Hydrogeological characterization of an alpine aquifer system in the Canadian Rocky Mountains

Autor: Masaki Hayashi, Craig Christensen, Laurence R. Bentley
Rok vydání: 2020
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Zdroj: Hydrogeology Journal
ISSN: 1435-0157
1431-2174
Popis: Groundwater storage in alpine regions is essential for maintaining baseflows in mountain streams. Recent studies have shown that common alpine landforms (e.g., talus and moraine) have substantial groundwater storage capacity, but the hydrogeological connectivity between individual landforms has not been understood. This study characterizes the hydrogeology of an alpine cirque basin in the Canadian Rocky Mountains that contains typical alpine landforms (talus, meadow, moraines) and hydrological features (tarn, streams, and springs). Geological, hydrological, and hydrochemical observations were used to understand the overall hydrogeological setting of the study basin, and three different geophysical methods (electrical resistivity tomography, seismic refraction tomography, and ground penetrating radar) were used to characterize the subsurface structure and connectivity, and to develop a hydrogeological conceptual model. Geophysical imaging shows that the talus is typically 20-40 m thick and highly heterogeneous. The meadow sediments are only up to 11 m thick but are part of a 30-40-m-thick accumulation of unconsolidated material that fills a bedrock overdeepening (i.e. a closed, subglacial basin). A minor, shallow groundwater system feeds springs on the talus and streams on the meadow, whereas a deep system in the moraine supplies most of the water to the basin outlet springs, thereby serving as a 'gate keeper' of the basin. Although the hydrologic functions of the talus in this study are substantially different from other locations, primarily due to differences in bedrock lithology and geomorphic processes, the general conceptual framework developed in this study is expected to be applicable to other alpine regions.Dans les régions alpines, le stockage des eaux souterraines est essentiel au maintien du débit de base des cours d’eau de montagne. De récentes études ont montré que les formes de relief alpin courants (par exemple le talus et la moraine) ont une capacité de stockage des eaux souterraines substantielle, mais la connectivité hydrogéologique entre les formes particulières de relief n’a pas été comprise. La présente étude caractérise l’hydrogéologie d’un bassin d’un cirque alpin des Montagnes Rocheuses Canadiennes qui présente des formes typiques de relief (talus, prairie, moraines) et des caractéristiques hydrogéologiques (petits lacs, cours d’eau et sources). Des observations géologiques, hydrologiques et hydrochimiques ont été utilisées pour comprendre le contexte hydrogéologique général du bassin étudié, et trois méthodes géophysiques différentes (tomographie par résistivité électrique, tomographie par sismique réfraction et géoradar) ont été utilisées pour caractériser la structure et la connectivité du sous-sol et pour développer un modèle conceptuel hydrogéologique. L’imagerie géophysique montre que le talus a généralement une épaisseur de 20–40 m et est fortement hétérogène. Les sédiments de la prairie n’ont que 11 m d’épaisseur mais font partie d’une accumulation épaisse de 30–40 m de matériel non consolidé, qui remplit un surcreusement profond dans le substratum (c-à-d, un bassin fermé sous-glaciaire). Un petit système aquifère phréatique nourrit des sources sur le talus et des cours d’eau sur la prairie, tandis que le système profond de la moraine fournit la plus grande partie de l’eau aux sources sortant du bassin, servant ainsi de « portier » du bassin. Bien que les fonctions hydrologiques du talus soient dans cette étude substantiellement différentes de celles d’autres localisations, surtout en raison des différences de lithologie du socle et des processus géomorphologiques, on escompte que le schéma conceptuel général développé ici est applicable à d’autres régions alpines.El almacenamiento de aguas subterráneas en las regiones alpinas es esencial para mantener los flujos de base en los cursos de agua de las montañas. Estudios recientes han demostrado que las formas de relieve