Thermochemical behaviour of Pt, Ir, Rh and Ru vs fO2 and fS2 in a basaltic melt. Implications for the differentiation and precipitation of these elements

Summary ?This paper describes an experiment conducted at 1430°C to study the behaviour of Pt, Ir, Rh and Ru in a silicate melt of basaltic composition in relation to fO₂ and fS₂. Previous results showing the existence of a passivation layer on the metals are confirmed and demonstrated by an electrochemical technique. The presence in the silicate melt of platinum and iridium at zero valency is used to explain the observed behaviour for these elements. On the other hand, the presence of Rh³⁺ and Ru³⁺ ions likely to enter the spinel lattice helps to explain the mineralogical observations made on the samples of a Tropoja chromite (Albania), formed in a sulphur-depleted system. While the variation in oxygen fugacity can explain the premature precipitation of IPGEs (Ir, Ru, Os), it is the variation in sulphur fugacity which explains the similar precipitation of PPGEs (Rh, Pt, Pd). Complex Pt (or Rh) compounds in the silicate melt are highlighted for a sulphur fugacity greater than 1.5 × 10⁻² atm. The PPGEs precipitate only when the base metal sulphides (BMS) precipitate. This occurs after precipitation of a large amount of iron and calcium, i.e., after a significant reduction in the sulphur capacity of the magmatic liquid and a concomitant increase in fS₂. The temperature and oxygen fugacity of a dunitic assemblage are determined from intrinsic oxygen fugacity measurements performed by means of a solid electrolyte cell with chromites and olivines from the Krasta (Albania) differentiated series. This enabled the validity of the thermochemical results to be checked. Finally, a PGE differentiation and precipitation scheme is proposed as a function of oxygen and sulphur fugacities and in the presence of a fluid phase.

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Résumé ?Le comportement de Pt, Ir, Rh et Ru a étéétudié dans un bain silicaté fondu à 1430 °C en fonction de fO₂ et fS₂, ce qui a permis de tracer des diagrammes de prédominance. Les résultats antérieurs mettant en évidence l'existence d'une couche de passivation sur les métaux sont confirmés, et l'existence de cette couche de passivation est démontrée par une expérience de chronopotentiométrie. La présence dans le silicate fondu de platine et d'iridium à la valence zéro est utilisée pour expliquer le comportement de ces éléments. En outre, la présence dans le bain silicaté d'ions Rh³⁺ et Ru³⁺, susceptibles d'entrer dans le réseau des spinelles, est mise en évidence thermochimiquement et permet d'expliquer la présence de phases minéralogiques aux compositions inhabituelles trouvées dans des échantillons d’une chromite de Tropoja (Albanie), formés dans un syste-me pauvre en soufre. Alors que la variation de la fugacité en oxygène peut expliquer la précipitation précoce des IPGEs (Ir, Ru, Os), c’est la variation de la fugacité en soufre qui permet d’expliquer la précipitation des PPGEs (Rh, Pt, Pd). Un composé complexe de platine (et/ou de rhodium) est mis en évidence dans le bain silicaté pour une fugacité en soufre supérieure à 1.5 10⁻² atm. On explique ainsi que les PGEs précipitent seulement quand les sulfures de métaux de base (BMS) précipitent. Cette précipitation se produit après une précipitation importante de fer et/ou de calcium c’est à dire après une réduction significative de la capacité en soufre du liquide magmatique et une augmentation concomitante de fS₂. La température de cristallisation et la fugacité en oxygène d’un assemblage dunitique sont déterminées à partir de mesures de fugacités intrinsèques d’oxygène réalisées par piles àélectrolyte solide avec les chromites et les olivines d’une série différenciée cumulative de Krasta (Albanie). Ces mesures permettent de controler que les minéralisations observées se produisent effectivement pour les valeurs de fugacités en oxygène qui ont été déterminées thermochimiquement au Laboratoire et pour des températures de l’ordre de 1130 °C. Enfin un schéma de différenciation et de précipitation des PGEs est tracé, montrant l’apparition des phases minéralogiques en fonction des fugacités en oxygène et en soufre et en présence d’une phase fluide.

