Fracture flow and groundwater compartmentalization in the Rollins Sandstone, Lower Mesaverde Group, Colorado, USA

Abstract

 This paper presents a site-specific conceptual model of groundwater flow in fractured damage zones associated with faulting in a package of sedimentary rocks. The model is based on the results of field and laboratory investigations. Groundwater and methane gas inflows from fault-fracture systems in the West Elk coal mine, Colorado, USA, have occurred with increasing severity. Inflows of 6, 160 and 500 L s−1 discharged almost instantaneously from three separate faults encountered in mine workings about 460 m below ground level. The faults are about 600 m apart. The δ 2H and δ 18O compositions of the fault-related inflow waters and the hydrodynamic responses of each fault inflow indicate that the groundwaters discharge from hydraulically isolated systems. 14C data indicate that the groundwaters are as much as 10,500 years old. Discharge temperatures are geothermal (≈30°C), which could indicate upwelling from depth. However, calculations of geothermal gradients, analysis of solute compositions of groundwater in potential host reservoirs, geothermometer calculations, and results of packer testing indicate that the fractured groundwater reservoir is the Rollins Sandstone (120 m thick) directly beneath the coal seams. The packer test also demonstrates that the methane gas is contained in the coal seams. A geothermal gradient of 70–80°C km−1, related to an underlying intrusion, is probably responsible for the slightly elevated discharge temperatures. Large discharge volumes, as great as 8.2×105 m3 from the 14 South East Headgate fault (14 SEHG), rapid declines in discharge rates, and vertical and horizontal permeability (matrix permeability generally <0.006 Darcy) indicate fracture flow. An in-mine pumping test demonstrates that the 14 SEHG fault has excellent hydraulic communication with fractures 50 m from the fault. Aeromagnetic data indicate that the faults are tectonically related to an igneous body that is several thousand meters below the coal seams. Exploratory drilling has confirmed a fourth fault, and two additional faults are projected, based on the aeromagnetic data. The conceptual model describes a series of parallel, hydraulically separate groundwater systems associated with fault-specific damage zones. The faults are about 600 m apart. Groundwater stored in fractured sandstone is confined above and below by clayey layers.

Résumé

Ce papier présente un modèle conceptuel spécifique d'un site pour l'écoulement souterrain dans des zones fracturées perturbées associées à des failles dans un ensemble de roches sédimentaires. Le modèle est basé sur les résultats d'études de terrain et de laboratoire. Des intrusions d'eau souterraine et de méthane se sont produites de façon de plus en plus grave, dans la mine de charbon de West Elk (Colorado, États-Unis), à partir de systèmes de failles et de fractures. Des venues d'eau de 6, 160, et 500 L s−1 sont apparues presque instantanément à partir de trois failles distinctes traversées par les travaux miniers à environ 460 m sous le niveau du sol. Ces failles sont séparées d'environ 600 m. Les concentrations en δ 2H et δ 18O des eaux provenant de ces failles et les réponses hydrodynamiques de chacune de ces venues d'eau indiquent que les eaux souterraines proviennent de systèmes hydrauliquement isolés. Les données de carbone-14 indiquent que les eaux souterraines sont âgées d'au moins 10500 ans. La température des écoulements est géothermale (30°C), ce qui pourrait indiquer une remontée depuis la profondeur. Toutefois, des calculs de gradients géothermiques, des analyses de concentrations en solutés de l'eau souterraine dans les réservoirs potentiels, des calculs de géothermomètres et des résultats de tests entre packers montrent que le réservoir fracturé est constitué par les grès de Rollins, épais de 120 m, situés directement sous le gisement de charbon. Le test entre packers montre également que le méthane provient des couches de charbon. Un gradient géothermique de 70 à 80°C km−1, liéà une intrusion sous-jacente, est probablement responsable des températures légèrement élevées des venues d'eau. Les importants volumes déchargés, atteignant 8,2 105 m3à partir de la faille “Headgate 14 sud-est” (14 SEHG), la décroissance rapide des écoulements et la perméabilité horizontale et verticale (la perméabilité de matrice est en général inférieure à 0,006 Darcy) indiquent un écoulement en fracture. Un essai de pompage dans la mine montre que la faille 14 SEHG présente une excellente connexion hydraulique avec des fractures à 50 m de la faille. Un levé aéromagnétique indique que les failles sont tectoniquement liées à un corps intrusif présent àplusieurs centaines de mètres sous le gisement de charbon. Un forage de reconnaissance a confirmé l'existence d'une quatrième faille et deux failles supplémentaires sont supposées à partir du levé aéromagnétique. Le modèle conceptuel décrit un ensemble de systèmes aquifères parallèles, hydrauliquement séparés, associés à des zones affectées par des failles. Les failles sont distantes d'environ 600 m. L'eau souterraine stockée dans des grès fracturés est en condition captive à cause de couches d'argiles situées dessus et dessous.

Resumen

En este artículo se presenta un modelo conceptual del flujo de agua subterránea en un macizo sedimentario fracturado. El modelo está basado en investigaciones en campo y en laboratorio. En la mina de carbón de West Elk, Colorado, EEUU, se han venido registrando filtraciones de agua y metano de intensidad creciente. A una profundidad de 460 m se han medido caudales de 6, 160, y 500 L s−1, procedentes de la descarga de tres fallas bien diferenciadas, separadas entre sí alrededor de 600 m. Los datos de δ 2H y δ 18O en las aguas filtradas a la mina y la respuesta hidrodinámica de cada fractura indican que cada descarga está alimentada por un sistema hidráulico independiente. Los datos de 14C indican que la edad de las aguas subterráneas es de unos 10500 años. Las temperaturas de descarga son geotermales (≈30°C), lo que puede indicar la presencia de flujos verticales ascendentes. Sin embargo, los gradientes geotermales, la composición química de las aguas, cálculos con geotermómetros y ensayos hidráulicos indican que la fuente de donde procede el agua filtrada es la Arenisca de Rollins (unos 120 m de espesor), localizada directamente bajo las vetas de carbón, que a su vez constituyen la fuente del metano. La temperatura a las que se produce la descarga es debida probablemente a la existencia de un gradiente geotermal de 70–80°C km−1. Los grandes volúmenes de descarga, de hasta 8.2×105 m3 en el caso de la falla 14 South East Headgate (14 SEHG), los rápidos descensos en los caudales de descarga y las permeabilidades medidas (la K de la matriz <0.006 Darcy) son indicaciones claras de que el flujo discurre preferentemente por las fracturas. Un ensayo de bombeo realizado en la mina muestra que la falla 14 SEHG está muy bien comunicada con otras fallas localizadas a unos 50 m de distancia. Los datos de geofísica magnética indican que las fallas están tectónicamente relacionadas con un cuerpo ígneo localizado a una profundidad de varios miles de metros. Las perforaciones han confirmado la presencia de una cuarta falla, mientras que la geofísica apunta la presencia de otras dos. El modelo conceptual adoptado supone una serie de zonas de fractura paralelas, pero separadas hidráulicamente a distancias de unos 600 m. Las areniscas están confinadas a techo y a suelo por unas capas arcillosas.