and recovered 

on short time scales. When pumped, this water exhibits higher Ra levels than seawater and 

much higher 228Ra/226Ra ratio (by a factor of up to 10) than both the original seawater and 

regional groundwater (Lamontagne et al., 2008; Otero et al., 2011). In this study, the somewhat 

elevated 228Ra/226Ra ratios in the highest‐salinity water could signal increased radium 

mobilization during salinization. Under this interpretation, elevated 228Ra/226Ra would be caused 

by all Ra atoms being removed at the same rate, but 228Ra being replenished more rapidly than 

226Ra by alpha recoil. This process could be influenced or complicated by (1) active salinization 

Page 190: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

165 

causing salinity increase over time; or (2) pumping‐induced mixing of waters with different 

compositions or Ra isotope activities. The potential significance of 228Ra/226Ra for radium 

removal processes could be addressed with more certainty by analyzing aquifer rocks for their 

radium isotope content. 

Another short‐lived to long‐lived activity ratio is 224Ra/228Ra. Due to the effects of 

adsorption in accelerating the systems’s response to change, the response of short‐lived 224Ra is 

near‐instantaneous. In most groundwater systems observed values are near or slightly above 1 

(Krishnaswami et al., 1982; Dickson, 1990; Luo et al., 2000; Focazio et al., 2001; Tricca et al., 

2001), and unusual values >2 are reported in dynamic environments such as intertidal 

groundwater (Lamontagne et al., 2008). The observed 224Ra/228Ra values of the waters in this 

study are slightly above 1 (median 1.3), which is expected for a system in dominated by alpha 

recoil as the primary radium source balanced by rapid adsorption and other geochemical 

removal mechanisms such as barite precipitation. Unlike other radium activities and ratios, 

224Ra/228Ra is not well correlated with any geochemical parameters in this study.  

 

Figure 44: Relationship between anion concentrations and 228Ra/226Ra activity ratio. Circled points represent three wells with distinct 87Sr/86Sr > 0.709. 

Page 191: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

166 

5.6 Conclusions 

In summary, the radium isotopes and isotope ratios correlated with chloride 

concentration seem to be those that respond most rapidly to the recoil mechanism modified by 

diminished adsorption at higher salinity: 224Ra and 228Ra. Those correlated with sulfate 

concentration seem to be those most responsive to chemical removal mechanisms – the long‐

lived 226Ra and the 228Ra/226Ra ratio. As with these anion‐traceable effects in which sulfate 

concentration is linked to radium removal, major cation behavior is useful for illustrating the 

relative importance of adsorption and barite coprecipitation. The cation exchange setting 

strongly favoring divalent cation release (Mg, Ca, Sr) implies that Ra adsorption is relatively 

inefficient, both by exchange sites rejecting divalent cations due to their surface charge. 

Because several geochemical tracers are inconsistent with seawater intrusion being the only 

dominant salinity source in the aquifer, the findings of this study may not be uniformly 

applicable to all cases of seawater intrusion into coastal aquifers, but are broadly applicable to 

the oxic salinization of coastal groundwater. Specifically, the effects of salinity and anion balance 

on radium may occur in any aquifer where multiple salinity sources contribute varying amounts 

of chloride and sulfate. Inferred barite precipitation, combined with the strong release of 

divalent cations from exchange sites in response to high‐Na saline inputs, implies that barite 

coprecipitation rather than ion exchange or adsorption is a significant radium removal 

mechanism, and perhaps the dominant controlling mechanism of radium removal, in the coastal 

aquifer at Agadir. Although it has not been documented that salinization is actively increasing 

the abundance of radium in groundwater in the Agadir coastal aquifer, it seems evident that: (1) 

higher‐chloride waters permit more radium in solution and future increases in chloride 

concentration would also support increased radium levels; and (2) oxic, high‐SO42‐/Cl‐ waters are 

Page 192: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

167 

effective at radium removal by barite coprecipitation and the chemical conditions are at least 

partially responsible for maintaining overall Ra activities in the fresh and saline waters. The 

results of this study suggest that, while increasing salinity is associated with higher radium in 

groundwater, sulfate may impart significant radium‐suppressing effects in oxic waters in which 

barium is present. Therefore, the relationship between radium and salinity depends on the 

major ion composition of the salinity, as well as other well‐documented factors including pH and 

redox conditions. 

 

 

Page 193: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

168 

6. Radium isotope response to salinity gradients in confined Atlantic Coastal Plain aquifers 

6.1 Introduction 

The geochemistry of radium in aquifer systems is governed by the balance between 

radium sources and removal mechanisms. However, unlike other alkaline earth metals and trace 

elements of interest in aquifers, both geochemical mechanisms and radioactive decay can 

strongly influence observed levels of radium in groundwater. The primary source of radium 

isotopes in water is alpha recoil, in which solid‐phase parent thorium isotopes experience alpha 

decay at or near the mineral surface and the energy of alpha decay propels Ra isotopes into the 

groundwater. In contrast to these radioactive processes of Ra release, Ra removal from water is 

much faster than radioactive decay of radium isotopes and is inferred to be due to adsorption in 

many systems (Krishnaswami et al., 1982, 1991). The evolution of Ra in saline aquifer systems is 

commonly attributed to salinity‐driven effects rather than redox effects on adsorption sites, 

although deep saline groundwater systems tend to be anoxic (Kraemer and Reid, 1984; Moise et 

al., 2000; Sturchio et al., 2001; Tomita et al., 2010). Less commonly, the concurrent salinity‐

sensitive and redox‐sensitive controls on Ra have been acknowledged in studies of Ra in saline 

waters and brines (e.g. Bloch and Key, 1981; Herczeg et al., 1988). 

While the salinity‐radium relationship is well established in prior studies, described by 

decreasing first‐order rate constant of adsorption k1 (equation 1) as ionic strength increases 

(Krishnaswami et al., 1982, 1991), in this research the relative importance of the components of 

salinity is examined: anion effects driven by chloride and/or sulfate concentrations, and cation 

effects driven by calcium‐ vs. sodium‐dominated waters. One application of this research is that 

Page 194: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

169 

studies of Ra and other trace elements along spatial gradients can facilitate prediction of their 

response to temporal gradients in salinity, such as seawater intrusion or other salinization 

events. In coastal plain aquifers, salinization events can include seawater intrusion or cross‐

formational inputs of natural saline water or brine, in which leakage is induced by pumping that 

exceeds natural recharge (Vengosh, 2003). In practical terms, would the expected radium 

increase with salinity become problematic for water quality before dissolved solids 

concentrations became excessive for use as drinking water?  This study focuses on the Atlantic 

Coastal Plain, an aquifer system with distinctive cation exchange behavior (Chapelle and Knobel, 

1983; Knobel et al., 1998) that provides a natural environment to test the radium source‐

removal balance under the conditions of highly efficient divalent cation removal across a salinity 

gradient in which the solubility of Ra would otherwise be expected to increase. Also, the anoxic, 

sulfate‐reducing conditions of the Atlantic Coastal Plain (Chapelle and McMahon, 1991) diminish 

the importance of a significant complication in studies of Ra geochemistry: the dominance of 

redox‐sensitive Mn and Fe oxide adsorption sites in oxic groundwater. In addition to the radium 

isotope data, this paper reports 87Sr/86Sr, an isotopic tracer of divalent cation sources; boron 

isotopes, which may record the cation exchange conditions favoring Na‐dominated waters with 

low divalent cation concentrations; and S and O isotopes of sulfate to evaluate sulfate reduction 

and its effects on barite precipitation, which can remove radium. Used in combination with ion 

ratios, these isotopic tracers allow the relative importance of critical Ra‐mobilizing processes to 

be identified. 

Page 195: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

170 

6.2 The Atlantic Coastal Plain aquifer system: Natural and increasing salinity 

In the Cretaceous to Holocene sediments that constitute the Atlantic Coastal Plain 

aquifer system fresh waters at the recharge area are modified down‐flow by cation exchange, 

microbial redox processes, and mixing with saline waters. This gradient provides a natural 

opportunity to evaluate the response of radium isotopes to salinity gradients under uniform 

anoxic conditions. This study focuses on the deepest and shallowest fresh confined aquifers in 

the stratigraphy of the North Carolina coastal plain (Figure 45): (1) the upper Cretaceous Cape 

Fear formation, which overlies the crystalline basement in the study area. The Cape Fear 

formation, interpretated as deltaic deposits including offshore components (Gohn, 1988; 

Winner and Coble, 1996), contains a major regional confining unit in its middle such that 

hydraulically distinct upper and lower aquifers are defined in North Carolina. While lithologically 

similar to the Upper Cape Fear aquifer, the Lower Cape Fear aquifer exhibits higher salinity 

thought most of its extent in North Carolina (Winner and Coble, 1996). For simplicity, the Upper 

and Lower Cape Fear aquifers are referred to collectively as the Cape Fear aquifer system in this 

paper; and (2) the Pliocene Yorktown aquifer, which is the youngest major confined aquifer in 

the North Carolina coastal plain and is composed of marine sand and clay containing abundant 

shell material (Winner and Coble, 1996), and is locally phosphatic in the lower part of the 

formation (Riggs and Belknap, 1988). Both aquifers have large subsurface extent and become 

more saline down‐gradient towards the Atlantic Ocean, reaching salinity levels that would 

require treatment for use (Figure 46).  

In North Carolina, the Coastal Plain aquifers are extensively pumped for public water 

supply and industrial use. Pre‐development hydraulic heads were commonly above the land 

Page 196: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

171 

surface, but for several decades water levels in wells have been declining, especially near cities 

(dePaul et al., 2008) and this is specifically the case in the wells sampled for this study, where 

declines of up to 10 m have been observed since 1980 (Figure 47). In most areas, the natural 

condition of the aquifer system includes higher heads with increasing well depth (Winner and 

Coble, 1996), including the nested monitoring wells sampled in this study. This pressure 

relationship allows deep, saline water to leak upwards through confining units in response to 

high pumping rates of the fresh, shallow waters so that declining water levels in wells are 

associated with increasing chloride concentrations (Vinson et al., in press). 

The Atlantic Coastal Plain has been the site of numerous studies on the geochemistry of 

confined aquifers, including detailed examination of cation exchange (Back, 1966; Chapelle and 

Knobel, 1983) and organic carbon oxidation (Chapelle and Knobel, 1985; Chapelle et al., 1987; 

Chapelle and McMahon, 1991; McMahon and Chapelle, 1991a,b; Haque et al., 2008). Briefly, 

conditions proceed from acidic, low‐TDS groundwaters at the recharge area to anoxic, near‐

neutral Ca‐Mg‐HCO3‐ waters in the shallow aquifer, to Na‐HCO3

‐ fresh waters farther down‐

gradient subsequent to cation exchange, and eventually reaching a mixing zone with saline Na‐

Cl waters (Chapelle and Knobel, 1983; Knobel et al., 1998). Reduction of iron and sulfate 

electron acceptors is widespread in the confined aquifer, although methanogenesis is mostly 

inhibited by high sulfate concentrations (Chapelle and McMahon, 1991). A few previous studies 

have also focused on the radium isotope geochemistry of the Atlantic Coastal Plain aquifers. 

Much attention has been devoted to the far up‐dip extent of the Coastal Plain sediments where 

dilute, acidic waters exhibit Ra in excess of drinking water standards due to the low‐pH (<4.5) 

effects on radium adsorption (Michel and Moore, 1980; Bolton, 2000; Szabo et al., 2005). In the 

confined, near‐neutral Coastal Plain aquifers, radium was evaluated in a phosphate mining area 

Page 197: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

172 

of North Carolina, given the affinity of marine phosphates to accumulate U. However, low levels 

of 226Ra were documented (Mitsch et al., 1984). 

 

Figure 45: Schematic cross section of the Atlantic Coastal Plain aquifer system in North Carolina. Dashed polygons represent the approximate extent of sampling in the Cape Fear and 

Yorktown aquifers (modified from Winner and Coble (1996), plate 7). 

6.3 Methods 

6.3.1 Water Sampling 

The Cape Fear aquifer water samples plus Yorktown aquifer samples J3O3, J7K5, and 

J7K7 were collected from wells in the monitoring network of the North Carolina Division of 

Water Resources (Figure 46). These monitoring wells are assigned to the Yorktown, Upper Cape 

Fear, or Lower Cape Fear aquifers based on hydrogeologic criteria and have short screen lengths 

(typically 3 m). Wells were sampled after purging three volumes, although low‐yielding (M25F6) 

or deep (1‐510 and 1‐610) wells were sampled after approximately one well volume. One saline 

well, I13X3, could not be purged but was sampled for Br‐, Cl‐, and 87Sr/86Sr, which should be 

unaffected by the stagnant conditions. Four wells, M25F4, M25F6, J22P7, and O23L8, yielded 

high concentrations of suspended particles resulting in rapid clogging during filtration. The 

Page 198: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

173 

 

 

Figure 46: Map showing the extent of the Yorktown, Upper Cape Fear, and Lower Cape Fear aquifers and well locations (data from North Carolina Division of Water Resources shapefiles).  

Page 199: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

174 

 

Figure 47: Historic water levels in Cape Fear aquifer wells sampled at this study and selected other Cape Fear wells at the same well nests. Data provided by North Carolina Division of 

Water Resources (http://www.ncwater.org). 

remaining Yorktown Aquifer samples were collected from monitoring wells and high‐capacity 

water supply wells maintained by the Dare County Water Department in the community of Kill 

Devil Hills (Figure 46). These include a vertical nest containing a shallow monitoring well (1‐310), 

production well (PW1), and two deep monitoring wells (1‐510 and 1‐610). 

Page 200: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

175 

6.3.2 Major and trace elements 

Na, Ca, and Mg concentrations were determined using direct current plasma (DCP) 

spectrometry and potassium analyzed by flame atomic absorption spectrometry, both calibrated 

using standards prepared from plasma‐grade single‐element standards. B, Ba, and Sr 

concentrations were determined on appropriately diluted water samples by inductively‐coupled 

plasma mass spectrometry, calibrated using NIST 1643e trace element solution. Major anions 

(Cl‐, SO42‐, Br‐) were analyzed by ion chromatography, and bicarbonate concentrations were 

determined by titration of unfiltered water samples to pH 4.5. 

6.3.3 Environmental isotopes (δ11B, δ34SSO4, δ18OSO4, 

87Sr/86Sr) 

Filtered water samples were treated with H2O2 several days prior to loading to facilitate 

oxidation of organic carbon in a laminar flow hood with B‐free filters, then loaded onto 

degassed Re filaments in a B‐free synthetic seawater solution (Dwyer and Vengosh, 2008). 

Boron isotope ratios were measured by negative ion thermal ionization mass spectrometry 

(TIMS) at Duke University. After stabilizing BO2 signal (mass 43) in negative ion mode at ~1V, the 

CN signal at mass 42 was monitored (<5000 cps) using the secondary electron multiplier to 

evaluate potential interference (Hemming and Hanson, 1992). 11B/10B ratios were normalized to 

replicate runs of NIST 951 and reported as δ11B. Long‐term replication of NIST 951 indicates 

precision of 0.25‰ (1σ, n=238). Sulfur and oxygen isotopes of sulfate were determined by 

isotope ratio mass spectrometry (IRMS) at the University of Calgary subsequent to BaSO4 

precipitation of filtered water samples. For oxygen isotope analysis, the purity of BaSO4 

precipitate was checked by weighing, and only those precipitates containing 27 ± 2% oxygen are 

reported. Strontium isotope samples were prepared by drying ~ 3 µg of Sr, with subsequent 

Page 201: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

176 

HNO3 digestion and extraction with Eichrom SR‐B50‐S resin. The resulting separated materials 

and a Ta load solution were loaded onto Re filaments, then analyzed by positive ion TIMS at 

Duke University. The long‐term average value of NIST 987 is 0.710245 ± 0.000010 (1σ, n=109).  

6.3.4 Radium isotopes 

Unfiltered water samples were collected in polyethylene containers and processed later 

the  same day. Most  samples were 52  L, but  a  few  samples were  larger or  smaller  (26‐78  L). 

Samples  were  slowly  pumped  through  sequential  columns  (typically  two  columns),  each 

containing 10 g (dry weight) of Mn oxide impregnated acrylic fibers (Moore and Reid, 1973). The 

fibers were rinsed with deionized water to remove particles and salts, then squeezed of excess 

water. Fiber samples from each separate column were analyzed 1‐3 days later for 224Ra using a 

delayed coincidence counter (Moore and Arnold, 1996; Garcia‐Solsona et al., 2008) calibrated at 

efficiency appropriate for hand‐squeezed fibers. Subsequent sample runs were used to correct 

the 224Ra results for the count rate attributable to 223Ra (Moore and Arnold, 1996) and confirm 

negligible 224Ra support by its parent 228Th. 226Ra was analyzed after a 21‐day incubation period 

in  an  evacuated  glass  tube  by  analyzing  the  ingrown  222Rn  on  a  Durridge  RAD7  radon‐in‐air 

monitor (Kim et al., 2001). 228Ra was analyzed on a compressed wafer (5 mm tall and 65 mm in 

diameter)  prepared  from  the  first  column’s  fibers  on  a  Canberra  broad‐energy  germanium 

gamma detector using a weighted  the 911 keV peak of  228Ac. This was  then corrected  for  the 

distribution of Ra between the first and subsequent columns using the 224Ra results. The stated 

uncertainties of radium  isotope results are based on counting statistics only, which  include the 

propagation  of  error  (Eaton  et  al.,  2005)  associated  with  background  subtraction  and  the 

addition of activities from the individual columns of fibers. These calculated counting errors do 

Page 202: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

177 

not  incorporate  other  potential  uncertainties  including  moisture  content  variability  (224Ra), 

counting  geometry  variation  (228Ra),  or  quantitative  adsorption  onto  the Mn  oxide.  Sample‐

specific radium detection limits are estimated by the 2σ error. This detection limit is defined as 

the radium activity with a 95% probability of detection at ±100% precision and is equivalent to 

1.96σ (Eaton et al., 2005). 

6.3.5 Speciation calculations 

Speciation calculations were performed using the geochemical code PHREEQC version 2 

(Parkhurst and Appelo, 1999). Additional stability constants were added to the default database 

for Ra2+, RaSO40, RaCl+, and RaHCO3

‐ (Langmuir and Riese, 1985), which are similar to the 

thermodynamic constants in widespread use for Ba. 

6.4 Results 

6.4.1 Major and trace element chemistry  

Down‐gradient within the aquifer, total dissolved solids (TDS) increases gradually and 

several changes in the major cation composition are observed: increasing dominance of the 

cations by Na, increasing Cl‐ concentrations, and irregular but increasing sulfate concentrations 

(Table 21). The same trends in TDS are seen vertically in nested wells: waters exhibit more Na‐

HCO3‐ and Na‐Cl‐ character with depth. Among the wells that were sampled for full chemistry, 

sodium and chloride exhibit the largest ranges in concentrations ‐ two to three orders of 

magnitude (28‐5820 mg L‐1 and 5‐9890 mg L‐1, respectively; Table 22). These large ranges in 

cation and anion compositions result in distinctive ion ratios between the aquifers and relative 

to seawater. In both aquifers, Mg is significantly lower in concentration than the expected 

Mg/Cl‐ ratio from seawater. In the Yorktown aquifer, Ca/Cl‐ and Sr/Cl‐ are at or above seawater 

Page 203: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

178 

values; in the Cape Fear aquifer, Ca/Cl‐ and Sr/Cl‐ are at or below seawater values. Overall, the 

Mg/Cl‐, Ca/Cl‐, Sr/Cl‐ ratios are higher in the Yorktown aquifer than in the Cape Fear aquifer 

(Figure 48). Anion concentrations also exhibit significant differences between the two aquifers 

sampled. The ratio of sulfate to chloride is consistently higher than seawater values in the Cape 

Fear aquifer but lower than seawater values in the Yorktown aquifer (Figure 49). Throughout the 

waters sampled in this study, Br‐/Cl‐ ratios are uniformly close to the expected seawater value of 

1.5 x 10‐3 (Figure 50). 