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Received August 7, 1998/Revised version accepted July 16, 1999     

Nouvelles données pour l’histoire des fluctuations holocènes du niveau du lac de Neuchatel (Suisse): la séquence sédimentaire de Marin-Les Piécettes

Resume. Les fouilles archéologiques réalisées de 1998 à 2002 sur le site néolithique de Marin-Les Piécettes sur la rive nord-ouest du lac de Neuchatel ont offert l’opportunité d’observer deux séquences sédimentaires intéressantes pour la reconstitution des variations holocènes du niveau du lac, en particulier au cours de la période correspondant au changement de cours de l’Aar en direction du nord-est, vers 5650–5500 cal BP. La géométrie des corps sédimentaires et les changements lithologiques permettent de reconna?tre plusieurs phases majeures de bas niveaux relatifs du plan d’eau vers 6870, 5660, 5060–3990, 3580, 2280, 1640 et 1170 cal BP. Le site néolithique de Marin-Les Piécettes s’est développé vers 5454–5433 cal BP à la faveur d’un court épisode de bas niveau du lac qui a interrompu une importante phase de haut niveau au début du Subboréal. Les événements paléohydrologiques identifiés à Marin-Les Piécettes apparaissent cohérents avec ceux reconstitués sur le site de Montilier au bord du lac de Morat, ainsi qu’avec les variations paléohydrologiques reconstituées à partir des lacs du Jura, du Plateau suisse et des Préalpes du Nord fran?aises. Ceci suggère qu’ils témoignent d’un signal climatique. La séquence sédimentaire de Marin-Les Piécettes met enfin en évidence la formation d’un cordon littoral sur la rive nord-ouest du lac juste après 5660 cal BP. Manuscrit re?u le 22 septembre 2004 Révision acceptée le 11 mars 2005     

Dryland salinity processes within the discharge zone of a local groundwater system,southeastern Australia

Detailed study of a localised saline discharge zone in southeastern Australia shows that the salinisation is mostly due to the shallow water table (<1–2 m from the surface). Direct evaporation, particularly in summer, leads to extremely high soil–water salinities at the surface, even though the underlying groundwater is moderately fresh. Groundwater discharge is localised at a break of slope, where the water table intersects the surface, and where the transition from permeable sands to clay-rich sediments inhibits lateral groundwater flow. Higher salt concentrations build up in the clays because of the long residence times during which soil-waters are exposed to evapotranspiration and the reduced potential for salts to be flushed from the sediments. As a result the saline discharge area does not correspond to the part of the site with the largest salt store. Results of the study demonstrate that for dryland salinisation to occur, the groundwater beneath the discharge zone need not be saline, and the presence of a large salt store does not necessarily lead to problems of dryland salinisation if, as in the clay-rich sediments at the site, the salt lies below the pasture root zone. Furthermore, mobilisation of salt stores within low permeability sediments by rising groundwater may be minor.

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Résumé L’étude détaillée d’une zone localisée d’émergence salée au sud-est de l’Australie montre que la salinisation est surtout due à la nappe phréatique (<1–2 m sous la surface). L’évaporation directe, particulièrement durant l’été, conduit à des salinités de l’eau du sol extrêmement élevées à la surface, même si l’eau souterraine sous-jacente est modérément douce. L’émergence de l’eau souterraine est localisée à la rupture de pente, là où la nappe phréatique rencontre la surface du sol et où la transition entre sables perméables et sédiments riches en argiles inhibe les écoulements d’eau souterraine latéraux. Les plus fortes concentrations en sel s’accumulent dans les argiles du fait de temps de résidence élevés, durant lesquels les eaux du sol sont exposées à l’évapotranspiration et à un lessivage réduit des sédiments. Il en résulte que l’aire d’émergence des eaux salées ne correspond pas à la partie du site rencontrant la réserve de sel la plus importante. Les résultats de l’étude démontrent que pour que la salinisation d’une zone aride devienne effective, l’eau souterraine sous la zone ne doit pas être forcément salée, et la présence d’une zone étendue de réserve de sel ne conduit pas forcément à des problèmes de salinisation de zones arides si, comme dans les sédiments argileux du site, le sel ne repose pas sous la zone de pature. De plus, la mobilisation des réserves de sel dans les sédiments peu perméables par la montée du niveau de l’eau souterraine devrait être mineure.

