Geochemical insights into groundwater movement in alpine karst, Bear River Range, Utah, USA

Abstract

Alpine karst aquifers control the availability and longevity of some water resources, but are not well understood. A conceptual model of the alpine karst aquifer system in the Bear River Range of northern Utah (USA) has been developed by geochemical analysis (major ions, δ¹⁸O, δ²H and δ¹³C values) of seasonal water samples from seven perennial springs, and residence-time assessment (³H and CFCs) of two low- and two high-discharge springs. All spring data can be explained by reaction paths dominated by the dissolution of calcian dolomite. The δ¹³C values align well with reaction paths for open-system dissolution. Saturation indices and low Ca:Mg molar ratios indicate that incongruent dissolution exerts a strong control on water–rock interactions, complicating interpretation of natural solute tracers. Values of δ¹⁸O and δ²H in springs follow the Utah meteoric water line. Snow δ¹⁸O values correlate with elevation, but not with increasing rainout distance, providing qualitative estimates of recharge elevation that generally align with previous dye-traces to five of the seven springs. Concentrations of ³H and CFCs likely are best described by binary mixing of subannual recharge with 60–65-year-old groundwater, suggesting that the alpine karst aquifer system in the Bear River Range is best represented by a double-porosity model. Subannual recharge documented by dye traces implies that caverns are the primary flowpaths to the springs, but the presence of decadal-age water may indicate that lower permeability flowpaths dominate during baseflow. No evidence was found for a longer-residing flow component, suggesting high sensitivity to future climate variability.

Résumé

Bien que les aquifères karstiques alpins contrôlent la disponibilité et la durabilité de certaines ressources en eau, ils ne sont pas bien compris. Un modèle conceptuel de l’aquifère karstique alpin de la chaîne de Bear River, dans le nord de l’Utah (États-Unis d’Amérique), a été développé grâce à l’analyse géochimique (ions majeurs, teneurs en δ¹⁸O, δ²H et δ¹³C) d’échantillons d’eau saisonniers provenant de sept sources pérennes, et à l’évaluation du temps de résidence (³H et CFC) de deux sources à faible débit et deux à fort débit. Toutes les données des sources peuvent être expliquées par des réactions dominées par la dissolution de la dolomite. Les teneurs en δ¹³C sont cohérents avec des réactions de dissolution en système ouvert. Les indices de saturation et les faibles rapports molaires Ca:Mg indiquent qu’une dissolution incongruente exerce un contrôle important sur les interactions eau-roche, compliquant ainsi l’interprétation du traçage naturel en phase dissoute. Les valeurs de δ¹⁸O et δ²H des sources s’alignent sur la droite météorique locale de l’Utah. Les teneurs en δ¹⁸O de la neige sont corrélées avec l’altitude, mais pas avec l’augmentation de la distance de la pluie, fournissant des estimations qualitatives de l’altitude de recharge qui s’alignent généralement sur les traçages artificiels antérieurs de cinq des sept sources. Les teneurs en ³H et CFC sont mieux décrites par un mélange binaire de la recharge infra-annuelle avec des eaux souterraines âgées de 60–65 ans, ce qui suggère qu’un modèle à double porosité permet de mieux représenter le fonctionnement du système aquifère karstique alpin du bassin versant de la rivière Bear. La recharge infra-annuelle, mise en évidence par des traçages artificiels, implique que les conduits souterrains constituent les voies d’écoulement principales jusqu’aux sources, bien que la présence d’eau d’âge décennal puisse indiquer que des trajets de perméabilité inférieure dominent le débit de base. Aucune donnée probante n’atteste d’une composante d’écoulement avec un temps de résidence important, suggérant une sensibilité élevée à la variabilité climatique future.