Sodium is the dominant cation in nearly every water sample (median 93% Na+K (as 

equivalents), range 27‐98%). Consistent with the patterns observed in divalent cations (Figure 

48), higher sodium dominance was observed in the in the Cape Fear aquifer (median 97% Na+K) 

than in the Yorktown aquifer (median 85% Na+K). On average, sodium dominance is significantly 

higher than seawater (78% Na+K). The two shallowest wells in each aquifer relative to modern 

sea level (the four shallowest wells overall) are also the two least Na‐dominated in each aquifer. 

In the Yorktown aquifer, these are wells J7K7 and J3O3 (depths 23‐64 m below sea level; 27‐52% 

Na+K, compared to 81‐97% Na+K in the remaining wells). In the Cape Fear aquifer, the 

shallowest two wells are M25F4 and J22P1 (depths 58‐65 m below sea level; 56‐89% Na+K, 

compared to 91‐98% Na+K in the remaining wells). These four shallowest wells exhibit higher 

Mg/Cl‐, Ca/Cl‐, Sr/Cl‐ (Figure 48), Ba/Cl‐, and Ra/Cl‐ ratios (Figure 51) than the deeper, more Na‐

dominated waters. 

6.4.2 Strontium and boron 

Significant differences in strontium concentrations were observed between the two 

aquifers. As indicated in Figure 48, the groundwater Sr/Cl‐ ratio is either higher than (median 

Page 204: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

179 

4.9 x 10‐4 in the Yorktown aquifer) or slightly below (median 1.1 x 10‐4 in the Cape Fear aquifer) 

the seawater Sr/Cl‐ ratio of 1.6 x 10‐4. In addition to the order‐of‐magnitude difference in Sr/Cl‐, 

the Sr/Ca ratio varies between the two aquifers (median 0.025 and 0.0016 in the Yorktown and 

Cape Fear aquifers, respectively). Strontium isotope ratios differ also significantly between the 

two aquifers studied. In the Yorktown aquifer, 87Sr/86Sr falls within a narrow range (0.70898‐

0.70916, median 0.70904), but ratios occupy a larger range in the Cape Fear aquifer and are 

generally lower (0.70813‐0.70895, median 0.70871; Figure 52; Table 22). There is no observed 

relationship between 87Sr/86Sr and Sr concentration in either aquifer.  

Both aquifers exhibit a large range of boron concentrations (0.11‐2.60 mg L‐1 and 

0.36‐6.61 mg L‐1 in the Yorktown and Cape Fear aquifers respectively; Table 22), including values 

that exceed water quality guidelines of the World Health Organization (0.5 mg L‐1; World Health 

Organization, 2008) and the U.S. Environmental Protection Agency (5 mg L‐1 lifetime Health 

Advisory; Environmental Protection Agency, 2008). In terms of δ11B, the Yorktown aquifer 

exhibits about 15 ‰ of variability (10.9‐34.7 ‰), although the Cape Fear aquifer exhibits a wider 

range extending both above and below the global seawater value (8.5‐51.8 ‰; Figure 52). Low 

values of δ11B are associated with fresh waters containing low boron concentrations but high 

B/Cl‐ ratios. High values of δ11B are associated with saline waters exhibiting high boron 

concentrations and somewhat lower B/Cl‐ ratios (Figure 53). It was also observed that the two 

aquifers exhibit parallel trends with respect to the relationship between between B/Cl‐ and δ11B, 

but an essentially overlapping relationship between δ11B and well depth. Relationships were 

also seen in the Na/Cl‐ ratio in which an increasing Na/Cl‐ ratio is associated with increasing B/Cl‐ 

ratio in both aquifers, in addition to trends showing the highest Na/Cl‐ ratios in each aquifer are 

Page 205: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

180 

in waters of lowest δ11B. Overall, at comparable values of B/Cl‐ and Na/Cl‐ ratios, the Cape Fear 

aquifer groundwater exhibits higher values of δ11B than the Yorktown aquifer (Figure 53). 

 

 

Figure 48: Ca, Mg, and Sr plotted relative to chloride, grouped by aquifer and water type. Dashed lines indicate seawater ion ratios. For clarity, the four shallowest samples are 

excluded from plots in the left two columns.  

Page 206: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

181 

 

Figure 49: Sulfate concentration plotted relative to chloride concentration, grouped by aquifer. Dashed line represents the seawater ratio. 

 

 

Figure 50: Plot of bromide vs. chloride concentrations in Cape Fear and Yorktown aquifer groundwater. Dashed line represents seawater ratio. 

Page 207: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

182 

 

Figure 51: Ba and 226Ra plotted relative to chloride, grouped by aquifer and water type. Dashed line indicates seawater ratio. For clarity, the four shallowest wells are excluded from 

plots in the left two columns. 

 

Figure 52: Environmental isotope ratios (strontium, boron, and sulfur) in Cape Fear vs. Yorktown aquifer groundwater. Dashed lines represent modern seawater values. 

Page 208: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

183 

 

Figure 53: Plots showing boron concentrations and isotope ratios.  

Page 209: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

184 

6.4.3 Sulfur and oxygen isotopes of sulfate 

The aquifers contain similar ranges of sulfate concentrations (0.2‐1140 mg L‐1 overall), 

but ion ratios and isotopic composition of sulfate differ between the samples collected in the 

two aquifers. The Yorktown aquifer exhibits SO42‐/Cl‐ ratios lower than the seawater value, 

whereas the Cape Fear aquifer generally exhibits higher SO42‐/Cl‐ than seawater (Figure 49). All 

values of δ34SSO4 and δ18OSO4 exceed the seawater values of 21.0 ‰ and 9.5 ‰ respectively 

(Table 22) and are generally higher in the Yorktown aquifer than in the Cape Fear aquifer (Figure 

52). The six samples for which both δ34SSO4 and δ18OSO4 are available plot along a line with slope 

~0.25 (Figure 54). 

 

Figure 54: δ34SSO4 plotted against δ18OSO4 for Yorktown and Cape Fear aquifer groundwater. 

6.4.4 Barium and Radium 

While barium concentrations increase somewhat with salinity (plotted as chloride 

concentration) in the Na‐dominated waters of the Yorktown aquifer, there is no apparent Ba‐

salinity trend in the Cape Fear aquifer (Figure 51). Activities of 224Ra, 226Ra, and 228Ra increase 

Page 210: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

185 

Table 21: Major element concentrations (in mg L‐1) of the Yorktown and Cape Fear aquifers. Data in italics appeared in Vinson et al. (in press). 

Well  Screen elev (m)  Date  T (°C)  pH  O2  Ca  Mg  Na  K  Cl‐  Br‐  SO42‐  HCO3

‐ Yorktown aquifer                                  J3O3  ‐64  10 Dec 2008  17.5  7.2  0.3  49.5  4.2  67.0  4.9  49.8  0.2  0.2  265 J7K7  ‐23  11 Dec 2008  17.8  6.8    54.0  23.0  27.7  18.8  22.1  0.1  0.4  356 J7K5  ‐94  11 Dec 2008  18.5  7.9  0.3  17.9  29.7  1080  42.4  1340  4.9  64.2  586 Ocean Bay  ~ ‐120  28 Oct 2008    8.6  0.3  4.6  6.0  511  4.5  336  1.3  27.2  717 Albatross  ~ ‐120  28 Oct 2008  18.8  8.0  0.3  20.6  42.7  950  3.7  1150  4.1  21.5  515 PW 1‐310   ‐95  28 Oct 2008    8.0  0.7  4.8  6.1  469  1.5  357  1.3  24.2  574 Well 1  ~ ‐90‐120  28 Oct 2008  20.0  7.9  0.6  63.2  112  1570  82.9  2400  8.7  168  354 PW 1‐510  ‐156  28 Oct 2008  21.4  7.2  0.2  232  479  4990  168  8180  29.6  764  333 PW 1‐610  ‐187  28 Oct 2008  21.4  7.2  0.1  270  527  5820  207  9890  36.4  719  458 Well 2  ~ ‐90‐120  28 Oct 2008  20.0  7.8  1.6  72.2  128  1650  88.0  2520  9.1  191  371 Well 7  ~ ‐90‐120  28 Oct 2008  19.5  7.8  0.6  79.1  128  1640  74.1  2610  9.3  177  313 Well 11  ~ ‐90‐120  28 Oct 2008     7.8  0.7  66.5  122  1720  74.4  2740  10.1  187  410 Upper & Lower Cape Fear aquifers                                  L24B5  ‐91  18 Oct 2007  18.5  7.6    4.7  7.0  658  29.0  379  1.3  286  334 M25F4  ‐58  19 Oct 2007  19.5  7.8    5.5  2.0  80.9  9.3  8.8  0.0  7.7  204 M25F5  ‐72  19 Oct 2007  19.1  8.1  0.4  1.3  0.9  133  10.6  62.3  0.2  26.1  213 M25F6  ‐145  19 Oct 2007  21.8  8.1    12.4  11.1  928  31.9  457  1.6  304  725 J22P6  ‐160  22 Oct 2007  20.4  8.0  0.3  17.1  20.2  1100  39.4  774  2.7  459  729 J22P7  ‐131  22 Oct 2007  20.0  7.7  0.2  5.6  6.3  530  24.8  402  1.5  232  567 J22P1  ‐65  22 Oct 2007  18.7  7.3  0.3  18.9  18.4  60.0  22.5  4.6    0.4  302 K21R5  ‐266  22 Oct 2007  22.4  7.4  0.2  95.0  132  3550  114  4680  16.6  1090  531 K21R6  ‐207  10 Dec 2008  20.8  7.5  0.4  53.9  81.7  2720  85.1  3040  10.8  1140  633 K21R7  ‐121  10 Dec 2008  19.1  8.5  0.3  3.9  1.4  258  12.7  79.7  0.3  58.0  467 P24O1  ‐209  11 Dec 2008  20.7  7.6  0.2  4.8  3.6  647  18.3  369  1.4  317  622 I13X3  ‐270  11 Dec 2008                16000  58.3     R23X10  ‐295  13 Jan 2009  22.5  7.6  0.8  25.6  20.9  1810  47.7  2450  10.9  305  390 S22J12  ‐305  13 Jan 2009  22.0  7.2  0.4  19.2  14.0  1600  45.5  2040  8.9  115  647 O23L8  ‐253  13 Jan 2009  20.5  7.7  0.8  8.9  8.0  926  26.2  825  3.2  252  762 Seawater (Millero and Sohn, 1991)      8.2    412  1280  10800  399  19400  67  2710  114 

 

Page 211: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

186 

Table 22: Trace metal concentrations and isotope ratios of Yorktown and Cape Fear aquifer groundwater. Concentrations are in mg L‐1. Data in italics appeared in Vinson et al. (in press). 

Well  δ34SSO4 (‰)  δ18OSO4 (‰)  Sr (µg L‐1)  87Sr/86Sr  B (mg L‐1) B/Cl‐  δ11B (‰)  Ba (µg L‐1)  224Ra (mBq L‐1)  226Ra (mBq L‐1)    228Ra (mBq L‐1)  Yorktown aquifer                                                 J3O3      275  0.709058  0.11 0.0073   8.6 4.8  ± 0.7  3.3  ±  0.7  6.0 ±  3.2 J7K7      368  0.709156  0.27 0.0396 20.9  15.9 6.4  ± 0.9  5.6  ±  0.8  4.6 ±  2.6 J7K5      701  0.708997  1.19 0.0029 33.4  6.9 7.0  ± 0.9  4.6  ±  1.7  2.8 ±  2.0 Ocean Bay      103  0.709148  1.85 0.0181 24.8  4.0 1.7  ± 0.4  2.5  ±  0.5  0.2 ±  0.9 Albatross      902  0.709052  1.42 0.0041 29.8  2.4 4.9  ± 0.8  4.9  ±  0.7  3.8 ±  1.3 PW 1‐310      88.9  0.709000  1.33 0.0123 22.6  1.3 1.9  ± 0.5  1.9  ±  0.6  1.1 ±  1.2 Well 1  34.4  21.1  2830  0.709052  1.28 0.0018 25.8  8.0 21.4  ± 0.9  19.1  ±  1.3  19.5 ±  3.4 PW 1‐510  34.7  21.8  13800  0.709028  2.19 0.0009 34.5  50.9 99.1  ± 7.3  186  ±  7  96.7 ±  21.7 PW 1‐610  36.5  22.4  18000  0.709028  2.60 0.0009 34.7  67.2 98.7  ± 6.1  214  ±  7  119  ±  26 Well 2      2970  0.709040  1.31 0.0017 27.9  8.8 19.1  ± 1.0  20.0  ±  1.3  24.0 ±  4.6 Well 7      3450  0.709038  1.26 0.0016 27.3  10.9 25.6  ± 1.7  26.9  ±  1.5  27.0 ±  6.3 Well 11       3440  0.709027  1.43 0.0017 28.8  9.3 29.2  ± 2.4  26.9  ±  1.7  26.3 ±  6.8 Upper & Lower Cape Fear aquifers                                              L24B5      46.9  0.708709  2.60 0.0226   16.3 23.5  ± 1.6  9.4  ±  1.2  15.4 ±  4.4 M25F4      19.6  0.708683  0.67 0.2486 15.7  25.3 29.8  ± 1.8  21.5  ±  1.4  30.8 ±  9.1 M25F5      8.0  0.708877  1.25 0.0660   28.7 3.6  ± 0.7  4.4  ±  0.9  1.9 ±  2.9 M25F6      78.3  0.708881  3.03 0.0217 43.0  58.7 39.8  ± 2.9  28.0  ±  1.9  55.1 ±  15.9 J22P6  29.4  20.7  169  0.708506  3.83 0.0162 46.9  29.8 18.4  ± 1.2  10.6  ±  1.3  17.9 ±  4.9 J22P7      58.0  0.708641  3.61 0.0296 42.2  28.1 23.6  ± 1.9  39.5  ±  2.1  11.5 ±  6.0 J22P1      188  0.708945  0.36 0.2550 8.5  704  42.7  ± 2.0  18.6  ±  1.4  51.4 ±  14.1 K21R5      2060  0.709065  4.62 0.0032 51.8  27.7 257  ± 14  105  ±  5  175  ±  30 K21R6  29.0    1190  0.708922  4.26 0.0046 45.1  20.6 74.9  ± 3.4  32.0  ±  1.4  60.8 ±  5.6 K21R7      32.5  0.708673  2.19 0.0901 27.5  41.5 8.1  ± 1.0  4.3  ±  0.6  5.7 ±  1.3 P24O1  31.2  21.1  63.3  0.708943  4.81 0.0427 42.0  25.5 6.2  ± 0.8  14.1  ±  1.2  6.2 ±  1.5 I13X3        0.708173                           R23X10      773  0.708127  5.92 0.0079 45.9  31.8 28.4  ± 2.2  26.5  ±  2.0  18.5 ±  2.3 S22J12  30.6  20.1  816  0.708084  6.61 0.0106 45.2  58.7 66.1  ± 3.2  30.0  ±  1.9  53.9 ±  4.7 O23L8        166  0.708994  5.46 0.0217 47.8  39.1 17.1  ± 1.1  14.8  ±  1.3  12.6 ±  2.0 Seawater  21.0 1  9.5 1  7900 2  0.70924 1 4.6 3 0.0008 39 3  14 2                  1‐ Clark and Fritz, 1997                         2‐ Millero and Sohn, 1991                         3‐ Vengosh and Spivack, 1999                       

Page 212: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

187 

with chloride in both aquifers studied (Figure 51, Figure 56), and the increase is somewhat linear 

above about 1000 mg L‐1 chloride. Radium activities exceed US EPA drinking water standards 

(185 mBq L‐1 combined 226Ra+228Ra activity) only in the highest‐salinity waters. The shallowest 

two samples in each aquifer exhibit significantly higher Ba/Cl‐ and Ra/Cl‐ ratios than do the Na‐

dominated waters (Figure 51). The highest Ba concentration in the study was observed in one of 

the shallow waters from the Cape Fear aquifer (704 µg L‐1; Table 22). 

6.5 Discussion 

6.5.1 Major element chemistry and the aquifers’ response to salinization 

The major element chemistry observed in the Yorktown and Cape Fear aquifers is 

consistent with the vertical and down‐gradient trends described in previous investigations, in 

which a distinctive combination of ion exchange and mixing phenomena are observed: (1) 

Recharging waters interact with marine carbonate material, yielding a fresh Ca‐Mg‐HCO3‐ 

groundwater; (2) Farther down‐gradient, divalent‐monovalent exchange in which divalent 

cations are removed and Na released,, increases the proportion of Na in the groundwater and 

yields a Na‐HCO3‐ water; (3) CO2 from microbial respiration drives aragonitic shell dissolution, 

with subsequent Ca removal by ion exchange, yielding increased TDS within the Na‐HCO3‐ 

hydrochemical facies; and (4) Na‐HCO3‐ waters mix with saline Na‐Cl‐ waters at depth that 

represent modified seawater from prior sea level fluctuations (Chapelle and Knobel, 1983, 1985; 

Chapelle et al., 1987; Meisler, 1989; McMahon and Chapelle, 1991a; Knobel et al., 1998). The 

cation ratios are consistent with this ion exchange sequence yielding Na‐HCO3‐  and Na‐Cl‐ 

waters; Sr/Cl‐ and Ca/Cl‐ values above the seawater value in the Yorktown aquifer are consistent 

with aragonitic shell dissolution (step 3 above) that somewhat modifies the Na‐dominated 

Page 213: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

188 

nature of these aquifers. The freshening process yielding Na‐HCO3‐ waters (step 2 above) 

represents the progressive reversal of very old seawater intrusion into the Coastal Plain 

aquifers. However, the long residence time of fresh to brackish groundwater in confined Coastal 

Plain aquifers (104‐105 years; Hathaway et al., 1979; Murphy et al., 1992; Purdy et al., 1992, 

1996; Plummer, 1993; Kennedy and Genereux, 2007) indicates that progressive freshening along 

the ~200 km‐long aquifer is extremely slow, at least in North Carolina where saline waters are 

found far inland in all of the confined aquifers (Manheim and Horn, 1968; Meisler, 1989; Knobel 

et al., 1998). In the wells sampled in the study, this saline Na‐Cl water exhibits marine Br‐/Cl‐ 

ratios indicating its origin as seawater (Figure 50). In the brackish to saline sections of the 

aquifer system, exchange sites remain Na‐saturated from interaction of marine clays with 

seawater (Back, 1966; Chapelle and Knobel, 1983). Conversely, seawater intrusion of previously 

freshened aquifers can release divalent cations by ion exchange (Nadler et al., 1980; Mercado, 

1985; Appelo and Postma, 1993; Vengosh, 2003; Sivan et al., 2005; Russak and Sivan, 2010). 

Thus, the relationship between cation composition and salinity is the opposite of what would be 

expected from intrusion of modern seawater. The relationship between sodium domination and 

the Mg/Cl‐, Ca/Cl‐, Sr/Cl‐, Ba/Cl‐, and Ra/Cl‐ ratios is consistent throughout the samples analyzed 

from both aquifers: the four shallowest wells (less sodium‐dominated waters) exhibit higher 

ratios of all five alkaline earth metals relative to chloride (Figure 48; Figure 51) than the more 

Na‐dominated samples. Because these alkaline earth metals come from different geologic 

sources (e.g. Sr is concentrated in marine sources and Ba is much higher in continental sources), 

the similarity in their behavior strongly suggests that they are affected by a shared removal 

mechanism related to their divalent nature. 

Page 214: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

189 

The aquifer’s response to the salinization of heavily pumped wells in the Yorktown and 

Cape Fear aquifers (Figure 47) is analogous to the mixing relationship between Na‐HCO3‐ and 

Na‐Cl‐ waters that occurs at depth throughout the Atlantic Coastal Plain (Knobel et al., 1998). 

Because of the negligible differences in the cation composition between these waters, the 

increasing salinity (chloride concentration) of the heavily pumped areas of the Coastal Plain 

aquifers does not appear to induce cation exchange. The cation exchange phenomena observed 

in the study area are a major influence on water chemistry, but they correspond with the 

natural, gradual, down‐gradient freshening processes that dominate the confined Coastal Plain 

aquifers, rather than pumping‐induced processes. 

