A conceptual model of mildly alkaline water discharging from the Zlatibor ultramafic massif, western Serbia

Abstract

Ultramafic rocks are generally taken to be ‘waterless’ or bearing little water. The mountain Zlatibor, western Serbia, largely built of Upper Jurassic ultramafics, is without perennial springs. However, in Gruda, an area on the NE side of Zlatibor, there are two perennial ascending springs with uniform discharge: Bijela Česma and Hajdučko Vrelo. The water from both springs is naturally mildly alkaline (pH ∼8.4), of Mg–HCO₃ type, and temperature ∼11 °C. The springs have been investigated with respect to derivation, dynamics and chemistry with a view to commercial use of the water. The results indicate zones of rocks fractured during tectonic events and/or under lithostatic pressure. Deep ultramafic rocks, equivalent to abyssal peridotites (the least depleted rocks of the upper mantle, rich in magnesium), include fractured aquifers characterized by heterogeneity and anisotropy. Groundwater arriving at the land surface derives from atmospheric precipitation, and its quality is converted through the process of serpentine acid hydrolysis into mildly alkaline Mg–HCO₃ water. Both quantity and quality of water from these springs are stable and are unaffected by atmospheric precipitation or other external influences. A conceptual model of the structure, hydrogeological character of the aquifer, and the mechanism of groundwater derivation is developed for both springs.

Résumé

Les roches ultramafiques sont généralement considérées comme « sans eau » ou peu aquifères. La montagne Zlatibor, Ouest de la Serbie, largement constituée d’ultramafites du Jurassique supérieur, ne présente pas de source pérenne. Toutefois, dans le Gruda, une région du flanc NE du Zlatibor, on trouve deux émergences ascendantes pérennes à débit constant : Bijela Česma et Hajdučko Vrelo. L’eau des deux sources est naturellement moyennement alcaline (pH ∼8.4), de type bicarbonatée magnésienne et à température ∼11 °C. Elles ont été étudiées relativement à leur dérivation, aux plans dynamique et chimique, en vue d’une utilisation commerciale de l’eau. Les résultats indiquent des zones de roches fracturées durant des épisodes tectoniques et/ou sous pression lithostatique. Les roches ultramafiques profondes, équivalentes aux péridotites abyssales les roches les moins appauvries du manteau supérieur, riches en magnésium, contiennent des aquifères hétérogènes et anisotropes. L’eau souterraine arrivant à la surface du sol provient des précipitations atmosphériques et sa qualité est convertie, par le processus d’hydrolyse acide de la serpentine, en eau bicarbonatée magnésienne moyennement alcaline. Le débit et la qualité de l’eau de ces sources sont tous deux stables et non affectés par les précipitations atmosphériques ou autres facteurs externes. Un modèle conceptuel de la structure, des caractéristiques hydrogéologiques de l’aquifère et du mécanisme de dérivation de l’eau souterraine est développé pour les deux sources.

Resumen

Las rocas ultramáficas son generalmente aceptadas como “carentes de agua” o que tienen poca cantidad de agua. La montaña Zlatibor, en el oeste de Serbia, en gran parte formada sobre rocas ultramáficas del Jurásico Superior, carece de manantiales perennes. Sin embargo, en Gruda, un área de la ladera NE de Zlatibor, hay dos manantiales ascendentes perennes con descarga uniforme: Bijela Česma y Hajdučko Vrelo. El agua de ambos manantiales es naturalmente levemente alcalina (pH ∼8.4), de tipo Mg–HCO₃, y temperatura de ∼11 °C. Se investigaron los manantiales en relación con la derivación, dinámica y química con una visión para uso comercial del agua. Los resultados indican zonas de rocas fracturadas durante eventos tectónicos y/o bajo presión litostática. Las rocas ultramáficas profundas, equivalentes a peridotitas abisales (las rocas menos agotadas del manto superior, ricas en magnesio), incluyen acuíferos fracturados caracterizados por su heterogeneidad y anisotropía. El agua subterránea que llega a la superficie del terreno proviene de la precipitación atmosférica, y su calidad es convertida en agua Mg–HCO₃ levemente alcalina a través de los procesos de hidrólisis ácida de la serpentina. Tanto la cantidad como la calidad del agua de estos manantiales son estables y no serían afectados por la precipitación atmosférica u otras influencias externas. Se desarrolló un modelo conceptual de la estructura, carácter hidrogeológico del acuífero, y el mecanismo de derivación de agua subterránea para ambos manantiales.

