Reactive-transport modelling of gypsum dissolution in a coastal karst aquifer in Puglia, southern Italy

Abstract

The gypsum coastal aquifer of Lesina Marina (Puglia, southern Italy) has been affected by sinkhole formation in recent decades. Previous studies based on geomorphologic and hydrogeological data ascribed the onset of collapse phenomena to the erosion of material that fills palaeo-cavities (suffosion sinkholes). The change in the hydrodynamic conditions of groundwater induced by the excavation of a canal within the evaporite formation nearly 100 years ago was identified as the major factor in triggering the erosion, while the contribution of gypsum dissolution was considered negligible. A combined reactive-transport/density-dependent flow model was applied to the gypsum aquifer to evaluate whether gypsum dissolution rate is a dominant or insignificant factor in recent sinkhole formation under current hydrodynamic conditions. The conceptual model was first defined with a set of assumptions based on field and laboratory data along a two-dimensional transect of the aquifer, and then a density-dependent, tide-influenced flow model was set up and solved using the numerical code SEAWAT. Finally, the resulting transient flow field was used by the reactive multicomponent transport model PHT3D to estimate the gypsum dissolution rate. The validation tests show that the model accurately represents the real system, and the multi-disciplinary approach provides consistent information about the causes and evolution time of dissolution processes. The modelled porosity development rate is too low to represent a significant contribution to the recent sinkhole formation in the Lesina Marina area, although it justifies cavity formation and cavity position over geological time.

Résumé

L’aquifère gypseux côtier de Lesina Marina (Pouilles, Italie du Sud) a été affecté dans les dernières décennies par la formation d’un gouffre. Les études précédentes, basées sur des données géomorphologiques et hydrogéologiques ont imputé le démarrage du phénomène d’effondrement à l’érosion du matériau qui remplit les paléo-cavités (gouffres de suffosion). Le changement des conditions hydrodynamiques souterraines, induit par le creusement d’un chenal à l’intérieur de la formation évaporitique il y a environ 100 ans, a été identifié comme le facteur principal du déclenchement de l’érosion, tandis que la contribution de la dissolution du gypse était considérée comme négligeable. Un modèle d’écoulement couplé au transport réactif et à la prise en considération de la densité a été appliqué à l’aquifère gypseux afin de déterminer si le taux de dissolution du gypse est un facteur dominant ou au contraire non significatif pour la formation récente du gouffre dans les conditions hydrodynamiques actuelles. Le modèle conceptuel a d’abord été défini à l’aide d’une série d’hypothèses basées sur des données de terrain et des données de laboratoire le long d’un transect bi-dimensionnel de l’aquifère, et ensuite un modèle d’écoulement prenant en considération l’effet de la densité et l’influence de la marée a été établi et solutionné par utilisation du code numérique SEAWAT. Pour finir, le domaine de l’écoulement transitoire résultant a été utilisé dans le modèle de transport réactif multi-composant PHTD3 pour estimer le taux de dissolution du gypse. Les tests de validation montrent que le modèle reproduit fidèlement le système réel et que l’approche multi-disciplinaire apporte une information pertinente sur les causes et l’évolution dans le temps du processus de dissolution. Le taux de développement de la porosité modélisée est trop faible pour représenter une contribution significative à la formation récente du gouffre de la zone de Lesina Marina, mais il justifie la formation et la localisation de la cavité au cours des temps géologiques.

