Chemical parameters as natural tracers in hydrogeology: a case study of Louros karst system, Greece

Abstract

The Louros Basin hosts one of the most important karst systems of Epirus Prefecture (Greece) and plays a key role in supplying three counties with drinking water. Aiming to investigate the origin of groundwater and its flow patterns, a multi-tracer approach was used to describe and evaluate the hydrogeology of the system. Therefore, 271 surface water and groundwater samples were collected and analyzed for physicochemical parameters, major ions, and trace and rare earth elements, as well as stable isotopes (δ¹⁸O and δ²H). These data provided meaningful tracing of the water origin, water–rock interaction processes, and relationships among the aquifers. In particular, the elaboration of the major ions supported by the distribution of rare earth elements indicated that there are three aquifers located at different levels hosted in the Senonian and Pantokrator limestone formations. These aquifers are hydraulically interconnected by a cascade and constitute the Louros karst system which is drained by the homonymous river. Hydrochemical and isotopic data revealed that the Louros karst system is isolated from the adjacent northern Ioannina Basin and it is being recharged by precipitation. Higher groundwater salinity, where present, is mainly associated with increased water–rock interaction due to longer and deeper hydrologic flow, favoring the dissolution of evaporitic, carbonate and phosphate minerals.

Zusammenfassung

Das Louros-Becken beherbergt eines der wichtigsten Karstsysteme der Epirus-Präfektur (Griechenland) und spielt eine wichtige Rolle bei der Versorgung von drei Landkreisen mit Trinkwasser. Es wurde ein Multi-Tracer-Ansatz verwendet, um die Hydrogeologie des Systems zu beschreiben und zu bewerten. Dafür wurden 271 Oberflächenwasser- und Grundwasserproben gesammelt und auf physikochemische Parameter, Hauptionen und Spuren- und Seltenerden-Elemente sowie stabile Isotope (δ¹⁸O and δ²H) analysiert. Diese Daten liefern bedeutende Informationen bezüglich der Wasserherkunft, der Bedeutung von Wasser–Gesteins-Interaktionsprozessen und der Beziehung zwischen den Grundwasserleitern. Insbesondere zeigen die Konzentrationen der Hauptionen und der Seltenerdenelemente an, dass es drei Aquifere gibt, die sich in verschiedenen Tiefen in den Senonian und Pantokrator-Kalksteinformationen befinden. Diese Aquifere sind hydraulisch durch eine Kaskade miteinander verbunden und bilden das Louros-Karstsystem, das durch den gleichnamigen Fluss entwässert wird. Hydrochemische und isotopische Daten zeigen, dass das Louros-Karst-System vom angrenzenden nördlichen Ioannina-Becken isoliert ist und nur durch Regenwasser wieder aufgeladen wird. Wasser–Gesteins-Wechselwirkungen treten bevorzugt in ausgedehnteren und tieferen hydrologischen Strömungen auf. Sie gehen mit einer Auflösung von Evaporit-, Carbonat- und Phosphatmineralien einher und führen letztlich zu einem höheren Salzgehalt der Wässer.

Résumé

Le bassin de Louros comporte un des plus importants systèmes karstiques de la région d’Epire (Grèce) et joue un rôle important dans l’alimentation en eau potable de trois comtés. Dans le but de rechercher l’origine des eaux souterraines et ses modalités d’écoulements, une approche multi-traceurs a été utilisée pour décrire et évaluer le système hydrogéologique. Ainsi, 271 échantillons d’eau de surface et souterraine ont été collectés et l’analyse des paramètres physico-chimiques, des ions dissous majeurs et traces, des terres rares ainsi que des isotopes stables de la molécule d’eau (δ¹⁸O and δ²H) a été réalisée. Ces données fournissent des informations significatives concernant le traçage de l’origine de l’eau, des processus d’interaction eau–roche, et des relations entre aquifères. Plus particulièrement, l’analyse des ions majeurs, appuyée par la distribution des terres rares montre l’existence de trois aquifères localisés à différents niveaux au sein des formations calcaires du Sénonien et Pantokrator. Ces aquifères sont hydrauliquement interconnectés en cascade et constituent le système karstique de Louros qui est drainé par la rivière du même nom. Les données hydrochimiques et isotopiques montrent que le système karstique de Louros est isolé du bassin adjacent Ionnina situé au Nord et est rechargé par les pluies. La forte salinité des eaux souterraines, lorsque présente, est associée principalement à une augmentation des interactions eau–roche du fait de flux hydrologiques plus longs et en profondeur, favorisant la dissolution des roches évaporitiques et des minéraux carbonatés et phosphatés.