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Resumen El estudio detallado de una zona local de descarga salina en el sudeste de Australia, muestra que la salinización es principalmente debido a un nivel freático poco profundo (<1–2 m de la superficie). La evaporación Directa, particularmente en verano, conlleva a salinidades de suelo-agua sumamente altas en la superficie, aunque el agua subterránea subyacente es moderadamente dulce. La descarga de Agua subterránea se localiza en una interrupción de la ladera, dónde el nivel freático intercepta la superficie, y donde la transición de las arenas permeables a los sedimentos ricos en arcilla inhibe el flujo lateral del agua subterránea. Las concentraciones de sal más altas se forman en las arcillas debido a los tiempos de residencia largos durante los cuales se exponen el conjunto suelo-agua a la evapotranspiración y también por el potencial reducido para las sales de ser expulsadas de los sedimentos. Como resultado el área de la descarga salina no corresponde a la parte del sitio con el contenido de sal más grande. Los resultados del estudio demuestran que para que ocurra la salinización en terrenos secos, el agua subterránea bajo la de zona de descarga no necesita ser salina, y que la presencia de un almacenamiento de sal grande, no necesariamente lleva a los problemas de salinización en terrenos secos si, como en los sedimentos ricos en arcilla del sitio, la sal yace debajo de la zona de raíz de la pastura. Además, la movilidad de depósitos de sal dentro de los sedimentos de permeabilidad baja pueden ser menores, por causa del agua subterránea ascendente.

     

Remote sensing and GIS for mapping groundwater recharge and discharge areas in salinity prone catchments,southeastern Australia

Identifying groundwater recharge and discharge areas across catchments is critical for implementing effective strategies for salinity mitigation, surface-water and groundwater resource management, and ecosystem protection. In this study, a synergistic approach has been developed, which applies a combination of remote sensing and geographic information system (GIS) techniques to map groundwater recharge and discharge areas. This approach is applied to an unconfined basalt aquifer, in a salinity and drought prone region of southeastern Australia. The basalt aquifer covers ~11,500 km² in an agriculturally intensive region. A review of local hydrogeological processes allowed a series of surface and subsurface indicators of groundwater recharge and discharge areas to be established. Various remote sensing and GIS techniques were then used to map these surface indicators including: terrain analysis, monitoring of vegetation activity, and mapping of infiltration capacity. All regions where groundwater is not discharging to the surface were considered potential recharge areas. This approach, applied systematically across a catchment, provides a framework for mapping recharge and discharge areas. A key component in assigning surface and subsurface indicators is the relevance to the dominant recharge and discharge processes occurring and the use of appropriate remote sensing and GIS techniques with the capacity to identify these processes.

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Résumé Sur un bassin versant, l’identification des zones d’alimentation et des aires d’émergence des eaux souterraines est capitale pour mettre en œuvre des stratégies de réduction de la salinité, de gestion des eaux souterraines et superficielles, et de protection des écosystèmes. Une approche synergique a été développée, sur la base de recherches existantes pour cartographier de manière systématique les zones de recharge et d'émergence. Elle combine des techniques de télédétection et de Systèmes d’Information Géographique, dans le but de cartographier les zones d’alimentation et d’émergence. Ces techniques ont été appliquées à un aquifère basaltique libre, dans un secteur sujet à la sécheresse et à la salinité du Sud-Est australien. L’aquifère considéré couvre environ 11,500 km² d’une région essentiellement agricole. Un inventaire des processus hydrogéologiques locaux a conduit à l’établissement d’une série d’indicateurs superficiels et subsuperficiels des zones d’alimentation et d’émergence. Plusieurs méthodes de télédétection et de SIG furent alors utilisées pour cartographier ces indicateurs de surface, y compris les analyses de terrain, le suivi de l’activité de la végétation et la cartographie des capacités d’infiltration. Toutes les régions en dehors des zones d'émergence sont considérées commes des zones d'alimentation potentielles. Un des composants clés de l’attribution des indicateurs superficiels et subsuperficiels est la concordance avec les processus majeurs d’alimentation et de prélèvement entrant en jeu, et l’utilisation de méthodes de télédétection et SIG adaptées permettant d’identifier ces processus.