alpino comunes (por ejemplo, el talud y la morena) tienen una capacidad importante de almacenamiento de aguas subterráneas, pero no se ha comprendido la interrelación hidrogeológica entre las distintas formas de relieve. Este estudio caracteriza la hidrogeología de una cuenca de circo alpino en las Rocky Mountains del Canadá que contiene las típicas formas de relieve alpino (talud, pradera, morenas) y características hidrológicas (lagunas, arroyos y manantiales). Se utilizaron observaciones geológicas, hidrológicas e hidroquímicas para comprender el contexto hidrogeológico general de la cuenca de estudio, y se emplearon tres métodos geofísicos diferentes (tomografía de resistividad eléctrica, tomografía de refracción sísmica y georradar) para caracterizar la estructura y la conectividad en el subsuelo, y para elaborar un modelo conceptual hidrogeológico. Las imágenes geofísicas muestran que el talud suele tener un espesor de 20 a 40 m y es muy heterogéneo. Los sedimentos de la pradera sólo tienen un espesor de hasta 11 m, pero forman parte de una acumulación de material no consolidado de 30–40 m de espesor que rellena un basamento sobreexcavado (es decir, una cuenca subglacial cerrada). Un sistema menor de aguas subterráneas poco profundas alimenta los manantiales en el talud y los arroyos en la pradera, mientras que un sistema profundo en la morena suministra la mayor parte del agua a los manantiales de salida de la cuenca, sirviendo, así como “portadora” de la cuenca. Aunque las funciones hidrológicas del talud en este estudio son sustancialmente diferentes de las de otros lugares, principalmente debido a las diferencias en la litología del basamento y los procesos geomórficos, se espera que el marco conceptual general desarrollado en este estudio sea aplicable a otras regiones alpinas.高山区地下水储量对于维持山区河流的基流至关重要。最近的研究表明,普通的高山地貌(例如碎石堆和冰碛石)具有重要的地下水储存能力,但尚未认识单个地貌间的水文地质的连通性。本研究描述了加拿大落基山脉高山圆形山谷盆地的水文地质特征,该盆地包含典型的高山地貌(碎石堆,草甸,冰碛石)和水文特征(冰斗湖,溪流和泉水)。利用地质,水文和水化学观测来了解研究区的整体水文地质环境,并使用三种不同的地球物理方法(电阻率层析成像,地震折射层析成像和探地雷达)来表征地下结构和连通性,以及建立水文地质概念模型。地球物理成像显示碎石层的厚度通常为20–40 m,并且高度不均匀。草甸沉积物的厚度仅为11 m,但属于30–40 m厚的未固结堆积物的一部分,这些未固结物质充满了深层的基岩(即封闭的亚冰川盆地)。少量的浅层地下水系统补充给碎石层上的泉水和草甸层的溪流,而冰碛土中的深层地下水系统则向盆地的出露泉水补给了大量水,从而成为盆地的“守门人”。尽管本研究中碎石层的水文功能与其他位置有很大不同,这主要是由于基岩岩性和地貌过程的差异所致,但本研究中开发的总体概念框架有望应用于其他高山地区。.O armazenamento de águas subterrâneas em regiões alpinas é essencial para manter os fluxos de base nos córregos das montanhas. Estudos recentes mostraram que formas de relevo alpinas comuns (por exemplo, tálus e morena) têm capacidade substancial de armazenamento de águas subterrâneas, mas a conectividade hidrogeológica entre formas de relevo individuais não foi compreendida. Este estudo caracteriza a hidrogeologia de uma bacia de circo alpino nas Montanhas Rochosas Canadenses que contém formas de relevo alpinas típicas (talus, prados, morenas) e características hidrológicas (tarn, córregos e nascentes). Observações geológicas, hidrológicas e hidroquímicas foram usadas para entender o cenário hidrogeológico geral da bacia em estudo e três métodos geofísicos diferentes (tomografia de resistividade elétrica, tomografia de refração sísmica e radar de penetração no solo) foram usados ​​para caracterizar a estrutura e a conectividade do subsolo, e desenvolver um modelo conceitual hidrogeológico. As imagens geofísicas mostram que o tálus tem tipicamente 20–40 m de espessura e é altamente heterogêneo. Os sedimentos dos prados têm apenas 11 m de espessura, mas fazem parte de um acúmulo de material não consolidado com 30–40 m de espessura que preenche um afundamento no leito de rocha (isto é, uma bacia subglacial fechada). Um sistema menor de águas subterrâneas rasas alimenta fontes no tálus e córregos no prado, enquanto um sistema profundo na morena fornece a maior parte da água às fontes de saída da bacia, servindo assim como um ‘guardião’ da bacia. Embora as funções hidrológicas do tálus neste estudo sejam substancialmente diferentes de outros locais, principalmente devido a diferenças na litologia dos leitos de rocha e nos processos geomórficos, espera-se que o quadro conceitual geral desenvolvido neste estudo seja aplicável a outras regiões alpinas.
Databáze: OpenAIRE
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