The influence of Cenozoic tectonics on the groundwater-production capacity of fractured zones: a case study in Sao Paulo, Brazil

Abstract.

A new procedure is developed to correlate structural lineaments recognised through air-photo interpretation with subsurface fracture features that are associated with zones of high groundwater production in fractured-rock environments. The analysis approach is referred to as the homogeneous tectonic domain (HTD) method and involves correlating the lineament features of a given area with the orientation of the primary stress fields and fracture structures associated with the recent tectonic history that affected the region of study. The main premise of the method is that the most recent tectonic events in a given area have had the most significant influence on the nature of the existing fracture network and subsequently on the regional groundwater flow characteristics.

A study site was selected within the state of São Paulo, Brazil, where a complex tectonic history dating back to Precambrian time has generated significant fracture porosity in the bedrock environment. The bedrock is heavily used in this area as a domestic and industrial aquifer. The most recent tectonic activity is associated with five distinct Cenozoic events that generated fracture features through both shear and extension stress fields. Due to the mode of formation, fracture zones generated by extension tend to have the largest effective apertures and are the most conductive to groundwater. By applying the HTD method in a series of test areas where specific Cenozoic events were dominant, fracture trends generated by shear and extension mechanisms could be identified. Water-well production capacity was correlated with proximity to extension-type structures in most cases. Other factors, such as the type of rock the well was completed in, had a much weaker influence on well capacity.

Through this application, the HTD approach is shown to provide a methodology for delineating fractured areas within rock environments that have high potential for groundwater-resource development by combining classical lineament analysis with a clear understanding of the tectonic history of a given area.

Résumé.

Une nouvelle procédure a été mise au point pour corréler les linéaments structuraux reconnus par interprétation sur photos aériennes avec les fractures dans le sous-sol associées aux zones de forte production d'eau souterraine dans les milieux fracturés. Cette approche analytique se réfère à la méthode du domaine tectonique homogène (DTH) et fait intervenir la corrélation des linéaments d'une région donnée avec l'orientation des champs de contraintes primaires et des structures de fracturation associées à l'histoire tectonique récente qui a affectée la région étudiée. Le principal intérêt de la méthode tient au fait que les évènements tectoniques les plus récents dans une région donnée influencent le plus significativement la nature du réseau de fractures existant et par conséquent les caractéristiques régionales des écoulements souterrains.

Un site d'étude a été sélectionné dans l'état de Sao Paulo (Brésil), où une histoire tectonique complexe datant du Précambrien a créé une porosité de fractures dans un milieu de socle. Le socle est utilisé intensément dans cette région comme aquifère pour les besoins en eau potable et industrielle. L'activité tectonique la plus récente est liée à cinq évènements tertiaires qui ont créé des familles de fractures dans des champs de contraintes à la fois en compression et en extension. Du fait de leur mode de formation, les zones de fractures créées en extension tendent à avoir les ouvertures efficaces les plus larges et les plus conductrices de l'eau souterraine. L'application de la méthode DTH à une série de zones tests où les évènements tertiaires ont prédominé, a permis d'identifier les tendances pour les fractures créées en compression et en extension. La capacité de production d'eau des puits a été corrélée à la proximité des structures de type extensif dans la plupart des cas. Les autres facteurs, tels que le type de roche traversée par le puits, a une influence beaucoup plus faible sur la capacité de production des puits.

Cette application montre que l'approche DTH fournit une méthodologie pour délimiter les zones de fractures dans les milieux de socle qui possèdent un fort potentiel pour la mise en valeur des eaux souterraines, en combinant l'analyse classique des linéaments et une bonne compréhension de l'histoire tectonique d'une région donnée.

Resumen.

Se ha desarrollado un nuevo procedimiento para correlacionar alineaciones estructurales, reconocidas mediante fotointerpretación aérea, con las características de fracturas subsuperficiales que están asociadas a zonas de elevada producción de aguas subterráneas en rocas fracturadas. El enfoque utilizado es conocido como método del dominio tectónico homogéneo (DTH), que consiste en correlacionar las estructuras de un área determinada con la orientación de los campos de esfuerzo primarios y las fracturas asociadas a la historia tectónica reciente de la región de estudio. La premisa principal de este método es que los eventos téctonicos más recientes en un área determinada son los que más han influido en la naturaleza de la red de fracturas existente y, consecuentemente, en las características del flujo regional de las aguas subterráneas.

Se seleccionó un lugar de estudio en el estado de Sao Paulo (Brasil). En este lugar, la complicada historia tectónica, que data del Precámbrico, ha generado una porosidad por fracturación significativa en la roca madre. Este acuífero es utilizado intensamente para abastecimiento urbano e industrial. La actividad tectónica más reciente está asociada con cinco eventos diferentes del Cenozoico que generaron fracturas por medio de campos de esfuerzo de cizalla y de extensión. Debido al modo de formación, las zonas de fracturas extensivas tienden a tener aperturas efectivas y conductividades hidráulicas mayores. Aplicando el método DTH en una serie de áreas de ensayo en las que los eventos del Cenozoico fueron dominantes, se identificaron las tendencias de fracturación generadas por esfuerzos de cizalla y de extensión. En la mayoría de los casos, se correlacionó la capacidad de producción de los pozos con su proximidad a estructuras extensivas. Otros factores, como el tipo de medio rocoso, tenían mucha menos influencia en la capacidad productiva de los pozos.

Por medio de esta aplicación, se muestra que el enfoque DTH proporciona una metodología para cartografiar las áreas de fracturación en medios rocosos que tienen un potencial elevado para el desarrollo de recursos de aguas subterráneas. El enfoque aplicado combina el análisis clásico de estructuras con el conocimiento de la historia tectónica de un área determinada.