Occurrence of springs in massifs of crystalline rocks, northern Portugal

Abstract.

An inventory of artesian springs emerging from fractures (fracture springs) was conducted in the Pinhão River Basin and Morais Massif, northern Portugal, comprising an area of approximately 650 km². Over 1,500 springs were identified and associated with geological domains and fracture sets. Using cross-tabulation analysis, spring distributions by fracture sets were compared among geological environments, and the deviations related to differences in rock structure and, presumably, to differences in deformational histories. The relation between spring frequencies and rock structures was further investigated by spectral determination, the model introduced in this study. Input data are the spring frequencies and fracture lengths in each geological domain, in addition to the angles between fracture strikes and present-day stress-field orientation (θ). The model's output includes the so-called intrinsic densities, a parameter indexing spring occurrence to factors such as fracture type and associated deformational regime and age. The highest densities (12.2 springs/km of lineament) were associated with young shear fractures produced by brittle deformation, and the lowest (0.1) with old tensional and ductile fractures. Spectral determination also relates each orientation class to a dominant structural parameter: where spring occurrence is controlled by θ, the class is parallel to the present-day stress-field orientation; where the control is attributed to the length of fractures, the spring occurrence follows the strike of large-scale normal faults crossing the region.

Résumé.

Un inventaire des sources artésiennes émergeant de fractures (sources de fractures) a été réalisé dans le bassin de la rivière Pinhão et dans le massif de Morais, dans le nord du Portugal, dans une région couvrant environ 650 km². Plus de 1,500 sources ont été identifiées et associées à des domaines géologiques et à des ensembles de fractures. Grâce à une analyse de tableaux croisés, les distributions des sources par ensemble de fractures ont été comparées aux situations géologiques et aux écarts liés aux différences dans les structures des roches et, probablement, aux différences dans leurs histoires de déformations. Les relations entre la fréquence des sources et la structure des roches ont été étudiées ensuite par détermination spectrale, modèle présenté dans cette étude. Les données d'entrée sont les fréquences des sources et les longueurs des fractures dans chaque domaine géologique, en plus des angles entre directions de fractures et orientation du champ de contraintes actuel (θ). La sortie du modèle donne les densités dites intrinsèques, un paramètre indexant l'existence d'une source à des facteurs tels que le type de fracture et le régime et l'âge associés de la déformation. Les densités les plus fortes (12,2 sources par km de linéament) ont été associées à des fractures jeunes produites par des déformations lentes, et les plus faibles (0,1) aux fractures anciennes ductiles et de tension. La détermination spectrale associe également chaque classe d'orientation à un paramètre structural dominant: quand la présence d'une source est contrôlée par θ, la classe est parallèle à l'orientation actuelle du champ de contrainte; lorsque le contrôle est attribué à la longueur des fractures, la présence de sources suit le plan des failles normales à grande échelle traversant la région.

Resumen.

Se ha llevado a cabo un inventario de manantiales emergentes de fracturas (manantiales de fracturas) en la cuenca del Río Pinhão y en el Macizo de Morais. El área estudiada ocupa unos 650 km² y se halla al Norte de Portugal. Se ha identificado más de 1.500 manantiales, los cuales han sido asociados con dominios geológicos y conjuntos de fracturas. Mediante el Análisis de la Tabulación Cruzada, se ha comparado la distribución de los manantiales por conjuntos de fracturas entre ambientes geológicos, así como las desviaciones relacionadas con diferencias en la estructura de la roca y, presumiblemente, en las historias de deformación. Se profundizó en la relación entre la frecuencia de los manantiales y las estructuras de la roca por medio de la Determinación Espectral, que es un modelo introducido en el presente estudio. Los datos de entrada son las frecuencias de los manantiales y la longitud de las fracturas en cada dominio geológico, además de los ángulos entre las direcciones de las fracturas y la orientación actual del campo de tensiones. Los resultados del modelo incluyen las denominadas densidades intrínsecas, parámetro que cuantifica la existencia de manantiales en función de factores como el tipo de fractura y el régimen y edad de deformación asociados. Las densidades mayores (12,2 manantiales por kilómetro de lineamiento) fueron atribuidas a fracturas jóvenes de cizalla causadas por deformación frágil, y las menores (valor 0,1) con fracturas antiguas y dúctiles. La Determinación Espectral también relaciona cada clase de orientación con un parámetro estructural dominante: donde la existencia de fracturas está dominada por el campo actual de tensiones, la clase es paralela a la orientación presente de dicho campo; donde domina la longitud de las fracturas, sigue la dirección de las fallas normales de gran escala que atraviesan la región.