The hydrogeologic connectivity of a low-flow saline-spring fen peatland within the Athabasca oil sands region, Canada

Abstract

Saline springs can provide clues as to the nature of groundwater flow, including how it relates to subsurface wastewater storage and the distribution of solutes in the landscape. A saline-spring peatland neighboring a proposed in-situ oil facility was examined near Fort McMurray, Alberta (Canada). The study area is situated just north of a saline groundwater discharge zone, which coincides with the erosional edge of the Cretaceous Grand Rapids Formation. Na⁺ (mean 6,949 mg L⁻¹) and Cl⁻ (mean 13,776 mg L⁻¹) were the dominant salts within the peatland, which increased by an order of magnitude in the opposite direction to that of the local groundwater flow. Rivers and freshwater wetlands within the study area had anomalously high salinities, in some cases exceeding 10,000 mg L⁻¹ total dissolved solids within deeper sediments. Saline-spring features were observed as far as 5 km from the study area. A low-permeability mineral layer underlying the peatland restricted vertical groundwater exchange (estimated to be less than several mm over the 4-month study period). Sand and gravel lenses underlying the fen’s high-salinity zone may function as areas of enhanced discharge. High Cl/Br ratios point to halite as a potential source of salinity, while δ¹⁸O and δ²H signatures in groundwater were lower than modern-day precipitation or Quaternary aquifers. The complex connectivity of saline-spring wetlands within the landscape has implications for industry and land-use managers, and justifies incorporating them into monitoring networks to better gauge the magnitude and flow history of natural saline discharge in the oil sands region.

Résumé

Les sources salines peuvent fournir des indices quant à la nature de l’écoulement des eaux souterraines, y compris comment elles sont associées au stockage souterrain des eaux usées et à la distribution des solutés dans l’environnement. Une tourbière avec des sources salines située à proximité d’un projet d’exploitation de pétrole a été étudiée près de Fort McMurray, en Alberta (Canada). La zone d’étude est située juste au nord d’une zone d’émergence d’eau souterraine saline, coïncidant avec la bordure d’érosion de la formation crétacé des Grands Rapides. Les ions Na⁺ (concentration moyenne de 6949 mg L^-1) et Cl^- (concentration moyenne de 13 776 mg L^-1) sont les sels dominants au sein de la tourbière et dont la concentration a augmenté d’un ordre de grandeur dans la direction opposée de l’écoulement local des eaux souterraines. Les rivières et les zones humides d’eau douce au sein de la zone d’étude avaient des salinités élevées anormalement, dépassant dans certains cas les 10,000 mg L^-1 de solides dissous totaux dans les sédiments profonds. Ces propriétés des sources salinées ont été observées au-delà de 5 km de la zone d’étude. Une formation minérale de faible conductivité hydraulique sous-jacente à la tourbière restreint les échanges verticaux d’eau souterraine (estimée à moins de quelques mm au cours de la période d’étude, soit 4 mois). Des lentilles de sable et de graviers sous-jacents à la zone de fagnes à haute salinité pourraient fonctionner comme des zones de décharge renforcées. Les rapports élevés Cl / Br sont en faveur de l’halite comme source potentielle de salinité, tandis que les signatures isotopiques δ¹⁸O et δ²H dans les eaux souterraines sont inférieures aux valeurs des précipitations journalières actuelles ou des aquifères quaternaires. La connectivité complexe des zones humides à sources salines dans l’environnement a des implications pour les gestionnaires de l’industrie et des terres, et justifie de les intégrer dans les réseaux de surveillance afin de mieux évaluer l’ampleur et l’historique des flux naturels salins dans la région des sables bitumineux.