6.5.2 Redox conditions 

Although radium is not redox‐sensitive, solid‐phase removal mechanisms for radium, 

Mn oxides and barite, are sensitive to reductive dissolution reactions linked to natural organic 

carbon oxidation by bacteria in groundwater systems (Bolze et al., 1974; Stumm and Morgan, 

1996). Evidence for anoxic, reducing conditions is seen the in the low dissolved oxygen 

concentrations (Table 17) and sulfur isotope data. In both aquifers, S and O isotope ratios 

(Figure 54) are enriched over expected sulfate sources to this system such as oxidized marine 

sulfide (Chapelle and McMahon, 1991) with its expected negative δ34S values, and seawater 

(δ34S = 21‰), which implies that sulfate in the groundwater is residual from extensive sulfate 

reduction (Krouse and Mayer, 1999). As further evidence of sulfate reduction in the Yorktown 

and Cape Fear aquifers, the slope of 0.25 between δ18OSO4 and δ34SSO4 (Figure 54) is the expected 

slope for kinetic fractionation effects during sulfate reduction from one abundant sulfate source 

(Claypool et al., 1980; Tuttle et al., 2009). Yet, paradoxically, the Cape Fear aquifer system 

Page 215: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

190 

exhibits SO42‐/Cl‐ ratios higher than the seawater value (Figure 49) despite its strong evidence of 

sulfate reduction. Thus, the aquifer is receiving a supply of sulfate at lower δ18OSO4 and δ34SSO4 

than observed in the groundwater to prevent the exhaustion of sulfate by sulfate reduction. This 

source was documented in Cretaceous Coastal Plain aquifers as diffusion of sulfate from 

confining beds. This sulfate diffuses into the sandy aquifer sediments and maintains high sulfate 

concentrations concurrent with active sulfate reduction (Chapelle and McMahon, 1991; Brown 

and Schoonen, 2004). Along with organic acids also diffused from the confining units (McMahon 

and Chapelle, 1991b), these sulfate inputs support sulfate reduction as the dominant organic 

carbon oxidation reaction in the aquifers, rather than allowing methanogenesis to dominate 

after the depletion of sulfate (McMahon and Chapelle, 1991a). Assuming that the SO42‐/Cl‐ ratio 

somewhat indicates a higher degree of confining unit interactions, it implies that the Cape Fear 

aquifer has more clay content than the Yorktown aquifer, consistent with other lines of evidence 

such as higher Na/Cl‐ and lower Ca/Na ratios in the Cape Fear. Overall in both aquifers, these 

sulfate‐reducing conditions are unfavorable for extensive Ra adsorption sites to be present as 

highly reactive Mn and Fe oxides of high surface area, which, if present could be effective 

adsorption sites for Ra. This is because Fe and Mn oxide reduction is more thermodynamically 

favorable than sulfate reduction (Champ et al., 1979; Stumm and Morgan, 1996). 

6.5.3 Strontium 

If exchangeable Sr indicates different 87Sr/86Sr from modern seawater, then the release 

of divalent cations from aquifer solids by saline influxes may be indicated by 87Sr/86Sr of salinized 

groundwater (Vengosh et al., 2002; Bouchaou et al., 2008). In the Cape Fear aquifer, 87Sr/86Sr 

ratios (0.70808‐0.70906) are significantly more radiogenic (Figure 55) than those of Cretaceous 

Page 216: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

191 

seawater (0.7072‐0.7078; McArthur et al., 2001). However, 87Sr/86Sr is not correlated with any 

indicators of salinity such as chloride concentration, providing no indication that salinity 

increases in the aquifer correspond with Sr release, nor should any correlation be expected 

because the salinization of the aquifer is defined by mixing of Na‐HCO3‐ with Na‐Cl‐ waters 

without inducing cation exchange. This irregular distribution in upper and lower Cape Fear 

waters was also seen in four wells by Sirtariotis (1998) in southeastern North Carolina (range 

0.70799‐0.70892). The ratios observed in Cape Fear aquifer groundwater, being more radiogenic 

than seawater, are derived from continental‐sourced Sr such as mica (Brown, 1959) and feldspar 

(Gohn, 1988) present in the formation. In the Yorktown aquifer, 87Sr/86Sr falls within a narrow 

range (0.70900‐0.70916) that corresponds to late Miocene to late Pliocene marine carbonate 

(Figure 55; McArthur et al., 2001). These results are consistent with other studies from the 

North Carolina coastal plain indicating agreement with the global seawater 87Sr/86Sr record in 

Tertiary formations (Denison et al., 1993) and their groundwaters (Woods et al., 2000) in which 

seawater 87Sr/86Sr has increased since the late Eocene epoch. Because these ratios are observed 

in both fresh and saline Yorktown waters, including the recharge area, these values indicate that 

87Sr/86Sr is governed by equilibration with the Pliocene carbonate of the aquifer rather than 

modern seawater intrusion, probably by dissolution of aragonitic shell material given the high Sr 

concentrations and Sr/Cl‐ ratio in the Yorktown aquifer and the high Sr content of aragonite 

(Kinsman, 1969). Overall, the cation chemistry of the Yorktown aquifer is complicated by the 

release of Ca, Mg, and Sr from carbonates and subsequent cation exchange removing divalent 

cations and releasing Na. The highly efficient removal of alkaline earth metals throughout both 

aquifers is not recorded by 87Sr/86Sr, but to some degree 87Sr/86Sr provides a record of marine vs. 

continental divalent cation sources. 

Page 217: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

192 

 

Figure 55: Relationship between 87Sr/86Sr and 228Ra/226Ra. Labeled bands represent the 87Sr/86Sr ratios of Cretaceous and Pliocene marine carbonate (McArthur et al., 2001). Note that most Yorktown aquifer samples exhibit Pliocene marine 87Sr/86Sr and carbonate‐like median 228Ra/226Ra < 1; most Cape Fear samples exhibit 87Sr/86Sr modified by radiogenic continental 

inputs and sandstone‐like median 228Ra/226Ra > 1. 

6.5.4 Boron 

The 87Sr/86Sr results of this study illustrate the one‐directional nature of strontium 

isotopes as a tracer of exchange processes: Waters that gain Sr by cation exchange or 

dissolution record the Sr source by their 87Sr/86Sr ratio, yet waters losing Sr to the sediments do 

not record this process in the 87Sr/86Sr of residual groundwater Sr. Boron exhibits potential as a 

tracer of this cation exchange scenario because of its high concentration in seawater and its 

association with high‐Na fresh waters (e.g. Ravenscroft and McArthur, 2004; Faye et al., 2005; 

Halim et al., 2010). Desorption of boron from sediments may be driven by two independent 

mechanisms: (1) decreasing pH, during which the attraction of adsorption sites for B(OH)4‐ 

declines (Palmer et al., 1987; Spivack et al., 1987; Singh and Mattigod, 1992), and (2) dilution, in 

which decreasing ionic strength stimulates desorption without any change in pH (Goldberg et 

Page 218: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

193 

al., 2008). At near‐neutral pH, B is present as B(OH)30 and the minor, charged portion of boron is 

subject to adsorption and desorption. The uncharged and poorly adsorbed B(OH)30 can 

accumulate in near‐neutral pH waters, resulting in the high concentrations observed in 

groundwater. The large observed variations in δ11B (Figure 53) could be caused by mixing of 

distinct B sources and/or fractionation during speciation of boron between B(OH)30 and B(OH)4

‐. 

The two North Carolina coastal plain aquifers exhibit consistent B isotope trends. In 

both aquifers, decreasing boron concentrations are associated with decreasing δ11B and 

increasing B/Cl‐ is associated with decreasing δ11B (Figure 53), which implies that 

adsorption/desorption behavior of boron explains both B concentrations and isotope ratios. 

However, the trends between the aquifers diverge in the δ11B of the apparent saline, 

unmodified end point of the system. In B/Cl‐‐δ11B space, the unmodified saline end point of the 

Yorktown aquifer is consistent with seawater, but in the Cape Fear aquifer system, waters with 

B/Cl‐ ratios approaching the seawater ratio exhibit δ11B up to 12‰ higher than the seawater 

value (Figure 53). These δ11B values and B/Cl‐ ratios both greater than the expected seawater 

values in the Cape Fear aquifer system require special attention. This is because δ11B of 

groundwater > 39‰ is typically associated with the residual boron subsequent to boron 

adsorption, which results in low B concentrations and low B/Cl‐ ratios (Vengosh, 2003). A 

possible explanation for this boron isotopic behavior lies in the evolution of Na‐HCO3‐ waters in 

the Atlantic Coastal Plain as determined by previous studies. In the confined aquifers, the 

freshening process that generates Na‐HCO3‐ waters is consistent with boron desorption due to 

decreasing salinity, resulting in the high B/Cl‐ ratios seen in the up‐gradient waters (Figure 53). 

As they flow down‐gradient, Na‐HCO3‐ waters become even more enriched in Na and 

bicarbonate through a process of carbonate dissolution followed by Ca/Na rechange (Chapelle 

Page 219: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

194 

et al., 1987; Knobel et al., 1998). At the site of carbonate dissolution, localized pH ≥ 9 induces 

(OH)‐ removal from groundwater, releasing other anions such as fluoride from fluorapatite in 

shark teeth and resulting in localized high‐fluoride groundwater in the overlying upper 

Cretaceous Black Creek aquifer (Zack and Roberts, 1988; Konikow and Glynn, 2005). Similar high 

F‐ concentrations (>2 mg L‐1) have been documented in Na‐HCO3‐ waters of the Cape Fear 

equivalent aquifers in South Carolina (Lee, 1984), which implies that this mechanism is plausible 

in the Cape Fear aquifer system where the unusual boron isotope ratios occur. The high‐pH 

microenvironment is a favorable site of boron adsorption, both because of its high pH, which 

dictates that B will occur as highly adsorbable B(OH)4‐ (Palmer et al., 1987), and because of the 

the high Ca/Na ratio at the carbonate dissolution site, which also promotes B(OH)4‐ adsorption 

due to the positive surface charge of adsorption sites (Mattigod et al., 1985; Singh and 

Mattigod, 1992). This suggested microenvironment for high‐pH adsorption in the deep, down‐

gradient section of the aquifer is also consistent with the observed ion ratios showing that the 

highest Na/Cl‐ ratios coincide with the highest B/Cl‐ ratios and lowest δ11B. In summary, δ11B 

appears to record (1) B desorption that predominates in the shallow waters undergoing dilution, 

generating waters of high B/Cl‐ and low δ11B; and (2) down‐gradient adsorption of B in the 

deeper‐slower circulating waters that causes B/Cl‐ to decrease and δ11B to increase, although 

absolute boron concentrations are elevated throughout the aquifer. 

The high boron concentrations documented in this study, in excess of international 

standards and recommendations, are among the highest reported B concentrations for fresh to 

brackish groundwater, which can reach mg L‐1 concentrations in marine and fluvial/deltaic 

aquifers in which freshening processes release B and Na (Ravenscroft and McArthur, 2004; Faye 

et al., 2005; Stamatakis et al., 2009; Halim et al., 2010). Boron concentrations ≥ 2 mg L‐1 have 

Page 220: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

195 

been documented in Na‐dominated Coastal Plain groundwater throughout the southeastern 

USA (Lee, 1984), and thus are not isolated to the area of this study. Because uncharged boron 

species are inefficiently removed by reverse osmosis (e.g. Vinson et al., in press), even treated 

waters may exceed recommended maximum B concentrations. 

6.5.5 Radium and barium 

6.5.5.1 Salinity effects 

The observed levels of Ra and other divalent cations in both aquifers can be separated 

into (1) the up‐gradient, comparatively shallow waters in which Ca and Mg are more significant 

than in deeper parts of the aquifer; and (2) down‐gradient waters along the transition from Na‐

HCO3‐ to Na‐Cl‐ hydrochemical facies (section 6.5.1). The four shallowest samples exhibit 

generally higher Ra relative to chloride concentration (Figure 51), apparently representing those 

wells in which cation exchange reactions are less efficient at removing alkaline earth metals 

including Ba and Ra. This corresponds with the freshening process (section 6.4.1). In the down‐

gradient portion of each aquifer, radium isotope activities increase with salinity (Figure 56). This 

is generally consistent with radium‐salinity trends observed in other saline aquifers and brines 

(Kraemer and Reid, 1984; Miller and Sutcliffe, 1985; Krishnaswami et al., 1991; Walters, 1995; 

Wood et al., 2004; Tomita et al., 2010). Under conditions in which Ra2+ and the other alkaline 

earth metals are efficiently removed to the aquifer solids, the increase of Ra observed with 

salinity must be due to variations in radium removal processes. The increased ion‐ion 

interactions at higher salinity (activity coefficient γ < 1) diminish the thermodynamically‐active 

portion (chemical activity) of the Ra2+ concentration. 

In the context of overall salinity increases, variations in individual anion compositions 

may also exert important controls on Ra across the salinity gradient. Speciation calculations 

Page 221: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

196 

indicate that Ra is primarily composed of Ra2+ and RaSO40; monovalent Ra species such as RaCl+ 

and RaHCO3+ are negligible. Calculated γRa2+ decreases at ionic strength approaching seawater 

concentration, whereas γRaSO40 remains near 1 because uncharged species are little affected by 

ion‐ion interactions that occur at increased ionic strength (Drever, 1997). Thus, the chemical 

activity of RaSO40 closely approaches that of Ra2+ (Figure 57) above 1 mM SO4

2‐ and in some 

saline waters with higher sulfate concentration and SO42‐/Cl‐ ratio, RaSO4

0 is the 

thermodynamically dominant species of Ra, with a maximum RaSO40 /Ra2+ ratio of 1.8 (Figure 

58). When expressed as molar concentration rather than activity, reflecting the actual 

distribution of radium in the system, the same general trend was observed with sulfate 

concentration but the overall role of uncharged species is less pronounced. In this case, the 

maximum RaSO40/Ra2+ ratio is 0.59, indicating that the dominant Ra species under these 

conditions is always Ra2+ on a molar basis. The proportion of total radium as RaSO40 is in an 

uncharged, poorly adsorbed form, implying that the balance between sulfate and other major 

anions is a significant component in radium’s response to salinity. 

Although Sr isotopes provide no direct tracer of this process because Sr is continually 

removed rather than released (section 6.5.3), the speciation of alkaline earth metals (Mg, Ca, Sr, 

and Ba) provides evidence for the importance of uncharged species for Ra behavior. The ratio of 

the activity of the uncharged alkaline earth metal sulfate complex (MeSO40) to the divalent ion 

(Me2+) increases with sulfate concentration for the waters in this study. Among alkaline earth 

metals, affininty for cation exchange (to the diffuse ion swarm or outer‐sphere complexes) and 

adsorption (to inner‐sphere complexes) varies with ionic radius such that the larger radii (Ra > 

Ba > Sr > Ca > Mg) are preferentially removed (Sposito, 2008). Although the specific mechanism 

of alkaline earth metal removal is beyond the scope of this field‐based study, cation exchange is

Page 222: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

 

197 

 

 

 

 

Figure 56: Relationships between radium isotope (224Ra, 226Ra, 228Ra) activities and chloride concentrations. 

Page 223: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

198 

inferred to be a significant process affecting Ra and other divalent cations because of the 

documented release of Na. The greater significance of the uncharged species for Ra and Ba than 

for Sr, Ca, and Mg is consistent with this selectivity sequence because Ra2+ and Ba2+ are more 

effectively removed than Sr2+, Ca2+, and Mg2+, and the equilibrium values of MeSO40/Me2+ are 

higher for Ra and Ba as a result (Figure 58). 

Due to the rapid equilibration of speciation reactions, the presence of RaSO40  

effectively reduces the proportion of Ra2+ that is easily removed. Through this mechanism, 

equilibrium Ra molar concentration is up to 59% higher than if all Ra in these waters were the 

efficiently removed Ra2+, as noted above, given that Ra removal is species‐sensitive but that the 

Ra source (alpha recoil) is not. This also implies that the dimensionless radium distribution 

coefficient K decreases accordingly. However, K can vary by at least two orders of magnitude 

along salinity gradients from fresh water to seawater salinity in anoxic aquifers (Sturchio et al., 

2001), and similarly, about one order of magnitude of variation in Ra/Cl‐ was observed in the 

gradient from fresh water to a chloride concentration of ~10,000 mg L‐1 in this study (Figure 51). 

Therefore, uncharged sulfate complexes are a secondary, enhancing factor to the ion‐ion 

interactions and diminished adsorption rate that result in lower values of and K at higher 

salinity. 

6.5.5.2 Redox effects and the barite removal mechanism for radium 

As noted previously, anoxic conditions provide additional support for recoil‐generated 

radium to remain in water beyond those provided by ionic strength and aqueous complexation. 

The oxidation of organic carbon in the confined aquifers of the Atlantic Coastal Plain is linked to 

reduction of Mn oxides, Fe oxides, and sulfate (Chapelle and Knobel, 1985; Chapelle et al., 1987; 

Page 224: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

199 

 

Figure 57: Calculated chemical activities of Ra2+, RaSO40, and RaCl+ along gradients of sulfate 

activity. 

 

Figure 58: Ratio of sulfate‐complexed (uncharged) to divalent alkaline earth metal activities with increasing sulfate activity.  

Chapelle and McMahon, 1991; Chapelle and Lovley, 1992) and is supported by anoxic conditions 

(Table 21) and the sulfur isotope evidence (Figure 54) in this study. Thus it is inferred that Fe and 

Page 225: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

200 

Mn oxides are less abundant adsorption sites for Ra than in oxic systems to the extent that they 

are microbially‐reducible. However, it cannot be said that these metal oxides are absent, as Fe 

and Mn oxides have been observed in anoxic Atlantic Coastal Plain aquifer sediments, primarily 

in non‐labile forms that have relatively low reactive surface area (Haque et al., 2008). In contrast 

to redox‐sensitive adsorption onto Fe and Mn oxides, Ra removal onto the abundant clays in the 

aquifer by cation exchange or adsorption is not expected to be affected by reducing conditions.  

Another potential redox‐sensitive radium removal mechanism is coprecipitation into 

barite (BaSO4). While it has been documented in this study that sulfate complexes increase the 

amount of radium that can remain in water, whether high sulfate concentrations can facilitate 

radium removal depends on whether barite saturation is reached and precipitation actually 

occurs. In aquifers with active barite precipitation, Ba and SO42‐ concentrations may be 

negatively correlated (Underwood et al., 2009). However, precipitation of barite is difficult to 

observe directly in groundwater systems due to its trace nature (e.g. Sturchio et al., 1993). 

Pervasive sulfate‐reducing conditions may (1) maintain sulfate concentrations below barite 

saturation, ultimately allowing Ba2+ to accumulate (Gilkeson et al., 1983) and/or (2) subject 

barite crystals to reductive dissolution (Bolze et al., 1974; Phillips et al., 2001; Martin et al., 

2003). Furthermore, cation exchange may compete with Ba precipitation by rapidly removing 

Ba2+. In the two aquifers in this study, there is not a consistent negative correlation beween Ba 

and sulfate concentrations (Figure 59a). A majority of the Cape Fear aquifer waters are at or 

near barite saturation, but most Yorktown aquifer waters are undersaturated with respect to 

barite (Figure 59a). In each aquifer, the shallow, less Na‐dominated waters exhibit the most 

undersaturated conditions (Figure 59a), the highest Ba/Cl‐ ratios (Figure 59b), and the highest 

Ra/Cl‐ ratios (Figure 59c). The overall undersaturation of the Yorktown aquifer with respect to  

Page 226: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

201 

 

Figure 59: Radium and barium in relationship to barite saturation. Dashed line represents barite saturation based on Ksp = 10

‐9.97 (Drever, 1997). Circled points are the shallowest two wells in each aquifer. 

barite rules out barite precipitation as a major removal mechanism for Ra in that aquifer. In 

contrast, a majority of Cape Fear aquifer waters are near barite saturation, indicating that Ra 

removal by barite is possible. However, the similar behavior of radium in the two aquifers, with 

no obvious radium removal at high sulfate concentrations (Figure 57), may imply that despite 

the near‐saturation conditions, barite precipitation is not the main radium removal mechanism 

in either aquifer, perhaps because barite precipitation is precluded by sulfate reduction and/or 

that Ba and Ra atoms are removed rapidly onto clays. For example, in systems with higher clay 

content than aquifer conditions, Ra removal onto clays is faster than and becomes dominant 

over barite precipitation (Shao et al., 2009). However, in the Coastal Plain aquifers there is not 

enough information to assess any potential competition between these two mechanisms of 

radium removal. Overall, given that the main mechanism(s) of radium removal in this system are 

charge‐dependent, the effect of high sulfate concentrations is to make radium removal less 

efficient and support higher levels of radium in water than in comparable waters of low sulfate 

Page 227: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

202 

concentration. At a minimum, this seems to be the case in the Yorktown aquifer with its 

relatively low barium concentrations and persistent barite undersaturation. 

