Hydrochemical evolution of Na-SO₄-Cl groundwaters in a cold, semi-arid region of southern Siberia

Abstract

The Shira region of Khakassia in southern Siberia exhibits many features governing the evolution of groundwater and surface-water chemistry that are common to other cold, semi-arid areas of the world: (1) a continental climate, (2) location in a rain shadow, (3) low density of surface-water drainage, (4) occurrence of saline lakes, and (5) occurrence of palaeo- and modern evaporite mineralisation. In lowland areas of Shira, the more saline groundwaters and lake waters have a sodium-sulphate (-chloride) composition. Results of thermodynamic modelling suggest that these evolve by a combination of silicate weathering and gypsum and halite dissolution, coupled with carbonate precipitation to remove calcium and bicarbonate ions. An approximately 1:1 sodium:sulphate ratio occurs even in groundwaters from non-evaporite-bearing aquifers. This may indicate the formation of secondary sodium sulphate evaporites (in or near saline lakes or in soil profiles where the water table is shallow), which are subsequently distributed throughout the study area by atmospheric transport. Several urban groundwaters are characterised by very high nitrate concentrations, conceivably derived from sewage/latrine leakage.

Résumé

La région de Shira en Khakassia, dans le sud de la Sibérie, présente de nombreux phénomènes déterminant la chimie des eaux souterraines et des eaux de surface qui sont communs aux régions froides et semi-arides du monde : (1) un climat continental, (2) une localisation à l'abri des pluies, (3) un drainage de surface à faible densité, (4) la présence de lacs salés et (5) l'existence d'une minéralisation évaporitique ancienne et actuelle. Dans les zones déprimées de Shira, les eaux souterraines et lacustres les plus salées ont un faciès sulfaté (et chloruré) sodique. Les résultats de la modélisation thermodynamique laissent penser qu'elles ont évolué sous l'effet combiné de l'altération de silicates et de la dissolution de halite et de gypse, associées à la précipitation de carbonates, qui a soustrait les ions calcium et bicarbonate. Un rapport sensiblement 1:1 des ions sodium et sulfate existe même dans les eaux souterraines des aquifères ne possédant pas d'évaporites. Ceci peut indiquer la formation d'évaporites secondaires de sulfate de sodium (dans et près des lacs ou dans les profils de sols lorsque la nappe est proche de la surface), qui sont ensuite dispersées à travers la région étudiée par transport atmosphérique. Plusieurs nappes de zones urbaines sont caractérisées par de très fortes concentrations en nitrate, provenant certainement d'infiltrations d'eaux usées.