Resumen

La cuenca del Louros alberga uno de los sistemas kársticos más importantes de Epirus Prefecture (Grecia) y desempeña un papel clave en el suministro de agua potable a tres condados. Con el objetivo de investigar el origen de las aguas subterráneas y sus patrones de flujo, se utilizó un enfoque multi-trazador para describir y evaluar la situación hidrogeológica del sistema. Por lo tanto, se recogieron 271 muestras de agua superficial y subterránea y se analizaron los parámetros físico-químicos, iones mayoritarios y traza y elementos de tierras raras, así como los isótopos estables (δ¹⁸O and δ²H). Estos datos proporcionan un significativo seguimiento del origen del agua, de los procesos de la interacción agua–roca, y de las relaciones entre los acuíferos. En particular, la elaboración de los iones principales apoyados por la distribución de los elementos de tierras raras indica que hay tres acuíferos situados en diferentes niveles alojados en las formaciones de calizas Senonian y Pantokrator. Estos acuíferos están hidráulicamente conectados entre sí por una cascada y constituyen el sistema kárstico de Louros que está drenado por el río homónimo. Los datos hidroquímicos e isotópicos revelaron que el sistema kárstico de Louros está aislado de la cuenca Ioannina adyacente hacia el norte y que se recarga por precipitación. Una mayor salinidad de las aguas subterráneas, cuando está presente, se asocia principalmente con el aumento de la interacción agua–roca debido a un prolongado y profundo flujo hidrológico, lo que favorece la disolución de evaporitas, carbonatos y minerales de fosfato.

摘要

Louros流域是(希腊)伊皮鲁斯地区最重要的岩溶系统之一,在向三个郡供应饮用水中发挥着关键作用。为了调查地下水的起源及其流动模式,采用多示踪剂方法描述和评估了系统的水文地质状况。因此,收集了271个地表水样和地下水样并分析了其物理化学参数、主要离子、微量和稀土元素以及稳定同位素((δ¹⁸O 和 δ²H)。这些资料提供了水起源有意义的踪迹、水-岩相互作用过程及含水层之间的关系。尤其是由稀土元素分布支持的主要离子方面的详细阐述表明,在Senonian 和 Pantokrator石灰岩地层不同的深度中存在着三个含水层。这些含水层通过一个小瀑布水力上相互连通,构成了Louros系统,与此系统同名的河流流经本系统。水化学和同位素资料揭示,Louros岩溶系统与毗邻的Ioannina流域北部隔开,由降水补给。有些地区,较高的地下水盐度主要与增加的水-岩相互作用相关,而增加的水-岩相互作用是由较长和较深水文水流造成的,它有助于蒸发岩、碳酸盐和磷酸盐矿物的溶解。

Samenvatting

Het Louros Stroomgebied herbergt één van de belangrijkste karst systemen van Epirus Prefectuur (Griekenland) en speelt een belangrijke rol bij het leveren van drinkwater aan drie provincies. Om de oorsprong van het grondwater en de stromingspatronen te onderzoeken is voor de beschrijving en de evaluatie van de hydrogeologie van het systeem een multi-tracer aanpak toegepast. Daartoe zijn 271 oppervlaktewater- en grondwatermonsters verzameld en geanalyseerd op fysico-chemische parameters, belangrijkste ionen, sporenelementen, zeldzame aarde en stabiele isotopen (δ¹⁸O en δ²H).

Met deze gegevens is zinvolle informatie opgespoord over de oorsprong van het water, interactieprocessen tussen water en gesteenten en relaties tussen de waterhoudende lagen. Met name de uitwerking van de belangrijkste ionen, ondersteund door verspreiding van zeldzame aardelementen, toont aan dat er drie waterhoudende lagen aanwezig zijn op verschillende niveaus, welke door de Senonien en Pantokrator kalksteenformaties worden behelsd. Deze waterhoudende lagen zijn hydraulisch met elkaar verbonden door een cascade en vormen het Louros karst systeem, waarvan het water wordt afgevoerd door de gelijknamige rivier. Uit hydrochemische en isotopische gegevens blijkt dat het Louros karst systeem is geisoleerd van het aangrenzende noordelijke Ioannina Stroomgebied en wordt aangevuld door neerslag. Een hoger zoutgehalte van het grondwater wordt, indien aanwezig, vooral geassocieerd met een verhoogde water-gesteente interactie als gevolg van langere en diepere hydrologische stromen, die de ontbinding van evaporiet, carbonaat en fosfaat mineralen bevorderen.