6.5.5.3 Radium isotope ratios 

Radium isotope ratios may provide additional information about radium‐mobilizing 

processes because radium is removed at a rate dependent on the atomic concentration, 

whereas individual Ra isotopes are replenished by alpha recoil at different rates depending on 

their respective half‐lives. In most systems, the 228Ra/226Ra ratio is primarily influenced by the 

relative abundances of 232Th and 238U. Within the aquifer formations, lithologic differences in 

Th/U could influence 228Ra/226Ra, indicated by the large difference in 228Ra/226Ra between the 

Yorktown and Cape Fear aquifers. Values below 1 in the Yorktown aquifer (median 0.8) are 

consistent with the mixed carbonate and sand lithology of the Yorktown aquifer, given that 

carbonate systems have a higher affinity for U than Th (Moise et al., 2000; Sturchio et al., 2001) 

while sandstones containing a significant amount of Th from continental sediments are 

expected to yield 228Ra/226Ra ≥ 1 (Lively et al., 1992; Vengosh et al., 2009) . The moderate 

228Ra/226Ra values of these samples also imply that marine phosphates, if present, are not a 

major radium source to these waters because phosphates would exhibit low Th/U and thus 

would impart low 228Ra/226Ra below ~0.5 (Moise et al., 2000; dePaul and Szabo, 2007). In the 

Cape Fear aquifer, higher 228Ra/226Ra ratios (median 1.5; Figure 60) are consistent with 

sandstone aquifers containing Ra from continental sources. Given that 87Sr/86Sr in this aquifer 

system seems to record marine carbonate vs. continental detrital sources of Sr (section 6.5.3), 

228Ra/226Ra ratios averaging above 1 (continental sandstone) and below 1 (marine carbonate) 

support consistent geologic sources and interactions to explain the observed radium distribution 

Page 228: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

203 

(Figure 55). Within analytical uncertainty, 224Ra/228Ra ratios are broadly near the expected value 

of at or slightly above 1 for a system in which Ra is contributed by recoil and chemical removal is 

rapid, validating this assumption about the primary Ra source mechanism (Krishnaswami et al., 

1982). Also, median 224Ra/228Ra is broadly similar between the aquifers, with median of 1.1 in 

the Yorktown aquifer and 1.3 in the Cape Fear aquifer (Figure 60). Overall, evidence such as 

228Ra/226Ra suggests that solid‐phase radionuclide sources are different between the two 

aquifers, and that the higher Ra/Cl‐ ratios in the Cape Fear aquifer (Figure 51) are probably the 

result of higher solid‐phase radionuclide levels in the Cape Fear aquifer rather than Ra removal 

being less effective in that aquifer.  

6.6 Conclusions 

Overall, the primary removal mechanism for Ra and other alkaline earth metals is 

charge‐dependent removal of divalent cations, probably onto exchange sites on clays, although 

adsorption sites such as non‐microbially‐reducible metal oxides may also be present. Ra levels 

are not especially high compared to some other sand and sandstone aquifers; only in the most 

saline samples do radium activities approach drinking water standards. The observed low to 

moderate activities of Ra can be explained primarily by (1) Ra sources consistent with alpha 

recoil from the sandstone aquifer matrix and (2) charge‐sensitive mechanisms that remove Ra 

and the other alkaline earth metals. Radium removal mechanisms become progressively less 

effective as salinity increases because of ion‐ion interactions at increasing ionic strength and the 

secondary enhancing role of uncharged RaSO40. When considering all alkaline earth metals (Mg, 

Ca, Sr, Ba, and Ra), the uncharged sulfate species is increasingly important with salinity for the 

heavier elements Ba and Ra (indicated by higher MeSO40/Me2+). In terms of molarity, the 

Page 229: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

204 

 

Figure 60: Differences in radium isotope ratios (228Ra/226Ra and 224Ra/228Ra) between the Yorktown and Cape Fear aquifers.  

presence of the RaSO40 species supports up to 59% higher total radium than if all radium were 

present as Ra2+. Radium isotope results are consistent with the behavior of the complementary 

Sr and B isotope systems. 87Sr/86Sr, like 228Ra/226Ra, seems to fingerprint marine vs. nonmarine 

lithologic sources of Sr and radionuclides. Boron isotopes provide insights on the freshening 

process that removes alkaline earth metals, including Ra, and yields Na‐HCO3‐ waters with high 

boron concentrations. Overall, the geochemistry of this aquifer system influenced by cation 

exchange imparts strong effects on the isotopic systems of Ra and B. The formation of 

uncharged species of alkaline earth metals and boron, such as RaSO40 and B(OH)3

0, is a 

significant means by which these elements are not removed to the solids in a strongly retentive 

system such as the Atlantic Coastal Plain.

Page 230: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

205 

7. Synthesis 

7.1 The components of salinity: Cation and anion effects 

The five groundwater systems in this study encompass a large range of fresh to saline 

and oxic to strongly reducing conditions commonly observed in aquifers (Figure 2). Direct 

comparisons between these field‐based studies are approximate because the solid‐phase 

radionuclide distribution varies between these aquifers. However, as components of the overall 

salinity in a system, certain anions and cations impart consistent influences on radium because 

they directly or indirectly affect radium removal mechanisms (Table 23).  

Table 23: Components of salinity and redox conditions that are correlated with increasing (↑) or decreasing (↓) radium activities in the five studied groundwater systems. 

Aquifer system  Cl‐  SO42‐ 

Ca or Ca/Na 

Ba Fe/Mn oxide reduction 

Sulfate reduction vs. BaSO4 

Crystalline rocks        ↑  ↑   

Willcox Basin      ↑       

Jordan sandstone    ↓    ↓  ↑   

Agadir coastal aquifer  ↑  ↓  ↑  ↓     

Atlantic Coastal Plain  ↑  ↑  ↑  ↑  ↑  ↑ 

The chloride ion uniformly supports higher levels of radium in water because it is 

associated with higher ionic strength, which makes adsorption of Ra2+ less efficient, because 

high‐Cl‐ waters also contain cations that may compete with Ra for adsorption sites, and to a 

much lesser extent through formation of the RaCl+ complex. In both of the studies with chloride 

concentrations exceeding 1000 mg L‐1, linear relationships were seen between chloride 

concentration and 224Ra (Agadir coastal aquifer) and with all radium isotopes (Atlantic Coastal 

Plain). Moreover, these relationships exhibit similar estimated slopes of ~12‐16 mBq L‐1 of 

Page 231: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

206 

radium activity increase per 1000 mg L‐1 of TDS concentration increase in Na‐Cl type waters 

(Figure 38, Figure 56) despite the different inferred Ra removal mechanisms in each aquifer. A 

recent analysis of radium in Na‐Cl‐ waters and brines in several studies worldwide with TDS of 

103‐105 mg L‐1 (Tomita et al., 2010) found a slightly higher slope, but similar magnitude in light of 

the uncertainties involved: ~100 mBq L‐1 per 1000 mg L‐1 TDS.  

High sulfate concentrations favor the uncharged and thus weakly adsorbed RaSO40 

species, which should inhibit the overall removal of Ra in high‐sulfate waters. However, once 

barite saturation is reached, high sulfate concentrations could contribute to Ra removal by 

coprecipitation into barite. Because of the redox‐sensitive nature of barite and the possibly 

slower rate of radium removal by barite precipitation relative to other removal mechanisms, the 

effect of barite on groundwater radium is mixed, depending on redox conditions and cation 

ratios in addition to the saturation state of the mineral. 

Calcium and other alkaline earth metals exhibit some association with radium in all of 

the studies with significant variations of Ca concentrations and/or Ca/Na ratios. Only in the 

Jordan aquifer, where the entire aquifer exhibits similar concentrations and proportions of Ca, 

was no such correlation observed. Consistent with the apparent effects of Ca, however, the Ca‐

dominated Jordan aquifer exhibits the highest Ra relative to salinity of all five study areas. These 

consistent indications between the different study areas suggest that in fresh to slightly saline 

waters, the competition among alkaline earth metals for charge‐sensitive removal sites strongly 

influences the removal of radium. Thus, although radium released by cation exchange is not 

expected to be a significant mechanism of direct radium mobilization to waters, cation exchange 

can nonetheless promote higher levels of radium by interfering with Ra removal upon 

Page 232: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

207 

introducing competing divalent cations. Conversely, systems in which divalent cations are 

removed from groundwater in exchange for Na exhibit more rapid and effective Ra removal.  

As an alkaline earth metal and chemical analogue to radium, high Ba concentrations also 

support higher levels of Ra in water due to increased competition for adsorption sites as long as 

barite is undersaturated. At barite saturation, the precipitation of BaSO4 is a significant removal 

mechanism for radium, and thus some high‐Ba aquifers exhibit enhanced radium removal that 

partially mitigates the effects of divalent cation concentrations, e.g. high Ca/Na ratio. As with 

sulfate concentrations, evaluating the effects of Ba concentrations requires understanding of 

the barite saturation state, the possible effects of sulfate‐reducing conditions, and other Ba 

removal mechanisms such as cation exchange, which may be more rapid. 

7.2 Salinity vs. redox effects 

A similar analysis to that of Tomita et al. (2010), combining the results of the sand and 

sandstone aquifers in this study (fractured‐rock waters excluded), indicates that fresh waters 

with TDS < 1000 mg L‐1 consistently exhibit radium‐226 levels higher than the expected 

downward extrapolation of the salinity trend, but especially in the anoxic fresh waters of the 

Jordan aquifer (Figure 61). In contrast, the oxic Willcox Basin waters exhibit very low radium, 

both in absolute activities and relative to the other fresh water systems. It must be emphasized 

that radionuclide levels of the aquifer solids differ between aquifers and also influence these 

results, but even the low‐U quartz sandstones in the Jordan sandstone seem to support high 

groundwater Ra relative to the low salinity. This must be due to the anoxic, Fe‐ and Mn‐oxide 

reducing conditions of the Jordan aquifer.  

Page 233: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

208 

 

Figure 61: Relationship between total dissolved solids (TDS) and 226Ra activity in sand aquifers in this study. Dashed line is a linear regression of the Atlantic Coastal Plain waters with TDS > 

103.5 mg L‐1 (slope ~15 mBq L‐1 per 1000 mg L‐1 TDS). 

Therefore, within the salinity range considered in this study (TDS < ~20,000 mg L‐1), 

redox conditions impart a substantial influence on radium mobility. Unlike some of the 

components of salinity that exhibit mixed effects on radium mobility, like sulfate concentration, 

reduction along the thermodynamic sequence from oxic to sulfate‐reducing conditions would 

apparently always enhance radium mobility in a consistent way (Table 23) by removing 

adsorption sites (Mn and Fe oxides) and by inhibiting barite precipitation through sulfate 

reduction. Overall, the observation that radium mobilization increases by approximately one 

order of magnitude between oxic and Mn/Fe‐oxide reducing conditions suggests that this 

commonly‐encountered redox gradient can impart a similar effect on radium removal as, for 

Page 234: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

209 

example, a TDS increase from 103.5 to 104 mg L‐1 (~3000‐10,000 mg L‐1; Figure 61). Thus, from the 

perspective of evaluating water quality impacts of changing groundwater conditions on the 

naturally‐occurring radionuclide distribution in an aquifer, commonly observed redox conditions 

in fresh waters used for drinking correspond to the salinity effects in significantly more saline 

waters than typically used for drinking without desalination. The highest levels of radium 

activities in groundwater are therefore expected in both saline and reducing aquifer conditions. 

Page 235: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

210 

References Adkins, C.B., 2009, Solute Chemistry and Isotope Tracers of Groundwater Recharge, Flow Paths, 

and Travel Times in the Middle San Pedro Basin, Arizona [MS thesis]: University of Arizona. 

 Aiuppa, A., Bellomo, S., Brusca, L., D'Alessandro, W., and Federico, C., 2003, Natural and 

anthropogenic factors affecting groundwater quality of an active volcano (Mt. Etna, Italy): Applied Geochemistry, v. 18, p. 863‐882. 

 Alexander, S.C., and Alexander, E.C., 1989, Residence times of Minnesota groundwaters: Journal 

of the Minnesota Academy of Science, v. 55, no. 1, p. 48‐52.  Ames, L.L., McGarrah, J.E., and Walker, B.A., 1983a, Sorption of trace constituents from aqueous 

solutions onto secondary minerals. II. Radium: Clays & Clay Minerals, v. 31, p. 335‐342.  Ames, L.L., McGarrah, J.E., and Walker, B.A., 1983b, Sorption of uranium and radium by biotite, 

muscovite and phlogopite: Clays & Clay Minerals, v. 31, p. 343‐351.  Ames, L.L., McGarrah, J.E., Walker, B.A., and Salter, P.F., 1983c, Uranium and radium sorption on 

amorphous ferric oxyhydroxide: Chemical Geology, v. 40, p. 135‐148.  Amrhein, C., Duff, M.C., Casey, W.H., and Westcot, D.W., 1998, Emerging problems with 

uranium, vanadium, molybdenum, chromium, and boron, in Dudley, L.M. and Guitjens, J.C. eds., Agroecosystems and the environment: sources, control, and remediation of potentially toxic, trace element oxyanions, American Association for the Advancement of Science, p. 39‐56. 

 Andersen, M.S., Nyvang, V., Jakobsen, R., and Postma, D., 2005, Geochemical processes and 

solute transport at the seawater/freshwater interface of a sandy aquifer: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 69, p. 3979‐3994. 

 Andrews, J.N., Ford, D.J., Hussain, N., Trivedi, D., and Youngman, M.J., 1989, Natural 

radioelement solution by circulating groundwaters in the Stripa granite: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 53, p. 1791‐1802. 

 Appelo, C.A.J., and Postma, D., 1993, Geochemistry, Groundwater, and Pollution: Balkema, 

Rotterdam.  Arizona Department of Water Resources, 2005, Southeastern Arizona Planning Area: Rural 

Programs report, http://www.azwater.gov/AzDWR/StateWidePlanning/RuralPrograms/ OutsideAMAs_PDFs_for_web/default.htm. 

 

Page 236: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

211 

Armienta, M., and Segovia, N., 2008, Arsenic and fluoride in the groundwater of Mexico: Environmental Geochemistry and Health, v. 30, p. 345‐353. 

 Arnórsson, S., and Óskarsson, N., 2007, Molybdenum and tungsten in volcanic rocks and in 

surface and <100 °C ground waters in Iceland: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 71, p. 284‐304. 

 Asikainen, M., 1981a, Radium content and the Ra‐226/Ra‐228 activity ratio in groundwater from 

bedrock: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 45, p. 1375‐1381.  Asikainen, M., 1981b, State of disequilibrium between U‐238, U‐234, Ra‐226, and Rn‐222 in 

groundwater from bedrock: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 45, p. 201‐206.  Asikainen, M., and Kahlos, H., 1979, Anomalously high concentrations of uranium, radium and 

radon in water from drilled wells in the Helsinki region: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 43, p. 1681‐1686. 

 Aument, B.A., 1989, Radium in ground water; a parent radionuclide concentration in the 

Cambro‐Ordovician sandstone aquifer, Milwaukee and Waukesha counties, Wisconsin [MS thesis]: University of Wisconsin at Milwaukee. 

 Ayotte, J.D., Szabo, Z., Focazio, M.J., and Eberts, S.M., 2011, Effects of human‐induced alteration 

of groundwater flow on concentrations of naturally‐occurring trace elements at water‐supply wells: Applied Geochemistry, In Press, doi: 10.1016/j.apgeochem.2011.01.033. 

 Back, W., 1966, Hydrochemical facies and ground‐water flow patterns in northern part of 

Atlantic Coastal Plain: US Geological Survey, Professional Paper 498‐A.  Baes, C.F., and Mesmer, R.E., 1976, The hydrolysis of cations: Wiley‐Interscience, New York.  Baillie, M.N., Hogan, J.F., Ekwurzel, B., Wahi, A.K., and Eastoe, C.J., 2007, Quantifying water 

sources to a semiarid riparian ecosystem, San Pedro River, Arizona: Journal of Geophysical Research, v. 112, doi:10.1029/2006JG000263. 

 Ball, J.W., and Izbicki, J.A., 2004, Occurrence of hexavalent chromium in ground water in the 

western Mojave Desert, California: Applied Geochemistry, v. 19, p. 1123‐1135.  Banner, J.L., Musgrove, M., and Capo, R.C., 1994, Tracing ground‐water evolution in a limestone 

aquifer using Sr isotopes: Effects of multiple sources of dissolved ions and mineral‐solution reactions: Geology, v. 22, p. 687‐690. 

 Banwart, S., Tullborg, E., Pedersen, K., Gustafsson, E., Laaksoharju, M., Nilsson, A., Wallin, B., 

and Wikberg, P., 1996, Organic carbon oxidation induced by large‐scale shallow water intrusion into a vertical fracture zone at the Aspo Hard Rock Laboratory (Sweden): Journal of Contaminant Hydrology, v. 21, p. 115‐125. 

Page 237: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

212 

Banwart, S.A., Wikberg, P., and Puigdomenech, I., 1999, Protecting the redox stability of a deep repository: Concepts, results, and experience from the Aspo hard rock laboratory, in Metcalfe, R. and Rochelle, C A eds., Chemical containment of waste in the geosphere, Geological Society of London, Special Publication 157, p. 85‐99. 

 Barker, A.P., Newton, R.J., Bottrell, S.H., and Tellam, J.H., 1998, Processes affecting groundwater 

chemistry in a zone of saline intrusion into an urban sandstone aquifer: Applied Geochemistry, v. 13, p. 735‐749. 

 Barth, S., 1993, Boron isotope variations in nature: a synthesis: Geologische Rundschau, v. 82, p. 

640‐651.  Ben Hamouda, M.F., Tarhouni, J., Zouari, K., and Leduc, C., 2008, Geochemical and isotopic study 

of the origin of salinization in an unconfined coastal aquifer of Cap Bon (Tunisia), in 20th Salt Water Intrusion Meeting, p. 18‐21. 

 Ben Kabbour, B., and Toto, L., 2001, Groundwater salinity and saltwater intrusion process in 

some coastal aquifers of Morocco [abstract only], in Ouazar, D. and Cheng, A.H. eds., First International Conference on Saltwater Intrusion and Coastal Aquifers— Monitoring, Modeling, and Management. Essaouira, Morocco, April 23–25, 2001, 

 Berg, J.A., and Bradt, R., 2003, Bedrock and water‐table hydrogeology [scale 1:100,000], in 

Goodhue County Geologic Atlas, County Atlas Series, Minnesota Department of Natural Resources, St. Paul, MN, plate 7. 

 Berner, Z.A., Stüben, D., Leosson, M.A., and Klinge, H., 2002, S‐ and O‐isotopic character of 

dissolved sulphate in the cover rock aquifers of a Zechstein salt dome: Applied Geochemistry, v. 17, p. 1515‐1528. 

 Birck, J.L., 1986, Precision K‐Rb‐Sr isotopic analysis: Application to Rb‐Sr chronology: Chemical 

Geology, v. 56, p. 73‐83.   Bloch, S., and Key, R.M., 1981, Modes of formation of anomalously high radioactivity in oil‐field 

brines: American Association of Petroleum Geologists Bulletin, v. 65, p. 154‐159.  Bolton, D.W., 2000, Occurrence and distribution of radium, gross alpha‐particle activity, and 

gross‐beta particle activity in ground water in the Magothy Formation and Potomac Group aquifers, upper Chesapeake Bay area, Maryland: Maryland Geological Survey, Report of Investigations 70. 

 Bolze, C.E., Malone, P.G., and Smith, M.J., 1974, Microbial mobilization of barite: Chemical 

Geology, v. 13, p. 141‐143.  Bouchaou, L., Michelot, J.L., Vengosh, A., Hsissou, Y., Qurtobi, M., Gaye, C., Bullen, T.D., and 

Zuppi, G., 2008, Application of multiple isotopic and geochemical tracers for 

Page 238: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

213 

investigation of recharge, salinization, and residence time of water in the Souss‐Massa aquifer, southwest of Morocco: Journal of Hydrology, v. 352, p. 267‐287. 

