Groundwater Circulation and Origin of Salinity in a Multi-aquifer System: The Gohar-Zamin Mining Area, Iran

Abstract

Determining the origin of groundwater in active and unstable mining environments has proven quite challenging. We evaluated the origin and salinity of the groundwater using major/minor ions, ²H and ¹⁸O stable isotopes, and ³H and ¹⁴C radioisotopes. Samples were collected from a multi-aquifer system including three distinct aquifers: an upper alluvial aquifer (UAA), a lower alluvial aquifer (LAA), and a hard-rock aquifer (HRA). The water facies for most of the samples were Na-Cl with total dissolved solid concentrations ranging from 1.1 g L⁻¹ in the freshwater of the Kheirabad aquifer (KhA), 148.8 g L⁻¹ in the brines of the HRA, and 321 g L⁻¹ in a salt playa. The unique ionic relationships between the ions imply the salinity mainly originates from halite dissolution. Moreover, the groundwater of HRA and LAA was altered by reverse cation exchange. Although the stable isotope data suggested a modern meteoric water source for the KhA samples, the UAA, LAA, and HRA groundwaters were significantly enriched relative to the local meteoric water line. Dating with ³H and ¹⁴C radioisotopes confirmed the characteristic differences between the aquifers with ages of 6200 (UAA), 18,000 (LAA), and 27,500 years (HRA), which ultimately supported their varied origins. Consequently, a regional conceptual flow model was developed based on the geological settings, stratigraphic evidence, hydrochemistry, and isotopic properties, which suggests that the UAA, LAA, and HRA were due to three transgressions of inland lakes 6200, 18,000, and 27,500 ago, respectively.

Resumen

La determinación del origen de las aguas subterráneas en entornos mineros activos e inestables resulta un importante desafío. Hemos evaluado el origen y la salinidad del agua subterránea utilizando iones principales y secundarios, isótopos estables 2H y 18O, y radioisótopos 3H y 14C. Se tomaron muestras de un sistema multiacuífero que incluía tres acuíferos distintos: un acuífero aluvial superior (UAA), un acuífero aluvial inferior (LAA) y un acuífero de roca dura (HRA). La mayoría de las muestras eran de Na-Cl con concentraciones totales de sólidos disueltos que oscilaban entre 1,1 g.L-1 en el agua dulce del acuífero de Kheirabad (KhA), 148,8 g.L-1 en las salmueras del HRA y 321 g.L-1 en una playa salada. Las relaciones iónicas únicas entre los iones implican que la salinidad se origina principalmente en la disolución de la halita. Además, las aguas subterráneas de la HRA y la LAA fueron alteradas por el intercambio catiónico inverso. Aunque los datos de isótopos estables sugerían una fuente de agua meteórica moderna para las muestras de KhA, las aguas subterráneas de UAA, LAA y HRA estaban significativamente enriquecidas en relación con la línea de agua meteórica local. La datación con radioisótopos 3H y 14C confirmó las diferencias características entre los acuíferos con edades de 6.200 (UAA), 18.000 (LAA) y 27.500 años (HRA), lo que en última instancia apoyó sus variados orígenes. En consecuencia, se elaboró un modelo de flujo conceptual regional basado en la configuración geológica, las pruebas estratigráficas, la hidroquímica y las propiedades isotópicas, que sugiere que el UAA, el LAA y el HRA se debieron a tres transgresiones de lagos interiores hace 6.200, 18.000 y 27.500 años, respectivamente.

抽象的

活跃和不稳定采矿环境的地下水来源确定具有较大难度。我们利用主要/次要离子、²H与¹⁸O稳定同位素和³H与¹⁴C放射性同位素分析了地下水的来源和盐度。水样取自三个不同含水层组成的多含水层地下水系统: 上部冲积含水层 (UAA) 、下部冲积含水层 (LAA) 和硬岩含水层 (HRA) 。多数水样为Na-Cl型, 水样的总溶解固体 (TDS) 从Kheirabad含水层 (KHA) 的淡水1.1 g L ⁻¹, 硬岩含水层 (HRA) 的卤水148.8 g L ⁻¹, 到沙漠含盐盆地水321 g L ⁻¹。离子间的特有关系说明盐度主要源自盐岩溶解。此外, 下部冲积含水层 (LAA) 和硬岩含水层 (HRA) 的地下水因反向阳离子交换有所变化。虽然稳定同位素数据表明Kheirabad (KhA)含水层水样主要源自现代降水, 但是上部冲积含水层 (UAA) 、下部冲积含水层 (LAA) 和硬岩含水层 (HRA) 相对于当地降水线已经富水。³H和¹⁴C放射性同位素测定证实三类含水层的地下水年龄显著不同, 分别为上部冲积含水层 (UAA) 水6200年、下部冲积含水层 (LAA) 水18000年和硬岩含水层 (HRA) 水27500年, 最终支持它们确实来自不同水源。因此, 基于地质背景、地层证据、水化学特点和同位素特性, 建立了区域地下水流概念模型, 模型表明上部冲积含水层 (UAA) 、下部冲积含水层 (LAA) 和硬岩含水层 (HRA) 分别由6200年、18000年和27500年前内陆湖的三次海侵形成。

Zusammenfassung

Die Bestimmung der Herkunft des Grundwassers in aktiven und instabilen Bergbaugebieten hat sich als Herausforderung erwiesen. Wir haben die Herkunft und den Salzgehalt des Grundwassers mit Hilfe von Haupt- und Nebenionen, stabilen ²H- und ¹⁸O-Isotopen sowie ³H- und ¹⁴C-Radioisotopen untersucht. Die Proben wurden aus einem System mit mehreren Grundwasserleitern entnommen, zu dem drei verschiedene Grundwasserleiter gehören: ein oberer alluvialer Grundwasserleiter (UAA), ein unterer alluvialer Grundwasserleiter (LAA) und ein Festgesteinsgrundwasserleiter (HRA). Die Wasserfazies der meisten Proben war Na-Cl mit Gesamtkonzentrationen an gelösten Feststoffen von 1,1 g L⁻¹ im Süßwasser des Kheirabad-Grundwasserleiters (KhA), 148,8 g L⁻¹ in den Solen des HRA und 321 g L⁻¹ in einer Salz-Playa. Die Ionenverhältnisse deuten darauf hin, dass der Salzgehalt hauptsächlich auf die Auflösung von Halit zurückzuführen ist. Außerdem wurde das Grundwasser von HRA und LAA durch umgekehrten Kationenaustausch verändert. Obwohl die stabilen Isotopendaten auf eine moderne meteorische Wasserquelle für die KhA-Proben schließen lassen, waren die Grundwässer von UAA, LAA, und HRA-Grundwasser im Vergleich zur lokalen Meteoric Water Line deutlich angereichert. Die Datierung mit ³H- und ¹⁴C-Radioisotopen bestätigte die charakteristischen Unterschiede zwischen den Grundwasserleitern mit einem Alter von 6.200 (UAA), 18.000 (LAA) und 27.500 Jahren (HRA), was letztlich ihre unterschiedlichen Ursprünge belegt. Folglich wurde auf der Grundlage der geologischen Gegebenheiten, der stratigraphischen Belege, der Hydrochemie und der Isotopeneigenschaften ein regionales konzeptionelles Fließmodell entwickelt, das darauf hindeutet, dass die UAA, LAA und HRA auf drei Transgressionen von Binnenseen vor 6.200, 18.000 bzw. 27.500 Jahren zurückzuführen sind.