Fence Springs of the Grand Canyon, USA: insight into the karst aquifer system of the Colorado Plateau region

Abstract

Fence Springs are the highest discharge springs of the Redwall-Muav (R-M) karst aquifer in Marble Canyon of eastern Grand Canyon, Arizona, USA. Vents on opposite banks of the Colorado River within the Fence fault system have similar chemistries indicating the springs are connected hydrologically within the confined karst aquifer below the river. Stable isotope data fingerprint the recharge area for both springs to be the Kaibab Plateau, west of the river. Chemical variation in nearby R-M springs indicates mixing between karst base flow (represented by Fence Springs) and fast-traveled meteoric waters (Vasey’s Paradise). A 7-year record (2012—2019) suggests the karst base flow has steady temperature (~20 °C) and specific conductance (~2,000 μS/cm) and no seasonality. A progressive decrease of ~1 °C in both springs and ~100 μS/cm in Fence East over 7 years reflects declining spring discharge accompanying declining meteoric recharge. Fortuitous high-flow experiments in the Colorado River during Glen Canyon Dam management operations provide data analogous to a “slug test” for the groundwater system. Rapid increase in river level from ~142 to 1,218 m³/s caused the springs to be inundated and mix with river water. Recovery curves showed rapid return of spring temperature from ~10 to 20 °C and specific conductance from 500 to 2,000 μS/cm once river stage fell below ~283 m³/s. After 2016, an increase in short-term fluctuations during recovery suggests declining spring discharge through the 7-year period. This multitracer hydrochemical dataset combined with spring monitoring helps establish a baseline for groundwater in eastern Grand Canyon.

Résumé

Les Sources de Fence sont les sources avec le débit le plus élevé de l’aquifère karstique de Redwall-Muay (R-M) dans le Canyon de Marbre de la partie orientale du Grand Canyon, Arizona, Etats-Unis d’Amérique. Les sources situées sur les rives opposées du fleuve Colorado, dans le système de failles de Fence, ont une chimie similaire, ce qui indique que les sources sont connectées hydrologiquement à l’aquifère karstique captif situé sous le fleuve. Les données d’isotopes stables indiquent que la zone de recharge des deux sources est le plateau de Kaibab, à l’ouest de la rivière. La variation chimique des sources R-M voisines indique un mélange entre l’écoulement de base karstique (représenté par Fence Springs) et les eaux météoriques à déplacement rapide (Vasey’s Paradise). Un enregistrement sur 7 ans (2012–2019) suggère que l’écoulement de base karstique a une température (~20 °C) et une conductance spécifique (~2,000 μS) stables et sans saisonnalité. Une diminution progressive de 1 °C dans les deux sources et de ~100 μS/cm dans Fence East sur 7 ans reflète la baisse du débit des sources suivant la baisse de la recharge météorique. Des expériences fortuites de débit élevé dans le fleuve Colorado pendant les opérations de gestion du barrage de Glen Canyon fournissent des données analogues à un “slug test” pour le système des eaux souterraines. L’augmentation rapide du niveau du fleuve de ~142 à 1,218 m³/s a provoqué l’inondation des sources et leur mélange avec l’eau du fleuve. Les courbes de récupération ont montré un retour rapide de la température printanière de ~10 à 20 °C et de la conductance spécifique de 500 à 2,000 μS/cm une fois que le niveau de la rivière est tombé en dessous de ~283 m³/s. Après 2016, une augmentation des fluctuations à court terme pendant la période de rétablissement suggère une baisse du débit printanier au cours de la période de 7 ans. Cet ensemble de données hydrochimiques multi-traceurs combiné au suivi des sources permet d’établir une base de référence pour les eaux souterraines de la partie orientale du Grand Canyon.

