Regional-scale reactive transport modelling of hydrogeochemical evolution in a karstic carbonate aquifer

Abstract

A regional-scale reactive transport model is used to conduct a quantitative assessment of the chemical and isotopic processes that form a conceptual model of geochemical evolution. The primary geochemical reactions described in the conceptual model are incongruent dolomite and gypsum dissolution followed by a series of redox reactions and sulphur isotope fractionation with closed-to-atmosphere groundwater evolution. The investigated aquifer comprises karstic carbonate bedrock with a hydraulic conductivity (K) range spanning several orders of magnitude. Hydrochemical evolution was simulated with a fully saturated one-dimensional model using the multicomponent reactive transport code MIN3P. Five steady -state model scenarios representing the known range of K and porosity simulate geochemical and isotopic evolution along a hypothetical 50-km flowpath. Simulation results are compared with sparse field observations along the flowpath. Although field observations show similar trend directions for all parameters, the magnitude of these trends varies due to differences in residence times. The model results bracket the field observations well for all parameters, except for Mg, and thus these results confirm that variability in field trends can be attributed to physical heterogeneity. The good agreement between models and field observations demonstrates that the geochemical and isotopic processes forming the conceptual model can be quantitatively reproduced. This supports water management activities by establishing hydrochemical end members that may be used to constrain recharge area mapping, assess flow zone continuity and identify areas of older evolved waters. These results also support the use of reactive transport models for quantifying chemical processes in regional-scale groundwater flow systems.

Résumé

Un modèle de transport réactif à l’échelle régionale est utilisé pour effectuer une évaluation quantitative des processus chimiques et isotopiques qui forment un modèle conceptuel de l’évolution géochimique. Les principales réactions géochimiques décrites dans le modèle conceptuel sont la dissolution incompatible de la dolomie et du gypse suivie d’une série de réactions redox et d’un fractionnement isotopique du soufre avec une évolution des eaux souterraines fermée à l’atmosphère. L’aquifère étudié comprend un substrat rocheux carbonaté karstique avec une gamme de conductivité hydraulique (K) couvrant plusieurs ordres de grandeur. L’évolution hydrochimique a été simulée avec un modèle unidimensionnel entièrement saturé utilisant le code de transport réactif multicomposants MIN3P. Cinq scénarios de modèle pour des conditions stationnaires représentant la gamme connue de K et de porosité simulent l’évolution géochimique et isotopique le long d’un trajet d’écoulement hypothétique de 50 km. Les résultats de la simulation sont comparés à des observations de terrain éparses le long du trajet d’écoulement. Bien que les observations de terrain montrent des directions de tendance similaires pour tous les paramètres, l’ampleur de ces tendances varie en raison des différences de temps de séjour. Les résultats du modèle encadrent bien les observations sur le terrain pour tous les paramètres, à l’exception du Mg, et ces résultats confirment donc que la variabilité des tendances sur le terrain peut être attribuée à l’hétérogénéité physique. Le bon accord entre les modèles et les observations de terrain démontre que les processus géochimiques et isotopiques décrits dans le modèle conceptuel peuvent être reproduits quantitativement. Cela soutient les activités de gestion de l’eau en établissant des pôles hydrochimiques qui peuvent être utilisés pour contraindre la cartographie des zones de recharge, évaluer la continuité des zones d’écoulement et identifier les zones d’eaux évoluées plus anciennes. Ces résultats confirment également l’utilisation de modèles de transport réactif pour quantifier les processus chimiques dans les systèmes d’écoulement des eaux souterraines à l’échelle régionale.