 Bowser, C.J., and Jones, B.F., 2002, Mineralogic controls on the composition of natural waters 

dominated by silicate hydrolysis: American Journal of Science, v. 302, p. 582‐662.  Brown, C.J., and Schoonen, M.A.A., 2004, The origin of high sulfate concentrations in a coastal 

plain aquifer, Long Island, New York: Applied Geochemistry, v. 19, p. 343‐358.  Brown, P.M., 1959, Geology and ground‐water resources in the Greenville area, North Carolina: 

North Carolina Department of Conservation and Development, Bulletin 73.  Bryan, C.R., 1987, Geochemistry of mid‐Tertiary volcanic rocks in the eastern Chiricahua 

Mountains of southeastern Arizona: Abstracts with Programs ‐ Geological Society of America, v. 19, no. 6, p. 362. 

 Buesseler, K.O., Andrews, J.A., Hartman, M.C., Belastock, R., and Chai, F., 1995, Regional 

estimates of the export flux of particulate organic carbon derived from thorium‐234 during the JGOFS EqPac program: Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, v. 42, p. 777‐791. 

 Bullen, T.D., Krabbenhoft, D.P., and Kendall, C., 1996, Kinetic and mineralogic controls on the 

evolution of groundwater chemistry and 87Sr/86Sr in a sandy silicate aquifer, northern Wisconsin, USA: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 60, p. 1807‐1821. 

 Burtel, R.T., 1989, Geochemistry and occurrence of ground water in the Allen Flat Basin, Arizona 

[MS thesis]: University of Arizona.  Campion, M., 1997, Bedrock hydrogeology [scale 1:100,000], in Rice County Geologic Atlas, 

County Atlas Series, Minnesota Department of Natural Resources, St. Paul, MN, plate 8.  Campion, M., 2002, Bedrock hydrogeology [scale 1:100,000], in Mower County Geologic Atlas, 

County Atlas Series, Minnesota Department of Natural Resources, St. Paul, MN, plate 7.  Ceccarello, S., Black, S., Read, D., and Hodson, M.E., 2004, Industrial radioactive barite scale: 

Suppression of radium uptake by introduction of competing ions: Minerals Engineering, v. 17, p. 323‐330. 

 Cecil, L.D., Smith, R.C., Reilly, M.A., and Rose, A.W., 1987, Radium‐228 and radium‐226 in ground 

water of the Chickies Formation, southeastern Pennsylvania, in Graves, B. ed., Radon, Radium, and Other Radioactivity in Ground Water, Lewis Publishers, Chelsea, MI, p. 437‐447. 

 Champ, D.R., Gulens, J., and Jackson, R.E., 1979, Oxidation‐reduction sequences in ground water 

flow systems: Canadian Journal of Earth Sciences, v. 16, p. 12‐23. 

Page 239: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

214 

Chapelle, F.H., and Knobel, L.L., 1983, Aqueous geochemistry and the exchangeable cation composition of glauconite in the Aquia Aquifer, Maryland: Ground Water, v. 21, p. 343‐352. 

 Chapelle, F.H., and Knobel, L.L., 1985, Stable carbon isotopes of HCO3 in the Aquia Aquifer, 

Maryland; evidence for an isotopically heavy source of CO2: Ground Water, v. 23, p. 592‐599. 

 Chapelle, F.H., Zelibor, J.L., Grimes, D.J., and Knobel, L.L., 1987, Bacteria in deep coastal plain 

sediments of Maryland: A possible source of CO2 to groundwater: Water Resources Research, v. 23, p. 1625‐1632. 

 Chapelle, F.H., and McMahon, P.B., 1991, Geochemistry of dissolved inorganic carbon in a 

coastal plain aquifer. 1. Sulfate from confining beds as an oxidant in microbial CO2 production: Journal of Hydrology, v. 127, p. 85‐108. 

 Chapelle, F.H., and Lovley, D.R., 1992, Competitive exclusion of sulfate reduction by Fe(III)‐

reducing bacteria: A mechanism for producing discrete zones of high‐iron ground water: Ground Water, v. 30, p. 29‐36. 

 Clark, I.D., and Fritz, P., 1997, Environmental Isotopes in Hydrogeology: Lewis Publishers, Boca 

Raton, FL.  Clark, T.W., Blake, D.E., Stoddard, E.F., Carpenter, P.A., and Carpenter, R.H., 2004, Preliminary 

bedrock geologic map of the Raleigh 30' x 60' quadrangle, North Carolina: North Carolina Geological Survey, Open‐File Report 2004‐02. 

 Claypool, G.E., Holser, W.T., Kaplan, I.R., Sakai, H., and Zak, I., 1980, The age curves of sulfur and 

oxygen isotopes in marine sulfate and their mutual interpretation: Chemical Geology, v. 28, p. 199‐260. 

 Coes, A., Gellenbeck, D.J., Towne, D.C., and Freark, M.C., 2002, Ground‐water quality in the 

upper Santa Cruz basin, Arizona, 1998: U.S. Geological Survey, Water‐Resources Investigations Report 00‐4117. 

 Condie, K.C., Bowling, G.P., and Vance, R.K., 1985, Geochemistry and origin of early Proterozoic 

supracrustal rocks, Dos Cabezas Mountains, southeastern Arizona: Geological Society of America Bulletin, v. 96, p. 655‐662. 

 Condomines, M., Rihs, S., Lloret, E., and Seidel, J.L., 2010, Determination of the four natural Ra 

isotopes in thermal waters by gamma‐ray spectrometry: Applied Radiation and Isotopes, v. 68, p. 384‐391. 

 

Page 240: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

215 

Cooper, J.R., 1960, Reconnaissance map of the Willcox, Fisher Hills, Cochise, and Dos Cabezas quadrangles, Cochise and Graham Counties, Arizona: US Geological Survey, Miscellaneous Field Studies Map 231. 

 Copenhaver, S.A., Krishnaswami, S., Turekian, K.K., Epler, N., and Cochran, J.K., 1993, 

Retardation of 238U and 232Th decay chain radionuclides in Long Island and Connecticut aquifers: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 57, p. 597‐603. 

 Costain, J.K., Perry, L.D., and Dunbar, J.A., 1977, Geothermal gradients, heat flow, and heat 

generation, in Costain, J.K., Glover, L., and Sinha, A.K. eds., Evaluation and Targeting of Geothermal Energy Sources in the Southeastern United States, Report to US Dept. of Energy VPI‐SU‐5648‐1, p. C28‐C45. 

 Craig, H., 1957, Isotopic standards for carbon and oxygen and correction factors for mass‐

spectrometric analysis of carbon dioxide: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 12, p. 133‐149. 

 Craig, H., 1961, Isotope variations in meteoric waters: Science, v. 133, p. 1702‐1703.  Crossey, L.J., Karlstrom, K.E., Springer, A.E., Newell, D., Hilton, D.R., and Fischer, T., 2009, 

Degassing of mantle‐derived CO2 and He from springs in the southern Colorado Plateau region‐‐Neotectonic connections and implications for groundwater systems: Geological Society of America Bulletin, v. 121, p. 1034‐1053. 

 Currell, M., Cartwright, I., Raveggi, M., and Han, D., 2011, Controls on elevated fluoride and 

arsenic concentrations in groundwater from the Yuncheng Basin, China: Applied Geochemistry, doi:10.1016/j.apgeochem.2011.01.012. 

 Curti, E., Fujiwara, K., Iijima, K., Tits, J., Cuesta, C., Kitamura, A., Glaus, M., and Muller, W., 2010, 

Radium uptake during barite recrystallization at 23±2°C as a function of solution composition: An experimental 133Ba and 226Ra tracer study: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 74, p. 3553‐3570. 

 Daniel, C.C., and Dahlen, P.R., 2002, Preliminary hydrogeologic assessment and study plan for a 

regioinal ground‐water resource investigation of the Blue Ridge and Piedmont Provinces of North Carolina: US Geological Survey, Water‐Resources Investigations Report 02‐4105. 

 Davidson, M.R., and Dickson, B.L., 1986, A porous flow model for steady state transport of 

radium in groundwater: Water Resources Research, v. 22, p. 34‐44.  Davis, S.N., Whittemore, D.O., and Fabryka‐Martin, J., 1998, Uses of chloride/bromide ratios in 

studies of potable water: Ground Water, v. 36, p. 338‐350.  

Page 241: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

216 

de Montety, V., Radakovitch, O., Vallet‐Coulomb, C., Blavoux, B., Hermitte, D., and Valles, V., 2008, Origin of groundwater salinity and hydrogeochemical processes in a confined coastal aquifer: Case of the Rhône delta (Southern France): Applied Geochemistry, v. 23, p. 2337‐2349. 

 Del Razo, L., Corona, J., García‐Vargas, G., Albores, A., and Cebrián, M., 1993, Fluoride levels in 

well‐water from a chronic arsenicism area of Northern Mexico: Environmental Pollution, v. 80, p. 91‐94. 

 Denison, R.E., Hetherington, E.A., Bishop, B.A., Dahl, D.A., and Koepnick, R.B., 1993, The use of 

strontium isotopes in stratigraphic studies: An example from North Carolina: Southeastern Geology, v. 33, p. 53‐69. 

 dePaul, V.T., and Szabo, Z., 2007, Occurrence of radium‐224, radium‐226 and radium‐228 in 

Water from the Vincentown and Wenonah‐Mount Laurel Aquifers, the Englishtown Aquifer System, and the Hornerstown and Red Bank Sands, southwestern and south‐central New Jersey: US Geological Survey, Scientific Investigations Report 2007‐5064. 

 dePaul, V.T., Rice, D.E., and Zapecza, O.S., 2008, Water‐level changes in aquifers of the Atlantic 

Coastal Plain, predevelopment to 2000: US Geological Survey, Scientific Investigations Report 2007‐5247. 

 Dickson, B.L., 1985, Radium isotopes in saline seepages, south‐western Yilgarn, Western 

Australia: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 49, p. 361‐368.  Dickson, B.L., 1990, Radium in groundwater, in The Environmental Behaviour of Radium, Vol. 1, 

International Atomic Energy Agency, Technical Reports Series, 310, p. 335‐372.  Dickson, B.L., Meakins, R.L., and Giblin, A.M., 1984, Radium isotopic measurements in the search 

for uranium in palaeodrainage channels: Journal of Geochemical Exploration, v. 22, p. 363‐365. 

 Dickson, B.L., Giblin, A.M., and Snelling, A.A., 1987, The source of radium in anomalous 

accumulations near sandstone escarpments, Australia: Applied Geochemistry, v. 2, p. 385‐398. 

 Dickson, B.L., and Herczeg, A.L., 1992, Naturally‐occurring radionuclides in acid‐saline 

groundwaters around Lake Tyrrell, Victoria, Australia: Chemical Geology, v. 96, p. 95‐114. 

 Dijon, R., 1969, Etude hydrogéologique et inventaire des ressources en eau de la vallée du 

Souss: Division de la Geologie (Morocco), Notes et Memoires du Service Geologique 214. 

 

Page 242: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

217 

Drever, J.I., 1997, The Geochemistry of Natural Waters: Surface and Groundwater Environments: Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J. 

 Drewes, H., 1985, Geologic map and structure sections of the Dos Cabezas quadrangle, Cochise 

County, Arizona: US Geological Survey, Miscellaneous Field Studies Map I‐1570.  Drewes, H., 1986, Geologic map and structure sections of the Simmons Peak quadrangle, 

Cochise County, Arizona: US Geological Survey, Miscellaneous Field Studies Map I‐1569.  Drewes, H., 1987, Geologic map and cross sections of the Dragoon Mountains, southeastern 

Arizona: US Geological Survey, Miscellaneous Investigations Series I‐1662.  Drewes, H., 1996, Geology of Coronado National Forest: U.S. Geological Survey, Bulletin 2083‐B.  Drewes, H., Klein, D.P., and Birmingham, S.D., 1988, Volcanic and structural controls of 

mineralization in the Dos Cabezas Mountains of southeastern Arizona: US Geological Survey, Bulletin 1676. 

 Duncan, J.T., and Spencer, J.E., 1993, Uranium and radon in southeastern Arizona, in Spencer, 

J.E. ed., Radon in Arizona, Arizona Geological Survey Bulletin 199, p. 40‐42.  Dwyer, G.S., and Vengosh, A., 2008, Alternative filament loading solution for accurate analysis of 

boron isotopes by negative thermal ionization mass spectrometry [abstract only]: EOS, Transactions, American Geophysical Union, v. 89, no. 53 (Fall Meeting Supplement), abstract H51C‐0824. 

 Earman, S., Phillips, F.M., and McPherson, B.J.O.L., 2005, The role of "excess" CO2 in the 

formation of trona deposits: Applied Geochemistry, v. 20, p. 2217‐2232.  Earman, S., Campbell, A.R., Phillips, F.M., and Newman, B.D., 2006, Isotopic exchange between 

snow and atmospheric water vapor; estimation of the snowmelt component of groundwater recharge in the Southwestern United States: Journal of Geophysical Research, v. 111, no. D9, doi:10.1029/2005JD006470. 

 Earman, S., McPherson, B.J., Phillips, F.M., Ralser, S., Herrin, J.M., and Broska, J., 2008, Tectonic 

influences on ground water quality: Insight from complementary methods: Ground Water, v. 46, p. 354‐371. 

 Eastoe, C.J., Gu, A., and Long, A., 2004, The origins, ages and flow paths of groundwater in 

Tucson Basin; results of a study of multiple isotope systems, in Hogan, J.F., Phillips, F.M., and Scanlon, B.R. eds., Groundwater Recharge in a Desert Environment; the Southwestern United States, Water Science and Application 9, American Geophysical Union, Washington, p. 217‐234. 

 

Page 243: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

218 

Eaton, A.D., Clesceri, L.S., Rice, E.W., and Greenberg, A.E. (Eds.), 2005, Standard Methods for the Examination of Water & Wastewater, 21st ed.: American Public Health Association, Washington, DC. 

 Ekwurzel, B., Moran, J.E., Hudson, G.B., Bissani, M., Blake, R., Krimissa, M., Mosleh, N., Marah, 

H., Safsaf, N., Hsissou, Y., and Bouchaou, L., 2001, An isotopic investigation of salinity and water sources in the Souss‐Massa Basin, Morocco [abstract only], in Ouazar, D. and Cheng, A.H. eds., First International Conference on Saltwater Intrusion and Coastal Aquifers— Monitoring, Modeling, and Management, Essaouira, Morocco. 

 Environmental Protection Agency, 1999, Cancer risk coefficients for environmental exposure to 

radionuclides: Environmental Protection Agency report 402‐R‐99‐001.  Environmental Protection Agency, 2000, National Primary Drinking Water Regulations; 

Radionuclides; Final Rule: Federal Register, v. 65, p. 76708‐76753.  Environmental Protection Agency, 2003, EPA Assessment of Risks from Radon in Homes: EPA 

report 402‐R‐03‐003.  Environmental Protection Agency, 2008, Drinking water health advisory for boron: 

Environmental Protection Agency, EPA report 822‐R‐08‐013.  Erickson, R.C., 1981, K‐Ar and Rb‐Sr geochronology of the Dos Cabezas Mountains, Cochise 

County, Arizona: Arizona Geological Society Digest, v. 13, p. 185‐194.  Erickson, R., 1988, Geology of the Willcox North quadrangle and the southernmost Greasewood 

Mountain quadrangle, Arizona: Arizona Geological Survey, Miscellaneous Map MM‐88‐B. 

 Fakir, Y., El Mernissi, M., Kreuser, T., and Berjami, B., 2002, Natural tracer approach to 

characterize groundwater in the coastal Sahel of Oualidia (Morocco): Environmental Geology, v. 43, p. 197‐202. 

 Faye, S., Maloszewski, P., Stichler, W., Trimborn, P., Cissé Faye, S., and Bécaye Gaye, C., 2005, 

Groundwater salinization in the Saloum (Senegal) delta aquifer: minor elements and isotopic indicators: Science of The Total Environment, v. 343, p. 243‐259. 

 Felmlee, J.K., and Cadigan, R.A., 1979, Radium and uranium concentrations and associated 

hydrogeochemistry in groundwater in southwestern Pueblo County, Colorado: US Geological Survey, Open‐File Report 79‐974. 

 Focazio, M.J., Szabo, Z., Kraemer, T.F., Mullin, A.H., Barringer, T.H., and dePaul, V.T., 2001, 

Occurrence of selected radionuclides in ground water used for drinking water in the United States: A reconnaissance survey, 1998: US Geological Survey, Water‐Resources Investigations Report 00‐4273. 

Page 244: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

219 

Franklyn, M.T., McNutt, R.H., Kamineni, D.C., Gascoyne, M., and Frape, S.K., 1991, Groundwater 87Sr/86Sr values in the Eye‐Dashwa Lakes pluton, Canada: Evidence for plagioclase‐water reaction: Chemical Geology (Isotope Geoscience Section), v. 86, p. 111‐122. 

 Freeze, R.A., and Cherry, J.A., 1979, Groundwater: Prentice‐Hall, Englewood Cliffs, N.J.  Frost, C.D., and Toner, R.N., 2004, Strontium isotopic identification of water‐rock interaction and 

ground water mixing: Ground Water, v. 42, p. 418‐432.  Fujii, R., and Swain, W.C., 1995, Areal distribution of selected trace elements, salinity, and major 

ions in shallow ground water, Tulare Basin, Southern San Joaquin Valley, California: U.S. Geological Survey, Water‐Resources Investigations Report 95‐4048. 

 Garcia‐Solsona, E., Garcia‐Orellana, J., Masqué, P., and Dulaiova, H., 2008, Uncertainties 

associated with 223Ra and 224Ra measurements in water via a Delayed Coincidence Counter (RaDeCC): Marine Chemistry, v. 109, p. 198‐219. 

 Gardner, P.M., and Heilweil, V.M., 2009, Evaluation of the effects of precipitation on ground‐

water levels from wells in selected alluvial aquifers in Utah and Arizona, 1936‐2005: US Geological Survey, Scientific Investigations Report 2008‐5842. 

 Gascoyne, M., 1989, High levels of uranium and radium in groundwaters at Canada's 

Underground Research Laboratory, Lac du Bonnet, Manitoba, Canada: Applied Geochemistry, v. 4, p. 577‐591. 

 Gascoyne, M., 1997, Evolution of redox conditions and groundwater composition in recharge‐

discharge environments on the Canadian shield: Hydrogeology Journal, v. 5, no. 3, p. 4‐18. 

 Gascoyne, M., 2004, Hydrogeochemistry, groundwater ages and sources of salts in a granitic 

batholith on the Canadian Shield, southeastern Manitoba: Applied Geochemistry, v. 19, p. 519‐560. 

 Gehre, M., Hoefling, R., Kowski, P., and Strauch, G., 1996, Sample preparation device for 

quantitative hydrogen isotope analysis using chromium metal: Analytical Chemistry, v. 68, p. 4414‐4417. 

 Gieskes, J.M., and Rogers, W.C., 1973, Alkalinity determination in interstitial waters of marine 

sediments: Journal of Sedimentary Petrology, v. 43, p. 272‐277.  Gilkeson, R.H., and Cowart, J.B., 1982, A preliminary report on 238uranium series disequilibrium 

in groundwater of the Cambrian‐Ordivician aquifer system of Northeastern Illinois, in Perry, E.C., and Montgomery, C.W., eds., Isotope Studies of Hydrologic Processes, Northern Illinois University Press, p. 109‐118. 

 

Page 245: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

220 

Gilkeson, R.H., Cartwright, K., Cowart, J.B., and Holtzman, R.B., 1983, Hydrogeologic and geochemical studies of selected natural radioisotopes and barium in groundwater in Illinois: Final Technical Completion Report to U.S. Bureau of Reclamation, project B‐108‐ILL. 

 Gilkeson, R.H., Perry, E.C., Cowart, J.B., and Holtzman, R.B., 1984, Isotopic studies of the natural 

sources of radium in groundwater in Illinois: Illinois Water Resources Center, Research Report 187. 

