Recharge areas and hydrochemistry of carbonate springs issuing from Semmering Massif, Austria, based on long-term oxygen-18 and hydrochemical data evidence

Abstract.

Oxygen-18 content and hydrochemistry of the springs issuing from Semmering Massif was intensively monitored with the aim of characterizing the recharge areas and hydrochemical evolution. The δ¹⁸O-altitude effect was determined using isotopic and hydrogeological data for small, mainly crystalline reference springs; it was approximated at –0.27 and –0.21‰/100 m respectively for the northern and southern side of the massif. Applying these values the mean recharge altitude of the springs was calculated. For the large-capacity carbonate springs it ranges between 1,100–1,410 m, compatible with the topographic and hydrogeologic frame work of the Mesozoic limestones and dolomites comprised in the Lower Austroalpine feeding the springs.

Hydrochemical composition of the carbonate springs is dominated by Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃ ^– and SO₄ ^2– ions. With respect to calcite, the springs are nearly saturated, but undersaturated with dolomite (except for some springs that seemed close to saturation). As is typical for carbon dioxide influx from soils in a mountainous region, the mean equilibrium P_CO2 is low, within 10^–3.0 and 10^–2.5 atm (0.1–0.3 vol%). On a long-term scale, the pH and the calculated SI_c, SI_d and equilibrium P_CO2 show a strong seasonality, whereas Ca²⁺, Mg²⁺ and HCO₃ ^– concentration is almost time invariant. By integrating the results of δ¹⁸O and chemical data, altitudinal variability of the chemistry of carbonate groundwater is demonstrated. Reflecting the systematic change of biotic activity and recharge conditions in the catchment areas, a negative co-variation results between the recharge altitude and P_CO2 and HCO₃ ^– concentration (HCO₃ ^– is not modified by any source/sink terms, thus rendering the change on the carbonate chemistry). P_CO2 and HCO₃ ^– drop by approx. 0.22 log units (atm) and 38.6 mg/l, respectively, for every 100-m gain in recharge altitude.

Résumé.

Les teneurs en oxygène-18 et l'hydrochimie des sources émergeant du massif de Semmering ont été suivies de manière intensive dans le but de caractériser les zones de recharge et l'évolution hydrochimique. L'effet d'altitude sur le δ¹⁸O a été déterminé grâce aux données isotopiques et hydrogéologiques de petites sources de référence, principalement en terrains cristallins; cet effet est d'environ –0,27 et –0,21‰ par 100 m pour les versants respectivement nord et sud du massif. En appliquant ces valeurs, l'altitude moyenne de recharge des sources a été calculée. Pour les sources à fort débit issues des carbonates, elle est comprise entre 1,100 et 1,400 m, compatible avec le cadre topographique et hydrogéologique des calcaires et des dolomies de l'Austro-alpin inférieur alimentant ces sources. La composition chimique des sources des carbonates est dominée par les ions Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃ ^– et SO₄ ^2–. Les sources sont presque toutes proches de la saturation par rapport à la calcite, mais sont sous-saturées en dolomite (sauf quelques sources proches de la saturation). Comme cela est habituel en ce qui concerne le dioxyde de carbone fourni par les sols en régions montagneuses, la pCO₂ équilibrante moyenne est faible, comprise entre 10^–3.0 et 10^–2.5 atm (0,1 à 0,3% en volume). En ce qui concerne les variations à long terme, le pH, SIc, Sid et la pCO₂ équilibrante sont soumis à des variations saisonnières, alors que les concentrations en Ca²⁺, Mg²⁺ et HCO₃ ^– ne varient pratiquement pas. En intégrant les résultats de δ¹⁸O et les données hydrochimiques, la variabilité altitudinale du chimisme des eaux souterraines des carbonates est démontrée. Reflétant les variations d'activité biologique et des conditions de recharge dans les zones d'alimentation, une covariation négative résulte de l'altitude de recharge et de la pCO₂ et la concentration en HCO₃ ^– n'est pas modifiée par aucun des termes source ou puits, ce qui fait varier la chimie des carbonates. La pCO₂ et la concentration en HCO₃ ^– diminuent respectivement d'environ 0,22 unité log (atm) et 38,6 mg/l pour un accroissement de 100 m de l'altitude de recharge.

Resumen.

Se ha muestreado exhaustivamente el contenido en oxígeno-18 y la hidroquímica de los manantiales existentes en el macizo de Semmering (Austria) con el fin de caracterizar las áreas de recarga y su evolución hidroquímica. Se ha determinado el efecto altitudinal del δ¹⁸O con datos isotópicos e hidrogeológicos obtenidos en pequeños manantiales originados en rocas cristalinas que sirven como nivel de referencia; los resultados han sido de –0,27‰ por cada 100 m en la zona Morte del macizo, y de –0,21‰/100 m hacia el Sur. Aplicando estos valores, se ha calculado la altitud promedio a la que se produce su recarga. Para los manantiales de caudal elevado en materiales carbonatados, la altitud de recarga varía entre 1.100 y 1.410 m, cosa que es compatible con el marco topográfico e hidrogeológico de las rocas calizas y dolomíticas Mesozoicas propias del Austroalpino Bajo que los alimenta. La composición hidroquímica de los manantiales carbonatados está dominada por los iones calcio, magnesio, bicarbonato y sulfato. Los manantiales están casi saturados en calcita, pero subsaturados en dolomita, excepto en algunos que parecen hallarse cerca de la saturación. Como caracteriza a los suelos en regiones montañosas, la presión parcial de equilibrio del dióxido de carbono (P_CO2) es baja, con valores comprendidos entre 10^–3,0 y 10^–2,5 atm. A largo plazo, el pH y los valores calculados de los índices de saturación en calcita (SI_c) y en dolomita (SI_d), junto con la P_CO2 en equilibrio, evidencian una fuerte estacionalidad; en cambio, las concentraciones de calcio, magnesio y bicarbonato prácticamente no varían. Integrando los resultados de δ¹⁸O y de la hidroquímica, se demuestra la variabilidad de la química de aguas subterráneas carbonatadas con respecto a la altitud. Reflejando el cambio sistemático de la actividad biótica y de las condiciones de recarga en la cuenca, se obtiene una correlación negativa entre la altitud de la recarga y la P_CO2, mientras que la concentración de bicarbonato no es modificada por términos fuente/sumidero, lo cual atribuye el cambio a la química de los carbonatos. La P_CO2 y el bicarbonato disminuyen aproximadamente 0,22 unidades logarítimicas (en atmósferas) y 38,6 mg/l, respectivamente, por cada 100 m de incremento en la altitud de recarga.