Resumen

Los manantiales Fence son los de mayor descarga del acuífero kárstico Redwall-Muav (R-M) en el Marble Canyon del este del Gran Cañón, Arizona, EEUU. Los manantiales situados en orillas opuestas del río Colorado dentro del sistema de fallas de Fence tienen una química similar, lo que indica que están conectados hidrológicamente dentro del acuífero kárstico confinado debajo del río. Los datos de isótopos estables indican que la zona de recarga de ambos manantiales es la meseta Kaibab, al oeste del río. La variación química en los manantiales R-M cercanos señala la mezcla entre el flujo kárstico de base (representado por los manantiales Fence) y las aguas meteóricas de rápido recorrido (Vasey’s Paradise). Un registro de 7 años (2012–2019) sugiere que el flujo de base kárstico tiene una temperatura estable (~20 °C) y una conductividad específica (~2,000 μS/cm) y no tiene estacionalidad. Un descenso progresivo de 1 °C en ambos manantiales y de ~100 μS/cm en Fence East a lo largo de 7 años refleja la disminución de la descarga del manantial que acompaña a la disminución de la recarga meteórica. Los experimentos con alto flujo que se realizaron de manera casual en el río Colorado durante las operaciones de gestión de la presa de Glen Canyon proporcionan datos análogos a una “ prueba slug” para el sistema de aguas subterráneas. El rápido aumento del nivel del río de ~142 a 1,218 m³/s hizo que los manantiales se inundaran y se mezclaran con el agua del río. Las curvas de recuperación mostraron un rápido retorno de la temperatura del manantial de ~10 a 20 °C y de la conductividad específica de 500 a 2,000 μS/cm una vez que el caudal del río cayó por debajo de ~283 m³/s. Después de 2016, un aumento de las fluctuaciones a corto plazo durante la recuperación sugiere la disminución de la descarga de los manantiales a lo largo del período de 7 años. Este conjunto de datos hidroquímicos de múltiples trazadores, combinado con el monitoreo de los manantiales, ayuda a establecer una línea de base para las aguas subterráneas en el este del Gran Cañón.

摘要

Fence泉群是美国亚利桑那州大峡谷东部大理石峡谷 Redwall-Muav (R-M) 喀斯特含水层的最大排泄泉群。Fence 断层系统内科罗拉多河对岸的出露口具有相似的化学成分，表明这些泉水在河流下方承压的喀斯特含水层内是水文连通的。稳定同位素数据表明，这两个泉群的补给区都是河流以西的Kaibab高原。附近 R-M 泉群的化学变化表明岩溶基流(以 Fence泉群为代表)和快速流动的大气水(Vasey天堂)之间的混合。 7年的记录(2012–2019)表明岩溶基流具有稳定的温度(~20 °C)和电导率(~2,000 μS/cm)，没有季节性变化。 7 年内，两个泉群温度逐渐下降 1 °C，Fence East下降约 100 μS/cm，这反映了春季流量下降伴随着大气补给量下降。在Glen峡谷大坝管理运营期间，科罗拉多河的偶然高流量实验提供了类似于地下水系统“微水试验”的数据。河流水位从约 142 m³/s迅速上升至 1,218 m³/s，导致泉群被淹没并与河水混合。恢复曲线显示，一旦河流量低于约 283 m³/s，泉水温度从 ~10 到 20 °C 快速恢复，电导率从 500 变到 2,000 μS/cm。 2016 年之后，恢复期间短期波动的增加表明泉水排泄量在 7 年期间下降。这个多示踪剂水化学数据集与泉水监测相结合，有助于建立大峡谷东部地下水的基线。

Resumo

Fence Springs são as nascentes de maiores descargas do aquífero cárstico Redwall-Muav (R-M), em Marble Canyon, a leste do Grand Canyon, Arizona, EUA. As aberturas nas margens opostas do Rio Colorado, dentro do sistema de falhas Fence, têm químicas semelhantes, indicando que as nascentes estão conectadas hidrologicamente dentro do aquífero cárstico confinado abaixo desse rio. Dados de isótopos estáveis apontam áreas de recarga para ambas as nascentes no Planalto Kaibab, a oeste do rio. Variações químicas próximas das nascentes R-M indicam uma mistura entre o fluxo cárstico de base (representado por Fence Springs) e águas meteóricas de trajeto rápido (Vasey’s Paradise). Um registro de 7 anos (2012–2019) sugere que o fluxo cárstico de base tem temperatura constante (~20 °C) e condutância específica (~2,000 μS/cm) e nenhuma sazonalidade. Uma diminuição progressiva de 1°C em ambas as nascentes e ~100 μS/cm a leste de East ao longo de 7 anos reflete o declínio da descarga da nascente acompanhando a diminuição da recarga meteórica. Experimentos fortuitos de alto fluxo no rio Colorado durante as operações de gerenciamento da represa de Glen Canyon fornecem dados análogos a um teste slug para o sistema de águas subterrâneas. O rápido aumento do nível do rio de ~142 para 1,218 m³/s fez com que as nascentes fossem inundadas e se misturassem com a água do rio. As curvas de recuperação mostraram um rápido retorno da temperatura da nascente de ~10 a 20 °C e condutância específica de 500 a 2,000 μS/cm, uma vez que o estágio do rio caiu abaixo de ~283 m³/s. Após 2016, um aumento nas flutuações de curto prazo durante a recuperação sugere um declínio na descarga da nascente ao longo do período de 7 anos. Este conjunto de dados hidroquímicos multitraçador combinado com o monitoramento de nascentes ajuda a estabelecer uma linha de base para as águas subterrâneas a leste do Grand Canyon.