 Gilmore, G.R., 2008, Practical Gamma‐ray Spectrometry, 2nd ed.: Wiley, Chichester.  Giménez, E., and Morell, I., 1997, Hydrogeochemical analysis of salinization processes in the 

coastal aquifer of Oropesa (Castellón, Spain): Environmental Geology, v. 29, p. 118‐131.  Gohn, G.S., 1988, Late Mesozoic and early Cenozoic geology of the Atlantic Coastal Plain: North 

Carolina to Florida, in Sheridan, R.E. and Grow, J.A. eds., The Atlantic Continental Margin, The Geology of North America, Geological Society of America, Boulder, CO, p. 67‐85. 

 Goldberg, S., Suarez, D.L., and Shouse, P.J., 2008, Influence of soil solution salinity on boron 

adsorption by soils: Soil Science, v. 173, p. 368‐374.  Gonneea, M.E., Morris, P.J., Dulaiova, H., and Charette, M.A., 2008, New perspectives on radium 

behavior within a subterranean estuary: Marine Chemistry, v. 109, p. 250‐267.  Grasby, S.E., Osborn, J., Chen, Z., and Wozniak, P., 2010, Influence of till provenance on regional 

groundwater geochemistry: Chemical Geology, v. 273, p. 225‐237.  Grundl, T., and Cape, M., 2006, Geochemical factors controlling radium activity in a sandstone 

aquifer: Ground Water, v. 44, p. 518‐527.  Gu, A., 2005, Stable Isotope Geochemistry of Sulfate in Groundwater of Southern Arizona: 

Implications for Groundwater Flow, Sulfate Sources, and Environmental Significance [PhD thesis]: University of Arizona. 

 Gu, A., Gray, F., Eastoe, C.J., Norman, L.M., Duarte, O., and Long, A., 2008, Tracing ground water 

input to base flow using sulfate (S, O) isotopes: Ground Water, v. 46, p. 502‐509.  Guthrie, V.A., and Kleeman, J.D., 1986, Changing uranium distributions during weathering of 

granite: Chemical Geology, v. 54, p. 113‐126.  Halim, M., Majumder, R., Nessa, S., Hiroshiro, Y., Sasaki, K., Saha, B., Saepuloh, A., and Jinno, K., 

2010, Evaluation of processes controlling the geochemical constituents in deep groundwater in Bangladesh: Spatial variability on arsenic and boron enrichment: Journal of Hazardous Materials, v. 180, p. 50‐62. 

Page 246: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

221 

Hammond, D.E., Zukin, J.G., and Ku, T., 1988, The kinetics of radioisotope exchange between brine and rock in a geothermal system: Journal of Geophysical Research, v. 93, p. 13175‐13186. 

 Haque, S., Ji, J., and Johannesson, K.H., 2008, Evaluating mobilization and transport of arsenic in 

sediments and groundwaters of Aquia aquifer, Maryland, USA: Journal of Contaminant Hydrology, v. 99, p. 68‐84. 

 Harrington, G.A., and Herczeg, A.L., 2003, The importance of silicate weathering of a 

sedimentary aquifer in and Central Australia indicated by very high Sr‐87/Sr‐86 ratios: Chemical Geology, v. 199, p. 281‐292. 

 Hart, W.S., Quade, J., Madsen, D.B., Kaufman, D.S., and Oviatt, C.G., 2004, The 87Sr/86Sr ratios of 

lacustrine carbonates and lake‐level history of the Bonneville paleolake system: Geological Society of America Bulletin, v. 116, p. 1107‐1119. 

 Hathaway, J.C., Poag, C.W., Valentine, P.C., Manheim, F.T., Kohout, F.A., Bothner, M.H., Miller, 

R.E., Schultz, D.M., and Sangrey, D.A., 1979, U.S. Geological Survey core drilling on the Atlantic shelf: Science, v. 206, p. 515 ‐527. 

 Hayes, P.T., 1978, Cambrian and Ordovician rocks of southeastern Arizona and southwestern 

New Mexico, in Callender, J.F., Wilt, J., Clemons, R.E., and James, H.L. eds., Land of Cochise, New Mexico Geological Society Guidebook no. 29, New Mexico Geological Society, Socorro, NM, p. 165‐173. 

 Hedley, M.J., Stewart, J.W.B., and Chauhan, B.S., 1982, Changes in inorganic and organic soil 

phosphorous fractions induced by cultivation practices and by laboratory incubations: Soil Science Society of America Journal, v. 46, p. 970‐976. 

 Hemming, N.G., and Hanson, G.N., 1992, Boron isotopic composition and concentration in 

modern marine carbonates: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 56, p. 537‐543.  Herczeg, A.L., Simpson, H.J., Anderson, R.F., Trier, R.M., Mathieu, G.G., and Deck, B.L., 1988, 

Uranium and radium mobility in groundwaters and brines within the Delaware Basin, Southeastern New Mexico, U.S.A: Chemical Geology (Isotope Geoscience Section), v. 72, p. 181‐196. 

 Herranz, M., Idoeta, R., Abelairas, A., and Legarda, F., 2006, Radon fixation for determination of 

224Ra, 226Ra and 228Ra via gamma‐ray spectrometry: Radiation Measurements, v. 41, p. 486‐491. 

 Hidaka, H., Horie, K., and Gauthier‐Lafaye, F., 2007, Transport and selective uptake of radium 

into natural clay minerals: Earth and Planetary Science Letters, v. 264, p. 167‐176.  

Page 247: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

222 

Hileman, G.E., and Lee, R.W., 1993, Geochemistry and radioactivity in ground water of the Highland Rim and Central Basin aquifer systems, Hickman and Maury counties, Tennessee: US Geological Survey, Water‐Resources Investigations Report 92‐4092. 

 Hobbs, H.C., and Goebel, J.E., 1982, Geologic map of Minnesota, Quaternary geology [scale 

1:500,000]: Minnesota Geological Survey, State Map Series S‐01.  Hobbs, H.C., Aronow, S., and Patterson, C.J., 1990, Surficial geology, in Dakota County Geologic 

Atlas, County Geologic Atlas, Minnesota Geological Survey, St. Paul, MN, plate 3.  Horick, P.J., and Steinhilber, W.L., 1978, Jordan aquifer of Iowa: Iowa Geological Survey, 

Miscellaneous Map Series 6.  Hosono, T., Siringan, F., Yamanaka, T., Umezawa, Y., Onodera, S., Nakano, T., and Taniguchi, M., 

2010, Application of multi‐isotope ratios to study the source and quality of urban groundwater in Metro Manila, Philippines: Applied Geochemistry, v. 25, p. 900‐909. 

 Hsissou, Y., Bouchaou, L., Mudry, J., Mania, J., and Chauve, P., 2002, Use of chemical tracing to 

study acquisition modalities of the mineralization and behaviour of unconfined groundwaters under a semi‐arid climate; the case of the Souss Plain (Morocco): Environmental Geology, v. 42, p. 672‐680. 

 Ivanovich, M., Latham, A.G., and Ku, T., 1992, Uranium‐series disequilibrium applications in 

geochronology, in Ivanovich, M. and Harmon, R.S. eds., Uranium‐series Disequilibrium: Applications to Earth, Marine, and Environmental Sciences, 2nd ed., Clarendon Press, Oxford, p. 62‐94. 

 Ivanovich, M., and Murray, A., 1992, Spectroscopic methods, in Ivanovich, M. and Harmon, R.S. 

eds., Uranium‐series Disequilibrium: Applications to Earth, Marine, and Environmental Sciences, 2nd ed., Clarendon Press, Oxford, p. 127‐173. 

 Izbicki, J.A., Ball, J.W., Bullen, T.D., and Sutley, S.J., 2008, Chromium, chromium isotopes and 

selected trace elements, western Mojave Desert, USA: Applied Geochemistry, v. 23, p. 1325‐1352. 

 Jacobson, A.D., and Wasserburg, G.J., 2005, Anhydrite and the Sr isotope evolution of 

groundwater in a carbonate aquifer: Chemical Geology, v. 214, p. 331‐350.  Jansen, J., 1994, Geophysical well logging and pumping water column sampling for radionuclide 

reduction studies in municipal wells, in Bell, R.S. and Lipper, C.M. eds., Proceedings of the Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems, Environmental and Engineering Geophysical Society, Englewood, CO, p. 177‐193. 

 

Page 248: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

223 

Jia, Y., and Demopoulos, G.P., 2005, Adsorption of arsenate onto ferrihydrite from aqueous solution:� Influence of media (sulfate vs nitrate), added gypsum, and pH alteration: Environmental Science & Technology, v. 39, p. 9523‐9527. 

 Jones, B.F., Vengosh, A., Rosenthal, E., and Yechieli, Y., 1999, Geochemical investigations, in 

Bear, J., Cheng, A.H., Sorek, S., Ouazar, D., and Herrera, I. eds., Seawater Intrusion in Coastal Aquifers ‐ Concepts, Methods, and Practices, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Netherlands, p. 51‐71. 

 Jørgensen, N., Andersen, M.S., and Engesgaard, P., 2008, Investigation of a dynamic seawater 

intrusion event using strontium isotopes (87Sr/86Sr): Journal of Hydrology, v. 348, p. 257‐269. 

 Kennedy, C.D., and Genereux, D.P., 2007, 14C groundwater age and the importance of chemical 

fluxes across aquifer boundaries in confined Cretaceous aquifers of North Carolina, USA: Radiocarbon, v. 49, p. 1181‐1203. 

 Kim, G., Burnett, W.C., Dulaiova, H., Swarzenski, P.W., and Moore, W.S., 2001, Measurement of 

224Ra and 226Ra activities in natural waters using a radon‐in‐air monitor: Environmental Science and Technology, v. 35, p. 4680‐4683. 

 Kim, Y., Lee, K., Koh, D., Lee, D., Lee, S., Park, W., Koh, G., and Woo, N., 2003, Hydrogeochemical 

and isotopic evidence of groundwater salinization in a coastal aquifer: a case study in Jeju volcanic island, Korea: Journal of Hydrology, v. 270, p. 282‐294. 

 King, P.T., Michel, J., and Moore, W.S., 1982, Ground water geochemistry of 228Ra, 226Ra and 

222Rn: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 46, p. 1173‐1182.  Kinsman, D.J.J., 1969, Interpretation of Sr2+ concentrations in carbonate minerals and rocks: 

Journal of Sedimentary Research, v. 39, p. 486‐508.  Kirk, M.F., Holm, T.R., Park, J., Jin, Q., Sanford, R.A., Fouke, B.W., and Bethke, C.M., 2004, 

Bacterial sulfate reduction limits natural arsenic contamination in groundwater: Geology, v. 32, p. 953‐956. 

 Kitto, M.E., Parekh, P.P., Torres, M.A., and Schneider, D., 2005, Radionuclide and chemical 

concentrations in mineral waters at Saratoga Springs, New York: Journal of Environmental Radioactivity, v. 80, p. 327‐339. 

 Knobel, L.L., Chapelle, F.H., and Meisler, H., 1998, Geochemistry of the northern Atlantic Coastal 

Plain aquifer system: US Geological Survey, Professional Paper 1404‐L.  Komarneni, S., Kozai, N., and Paulus, W.J., 2001, Superselective clay for radium uptake: Nature, 

v. 410, p. 771.  

Page 249: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

224 

Konikow, L.F., and Glynn, P.D., 2005, Modeling groundwater flow and quality, in Selinus, O. and Alloway, B.J. eds., Essentials of Medical Geology: Impacts of the Natural Environment on Public Health, Elsevier Academic Press, Amsterdam, p. 737‐765. 

 Kosecki, J., and Fodor, R.V., 1997, Petrology, mineralogy, and geochemistry of the Rolesville 

granitic batholith, eastern Piedmont, North Carolina: Southeastern Geology, v. 37, p. 91‐107. 

 Kouzana, L., Mammou, A.B., and Felfoul, M.S., 2009, Seawater intrusion and associated 

processes: Case of the Korba aquifer (Cap‐Bon, Tunisia): Comptes Rendus Geosciences, v. 341, p. 21‐35. 

 Kozinski, J., Szabo, Z., Zapecza, O.S., and Barringer, T.H., 1995, Natural radioactivity in, and 

inorganic chemistry of, ground water in the Kirkwood‐Cohansey aquifer system, southern New Jersey, 1983‐89: Water‐Resources Investigations Report 92‐4144. 

 Kraemer, T.F., and Reid, D.F., 1984, The occurrence and behavior of radium in saline formation 

water of the U.S. Gulf Coast region: Isotope Geoscience, v. 2, p. 153‐174.  Krishnaswami, S., Graustein, W.C., Turekian, K.K., and Dowd, J.F., 1982, Radium, thorium, and 

radioactive lead isotopes in groundwaters: Application to the in situ determination of adsorption‐desorption rate constants and retardation factors: Water Resources Research, v. 18, p. 1663‐1675. 

 Krishnaswami, S., Bhushan, R., and Baskaran, M., 1991, Radium isotopes and 222Rn in shallow 

brines, Kharaghoda (India): Chemical Geology, Isotope Geoscience Section, v. 87, p. 125‐136. 

 Krouse, H.R., and Mayer, B., 1999, Sulphur and oxygen isotopes in sulphate, in Cook, P. and 

Herczeg, A.L. eds., Environmental Tracers in Subsurface Hydrology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Netherlands, p. 195‐232. 

 Lamontagne, S., Le Gal La Salle, C., Hancock, G.J., Webster, I.T., Simmons, C.T., Love, A.J., James‐

Smith, J., Smith, A.J., Kämpf, J., and Fallowfield, H.J., 2008, Radium and radon radioisotopes in regional groundwater, intertidal groundwater, and seawater in the Adelaide Coastal Waters Study area: Implications for the evaluation of submarine groundwater discharge: Marine Chemistry, v. 109, p. 318‐336. 

 Land, M., Reichard, E.G., Crawford, S.M., Everett, R.R., Newhouse, M.W., and Williams, C.F., 

2004, Ground‐water quality of coastal aquifer systems in the West Coast Basin, Los Angeles County, California, 1999‐2002: US Geological Survey, Scientific Investigations Report 2004‐5067. 

 

Page 250: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

225 

Landa, E.R., 2003, Mobilization of radionuclides from uranium mill tailings and related waste materials in anaerobic environments: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, v. 255, p. 559‐563. 

 Landa, E.R., Phillips, E.J.P., and Lovley, D.R., 1991, Release of 226Ra from uranium mill tailings by 

microbial Fe(III) reduction: Applied Geochemistry, v. 6, p. 647‐652.  Langmuir, D., and Melchior, D., 1985, The geochemistry of Ca, Sr, Ba, and Ra sulfates in some 

deep brines from the Palo Duro Basin, Texas: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 49, p. 2423‐2432. 

 Langmuir, D., and Riese, A.C., 1985, The thermodynamic properties of radium: Geochimica et 

Cosmochimica Acta, v. 49, p. 1593‐1601.  Lara, K.M., and Weber, B., 2010, Evaluation of seawater intrusion using Sr isotopes: An example 

from Ensenada, B.C., Mexico, in Birkle, P. and Torres‐Alvarado, I.S. eds., Water Rock Interaction: Proceedings of the 13th International Conference on Water‐rock Interaction WRI‐13, Guanajuato, Mexico, 16‐20 August 2010, CRC Press, Boca Raton, FL, p. 79‐82. 

 Larese‐Casanova, P., and Blake, R.E., 2010, Stable oxygen isotope measurements of arsenic and 

selenium oxyanions: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 74, no. 12S, p. A561.  Lauria, D.C., Almeida, R.M.R., and Sracek, O., 2004, Behavior of radium, thorium and uranium in 

groundwater near the Buena Lagoon in the Coastal Zone of the State of Rio de Janeiro, Brazil: Environmental Geology, v. 47, p. 11‐19. 

 Lee, R.W., 1984, Ground‐water quality data from the southeastern Coastal Plain, Mississippi, 

Alabama, Georgia, South Carolina, and North Carolina: US Geological Survey, Open‐File Report 84‐237. 

 Levinson, A., Bland, C., and Dean, J., 1984, Uranium series disequilibrium in young surficial 

uranium deposits in southern British Columbia: Canadian Journal of Earth Sciences, v. 21, p. 559‐566. 

 Levy, D.B., Schramke, J.A., Esposito, K.J., Erickson, T.A., and Moore, J.C., 1999, The shallow 

ground water chemistry of arsenic, fluorine, and major elements: Eastern Owens Lake, California: Applied Geochemistry, v. 14, p. 53‐65. 

 Liu, S.T., Nancollas, G.H., and Gasiecki, E.A., 1976, Scanning electron microscopic and kinetic 

studies of the crystallization and dissolution of barium sulfate crystals: Journal of Crystal Growth, v. 33, p. 11‐20. 

 Lively, R.S., 1983, Late Quaternary U‐series speleothem growth record from southeastern 

Minnesota: Geology, v. 11, p. 259 ‐262.  

Page 251: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

226 

Lively, R.S., Jameson, R., Alexander, E.C., and Morey, G.B., 1992, Radium in the Mt. Simon‐Hinckley aquifer, east‐central and southeastern Minnesota: Minnesota Geological Survey, Information Circular 36. 

 Lloyd, R.M., 1968, Oxygen isotope behavior in the sulfate‐water system: Journal of Geophysical 

Research, v. 73, p. 6099‐6110.  Luo, S., Ku, T., Roback, R., Murrell, M., and McLing, T.L., 2000, In‐situ radionuclide transport and 

preferential groundwater flows at INEEL (Idaho): Decay‐series disequilibrium studies: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 64, p. 867‐881. 

 Magaritz, M., and Luzier, J.E., 1985, Water‐rock interactions and seawater‐freshwater mixing 

effects in the coastal dunes aquifer, Coos Bay, Oregon: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 49, p. 2515‐2525. 

 Manheim, F.T., and Horn, M.K., 1968, Composition of deeper subsurface waters along the 

Atlantic continental margin: Southeastern Geology, v. 9, p. 215‐236.  Mann, L.J., White, N.D., and Wilson, R.P., 1978, Maps showing ground‐water conditions in the 

Willcox area, Cochise and Graham counties, Arizona, 1975: U.S. Geological Survey, Water Resources Investigations Report 78‐60. 

 Martin, A.J., Crusius, J., McNee, J., and Yanful, E., 2003, The mobility of radium‐226 and trace 

metals in pre‐oxidized subaqueous uranium mill tailings: Applied Geochemistry, v. 18, p. 1095‐1110. 

 Martin, P., and Akber, R.A., 1999, Radium isotopes as indicators of adsorption‐desorption 

interactions and barite formation in groundwater: Journal of Environmental Radioactivity, v. 46, p. 271‐286. 

 Masue, Y., Loeppert, R.H., and Kramer, T.A., 2007, Arsenate and arsenite adsorption and 

desorption behavior on coprecipitated aluminum:iron hydroxides: Environmental Science & Technology, v. 41, p. 837‐842. 

 Mattigod, S.V., Frampton, J.A., and Lim, C.H., 1985, Effect of iron‐pair formation on boron 

adsorption by kaolinite: Clays and Clay Minerals, v. 33, p. 433‐437.  Mays, C.W., Rowland, R.E., and Stehney, A.F., 1985, Cancer risk from the lifetime intake of Ra 

and U isotopes: Health Physics, v. 48, p. 635‐647.  McArthur, J.M., Howarth, R.J., and Bailey, T.R., 2001, Strontium isotope stratigraphy; LOWESS 

Version 3; best fit to the marine Sr‐isotope curve for 0‐509 Ma and accompanying look‐up table for deriving numerical age: Journal of Geology, v. 109, p. 155‐170. 

 

Page 252: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

227 

McMahon, P.B., and Chapelle, F.H., 1991a, Geochemistry of dissolved inorganic carbon in a coastal plain aquifer. 2. Modeling carbon sources, sinks, and δ13C evolution: Journal of Hydrology, v. 127, p. 109‐135. 

 McMahon, P.B., and Chapelle, F.H., 1991b, Microbial production of organic acids in aquitard 

sediments and its role in aquifer geochemistry: Nature, v. 349, p. 233‐235.  McNutt, R.H., 1999, Strontium isotopes, in Cook, P.G. and Herczeg, A.L. eds., Environmental 

Tracers in Subsurface Hydrology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Netherlands, p. 233‐260. 