Resumen

El acuífero costero de yeso en Lesina Marina (Puglia, sur de Italia) se ha visto afectado por la formación de sumideros en las últimas décadas. Estudios previos basados en datos geomorfológicos e hidrogeológicos atribuyen la aparición de los fenómenos de colapso a la erosión de material que llena paleo-cavidades (sumideros por desplome). El cambio inducido en las condiciones hidrodinámicas del agua subterránea por la excavación de un canal dentro de la formación evaporítica hace casi 100 años fue identificado como un factor importante en el desencadenamiento de la erosión del agua subterránea, mientras que la contribución de la disolución de yeso se consideró despreciable. Se aplicó al acuífero de yeso un modelo combinado de flujo y de transporte reactivo dependiente de la densidad para evaluar si la velocidad de disolución de yeso es un factor dominante o insignificante en la reciente formación de sumideros bajo las condiciones hidrodinámicas actuales. El modelo conceptual se definió por primera vez con un conjunto de suposiciones basadas en datos de laboratorio y de campo a lo largo de una transecta en dos dimensiones del acuífero, y luego se creó un modelo de flujo influenciado por la marea dependiente de la densidad que se resuelve utilizando el código numérico SEAWAT. Por último, el campo de flujo transitorio resultante fue utilizado para el modelo multicomponente de transporte reactivo PHT3D para estimar la velocidad de disolución de yeso. Las pruebas de validación demuestran que el modelo representa con exactitud el sistema real, y el enfoque multidisciplinario proporciona constante información sobre las causas y la evolución en el tiempo de los procesos de disolución. La ritmo modelado de la porosidad desarrollada es demasiado baja para representar una contribución significativa a la formación del reciente hundimiento en la zona Lesina Marina, aunque justifica la formación de cavidades y la posición de las cavidades a través del tiempo geológico.

摘要

最近几十年来,(意大利南部普利亚区)Lesina Marina石膏沿海含水层受到落水洞构造的影响。先前根据地貌和水文地质资料进行的研究认为,塌陷现象是由填充古洞穴(潜蚀落水洞)的物质受到侵蚀造成的。将近100年前蒸发岩层内挖掘河道引起的地下水水动力条件的变化确定为导致侵蚀的主要因素,而石膏溶解对侵蚀的贡献微不足道。一个组合的反应-传输/与密度有关的水流模型应用到石膏含水层,以评估在目前水动力条件下石膏溶解速度是否是近代落水洞形成的主要因素或无关紧要的因素。根据沿含水层二维横断面室外和室内资料采用一套假设首次明确了概念模型,然后,利用数值代码SEAWAT建立和解答了与密度有关的、受潮汐影响的水流模型。最后,反应的多成分传输模型PHT3D利用产生的瞬时水流场估算了石膏溶解速度。验证试验显示,模型准确地代表着真实的系统,多方论证方法提供了溶解过程原因和演化时间方面的一致信息。模拟的孔隙发育速度太慢以至于不能代表对Lesina Marina地区近代落水洞形成所做的重要贡献,尽管它在过去的地质时代中对洞穴形成和洞穴位置确实发挥过一定的作用。

Resumo

O aquífero costeiro formado por rochas ricas em gipso da região de Lesina Marina (Apúlia, sul da Itália) foi afetada pela formação de dolinas nas últimas décadas. Estudos anteriores, baseados em dados geomorfológicos e hidrogeológicos, atribuiram o aparecimento dos fenômenos de colapso à erosão do material de preenchimento das paleo-cavidades (dolinas de sufusão). A alteração das condições de fluxo das águas subterrâneas induzida pela escavação de um canal no interior da formação evaporítica, há aproximadamente 100 anos, foi identificada como o fator principal do desencadeamento da erosão, enquanto a contribuição da dissolução do gipso foi considerada insignificante. Um modelo de fluxo combinado com o de transporte reativo dependente da densidade foi aplicado ao aquífero, para se avaliar se a taxa de dissolução do gipso representa um fator dominante ou insignificante na formação de dolinas recentes sob as condições hidrodinâmicas atuais. O modelo conceitual foi inicialmente definido com um conjunto de suposições baseadas em dados de campo e de laboratório, obtidas ao longo de um transecto bidimensional do aquífero, e em seguida o modelo de fluxo dependente da densidade, influenciado pelas marés foi desenvolvido e solucionado empregando-se o código numérico SEAWAT. Finalmente, o modelo de fluxo transiente resultante foi usado pelo modelo de transporte reativo de componentes múltiplos PHT3D, para estimar as taxas de dissolução de gipso. Os testes de validação mostram que o modelo representa com precisão o sistema real, e a abordagem multi-disciplinar fornece informações consistentes sobre as causas e evolução temporal dos processos de dissolução. A taxa da evolução da porisidade modelada é demasiada baixa para representar uma contribuição significativa na formação de dolinas recentes na área de Lesina Marina, embora justifique a formação e a existência da cavidades ao longo do tempo geológico.