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Resumen La identificación de áreas de descarga y recarga de agua subterránea es crítica para la implementación de estrategias efectivas relacionadas con mitigación de salinidad, gestión de recursos de agua subterránea y agua superficial, y protección de ecosistemas. En este estudio se ha desarrollado un enfoque sinérgico apoyándose en investigación existente el cual aplica una combinación de técnicas de sistemas de información geográfico (SIG) y sensores remotos para cartografiar áreas de recarga y descarga de agua subterránea. Este enfoque se aplica a un acuífero de basalto no confinado en una región del sureste de Australia propensa a sequía y salinidad. El acuífero de basalto cubre aproximadamente 11,500 km² en una región con agricultura intensiva. Una revisión de los procesos hidrogeológicos locales permitió el establecimiento de una serie de indicadores superficiales y subterráneos de áreas de recarga y descarga de agua subterránea. Luego se utilizaron varias técnicas de SIG y sensores remotos para cartografiar estos indicadores superficiales incluyendo: análisis del terreno, monitoreo de la actividad de la vegetación, y cartografiado de la capacidad de infiltración. Todas las regiones donde el agua subterránea no descarga en la superficie fueron consideradas áreas potenciales de recarga. Este enfoque que se ha aplicado sistemáticamente a través de la cuenca aporta un marco para la cartografía de áreas de recarga y descarga. Un componente clave en la asignación de indicadores superficiales y subterráneos lo constituye la relevancia a los procesos dominantes de recarga y descarga que ocurren y el uso de técnicas apropiadas de SIG y sensores remotos con la capacidad para identificar esos procesos.

     

Mineralogy and geochemistry of Late Ordovician phosphate-bearing oolitic ironstones from NW Sardinia, Italy

Summary. ?In the Nurra region, NW Sardinia, oolitic ironstones are interlayered within coarsening upward metasedimentary sequences of siltstone, sandstone, breccia, and conglomerate. A Caradoc-Early Ashgill age is suggested by the analogies with metasediments of Central-Southern Sardinia following the Sardinian tectonic phase. The sequences including oolitic ironstones are overlain by black metapelite of inferred Hirnantian to early Silurian age. The ooids consist of chamosite, siderite or magnetite or, rarely, stilpnomelane. Chamosite ooids consist of up to 30 lamellae and sporadically show clustering of magnetite grains in core and rim, and widespread late replacement by siderite. The alternation of chamosite and Fe-oxide observed in a few samples points to an ooid transport over the crests and hollows of megaripples in a continental shelf at 0–60 m depth, and/or a random displacement of the littoral environments in a rapidly evolving continent-sea transition zone producing an alternation of oxidizing and reducing conditions. Black phosphate clasts, including older Fe-ooids, frequently occur. The oolitic ironstones of Nurra are variable mixtures of an Al-Si-Ti rich- detrital component and a Fe-rich chemical component. The abundance of chamosite and siderite explains the high values of LOI and the high Fe_tot, Fe²⁺ and Al contents and the low Si amounts in comparison with other Phanerozoic oolitic ironstones. The detrital elements are Al, Si, Ti, Mg, Zr, Th. Chemical precipitation processes supplied Fe, Ca, P, Sr, HREE. The chondrite-normalized pattern shows a slight LREE enrichment, a clear negative Eu anomaly, and a flat HREE trend typical of many Ordovician oolitic ironstones. The NASC-normalized pattern has a convex shape, with peaks for Sm, Gd, like in all the pre-Devonian phosphate deposits. The numerous phosphate clasts, pyrite pockets, diffuse organic matter, and lack of glauconite suggest an upward extension of the oxygen minimum layer in a stratified basin, up to a depth of 60 m, and allow the estimation of log fO₂ = − 72 to − 80 and pH = 9.0–9.5. for the underlying pyrite zone (depth > 60 m). Here the pore waters leached Eu²⁺ from the bottom sediments giving the observed negative anomaly of the chondrite-normalized REE pattern.