 McSwain, K.B., Chapman, M.J., Huffman, B.A., and Bolich, R.E., in review. Water‐resources data 

and hydrogeologic setting at the Raleigh Hydrogeologic Research Station, Wake County, North Carolina: US Geological Survey, Open‐File Report. 

 Meinzer, O.E., Kelton, F.C., and Forbes, R.H., 1913, Geology and water resources of Sulphur 

Spring Valley, Arizona, with a section on agriculture: U.S. Geological Survey, Water Supply Paper 320. 

 Meisler, H., 1989, The occurrence and geochemistry of salty ground water in the northern 

Atlantic Coastal Plain: US Geological Survey, Professional Paper 1404‐D.  Mercado, A., 1985, The use of hydrogeochemical patterns in carbonate sand and sandstone 

aquifers to identify intrusion and flushing of saline water: Ground Water, v. 23, p. 635‐645. 

 Michel, J., 1984, Redistribution of uranium and thorium series isotopes during isovolumetric 

weathering of granite: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 48, p. 1249‐1255.  Michel, J., and Moore, W.S., 1980, 228Ra and 226Ra content of groundwater in fall line aquifers: 

Health Physics, v. 38, p. 663‐671.  Miller, R.L., and Sutcliffe, H., 1985, Occurrence of natural radium‐226 radioactivity in ground 

water of Sarasota County, Florida: US Geological Survey, Water‐Resources Investigations Report 84‐8237. 

 Millero, F.J., and Sohn, M.L., 1991, Chemical Oceanography: CRC Press, Boca Raton, FL.  Mitsch, B.F., Watson, J.E., and Hayes, J.A., 1984, A study of radium‐226 and radon‐222 

concentrations in ground water near a phosphate mining and manufacturing facility with emphasis on the hydrogeologic characteristics of the area: Water Resources Research Institute, University of North Carolina, report 216. 

 

Page 253: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

228 

Moise, T., Starinsky, A., Katz, A., and Kolodny, Y., 2000, Ra isotopes and Rn in brines and ground waters of the Jordan‐Dead Sea Rift Valley: Enrichment, retardation, and mixing: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 64, p. 2371‐2388. 

 Molinari, J., and Snodgrass, W.J., 1990, The chemistry and radiochemistry of radium and the 

other elements of the uranium and thorium natural decay series, in The Environmental Behaviour of Radium, Vol. 1, International Atomic Energy Agency, Technical Reports Series, 310, p. 11‐56. 

 Moon, D.S., Burnett, W.C., Nour, S., Horwitz, P., and Bond, A., 2003, Preconcentration of radium 

isotopes from natural waters using MnO2 Resin: Applied Radiation and Isotopes, v. 59, p. 255‐262. 

 Moore, W.S., 1996, Large groundwater inputs to coastal waters revealed by 226Ra enrichments: 

Nature, v. 380, p. 612‐614.  Moore, W.S., 2008, Fifteen years experience in measuring 224Ra and 223Ra by delayed‐

coincidence counting: Marine Chemistry, v. 109, p. 188‐197.  Moore, W.S., and Reid, D.F., 1973, Extraction of radium from natural water using manganese 

impregnated acrylic fibers: Journal of Geophysical Research, v. 78, p. 8880‐8886.  Moore, W.S., and Arnold, R., 1996, Measurement of 223Ra and 224Ra in coastal waters using a 

delayed coincidence counter: Journal of Geophysical Research C: Oceans, v. 101, p. 1321‐1329. 

 Morey, G.B., and Meints, J., 2000, Geologic map of Minnesota, bedrock geology [1:1,000,000]: 

Minnesota Geological Survey, St. Paul, MN.  Mossler, J.H., 1990, Bedrock geology [scale 1:100,000], in Dakota County Geologic Atlas, County 

Geologic Atlas, Minnesota Geological Survey, St. Paul, MN, plate 2.  Mossler, J.H., 2001, Bedrock geology [scale 1:100,000], in Wabasha County Geologic Atlas, 

County Atlas Series, Minnesota Geological Survey, St. Paul, MN, plate 2.  Mossler, J.H., and Book, P.R., 1984, Bedrock geology [scale 1:100,000], in Winona County 

Geologic Atlas, County Atlas Series, Minnesota Geological Survey, St. Paul, MN, plate 2.  Mossler, J.H., and Bloomgren, B.A., 1990, Bedrock geology [scale 1:100,000], in Washington 

County Geologic Atlas, County Atlas Series, Minnesota Department of Natural Resources, St. Paul, MN, plate 2. 

 Mossler, J.H., and Tipping, R.G., 2000, Bedrock geology and structure of the seven‐county Twin 

Cities metropolitan area, Minnesota [scale 1:125,000]: Minnesota Geological Survey, Miscellaneous Map M‐104. 

Page 254: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

229 

Murphy, E.M., Schramke, J.A., Fredrickson, J.K., Bledsoe, H.W., Francis, A.J., Sklarew, D.S., and Linehan, J.C., 1992, The influence of microbial activity and sedimentary organic carbon on the isotope geochemistry of the Middendorf Aquifer: Water Resources Research, v. 28, p. 723‐740. 

 Murray, E.G., and Adams, J.A.S., 1958, Thorium, uranium and potassium in some sandstones: 

Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 13, p. 260‐269.  Nadler, A., Magaritz, M., and Mazor, E., 1980, Chemical reactions of sea water with rocks and 

freshwater: Experimental and field observations on brackish waters in Israel: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 44, p. 879‐886. 

 Naiman, Z., Quade, J., and Patchett, P.J., 2000, Isotopic evidence for eolian recycling of 

pedogenic carbonate and variations in carbonate dust sources throughout the southwest United States: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 64, p. 3099‐3109. 

 Nancollas, G.H., and Reddy, M.M., 1974, The kinetics of crystallization of scale‐forming minerals: 

Society of Petroleum Engineers Journal, v. 14, p. 117‐126.  Nathwani, J.S., and Phillips, C.R., 1979a, Adsorption of 226Ra by soils (I): Chemosphere, v. 8, p. 

285‐291.  Nathwani, J.S., and Phillips, C.R., 1979b, Adsorption of 226Ra by soils in the presence of Ca2+ ions. 

Specific adsorption (II): Chemosphere, v. 8, p. 293‐299.  National Research Council, 1999, Risk Assessment of Radon in Drinking Water: National 

Academies Press, Washington.  Nelms, D.L., and Harlow, G.E., 2003, Aquifer susceptibility in Virginia: Data on chemical and 

isotopic composition, recharge temperature, and apparent age of water from wells and springs, 1998‐2000: US Geological Survey, Open File Report 2003‐246. 

 Newell, D.L., Crossey, L.J., Karlstrom, K.E., Fischer, T.P., and Hilton, D.R., 2005, Continental‐scale 

links between the mantle and groundwater systems of the western United States: Evidence from travertine springs and regional He isotope data: GSA Today, v. 15, no. 12, p. 4‐10. 

 Nirdosh, I., Trembley, W.B., and Johnson, C.R., 1990, Adsorption‐desorption studies on the 226Ra‐

hydrated metal oxide systems: Hydrometallurgy, v. 24, p. 237‐248.  Nordstrom, D.K., and Ball, J.W., 1989, Mineral saturation states in natural waters and their 

sensitivity to thermodynamic and analytic errors: Sciences Geologiques ‐ Bulletin, v. 42, p. 269‐280. 

 

Page 255: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

230 

Odom, I.E., 1975, Feldspar‐grain size relations in Cambrian arenites, upper Mississippi Valley: Journal of Sedimentary Research, v. 45, p. 636‐650. 

 Oram, P., 1993, Maps showing groundwater conditions in the Willcox Basin, Cochise and 

Graham Counties, Arizona, 1989: Arizona Department of Water Resources, Hydrologic Map Series 25. 

 Ortega‐Guerrero, M.A., 2009, Presencia, distribución, hidrogeoquímica y origen de arsénico, 

fluoruro y otros elementos traza disueltos en agua subterránea, a escala de cuenca hidrológica tributaria de Lerma‐Chapala, México: Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, v. 26, p. 143‐161. 

 Osmond, J.K., and Cowart, J.B., 1992, Ground water, in Uranium‐series Equilibrium: Applications 

to Earth, Marine, and Environmental Sciences, 2nd ed., Oxford Science Publications, Oxford, p. 290‐333. 

 Otero, N., Soler, A., Corp, R.M., Mas‐Pla, J., Garcia‐Solsona, E., and Masqué, P., 2011, Origin and 

evolution of groundwater collected by a desalination plant (Tordera, Spain): A multi‐isotopic approach: Journal of Hydrology, v. 397, p. 37‐46. 

 Ouda, B., Elhamdaoui, A., and Ibn Majah, M., 2008, 18O & 2H compositions of the precipitation at 

three Moroccan stations: Influenced by oceanic and Mediterranean air masses [abstract only], in First Moroccan Petroleum Geologists International Conference & Exhibition, October 28‐31, 2007, Marrakeech. 

 Palmer, M.R., Spivack, A.J., and Edmond, J.M., 1987, Temperature and pH controls over isotopic 

fractionation during adsorption of boron on marine clay: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 51, p. 2319‐2323. 

 Parkhurst, D.L., and Appelo, C.A.J., 1999, User's guide to PHREEQC (Version 2) ‐ A computer 

program for speciation, batch‐reaction, one‐dimensional transport, and inverse geochemical calculations: U.S. Geological Survey, Water‐Resources Investigations Report 99‐4259. 

 Parsa, B., 1998, Contribution of short‐lived radionuclides to alpha‐particle radioactivity in 

drinking water and their impact on the Safe Drinking Water Act regulations: Radioactivity & Radiochemistry, v. 9, no. 4, p. 41‐50. 

 Person, M., McIntosh, J., Bense, V., and Remenda, V.H., 2007, Pleistocene hydrology of North 

America: The role of ice sheets in reorganizing groundwater flow systems: Reviews of Geophysics, v. 45, doi: 10.1029/2006RG000206. 

 Petersen, T.A., 2005, Hydrogeology of the unconsolidated and bedrock aquifers [scale 

1:100,000], in Wabasha County Geologic Atlas, County Atlas Series, Minnesota Department of Natural Resources, St. Paul, MN, plate 8. 

Page 256: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

231 

Phillips, E.J.P., Landa, E.R., Kraemer, T., and Zielinski, R., 2001, Sulfate‐reducing bacteria release barium and radium from naturally occurring radioactive material in oil‐field barite: Geomicrobiology Journal, v. 18, p. 167‐182. 

 Plummer, L.N., 1993, Stable isotope enrichment in paleowaters of the southeast Atlantic Coastal 

Plain, United States: Science, v. 262, p. 2016‐2020.  Porcelli, D., 2008, Investigating groundwater processes using U‐ and Th‐series nuclides, in 

Krishnaswami, S. and Cochran, J.K. eds., U‐Th Series Nuclides in Aquatic Systems, Elsevier, p. 105‐153. 

 Post, V.E.A., 2006, PHREEQC for Windows [software version 2.13.00]: 

http://www.geo.vu.nl/users/posv/phreeqc/index.html.  Prats, D., Chillon‐Arias, M., and Rodriguez‐Pastor, M., 2000, Analysis of the influence of pH and 

pressure on the elimination of boron in reverse osmosis: Desalination, v. 128, p. 269‐273. 

 Puigdomenech, I., Trotignon, L., Kotelnikova, S., Pedersen, K., Griffault, L., Michaud, V., Lartigue, 

J., Hama, K., Yoshida, H., West, J.M., Bateman, K., Milodowski, A.E., Banwart, S.A., Rivas Perez, J., and Tullborg, E., 2000, O2 consumption in a granitic environment, in Scientific Basis for Nuclear Waste Management XXIII, Materials Research Society, Symposium Proceeedings, v. 608, p. 179‐184. 

 Purdy, C.B., Burr, G.S., Rubin, M., Helz, G.R., and Mignerey, A.C., 1992, Dissolved organic and 

inorganic 14C concentrations and ages for Coastal Plain aquifers in southern Maryland: Radiocarbon, v. 34, p. 654‐663. 

 Purdy, C.B., Helz, G.R., Mignerey, A.C., Kubik, P.W., Elmore, D., Sharma, P., and Hemmick, T., 

1996, Aquia aquifer dissolved Cl− and 36Cl/Cl: Implications for flow velocities: Water Resources Research, v. 32, p. 1163‐1171. 

 Rama, and Moore, W.S., 1984, Mechanism of transport of U‐Th series radioisotopes from solids 

into ground water: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 48, p. 395‐399.  Rango, T., Bianchini, G., Beccaluva, L., Ayenew, T., and Colombani, N., 2009, Hydrogeochemical 

study in the Main Ethiopian Rift: new insights to the source and enrichment mechanism of fluoride: Environmental Geology, v. 58, p. 109‐118. 

 Ravenscroft, P., and McArthur, J.M., 2004, Mechanism of regional enrichment of groundwater 

by boron: the examples of Bangladesh and Michigan, USA: Applied Geochemistry, v. 19, p. 1413‐1430. 

 

Page 257: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

232 

Reid, D.F., Key, R.M., and Schink, D.R., 1979, Radium, thorium, and actinium extraction from seawater using an improved manganese‐oxide‐coated fiber: Earth and Planetary Science Letters, v. 43, p. 223‐226. 

 Reynolds, B.C., Wasserburg, G.J., and Baskaran, M., 2003, The transport of U‐ and Th‐series 

nuclides in sandy confined aquifers: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 67, p. 1955‐1972. 

 Richard, S.M., Shipman, T.C., Greene, L.C., and Harris, R.C., 2007, Estimated depth to bedrock in 

Arizona: Arizona Geological Survey, Digital Geologic Map 52.  Riggs, S.R., and Belknap, D.F., 1988, Upper Cenozoic processes and environments of continental 

margin sedimentation: Eastern United States, in Sheridan, R.E. and Grow, J.A. eds., The Atlantic Continental Margin, The Geology of North America, Geological Society of America, Boulder, CO, p. 131‐176. 

 Rihs, S., and Condomines, M., 2002, An improved method for Ra isotope (226Ra, 228Ra, 224Ra) 

measurements by gamma spectrometry in natural waters: Application to CO2‐rich thermal waters from the French Massif Central: Chemical Geology, v. 182, p. 400‐421. 

 Robertson, F.N., 1975, Hexavalent chromium in the ground water in Paradise Valley, Arizona: 

Ground Water, v. 13, p. 516‐527.  Robertson, F.N., 1989, Arsenic in ground‐water under oxidizing conditions, south‐west United 

States: Environmental Geochemistry and Health, v. 11, p. 171‐185.  Robertson, F.N., 1991, Geochemistry of ground water in alluvial basins of Arizona and adjacent 

parts of Nevada, New Mexico, and California: U.S. Geological Survey, Professional Paper 1406‐C. 

 Rogers, J.J.W., and Richardson, K.A., 1964, Thorium and uranium contents of some sandstones: 

Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 28, p. 2005‐2011.  Rose‐Koga, E., Sheppard, S., Chaussidon, M., and Carignan, J., 2006, Boron isotopic composition 

of atmospheric precipitations and liquid‐vapour fractionations: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 70, p. 1603‐1615. 

 Ruberu, S.R., Liu, Y., and Perera, S.K., 2005, Occurrence of 224Ra, 226Ra, 228Ra, gross alpha, and 

uranium in California groundwater: Health Physics, v. 89, p. 667‐678.  Runkel, A.C., 1994, Deposition of the uppermost Cambrian (Croixan) Jordan Sandstone, and the 

nature of the Cambrian‐Ordovician boundary in the Upper Mississippi Valley: Geological Society of America Bulletin, v. 106, p. 492‐506. 

 

Page 258: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

233 

Runkel, A.C., 1998, Bedrock geology [scale 1:100,000], in Goodhue County Geologic Atlas, County Atlas Series, Minnesota Geological Survey, St. Paul, MN, plate 2. 

 Runkel, A.C., Alexander, E.C., Mossler, J.H., Tipping, R.G., Green, J.A., and Alexander, S.C., 2003, 

Hydrogeology of the Paleozoic bedrock in southeastern Minnesota: Minnesota Geological Survey, Report of Investigations 61. 

 Runkel, A.C., Tipping, R.G., Alexander, E.C., and Alexander, S.C., 2006, Hydrostratigraphic 

characterization of intergranular and secondary porosity in part of the Cambrian sandstone aquifer system of the cratonic interior of North America; improving predictability of hydrogeologic properties: Sedimentary Geology, v. 184, p. 281‐304. 

 Russak, A., and Sivan, O., 2010, Hydrogeochemical tool to identify salinization or freshening of 

coastal aquifers determined from combined field work, experiments, and modeling: Environmental Science & Technology, v. 44, p. 4096‐4102. 

 Sanford, W.E., and Konikow, L.F., 1989, Simulation of calcite dissolution and porosity changes in 

saltwater mixing zones in coastal aquifers: Water Resources Research, v. 25, p. 655‐667.  Scanlon, B.R., Nicot, J.P., Reedy, R.C., Kurtzman, D., Mukherjee, A., and Nordstrom, D.K., 2009, 

Elevated naturally occurring arsenic in a semiarid oxidizing system, Southern High Plains aquifer, Texas, USA: Applied Geochemistry, v. 24, p. 2061‐2071. 

 Schreiber, J.F., Pine, G.L., Pipkin, B.W., Robinson, R.C., and Wilt, J.C., 1972, Sedimentologic 

studies in the Willcox Playa area, Cochise County, Arizona: International Center for Arid and Semi‐arid Land Studies Publication, v. 4, p. 133‐184. 

 Schreiber, M.E., Simo, J.A., and Freiberg, P.G., 2000, Stratigraphic and geochemical controls on 

naturally occurring arsenic in groundwater, eastern Wisconsin, USA: Hydrogeology Journal, v. 8, p. 161‐176. 

 Senior, L.A., and Vogel, K.L., 1995, Radium and radon in ground water in the Chickies Quartzite, 

southeastern Pennsylvania: US Geological Survey, Water‐Resources Investigations Report 92‐4088. 

 Shao, H., Kulik, D.A., Kosakowski, G., and Kolditz, O., 2009, Modeling the competition between 

solid solution formation and cation exchange on the retardation of aqueous radium in an idealized bentonite column: Geochemical Journal, v. 43, no. 6, p. e37‐e42. 

 Siegel, D.I., 1989, Geochemistry of the Cambrian‐Ordovician aquifer system in the northern 

Midwest, United States: US Geological Survey, Professional Paper 1405‐D.  Siegel, D.I., 1991, Evidence for dilution of deep, confined ground water by vertical recharge of 

isotopically heavy Pleistocene water: Geology, v. 19, p. 433‐436.  

Page 259: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

234 

Singh, S.P.N., and Mattigod, S.V., 1992, Modeling boron adsorption on kaolinite: Clays and Clay Minerals, v. 40, p. 192‐205. 

 Sirtariotis, N., 1998, Application of isotopes to the study of regional ground waters in the 

southern coastal plain of North Carolina [MS thesis]: University of North Carolina ‐ Wilmington. 

 Sivan, O., Yechieli, Y., Herut, B., and Lazar, B., 2005, Geochemical evolution and timescale of 

seawater intrusion into the coastal aquifer of Israel: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 69, p. 579‐592. 

 Smedley, P.L., and Kinniburgh, D.G., 2002, A review of the source, behaviour and distribution of 

arsenic in natural waters: Applied Geochemistry, v. 17, p. 517‐568.  Smedley, P.L., Nicolli, H.B., Macdonald, D.M.J., Barros, A.J., and Tullio, J.O., 2002, 

Hydrogeochemistry of arsenic and other inorganic constituents in groundwaters from La Pampa, Argentina: Applied Geochemistry, v. 17, p. 259‐284. 

 Smith, E., Naidu, R., and Alston, A.M., 2002, Chemistry of inorganic arsenic in soils: II. Effect of 

phosphorus, sodium, and calcium on arsenic sorption: Journal of Environmental Quality, v. 31, p. 557‐563. 

 Speer, J.A., 1994, Nature of the Rolesville batholith, North Carolina, in Stoddard, E.F., and Blake, 

D.E., eds., Geology and Field Trip Guide,Western Flank of the Raleigh Metamorphic Belt, North Carolina. Carolina Geological Society, p. 57‐62. 