Περίληψη

H λεκάνη απoρρoής τoυ Λoύρoυ φιλoξενεί ένα από τα πιo σημαντικά καρστικά συστήματα της Hπείρoυ, τo oπoίo διαδραματίζει καθoριστικό ρόλo στoν τρoφoδoσία τριών νoμών με πόσιμo νερό. Mε στόχo την διερεύνηση της πρoέλευσης και της κίνησης των υπόγειων υδάτων, χρησιμoπoιήθηκε μια πρoσέγγιση πoλλαπλών ιχνηθετών ώστε να περιγραφεί και να αξιoλoγηθεί η υδρoγεωλoγία τoυ συστήματoς. Ως εκ τoύτoυ, 271 δείγματα επιφανειακών και υπόγειων υδάτων συλλέχθηκαν και αναλύθηκαν ως πρoς τις φυσικoχημικές παραμέτρoυς, τα κύρια στoιχεία, τα ιχνoστoιχεία, τις σπάνιες γαίες, καθώς και τα σταθερά ισότoπα (δ¹⁸O και δ²H). Tα δεδoμένα αυτά συμβάλλoυν oυσιαστικά στην ανίχνευση της πρoέλευσης τoυ νερoύ, τις διαδικασίες αλληλεπίδρασης νερoύ-πετρώματoς, και τις υδραυλικές σχέσεις μεταξύ των υδρoφόρων. Eιδικότερα, η αξιoλόγηση των συγκεντρώσεων των κύριων στoιχείων, σε συνδυασμό με την κατανoμή των σπάνιων γαιών, κατέδειξε την ύπαρξη τριών υδρoφόρων oριζόντων, oι oπoίoι φιλoξενoύνται στoυς ασβεστόλιθoυς τoυ Σενωνίoυ και τoυ Παντoκράτoρα. Oι υδρoφόρoι αυτoί συνδέoνται μεταξύ τoυς υδραυλικά και διαρθρώνoνται κλιμακωτά σε τρία επίπεδα, τα oπoία απoτελoύν τo καρστικό σύστημα Λoύρoυ πoυ απoστραγγίζεται από τoν oμώνυμo πoταμό. Tα υδρoχημικά και ισoτoπικά δεδoμένα υπέδειξαν ότι τo καρστικό αυτό σύστημα είναι απoμoνωμένo από την παρακείμενη πρoς τo βoρρά κλειστή λεκάνη των Iωαννίνων και τρoφoδoτείται από τo νερό της κατείσδυσης. H υψηλότερη αλατότητα των υπoγείων υδάτων, όπoυ υπάρχει, συνδέεται κυρίως με την αυξημένη αλληλεπίδραση νερoύ-πετρώματoς λόγω τoυ μεγαλύτερoυ χρόνoυ παραμoνής αλλά και την βαθύτερη κίνηση τoυ νερoύ, πoυ ευνoεί τη διάλυση εβαπoριτικών, ανθρακικών και φωσφoρικών oρυκτών.

Riassunto

Il bacino del Louros ospita uno dei sistemi carsici più importanti della Prefettura dell’Epiro (Grecia) e svolge un ruolo chiave nel rifornimento di acqua potabile in tre province. Allo scopo di investigare l’origine dell’acqua sotterranea e di costruire un modello di deflusso, è stato preso in considerazione un approccio che tiene conto di traccianti multipli per la definizione dell’idrogeologia del sistema. A questo scopo sono stati raccolti 271 campioni di acque sotterranee ed analizzati per i parametri chimico-fisici, gli ioni maggiori, gli elementi in traccia comprese le terre rare e gli isotopi stabili (δ¹⁸O e δ²H). Questi dati hanno consentito di tracciare l’origine dell’acqua, i processi di interazione acqua-roccia e le relazioni tra gli acquiferi. In particolare, l’elaborazione dei dati sugli elementi maggiori, supportata dai dati sulle terre rare, ha messo in luce la presenza di tre acquiferi disposti a quote differenti insediati nelle formazioni carbonatiche denominate Senonian e Pantokrator. Questi acquiferi sono interconnessi a cascata e costituiscono il sistema carsico del Louros drenato dal fiume omonimo. I dati idrochimici ed isotopici hanno rivelato che questo sistema carsico è isolato dall’adiacente Bacino di Ioannina a nord essendo ricaricato esclusivamente dalle precipitazioni atmosferiche. Ove presente, una salinità più elevata è associata prevalentemente ad interazioni acqua-roccia più spinte a causa di circuiti idrologici più lunghi e profondi che favoriscono la dissoluzione di minerali evaporitici, carbonatici e fosfatici.

Resumo

A Bacia Louros é um dos mais importantes sistemas cársticos da Prefeitura de Epiro (Grécia) e desempenha um importante papel no abastecimento de três condados com água potável. Visando investigar a origem das águas subterrâneas e seus padrões de fluxo, uma abordagem multitraçadores foi utilizada para descrever e avaliar o sistema hidrogeológico. Para isso, 271 amostras de águas superficiais e subterrâneas foram coletadas e analisadas quanto a parâmetros físico-químicos, íons principais, elementos traços e terras raras, bem como os isótopos estáveis (δ¹⁸O e δ²H). Estes dados fornecem um rastreamento significativo da origem da água, do processo de interação água-rocha, e da relação entre os aquíferos. Em particular, a composição dos íons principais suportados pela distribuição de terras raras indicam que há três aquíferos hospedados em diferentes níveis, nas formações calcárias Senonian e Pantokrator. Esses aquíferos são hidraulicamente interconectados por uma cascata e constituem o sistema cárstico Louros, que é drenado pelo rio homônimo. Dados hidroquímicos e isotópicos revelam que o sistema cárstico de Louros é isolado ao norte pela Bacia Joanina adjacente, na qual é recarregada pela precipitação. Águas subterrâneas altamente salinizadas, quando presentes, são comumente associadas ao aumento da interação água-rocha devido a um mais longo e profundo fluxo hidrológico, favorecendo a dissolução de evaporitos, carbonatos e fosfatos minerais.