Resumo

As rochas ultramáficas são geralmente consideradas ‘sem água’ ou contendo quantidades muito reduzidas de água. A montanha de Zlatibor, na Sérvia ocidental, em grande parte constituída por rochas ultramáficas do Jurássico Superior, não contém nascentes perenes. No entanto, em Gruda, uma área do lado nordeste de Zlatibor, existem duas nascentes perenes com descarga uniforme: Bijela Česma e Hajdučko Vrelo. A água de ambas as nascentes é naturalmente alcalina moderada (pH ∼8.4), do tipo Mg–HCO₃, e com temperatura ∼11 °C. As nascentes têm sido investigadas quanto à proveniência, dinâmica e química com vista à comercialização da água. Os resultados indicam zonas de rochas fraturadas durante eventos tectónicos e/ou sob pressão litostática. As rochas ultramáficas profundas, equivalentes a peridotitos abissais (as rochas menos empobrecidas do manto superior, ricas em magnésio), incluem aquíferos fraturados caracterizados por heterogeneidade e anisotropia. As águas subterrâneas que chegam à superfície são provenientes da precipitação atmosférica e a sua composição é alterada para água do tipo Mg–HCO₃ moderadamente alcalina através do processo da hidrólise ácida da serpentina. Tanto a quantidade como a qualidade da água destas nascentes são estáveis, não sendo afetadas pela precipitação atmosférica ou outras influências externas. Para ambas as nascentes são desenvolvidos modelos conceptuais da estrutura e das características hidrogeológicas do aquífero, bem como do mecanismo de proveniência da água subterrânea.

Аннотация

Ультрамафические породы, как правило, принято считать «безводными» или содержащими небольшое количество воды. Гора Златибор в западной Сербии состоящая из ультрамафических горных пород с редкими постоянными источниками. Тем не менее, на территории Груда, находящегося в северо восточной части горы Златибор, есть два постоянных акцидентных источника с одинаковым дебитом: Биэла Чесма и Хайдучко Врело. Вода в обоих источниках слабощелочная (рН ∼8.4), Mg–HCO₃ группы с температурой ∼11 °C. Происхождение, механизм излияния и химический состав воды в этих источниках исследован для коммерческого использования воды. Полученные результаты свидетельствуют о существовании относительно глубокой зоны трещеноватых пород, происхождение которых связано с тектоническими движениями или с литостатическим давлением. Глубоко расположенные ультрамафические породы эквивалентны абиссальным перидотитам (меньше всего обедненные породы верхнего слоя, богатые магнием), содержат водоносные горизонты типа трещинные воды зон тектонических нарушених характеризуется неоднородностью и анизотропией с точки зрения водоносности. Пополнение грунтовых вод происходит путем инфильтрации атмосферных осадков. Порцессом кислотного гидролиза серпентинита изменяется химический состав грунтовых вод и они появляются на поверхности в виде слабощелочной Mg–HCO₃ группы воды. И качество и количество воды постоянно и не зависит от количества осадков и других внешних воздействий. Концептуальная модель структуры, гидрогеологические свойства водоносных пород и механизам излияния подземных вод представлен для обоих источников.

Апстракт

Ултрамафитске стене су генерално прихваћене као "безводне" или са малом количином воде. Планина Златибор у западној Србији, претежно изграђена од горњојурских ултрамафита, је са ретким сталним изворима. Међутим, на простору Груда, подручју на СИ планине Златибор, постоје два стална асцедентна извора уједначене издашности: Бијела Чесма и Хајдучко Врело. Вода у оба извора је благо алкална (pH ∼8.4), Mg–HCO₃ типа, температуре ∼11 °C. Порекло, механизам истицања и хемијски састав вода у овим изворима је испитиван за потребе комерцијалне употребе вода. Резултати су указали на постојање релативно дубоких зона са стенама које су испуцале било услед тектонских покрета или услед литостатичког притиска. Дубоке ултрамафитске стене, еквивалентне абисалним перидотитима (најмање осиромашене стене горњег омотача, богате магнезијумом), садрже издани пукотинског типа које се одликују хетерогеношћу и анизотропијом у погледу водоносности. Подземне воде су пореклом од атмосферских падавина. Процесом киселе хидролизе серпентина мења се хемијски карактер подземних вода и појављују се на површину терена као благо алкалне Mg–HCO₃ типа воде. И квалитет и квантитет ових вода је стабилан и не зависи од количине падавина или било којих других спољних утицаја. Концептуални модел структуре, хидрогеолошких својстава водоносних стена и механизам истицања подземних вода је дат за оба извора.

Appendix

Table 2 Results of complete water quality analyses for the springs Bijela Česma and Hajdučko Vrelo discharging from ultramafic rocks of Gruda