A geochemical and stable isotope investigation of groundwater/surface-water interactions in the Velenje Basin, Slovenia

Abstract

The geochemical and isotopic composition of surface waters and groundwater in the Velenje Basin, Slovenia, was investigated seasonally to determine the relationship between major aquifers and surface waters, water–rock reactions, relative ages of groundwater, and biogeochemical processes. Groundwater in the Triassic aquifer is dominated by HCO₃ ^–, Ca²⁺, Mg²⁺ and δ¹³C_DIC indicating degradation of soil organic matter and dissolution of carbonate minerals, similar to surface waters. In addition, groundwater in the Triassic aquifer has δ¹⁸O and δD values that plot near surface waters on the local and global meteoric water lines, and detectable tritium, likely reflecting recent (<50 years) recharge. In contrast, groundwater in the Pliocene aquifers is enriched in Mg²⁺, Na⁺, Ca²⁺, K⁺, and Si, and has high alkalinity and δ¹³C_DIC values, with low SO₄ ^2– and NO₃ ^– concentrations. These waters have likely been influenced by sulfate reduction and microbial methanogenesis associated with coal seams and dissolution of feldspars and Mg-rich clay minerals. Pliocene aquifer waters are also depleted in ¹⁸O and ²H, and have ³H concentrations near the detection limit, suggesting these waters are older, had a different recharge source, and have not mixed extensively with groundwater in the Triassic aquifer.

Résumé

La composition géochimique et isotopique de l’eau de surface et de l’eau souterraine dans le bassin de Velenje en Slovénie a été étudiée en fonction des saisons pour déterminer la relation entre les aquifèreres principaux et les eaux de surface, les interactions eau–roche, l’âge relatif de l’eau et les processus biogéochimiques. L’eau souterraine dans l’aquifère triasique est dominée par HCO₃ ^–, Ca²⁺, Mg²⁺ and δ¹³C_DIC qui indiquent que la dégradation de la matière organique du sol et la dissolution des carbonates est similaire à celle de l’eau de surface. En outre, l’eau souterraine de l’aquifère triasique a des valeurs en δ¹⁸O et δD qui se positionnent près des eaux de surface sur les droites des eaux météoriques globale et locale, et du tritium détectable qui marque probablement une recharge récente (<50 ans). Au contraire, l’eau souterraine des aquifères pliocènes est enrichie en Mg²⁺, Na⁺, Ca²⁺, K⁺, et Si, et a une alcalinité et des valeurs de δ¹³C_DIC élevées, ainsi que des concentrations faibles en SO₄ ^2– et NO₃ ^–. Ces eaux ont probablement été influencées par la réduction des sulfates et la méthanogénèse microbienne associée aux veines de charbon et à la dissolution des feldspaths et minéraux magnésiens argileux. Les eaux de l’aquifère pliocène sont également appauvries en ¹⁸O et ²H, et ont des concentrations en ³H proches de la limite de détection, ce qui suggère que ces eaux sont plus anciennes, ont une recharge d’origine différente et n’ont pas été largement mélangée avec les eaux de l’aquifère triasique.

Resumen

Las composición geoquímica e isotópica del agua superficial y el agua subterránea en la Velenje Basin, Eslovenia, fue investigada estacionalmente para determinar la relación entre los acuíferos principales y el agua superficial, las reacciones agua – roca, las edades relativas del agua subterránea y los procesos biogeoquímicos. El agua subterránea en el acuífero Triásico es dominada por HCO₃ ^–, Ca²⁺, Mg²⁺ y δ¹³C_DIC indicando una degradación de la materia orgánica del suelo y la disolución de minerales carbonáticos, similares a las aguas superficiales. Además, el agua subterránea en el acuífero Triásico tiene valores de δ¹⁸O y δD que se ubican cerca de las aguas superficiales y de la línea de agua meteórica local y global, y el tritio detectable, reflejando probablemente una recarga reciente (<50 años). En contraste, el agua subterránea en los acuíferos Pliocenos está enriquecida en Mg²⁺, Na⁺, Ca²⁺, K⁺, y Si,y tiene altos valores de alcalinidad y de δ¹³C_DIC, con bajas concentraciones de SO₄ ^2– y NO₃ ^–. Estas aguas han sido probablemente influenciadas por una reducción de sulfatos y una metanogenesis microbiana asociadas con capas de carbón y disolución de feldespatos y minerales de arcillas ricos en Mg. Las aguas de acuíferos del Plioceno están también empobrecidas en ¹⁸O y ²H, y tienen concentraciones de ³H cerca del límite de detección, lo que sugiere que estas aguas son más viejas, tienen una fuente diferente de recarga, y no se han mezclado extensivamente con el agua subterránea del acuífero Triásico.

