Groundwater flow and its effect on salt dissolution in Gypsum Canyon watershed, Paradox Basin, southeast Utah, USA

Abstract

Groundwater flow is an important control on subsurface evaporite (salt) dissolution. Salt dissolution can drive faulting and associated subsidence on the land surface and increase salinity in groundwater. This study aims to understand the groundwater flow system of Gypsum Canyon watershed in the Paradox Basin, Utah, USA, and whether or not groundwater-driven dissolution affects surface deformation. The work characterizes the groundwater flow and solute transport systems of the watershed using a three-dimensional (3D) finite element flow and transport model, SUTRA. Spring samples were analyzed for stable isotopes of water and total dissolved solids. Spring water and hydraulic conductivity data provide constraints for model parameters. Model results indicate that regional groundwater flow is to the northwest towards the Colorado River, and shallow flow systems are influenced by topography. The low permeability obtained from laboratory tests is inconsistent with field observed discharges, supporting the notion that fracture permeability plays a significant role in controlling groundwater flow. Model output implies that groundwater-driven dissolution is small on average, and cannot account for volume changes in the evaporite deposits that could cause surface deformation, but it is speculated that dissolution may be highly localized and/or weaken evaporite deposits, and could lead to surface deformation over time.

Résumé

L’écoulement d’eau souterraine a un contrôle important sur la dissolution de l’évaporite (sel) dans le sous-sol. La dissolution du sel peut conduire à l’activation de faille et à une subsidence associée des terrains et augmenter la salinité des eaux souterraines. Cette étude a pour objectif de comprendre le système d’écoulement d’eau souterraine dans le bassin versant gypsifère du Canyon dans le bassin du Paradox, Utah, Etats Unis d’Amérique, et d’identifier si oui ou on la dissolution associée aux écoulements d’eau souterraine impacte la déformation des terrains. Le travail caractérise les écoulements souterrains et le transport de solutés du bassin versant en utilisant un modèle 3D à éléments finis hydrodynamique et de transport, SUTRA. Les sources ont été échantillonnées pour analyser les isotopes stables de l’eau et les solides totaux dissous. L’eau de source et les données de conductivité hydraulique ont fournis les contraintes pour les paramètres du modèle. Les résultats du modèle indiquent que l’écoulement régional des eaux souterraines se dirige en direction du Nord Ouest vers la rivière du Colorado, et les écoulements de faible profondeur sont influencés par la topographie. La faible perméabilité obtenue à partir de tests de laboratoire est incompatible avec les débits observés sur le terrain, soutenant l’idée que la perméabilité de fracture joue un rôle important dans le contrôle des écoulements d’eau souterraine. Les résultats du modèle implique que la dissolution associée aux eaux souterraines est faible en moyenne, et ne peut pas tenir compte des changements de volume dans les dépôts d’évaporite qui pourraient entraîner une déformation des terrains en surface, mais il est supposé que la dissolution peut être très localisée et/ou affaiblir les dépôts d’évaporite, et pourrait conduire à une déformation des terrains en surface au cours du temps.

Resumen

El flujo de agua subterránea es un control importante en la disolución subsuperficial de evaporitas (sales). La disolución de sales puede forzar el fallamiento y la subsidencia asociada en la superficie del terreno e incrementar la salinidad en el agua subterránea. Este estudio apunta aentender el sistema de flujo de agua subterránea de la cuenca de Gypsum Canyon en la Paradox Basin, Utah, EEUU, y si la disolución o no, forzada por el agua subterránea afecta la deformación de la superficie. El trabajo caracteriza el flujo de agua subterránea y los sistema de transporte de soluto de la cuenca usando un modelo 3D de flujo y transporte de elementos finitosD, SUTRA. Se analizaron las muestras de manantiales para isótopos estables en agua y los sólidos disueltos totales. Los datos del agua del manantial y de la conductividad hidráulica proveyeron restricciones para los parámetros del modelo. Los resultados del modelo indican que el flujo regional del agua subterránea tiene sentido del noroeste hacia el Río Colorado, y los sistemas de flujo somero están influenciados por la topografía. La baja permeabilidad obtenida a partir de ensayos de laboratorio es inconsistente con las descargas observadas en el campo, apoyando la noción que la permeabilidad de la fractura juega un rol significativo en el control del flujo de agua subterránea. La salida del modelo implica que la disolución forzada por el agua subterránea es pequeña en promedio, y no puede explicar los cambios de volúmenes en los depósitos de evaporitas que podrían causar deformación superficial, pero se especula que la disolución puede ser altamente localizada y/o debilita los depósitos de evaporitas, y podría conducir a la deformación superficial con el transcurso del tiempo.

摘要

地下水流是地表以下蒸发岩(盐类)溶解的重要控制因素.盐类溶解可源自断层作用和相关的地表沉降,盐类溶解增加地下水中的盐度.本研究目的就是了解美国犹他州东南部Paradox盆地Gypsum Canyon流域的地下水流系统以及地下水导致的溶解是否影响地表变形。研究工作采用三维有限元流和运移模型SUTRA描述了流域内的地下水流系统和溶质运移系统。对泉水水样中的同位素和总溶解固体进行了分析。泉水和水力传导率资料限制了模型的参数。模型结果表明区域地下水流向西北至科罗拉多河,浅部水流系统受地形的影响。实验室得到的低透水率与室外观测的排泄量不一致,这个结果显示断裂透水率在控制地下水流中发挥重要的作用。模型结果表明地下水导致的溶解平均很小,不能造成蒸发岩沉积层足以引起地表变形的容积变化,但根据推断,溶解可能高度局部化,或者能减少蒸发岩沉积层,最终导致地形变化。

Resumo

O fluxo de água subterrânea exerce um controlo importante na dissolução de evaporitos (sais) presentes na subsuperfície. A dissolução de sais pode dar origem a falhas e subsidência associada da superfície do solo, e pode aumentar a salinidade das águas subterrâneas. O presente estudo tem como objetivo compreender o sistema de fluxo de água subterrânea na sub-bacia hidrográfica de Gypsum Canyon, na Bacia de Paradox, no sudeste de Utah, EUA, e entender se a dissolução causada pelas águas subterrâneas afeta ou não a deformação da superfície do solo. O trabalho carateriza os sistemas de fluxo de água subterrânea e o transporte de solutos na bacia, utilizando um modelo 3D de fluxo e transporte em elementos finitos, SUTRA. Em amostras de nascentes foram analisados isótopos estáveis de água e sólidos totais dissolvidos. Os dados das nascentes e de condutividade hidráulica balizaram os parâmetros do modelo. Os resultados do modelo indicam que o fluxo regional das águas subterrâneas é para noroeste em direção ao Rio Colorado, e que os sistemas de fluxo pouco profundos são influenciados pela topografia. Os baixos valores de permeabilidade obtidos a partir de ensaios no laboratório são inconsistentes com as descargas observadas no campo, corroborando a ideia de que a permeabilidade associada a fraturas desempenha um papel significativo no controlo do fluxo de água subterrânea. Os resultados do modelo de transporte sugerem que a dissolução originada pelas águas subterrâneas é reduzida, em termos médios, não podendo explicar as alterações do volume dos evaporitos que poderiam causar a deformação da superfície. Não obstante, especula-se que a dissolução possa ser altamente localizada e/ou possa enfraquecer os depósitos dos evaporitos, podendo levar à deformação da superfície ao longo do tempo.