Resumen

Los acuíferos kársticos alpinos controlan la disponibilidad y la antigüedad de algunos recursos hídricos, pero no se conocen suficientemente. Se ha elaborado un modelo conceptual del sistema acuífero kárstico alpino en Bear River Range, en el norte de Utah (EEUU) mediante análisis geoquímicos (iones principales, valores de δ¹⁸O, δ²H y δ¹³C) de muestras estacionales de agua de siete manantiales perennes, y una evaluación del tiempo de residencia (³H y CFCs) de dos manantiales de baja y dos de alta descarga. Todos los datos de los manantiales pueden explicarse por las líneas de reacción dominadas por la disolución de la dolomita calcárea. Los valores de δ¹³C se alinean bien con las líneas de reacción para la disolución en sistema abierto. Los índices de saturación y las bajas proporciones molares de Ca:Mg indican que la disolución incongruente ejerce un fuerte control sobre las interacciones agua-roca, lo que complica la interpretación de los trazadores naturales de solutos. Los valores de δ¹⁸O y δ²H en los manantiales siguen la línea de aguas meteóricas de Utah. Los valores de δ¹⁸O en nieve se correlacionan con la altura, pero no con el aumento de la distancia a la lluvia, lo que proporciona estimaciones cualitativas de la altura de recarga que generalmente se alinean con los trazadores de colorantes de cinco de los siete manantiales. Es probable que las concentraciones de ³H y CFCs se describan mejor mediante la mezcla binaria de la recarga subanual con aguas subterráneas de 60–65 años, lo que sugiere que el sistema acuífero kárstico alpino de la Bear River Range está mejor representado por un modelo de doble porosidad. La recarga subanual documentada por trazadores de colorante implica que las cavernas son las vías de flujo primarias hacia los manantiales, pero la presencia de agua de edad decádica puede indicar que las vías de flujo de menor permeabilidad dominan durante el flujo de base. No se encontraron pruebas de un componente de flujo de mayor duración, lo que sugiere una alta sensibilidad a la futura variabilidad climática.

摘要

高山岩溶含水层控制着水资源的可利用性和使用时间, 但人们对此知之甚少。通过来自七个持续性泉的季节性水样的地球化学分析(主要离子, δ¹⁸O, δ²H 和 δ¹³C值), 以及两个低流量和高流量的泉水(³H 和 CFCs)滞留时间, 开发了Utah北部Bear河山脉(美国)高山喀斯特含水层系统的概念模型。所有泉水数据都可由以钙质白云石溶解为主的反应路径来解释。δ¹³C值与开放系统溶解的反应路径完全吻合。饱和指数和低的Ca:Mg摩尔比表明, 非均匀溶蚀强烈控制水-岩相互作用, 使天然溶质示踪剂的解释复杂化。泉水的δ¹⁸O 和 δ²H值遵循犹他州的降水线。降雪δ¹⁸O值与海拔高度相关, 但与增加的降雨距离无关, 从而提供了补给高度的定性估计值, 该估计值通常与七个泉水中五个泉以前的染色剂示踪一致。³H 和 CFCs的浓度可通过将次年补给量与60至65年的地下水进行二元混合来最好地描述, 这表明Bear河山脉的高山喀斯特含水层系统最好用双孔隙度模型来表示。染色剂示踪记录的次年补给表明, 洞穴是通往泉水的主要流路, 但年代际水的存在表明在基流期间渗透率较低的流路占主导地位。没有证据表明更长的流动组分, 说明对未来的气候变化高度敏感。

Resumo

Aquíferos cársticos alpinos controlam a disponibilidade e longevidade de alguns recursos hídricos, mas não são bem compreendidos. Um modelo conceitual do sistema aquífero cárstico alpino na cordilheira do Rio Bear do norte de Utah (EUA) tem sido desenvolvido por analises geoquímicas (íons principais, δ¹⁸O, δ²H e δ¹³C) de amostras sazonais de águas de sete nascentes perenes, e análise do tempo de residência (³H e CFCs) de duas nascentes de baixa vazão e duas de alta vazão. Todos os dados das nascentes podem ser explicados por caminho de reação dominados por dissolução de calcário dolomitico. Os valores δ¹³C se alinham bem com o caminho de reação para sistemas abertos de dissolução. Índices de saturação e baixa razão molar Ca:Mg indica que a dissolução incongruente exerce um forte controle na interação água -rocha, complicando a interpretação dos traçadores naturais de soluto. Valores de δ¹⁸O e δ²H nas nascentes seguem a linha meteórica de Utah. Valores de δ¹⁸O da neve se correlacionam com a elevação, mas não com o aumento da distância da chuva, fornecendo estimativas qualitativas da elevação de recarga que geralmente se alinham com os traços de corantes anteriores de cinco das sete nascentes. Concentrações de ³H e CFCs provavelmente são melhores descritas pela mistura binária de recarga subanual com águas subterrâneas de 60–65 anos de idade, sugerindo que o sistema aquífero cárstico na cordilheira do Rio Bear é melhor representado por um modelo de dupla porosidade. A recarga subanual documentada por traçadores de corante indicam que cavernas são os caminhos de fluxo primários para as nascentes, mas a presença de água com idade decadal pode indicar que fluxos de baixa permeabilidade dominam o fluxo de base. Nenhuma evidencia encontrada para um componente de fluxo de longa duração, sugerindo alta sensibilidade para variabilidade climática futura.