摘要

对斯洛文尼亚Velenje盆地-地表水和地下水地球化学和同位素组分进行了周期性调查,以确定主要含水层和地表水体之间的关系、水-岩作用、地下水的相对年龄及生物地球化学过程。三叠纪含水层中的 水主要受HCO₃ ^–, Ca²⁺, Mg²⁺ 及 δ¹³C_DIC控制,表明土壤有机物质的退化和碳酸盐矿物的溶解,类似于地表水体。另外,三叠纪含水层中地下水中的δ¹⁸O and δD值在局部和全球大气水线上地表水体附近,地下水中也有可检出的氚,可能反映出最近(小于50年)有补给。与此相反,上新世含水层中的地下水富含Mg²⁺, Na⁺, Ca²⁺, K⁺, 及 Si, 具有很高的碱度和δ¹³C_DIC v 值,但SO₄ ^2– and NO₃ ^– c 含量低。这些水可能受到过与煤层和长石及富镁粘土矿物相关的硫酸盐还原和微生物甲烷生成的影响。上新世含水层水也缺少¹⁸O 和 ²H, ³H含量接近检出限,表明这些水较老,有不同的补给源,没有与三叠纪含水层中的水广泛混合。

Resumo

A composição geoquímica e isotópica das águas superficiais e da água subterrânea na Bacia de Velenje, na Eslovénia, foi investigada sazonalmente, a fim de determinar a relação entre os aquíferos principais e as águas superficiais, as reações água–rocha, as idades relativas da água subterrânea e os processos biogeoquímicos. A água subterrânea no aquífero Triássico é dominada por HCO₃ ^–, Ca²⁺, Mg²⁺ e δ¹³C_DIC, indicando degradação da matéria orgânica do solo e dissolução dos minerais carbonatados, similarmente às águas superficiais. Em adição, a água subterrânea do aquífero Triássico tem valores de δ¹⁸O e δD que se localizam próximos dos das águas superficiais locais e da linha das águas meteóricas globais, e do trítio detetável, refletindo presumivelmente recarga recente (<50 anos). Em contraste, a água subterrânea dos aquíferos Pliocénicos é enriquecida em Mg²⁺, Na⁺, Ca²⁺, K⁺ e Si e apresenta valores de alcalinidade e de δ¹³C_DIC elevados, com baixas concentrações de SO₄ ^2– e NO₃ ^–. Estas águas são provavelmente influenciadas pela redução de sulfatos e pela metanogénese microbiana associada a camadas de carvão e dissolução de feldspatos e de minerais argilosos ricos em Mg. As águas dos aquíferos Pliocénicos são também deficitárias em ¹⁸O e ²H, e têm concentrações de ³H próximas dos limites de deteção, sugerindo que estas águas são mais antigas, apresentam uma fonte de recarga diferente, e não se têm misturado extensivamente com a água subterrânea do aquífero Triássico.

Povzetek

Geokemično in izotopsko sestavo površinskih in podzemnih vod v Velenjskem bazenu, Slovenija smo sezonsko raziskali za določitev interakcij med glavnimi vodonosniki in površinskimi vodami, reakcij med vodo-kamnino, relativnimi starostmi vod in biogeokemijskimi procesi. V podzemni vodi Triasnega vodonosnika prevladuje HCO₃ ^–, Ca²⁺, Mg²⁺ in δ¹³C_DIC, kar kaže na razgradnjo preperinske organske snovi in raztapljanje karbonatnih mineralov, podobno kot površinske vode. Dodatno, podzemna voda v Triasnih vodonosnikih ima vrednosti δ¹⁸O in δD, ki se nahajajo blizu lokalne in globalne meteorne premice in meje zaznavnosti za tricij, kar nakazuje na recentno (<50 years) napajanje. Kontrastno, so podzemne vode v Pliocenskih vodonosnikih obogatene z Mg²⁺, Na⁺, Ca²⁺, K⁺ in Si in imajo visoko alkalnost in δ¹³C_DIC vrednosti, z nizko koncentracijo SO₄ ^2– in NO₃ ^–. Te vode so podvržene sulfatni redukciji in mikrobni metanogenezi, ki je povezana s premogovimi plastmi in raztapljanjem glinencev in Mg-bogatih mineralov. Pliocenske podzemne vode so osiromašene z ¹⁸O in ²H in imajo ³H koncentracije blizu meje detekcije, kar kaže da so te vode starejše, imajo drug vir napajanja in se ne mešajo intenzivno s podzemno vodo Triasnega vodonosnika.