Aquifer/aquitard interfaces: mixing zones that enhance biogeochemical reactions

Abstract.

Several important biogeochemical reactions are known to occur near the interface between aquifer and aquitard sediments. These reactions include O₂ reduction; denitrification; and Fe³⁺, SO₄ ^2–, and CO₂ (methanogenesis) reduction. In some settings, these reactions occur on the aquitard side of the interface as electron acceptors move from the aquifer into the electron-donor-enriched aquitard. In other settings, these reactions occur on the aquifer side of the interface as electron donors move from the aquitard into the electron-acceptor-enriched, or microorganism-enriched, aquifer. Thus, the aquifer/aquitard interface represents a mixing zone capable of supporting greater microbial activity than either hydrogeologic unit alone. The extent to which biogeochemical reactions proceed in the mixing zone and the width of the mixing zone depend on several factors, including the abundance and solubility of electron acceptors and donors on either side of the interface and the rate at which electron acceptors and donors react and move across the interface. Biogeochemical reactions near the aquifer/aquitard interface can have a substantial influence on the chemistry of water in aquifers and on the chemistry of sediments near the interface.

Résumé.

Il se produit au voisinage de l'interface entre les aquifères et les imperméables plusieurs réactions biogéochimiques importantes. Il s'agit des réactions de réduction de l'oxygène, de la dénitrification et de la réduction de Fe³⁺, SO₄ ^2– et CO₂ (méthanogenèse). Dans certaines situations, ces réactions se produisent du côté imperméable de l'interface, avec des accepteurs d'électrons qui vont de l'aquifère vers l'imperméable riche en donneurs d'électrons. Dans d'autres situations, ces réactions se produisent du côté aquifère de l'interface, avec des donneurs d'électrons qui se déplacent de l'imperméable vers l'aquifère riche en accepteurs d'électrons ou en microorganismes. Ainsi, l'interface aquifère/imperméable constitue une zone de mélange capable de supporter une plus grande activité microbienne que chacune des deux unités hydrogéologiques seules. L'extension des réactions biogéochimiques dans la zone de mélange et la largeur de cette zone dépendent de plusieurs facteurs, dont l'abondance et la solubilité des accepteurs et des donneurs d'électrons de chaque côté de l'interface, et le taux de réaction et de déplacement des accepteurs et des donneurs d'électrons au travers de cette interface. Les réactions biogéochimiques au voisinage de l'interface aquifère/imperméable peuvent avoir une influence appréciable sur le chimisme de l'eau des aquifères et sur celui des sédiments au niveau de l'interface.

Resúmen.

Es conocido que varias reacciones biogeoquímicas de importancia pueden tener lugar cerca de la interfaz entre los sedimentos de un acuífero y de un acuitardo. Entre ellas, destaca la reducción del O₂, la denitrificación, y la reducción del Fe⁺³, SO₄ ^–2 y CO₂ (metanogénesis). En algunos casos, estas reacciones se producen en la región cercana al acuitardo, ya que los dadores de electrones se mueven desde éste hacia el acuífero, el cual está enriquecido en aceptores de electrones o en microorganismos. Así, la interfaz acuífero/acuitardo constituye una zona de mezcla que es capaz de sustentar una actividad microbiana mayor que cualquier unidad hidrogeológica por sí misma. El alcance de las reacciones biogeoquímicas en la zona de mezcla y el ancho de esta zona de mezcla depende de varios factores, como la abundancia y la solubilidad de los aceptores y dadores de electrones en ambas caras de la interfaz y la velocidad a la que los aceptores y dadores de electrones reaccionan y se mueven a través de la interfaz. Las reacciones biogeoquímicas cerca de la interfaz acuífero/acuitardo pueden tener una influencia substancial en la hidroquímica de los acuíferos y en la química de los sedimentos cerca de la superficie.