Resumen

Se utiliza un modelo de transporte reactivo a escala regional para realizar una evaluación cuantitativa de los procesos químicos e isotópicos que constituyen un modelo conceptual de evolución geoquímica. Las principales reacciones geoquímicas descriptas en el modelo conceptual son la disolución de dolomita y yeso incongruentes, seguidas por una serie de reacciones redox y el fraccionamiento isotópico del azufre con una evolución del agua subterránea cerrada a la atmósfera. El acuífero investigado comprende roca madre carbonatada kárstica con un rango de conductividad hidráulica (K) que abarca varios órdenes de magnitud. La evolución hidroquímica se simuló con un modelo unidimensional totalmente saturado utilizando el código de transporte reactivo multicomponente MIN3P. Cinco escenarios del modelo en estado estacionario que representan el rango conocido de K y la porosidad simulan la evolución geoquímica e isotópica a lo largo de un hipotético trayecto de flujo de 50 km. Los resultados de la simulación se comparan con las escasas observaciones de campo a lo largo de la trayectoria del flujo. Aunque las observaciones de campo muestran direcciones de tendencia similares para todos los parámetros, la magnitud de estas tendencias varía debido a las diferencias en los tiempos de residencia. Los resultados del modelo se ajustan bien a las observaciones de campo para todos los parámetros, excepto para el Mg, y por tanto estos resultados confirman que la variabilidad en las tendencias de campo puede atribuirse a la heterogeneidad física. La adecuada concordancia entre los modelos y las observaciones de campo demuestra que los procesos geoquímicos e isotópicos que conforman el modelo conceptual pueden reproducirse cuantitativamente. Esto apoya las actividades de gestión del agua mediante el establecimiento de miembros finales hidroquímicos que pueden utilizarse para restringir la cartografía de las zonas de recarga, evaluar la continuidad de la zona de flujo e identificar las áreas de aguas evolucionadas más antiguas. Estos resultados también apoyan el uso de modelos de transporte reactivo para cuantificar los procesos químicos en los sistemas de flujo de agua subterránea a escala regional.

摘要

区域尺度的反应迁移模型用于对形成地球化学演化概念模型的化学和同位素过程进行定量评估。概念模型中描述的主要地球化学反应是与大气密切相关的地下水演化中发生的白云石和石膏的不全等溶解，并伴随着一系列氧化还原反应和硫同位素分馏。调查含水层包括岩溶碳酸盐基岩，其渗透系数(K)范围跨越几个数量级。采用多组分反应迁移程序MIN3P构建了水化学演化的一维饱和模型。采用已知K值和孔隙度范围的五种稳态模型场景，模拟了沿假设50 km水流路径的地球化学和同位素演化。模拟结果与水流路径上稀疏的观测值进行了对比。虽然场地观测显示所有参数的趋势方向都相似，但由于滞留时间的差异，这些趋势的大小有所不同。模型结果很好地支持了除镁以外的所有参数的场地观测，并且证实了场地趋势变化可归因于物理异质性。模型与场地观测的良好一致性表明，形成概念模型的地球化学和同位素过程可以定量再现。本研究通过建立水化学模拟终端来支持水管理活动，该模拟终端可用于约束补给区范围、评估径流区连续性和识别古水演化区域。这些结果也支持使用反应迁移模型来量化区域尺度地下水流动系统中的化学过程。

Resumo

Um modelo de transporte reativo em escala regional foi usado para realizar uma avaliação quantitativa de processos químicos e isotópicos que formam um modelo conceitual de evolução geoquímica. As reações geoquímicas primárias descritas no modelo conceitual são as dissoluções incongruentes da dolomita e do gipso, seguida por uma série de reações redox e fracionamento isotópico do enxofre com a evolução de águas subterrâneas isoladas da atmosfera. O aquífero investigado compreende uma rocha carbonática cárstica com uma faixa de condutividade hidráulica (K) que abrange várias ordens de magnitude. A evolução hidroquímica foi simulada com um modelo unidimensional totalmente saturado usando o código de transporte reativo de multicomponente MIN3P. Cinco cenários de modelo no estado estacionário representando as faixas conhecidas de K e de porosidade simularam as evoluções geoquímicas e isotópicas ao longo de um trajeto de fluxo hipotético de 50 km. Os resultados da simulação são comparados com observações de campo esparsas ao longo do trajeto de fluxo. Embora as observações de campo mostrem direções de tendência semelhantes para todos os parâmetros, a magnitude dessas tendências varia devido a diferenças nos tempos de residência. Os resultados do modelo se enquadram bem às observações de campo para todos os parâmetros, exceto para Mg, e, portanto, esses resultados confirmam que a variabilidade nas tendências de campo pode ser atribuída à heterogeneidade física. A boa concordância entre modelos e observações de campo demonstra que os processos geoquímicos e isotópicos que formam o modelo conceitual podem ser reproduzidos quantitativamente. Isso apoia as atividades de gestão hídrica estabelecendo membros finais hidroquímicos que podem ser usados para restringir o mapeamento de áreas de recarga, avaliar a continuidade da zona de fluxo e identificar áreas de águas mais antigas. Esses resultados também suportam o uso de modelos de transportes reativos para quantificar processos químicos em sistemas de fluxo de água subterrânea em escala regional.