 Speer, J.A., Solberg, T.N., and Becker, S.W., 1981, Petrography of the uranium‐bearing minerals 

of the Liberty Hill pluton, South Carolina: Phase assemblages and migration of uranium in granitoid rocks: Economic Geology, v. 76, p. 2162‐2175. 

 Speer, J.A., and Hoff, K., 1997, Elemental composition of the Alleghanian granitoid plutons of the 

southern Appalachians, in Sinha, A.K., Whalen, J.B., and Hogan, J.P. eds., The Nature of Magmatism in the Appalachian Orogen, Memoir 191, Geological Society of America, Boulder, CO, p. 287‐308. 

 Spivack, A.J., Palmer, M.R., and Edmond, J.M., 1987, The sedimentary cycle of the boron 

isotopes: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 51, p. 1939‐1949.  Sposito, G., 2008, The Chemistry of Soils, 2nd ed.: Oxford University Press, Oxford.  Stamatakis, M.G., Tziritis, E.P., and Evelpidou, N., 2009, The geochemistry of boron‐rich 

groundwater of the Karlovassi Basin, Samos Island, Greece: Central European Journal of Geosciences, v. 1, p. 207‐218. 

 

Page 260: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

235 

Stewart, M.A., Klein, E.M., and Karson, J.A., 2002, Geochemistry of dikes and lavas from the north wall of the Hess Deep Rift: Insights into the four‐dimensional character of crustal construction at fast spreading mid‐ocean ridges: Journal of Geophysical Research, v. 107, doi:10.1029/2001JB000545. 

 Stoddard, E.F., Farrar, S.S., Horton, J.W., Butler, J.R., and Druhan, R.M., 1991, The eastern 

Piedmont in North Carolina, in Horton, J.W. and Zullo, V.A. eds., The Geology of the Carolinas, University of Tennessee Press, Knoxville, p. 79‐92. 

 Strauss, H., 1997, The isotopic composition of sedimentary sulfur through time: 

Palaeogeography, v. 132, p. 97‐118.  Stueber, A.M., Pushkar, P., and Hetherington, E.A., 1987, A strontium isotopic study of 

formation waters from the Illinois basin, U.S.A.: Applied Geochemistry, v. 2, p. 477‐494.  Stumm, W., and Morgan, J.J., 1996, Aquatic Chemistry: Chemical Equilibria and Rates in Natural 

Waters, 3rd ed.: Wiley, New York.  Sturchio, N.C., Bohlke, J., and Markun, F., 1993, Radium isotope geochemistry of thermal waters, 

Yellowstone National Park, Wyoming, USA: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 57, p. 1203‐1214. 

 Sturchio, N.C., Banner, J.L., Binz, C.M., Heraty, L.B., and Musgrove, M., 2001, Radium 

geochemistry of ground waters in Paleozoic carbonate aquifers, midcontinent, USA: Applied Geochemistry, v. 16, p. 109‐122. 

 Sun, H., and Semkow, T.M., 1998, Mobilization of thorium, radium, and radon radionuclides in 

ground water by successive alpha recoils: Journal of Hydrology, v. 205, p. 126‐136.  Sverjensky, D.A., 2006, Prediction of the speciation of alkaline earths adsorbed on mineral 

surfaces in salt solutions: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 70, p. 2427‐2453.  Szabo, Z., and Zapecza, O.S., 1987, Relation between natural radionuclide activities and chemical 

constituents in ground water in the Newark Basin, New Jersey, in Graves, B., ed., Radon, Radium, and other Radioactivity in Ground Water, Lewis Publishers, Chelsea, MI, p. 283‐308. 

 Szabo, Z., Rice, D.E., MacLeod, C.L., and Barringer, T.H., 1997, Relation of distribution of radium, 

nitrate, and pesticides to agricultural land use and depth, Kirkwood‐Cohansey Aquifer System, New Jersey Coastal Plain, 1990‐1991: US Geological Survey, Water‐Resources Investigations Report 96‐4165. 

 Szabo, Z., dePaul, V.T., Kraemer, T.F., and Parsa, B., 2005, Occurrence of radium‐224, radium‐

226, and radium‐228 in water of the unconfined Kirkwood‐Cohansey aquifer system, southern New Jersey: US Geological Survey, Scientific Investigations Report 2004‐5224. 

Page 261: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

236 

Szabo, Z., Jacobsen, E., Kraemer, T.F., and Parsa, B., 2008, Concentrations and environmental fate of Ra in cation‐exchange regeneration brine waste disposed to septic tanks and accumulation in sludge, New Jersey Coastal Plain, USA: Journal of Environmental Radioactivity, v. 99, p. 947‐964. 

 Szabo, Z., Jacobsen, E., Kraemer, T.F., and Parsa, B., 2010, Environmental fate of Ra in cation‐

exchange regeneration brine waste disposed to septic tanks, New Jersey Coastal Plain, USA: migration to the water table: Journal of Environmental Radioactivity, v. 101, p. 33‐44. 

 Tachi, Y., Shibutani, T., Sato, H., and Yui, M., 2001, Experimental and modeling studies on 

sorption and diffusion of radium in bentonite: Journal of Contaminant Hydrology, v. 47, p. 171‐186. 

 Tagma, T., 2005, Caractérisation de la minéralisation des eaux souterraines de la nappe côtière 

d’Agadir : répartition et origine [thesis]: Universite Ibn Zohr, Agadir, Morocco.  Tagma, T., Hsissou, Y., Bouchaou, L., Bouragba, L., and Boutaleb, S., 2009, Groundwater nitrate 

pollution in Souss‐Massa basin (south‐west Morocco): African Journal of Environmental Science and Technology, v. 3, p. 301‐309. 

 Tanner, A.B., 1964, Physical and chemical controls on distribution of radium‐226 and radon‐222 

in ground waters near Great Salt Lake, Utah, in Adams, J.A.S. and Lowder, W.M. eds., The Natural Radiation Environment, University of Chicago Press, Chicago, p. 253‐276. 

 Tarits, C., Aquilina, L., Ayraud, V., Pauwels, H., Davy, P., Touchard, F., and Bour, O., 2006, Oxido‐

reduction sequence related to flux variations of groundwater from a fractured basement aquifer (Ploemeur area, France): Applied Geochemistry, v. 21, p. 29‐47. 

 Thomas, D.A., 1991, Lithostratigraphy, petrology, diagenesis, and environments of deposition of 

the upper Cambrian Jordan sandstone, southeastern Minnesota [MS thesis]: University of Minnesota. 

 Thomas, J.M., Welch, A.H., Lico, M.S., Hughes, J.L., and Whitney, R., 1993, Radionuclides in 

ground water of the Carson River Basin, western Nevada and eastern California, U.S.A.: Applied Geochemistry, v. 8, p. 447‐471. 

 Thornburg, K., and Sahai, N., 2004, Arsenic occurrence, mobility, and retardation in sandstone 

and dolomite formations of the Fox River Valley, eastern Wisconsin: Environmental Science & Technology, v. 38, p. 5087‐5094. 

 Tipping, R.G., 1992, An isotopic and chemical study of groundwater flow in the Prairie du Chien 

and Jordan aquifers, northern Dakota county, Minnesota [MS thesis]: University of Minnesota. 

 

Page 262: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

237 

Tipping, R.G., 1994, Southeastern Minnesota regional ground‐water monitoring study: Minnesota Geological Survey, Open‐File Report OF‐94‐1. 

 Tomita, J., Satake, H., Fukuyama, T., Sasaki, K., Sakaguchi, A., and Yamamoto, M., 2010, Radium 

geochemistry in Na‐Cl type groundwater in Niigata Prefecture, Japan: Journal of Environmental Radioactivity, v. 101, p. 201‐210. 

 Towne, D.C., and Freark, M.C., 2001, Ambient groundwater quality of the  

Willcox Basin: A 1999 baseline study: Arizona Department of Environmental Quality, Open File Report 2001‐09. 

 Tricca, A., Wasserburg, G.J., Porcelli, D., and Baskaran, M., 2001, The transport of U‐ and Th‐

series nuclides in a sandy unconfined aquifer: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 65, p. 1187‐1210. 

 Tuttle, M.L., Breit, G.N., and Cozzarelli, I.M., 2009, Processes affecting δ34S and δ18O values of 

dissolved sulfate in alluvium along the Canadian River, central Oklahoma, USA: Chemical Geology, v. 265, p. 455‐467. 

 Uliana, M.M., Banner, J.L., and Sharp, J.M., 2007, Regional groundwater flow paths in Trans‐

Pecos, Texas inferred from oxygen, hydrogen, and strontium isotopes: Journal of Hydrology, v. 334, p. 334‐346. 

 Underwood, E.C., Ferguson, G.A., Betcher, R., and Phipps, G., 2009, Elevated Ba concentrations 

in a sandstone aquifer: Journal of Hydrology, v. 376, p. 126‐131.  Vengosh, A., 2003, Salinization and saline environments, in Sherwood Lollar, B. ed., 

Environmental Geochemistry, Treatise on Geochemistry, v. 9, Elsevier, Oxford, p. 333‐365. 

 Vengosh, A., Heumann, K.G., Juraske, S., and Kasher, R., 1994, Boron isotope application for 

tracing sources of contamination in groundwater: Environmental Science and Technology, v. 28, p. 1968‐1974. 

 Vengosh, A., and Spivack, A.J., 1999, Boron isotopes in groundwater, in Cook, P.G. and Herczeg, 

A.L. eds., Environmental Tracers in Subsurface Hydrology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Netherlands, p. 479‐485. 

 Vengosh, A., Spivack, A.J., Artzi, Y., and Ayalon, A., 1999, Geochemical and boron, strontium, and 

oxygen isotopic constraints on the origin of the salinity in groundwater from the Mediterranean coast of Israel: Water Resources Research, v. 35, p. 1877‐1894. 

 Vengosh, A., Gill, J., Davisson, M.L., and Hudson, G.B., 2002, A multi‐isotope (B, Sr, O, H, and C) 

and age dating (3H‐3He and 14C) study of groundwater from Salinas Valley, California: 

Page 263: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

238 

Hydrochemistry, dynamics, and contamination processes: Water Resources Research, v. 38, doi:10.1029/2001WR000517. 

 Vengosh, A., Kloppmann, W., Marei, A., Livshitz, Y., Gutierrez, A., Banna, M., Guerrot, C., 

Pankratov, I., and Raanan, H., 2005, Sources of salinity and boron in the Gaza strip: Natural contaminant flow in the southern Mediterranean coastal aquifer: Water Resources Research, v. 41, doi:10.1029/2004WR003344. 

 Vengosh, A., Hirschfeld, D., Vinson, D., Dwyer, G., Raanan, H., Rimawi, O., Al‐Zoubi, A., Akkawi, 

E., Marie, A., Haquin, G., Zaarur, S., and Ganor, J., 2009, High naturally occurring radioactivity in fossil groundwater from the Middle East: Environmental Science & Technology, v. 43, p. 1769‐1775. 

 Vine, J.D., Asher‐Bolinder, S., Morgan, J.D., and Higgins, B., 1979, Lithologic log and lithium 

content of sediments penetrated in a test boring drilled on Willcox Playa, Cochise County, Arizona: U.S. Geological Survey, Open‐File Report 79‐397. 

 Vinson, D.S., Vengosh, A., Hirschfeld, D., and Dwyer, G.S., 2009, Relationships between radium 

and radon occurrence and hydrochemistry in fresh groundwater from fractured crystalline rocks, North Carolina (USA): Chemical Geology, v. 260, no. 3‐4, p. 159‐171.  

 Vinson, D.S., Lundy, J.R., Dwyer, G.S., and Vengosh, A., 2010, Sr isotopes, hydrogeologic setting, 

and water‐rock interaction in the Mt. Simon sandstone (Minnesota, USA), in Birkle, P. and Torres‐Alvarado, I.S. eds., Water Rock Interaction: Proceedings of the 13th International Conference on Water‐rock Interaction WRI‐13, Guanajuato, Mexico, 16‐20 August 2010, CRC Press, Boca Raton, FL, p. 111‐114. 

 Vinson, D.S., Schwartz, H.G., Dwyer, G.S., and Vengosh, A., in press, Evaluating salinity sources of 

groundwater and implications for sustainable reverse osmosis desalination in coastal North Carolina, USA: Hydrogeology Journal. 

 Vivona, R., Preziosi, E., Made, B., and Giuliano, G., 2007, Occurrence of minor toxic elements in 

volcanic‐sedimentary aquifers; a case study in central Italy: Hydrogeology Journal, v. 15, p. 1183‐1196. 

 Waite, T.D., Davis, J.A., Payne, T.E., Waychunas, G.A., and Xu, N., 1994, Uranium(VI) adsorption 

to ferrihydrite: Application of a surface complexation model: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 58, p. 5465‐5478. 

 Walker, M., Seiler, R.L., and Meinert, M., 2008, Effectiveness of household reverse‐osmosis 

systems in a Western US region with high arsenic in groundwater: Science of the Total Environment, v. 389, p. 245‐252. 

 Wall, D.B., and Regan, C.P., 1994, Water Quality and sensitivity of the Prairie du Chien‐Jordan 

aquifer in west‐central Winona County: Minnesota Pollution Control Agency report. 

Page 264: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

239 

Walters, M.O., 1995, Radium in coastal Sarasota County ground water: Ground Water Monitoring & Remediation, v. 15, no. 4, p. 114‐118. 

 Wanty, R.B., Johnson, S.L., and Briggs, P.H., 1991, Radon‐222 and its parent radionuclides in 

groundwater from two study areas in New Jersey and Maryland, U.S.A.: Applied Geochemistry, v. 6, p. 305‐318. 

 Waters, M.R., 1989, Late Quaternary lacustrine history and paleoclimatic significance of pluvial 

Lake Cochise, southeastern Arizona: Quaternary Research, v. 32, p. 1‐11.  Wathen, J.B., 1987, The effect of uranium siting in two‐mica granites on uranium concentrations 

and radon activity in ground water, in Graves, B. ed., Radon, Radium, and other Radioactivity in Ground Water, Lewis Publishers, Chelsea, MI, p. 31‐46. 

 Weaver, T.R., and Bahr, J.M., 1991, Geochemical evolution in the Cambrian‐Ordovician 

sandstone aquifer, eastern Wisconsin: 1. Major ion and radionuclide distribution: Ground Water, v. 29, p. 350‐356. 

 Welch, A.H., and Lico, M.S., 1998, Factors controlling As and U in shallow ground water, 

southern Carson Desert, Nevada: Applied Geochemistry, v. 13, p. 521‐539.  Welch, A.H., Westjohn, D., Helsel, D.R., and Wanty, R.B., 2000, Arsenic in ground water of the 

United States: Occurrence and geochemistry: Ground Water, v. 38, p. 589‐604.  White, A.F., Bullen, T.D., Vivit, D.V., Schulz, M.S., and Clow, D.W., 1999, The role of disseminated 

calcite in the chemical weathering of granitoid rocks: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 63, p. 1939‐1953. 

 White, A.F., Schulz, M.S., Lowenstern, J.B., Vivit, D.V., and Bullen, T.D., 2005, The ubiquitous 

nature of accessory calcite in granitoid rocks: Implications for weathering, solute evolution, and petrogenesis: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 69, p. 1455‐1471. 

 Wilkie, J.A., and Hering, J.G., 1996, Adsorption of arsenic onto hydrous ferric oxide: Effects of 

adsorbate/adsorbent ratios and co‐occurring solutes: Colloids and Surfaces A‐Physicochemical and Engineering Aspects, v. 107, p. 97‐110. 

 Winner, M.D., and Coble, R.W., 1996, Hydrogeologic framework of the North Carolina coastal 

plain: US Geological Survey, Professional Paper 1404‐I.  Winter, B.L., and Johnson, C.M., 1995, U‐Pb dating of a carbonate subaerial exposure event: 

Earth and Planetary Science Letters, v. 131, p. 177‐187.  Winter, B.L., Johnson, C.M., Simo, J.A., and Valley, J.W., 1995, Paleozoic fluid history of the 

Michigan Basin; evidence from dolomite geochemistry in the Middle Ordovician St. Peter Sandstone: Journal of Sedimentary Research, v. 65, p. 306‐320. 

Page 265: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

240 

Wood, W.W., Kraemer, T.F., and Shapiro, A., 2004, Radon (222Rn) in ground water of fractured rocks: A diffusion/ion exchange model: Ground water, v. 42, p. 552‐567. 

 Woods, T.L., Fullagar, P.D., Spruill, R.K., and Sutton, L.C., 2000, Strontium isotopes and major 

elements as tracers of ground water evolution: Example from the Upper Castle Hayne Aquifer of North Carolina: Ground Water, v. 38, p. 762‐771. 

 World Health Organization, 2008, Guidelines for drinking‐water quality, 3rd edition, 

incorporating the first and second addenda, Vol. 1, Recommendations: World Health Organization, Geneva. 

 Xie, X., Ellis, A., Wang, Y., Xie, Z., Duan, M., and Su, C., 2009, Geochemistry of redox‐sensitive 

elements and sulfur isotopes in the high arsenic groundwater system of Datong Basin, China: Science of The Total Environment, v. 407, p. 3823‐3835. 

 Yamanaka, M., and Kumagai, Y., 2006, Sulfur isotope constraint on the provenance of salinity in 

a confined aquifer system of the southwestern Nobi Plain, central Japan: Journal of Hydrology, v. 325, p. 35‐55. 

 Yechieli, Y., Sivan, O., Lazar, B., Vengosh, A., Ronen, D., and Herut, B., 2001, Radiocarbon in 

seawater intruding into the Israeli Mediterranean coastal aquifer: Radiocarbon, v. 43, p. 773‐781. 

 Zack, A.L., and Roberts, I., 1988, The geochemical evolution of aqueous sodium in the Black 

Creek aquifer, Horry and Georgetown Counties, South Carolina: US Geological Survey, Water‐Supply Paper 2324. 

 Zhang, H., and Kanivetsky, R., 1996, Bedrock hydrogeology [scale 1:100,000], in Fillmore County 

Geologic Atlas, County Atlas Series, Minnesota Department of Natural Resources, St. Paul, MN, plate 6. 

 Zhu, C., 2004a, Coprecipitation in the barite isostructural family: 1. Binary mixing properties: 

Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 68, p. 3327‐3337.  Zhu, C., 2004b, Coprecipitation in the barite isostructural family: 2. Numerical simulations of 

reactions and mass transport: Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 68, p. 3339‐3349.  Zukin, J.G., Hammond, D.E., Ku, T., and Elders, W.A., 1987, Uranium‐thorium series radionuclides 

in brines and reservoir rocks from two deep geothermal boreholes in the Salton Sea Geothermal Field, southeastern California (USA): Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 51, p. 2719‐2731. 

Page 266: Radium Isotope Geochemistry in Groundwater Systems

 

241 

Biography 

David Vinson was born in Birmingham, Alabama in 1978. He received a B.S. degree from 

the University of Alabama (2000) with double major in Geology and American Studies, and a 

M.S. degree in Earth and Planetary Sciences from the University of New Mexico (2002). First‐

authored journal articles in print include: (1) Biogeochemistry at the zone of intermittent 

saturation: Field‐based study of the shallow alluvial aquifer, Rio Grande, New Mexico 

(Geosphere, v. 3,  p. 366‐380, 2007); (2) Radon transfer from groundwater used in showers to 

indoor air (Applied Geochemistry, v. 23, p.2676‐2685, 2008); and (3) Relationships between 

radium and radon occurrence and hydrochemistry in fresh groundwater from fractured 

crystalline rocks, North Carolina (USA) (Chemical Geology, v. 260, p. 159‐171, 2009). Vinson 

received the Kelley‐Silver departmental fellowship of the University of New Mexico Department 

of Earth & Planetary Sciences (2000‐2002), Outstanding Student Paper Award from the 

American Geophysical Union, Biogeosciences Section (2002 spring meeting), Outstanding MS 

student in 2002‐03 award from the University of New Mexico Department of Earth & Planetary 

Sciences, a Geological Society of America student research grant (2006), Best Student 

Presentation award from Geological Society of America Geology & Society Division (for 2006 

meeting – awarded 2007), an International Association of Geochemistry student research grant 

(2009), and a Clay Minerals Society student research grant (2009).