Resumen

Nascentes salinas podem fornecer pistas sobre a natureza do fluxo de águas subterrâneas, incluindo a forma como ele se relaciona com o armazenamento subsuperficial de águas residuais e da distribuição de solutos na paisagem. Uma nascente salina em turfeiras vizinha a uma área proposta para instalação de uma refinaria de óleo in situ foi examinada perto de Fort McMurray, Alberta (Canadá). A área de estudo está situada a norte de uma zona de descarga de água subterrânea salina, que coincide com a borda de erosão da Formação Cretácea Grand Rapids. Na⁺ (média 6,949 mg L^-1) e Cl^- (média 13,776 mg L^-1) foram os sais dominantes dentro da turfa, que aumentaram uma ordem de grandeza no sentido oposto ao do fluxo de água subterrânea local. Rios e zonas húmidas de água doce na área de estudo tiveram anormalmente altas salinidades, em alguns casos superiores a 10,000 mg L^-1 de sólidos dissolvidos totais dentro de sedimentos mais profundos. As feições das nascentes salinas foram observadas a distancias maiores que 5 km da área de estudo. Uma camada mineral de baixa permeabilidade subjacente à turfa restringiu trocas de águas subterrâneas verticais (estimada em menos do que alguns mm ao longo do período de estudo de quatro meses). Lentes de areia e cascalho subjacentes zona de alta salinidade da turfeira topotrófica podem funcionar como zonas de descarga melhoradas. Altas razões Cl/Br apontam para halita como uma fonte potencial de salinidade, enquanto as assinaturas de δ¹⁸O e δ²H nas águas subterrâneas foram menores do que a precipitação dos dias modernos ou aquíferos Quaternários. A conectividade complexa de áreas úmidas com nascentes salina dentro da paisagem tem implicações para os gestores da indústria e do uso da terra, e justifica incorporá-los em redes de monitoramento para avaliar melhor a magnitude e o fluxo histórico de descarga salina natural na região das areias betuminosas.

摘要

盐泉可以为地下水的流动特性提供线索,包括其与此地形地貌中地下污水储存和溶质分布是怎样关联的。本研究调查了(加拿大)亚伯达省麦克默里堡附近拟建现场石油设施旁边一个盐泉沼泽地。研究区就位于一个地下咸水排泄区的北边,排泄区与白垩纪大急流地层侵蚀边缘相一致。泥炭地中的盐分主要为Na⁺(平均6 949 mg/L)和Cl^-(平均13 776 mg/L),这里Na⁺和Cl^-的含量比对面当地的地下水水流中的含量增加了一个数量级。研究区内的河流和淡水湿地含盐量异乎寻常的高,有些情况下,较深沉积物中的TDS含量甚至超过了10000 mg/L。研究区5 km以外的地方都发现有盐泉特征。泥炭地下层的低渗透性矿物层限制了垂向地下水交换(估计四个月研究期的垂向地下水交换不到几毫米)。沼泽高盐地带下方的砂砾透镜体可能起到了增强排泄区的作用。Cl/Br很高的比率表明岩盐是潜在的盐分来源,而地下水中δ¹⁸O和δ²H的特征值都比现代降水或第四纪含水层水中的值要低。此地盐泉湿地的复杂连通性对工业和土地利用管理者有启示作用,将这些启示融入监测网络中,可以更好地测量油砂地区天然盐分排放量的多少和流动轨迹。

Resumo

Nascentes salinas podem fornecer pistas sobre a natureza do fluxo de águas subterrâneas, incluindo a forma como ele se relaciona com o armazenamento subsuperficial de águas residuais e da distribuição de solutos na paisagem. Uma nascente salina em turfeiras vizinha a uma área proposta para instalação de uma refinaria de óleo in situ foi examinada perto de Fort McMurray, Alberta (Canadá). A área de estudo está situada a norte de uma zona de descarga de água subterrânea salina, que coincide com a borda de erosão da Formação Cretácea Grand Rapids. Na⁺ (média 6,949 mg L^-1) e Cl^- (média 13,776 mg L^-1) foram os sais dominantes dentro da turfa, que aumentaram uma ordem de grandeza no sentido oposto ao do fluxo de água subterrânea local. Rios e zonas húmidas de água doce na área de estudo tiveram anormalmente altas salinidades, em alguns casos superiores a 10,000 mg L^-1 de sólidos dissolvidos totais dentro de sedimentos mais profundos. As feições das nascentes salinas foram observadas a distancias maiores que 5 km da área de estudo. Uma camada mineral de baixa permeabilidade subjacente à turfa restringiu trocas de águas subterrâneas verticais (estimada em menos do que alguns mm ao longo do período de estudo de quatro meses). Lentes de areia e cascalho subjacentes zona de alta salinidade da turfeira topotrófica podem funcionar como zonas de descarga melhoradas. Altas razões Cl/Br apontam para halita como uma fonte potencial de salinidade, enquanto as assinaturas de δ¹⁸O e δ²H nas águas subterrâneas foram menores do que a precipitação dos dias modernos ou aquíferos Quaternários. A conectividade complexa de áreas úmidas com nascentes salina dentro da paisagem tem implicações para os gestores da indústria e do uso da terra, e justifica incorporá-los em redes de monitoramento para avaliar melhor a magnitude e o fluxo histórico de descarga salina natural na região das areias betuminosas.