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Résumé ?Dans la région de la Nurra, Sardaigne nord-ouest, des niveaux ferrugineux oolithiques sont intercalés dans des séquences métasédimentaires composées de silts, grès, brèches et conglomerats. Un age Caradoc-Ashgill inférieur est suggéré par les analogies avec les métasédiments de la Sardaigne centrale-méridionale postérieurs à la phase tectonique Sarde. Les séquences qui contiennent les niveaux ferrugineux oolithiques sont surmontées par des métapélites noires pour lesquelles on suppose un age Hirnantien à Siliurien inférier. Les oolithes sont constituées de chamosite, siderite ou magnétite ou rarement, stilpnomelane. Les oolithes de chamosite peuvent avoir jusq’à 30 enveloppes dans le cortex et sporadiquement elles montrent une concentration de grains de magnétite au centre et sur le bord et un vaste replacement tardif par de la sidérite. L’alternation de enveloppes à chamosite et à oxydes de fer observée dans quelques échantillons indique un transport des oolithes sur la crête et dans la dépression de rides géantes sur une plateforme continentale à 0–60 m de profondeur et/ou bien un déplacement casuel des milieux c?tiers dans une zone de transition entre mer et continent en rapide évolution, ce qui produisait une alternation de conditions oxydantes et réduisantes. On trouve fréquemment des intraclastes noirs de phosphate qui contiennent des oolithes ferrugineuses plus anciennes. Les niveaux oolithiques ferrugineux de la Nurra sont le résultat d’un mélange en proportions variables entre une composante détritique riche en Al, Si,Ti et une composante chimique riche en fer. L’abondance de chamosite et sidérite explique les hautes valeurs de perte au feu et la haute teneur en Fe_tot, Fe²⁺ et Al et la basse teneur en Si en comparaison avec d’autres formations oolithiques ferrugineuses Phanérozo?ques. Les éléments détritiques sont Al, Si, Ti, Mg, Zr, Th. Les processus de précipitation chimique ont fourni Fe, Ca., P, Sr, HREE. Les teneurs de terres rares normalisées aux chondrites montrent un léger enrichissement en LREE, une évidente anomalie négative de Eu, et une disposition en plateau des HREE, qui est tipique de beaucoup de formations oolithiques ferrugineuses Ordoviciennes. Les teneurs normalisées aux NASC forment une courbe convexe avec deux maxima pour Sm et Gd, comme dans tout les dép?ts phosphatés pré-Dévoniens. Les nombreux intraclastes de phosphate, les cavités pleines de pyrite, l’abondance de matière organique et l’absence de glacounie suggèrent une extension vers plus faible profondeurs ( jusq’à 60 m) de la couche d’eau marine ayant la moindre teneur en oxygène dans un bassin stratifié. Pour la zone à pyrite qui est en dessous de la zone oolithique (profondeur > 60 m) on estime les conditions suivantes: log fO₂ = − 72 à− 80 et pH = 9.0–9.5. Les eaux intergranulaires solubilisent et emportent le Eu²⁺ des sediments du fond et donnent l’anomalie négative de Eu pour les teneurs de terres rares normalisées aux chondrites.

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Received February 10, 1999;/revised version accepted June 30, 1999     

Stratigraphie et paléoenvironnement des dép?ts volcano-détritiques à dinosauriens du Jurassique inférieur de Toundoute (Province de Ouarzazate, Haut-Atlas – Maroc)

Resume. Le gisement de dinosauriens du Jurassique inférieur de Toundoute, à sauropode primitif (Tazoudasaurus naimi), est examiné sous ses aspects stratigraphiques, sédimentologiques et paléoenvironnementaux. Les couches continentales détritiques à dinosaures, succédant en continuité à des niveaux marins carbonatés trés peu épais du Lias inférieur (Hettangien-Sinémurien probables), sont rapportées au Lias moyen-supérieur. Les dép?ts continentaux contiennent une part importante de produits volcanoclastiques différents des basaltes triasiques. Les centres d’émission, non connus, étaient sans doute proches. La sédimentation continentale, de type chenaux fluviatiles – plaine d’inondation, refléte un climat chaud à périodes alternativement humides et séches, ces derniéres étant fortement marquées. Les deux niveaux à ossements correspondent à des coulées boueuses ayant charrié des ossements et portions de carcasses (os en connexion) sur de courtes distances. Ce mode de transport a préservé les ossements de l’érosion et favorisé un enfouissement rapide permettant leur conservation. Manuscrit re?u le 16 juillet 2004 Révision acceptée le 17 mars 2005     

Stable isotopic fingerprint of a hyporheic–hypolentic boundary in a reservoir

Stable isotopes of H₂O are used to define the hyporheic–hypolentic boundary in Ledbetter Creek as it discharges to Kentucky Lake, a constructed reservoir in western Kentucky, USA. High-resolution (centimeter-scale) sample collection and analysis were utilized to determine one-dimensional variations in δ²H and δ¹⁸O of H₂O and chloride (Cl⁻) across the boundary. During reservoir low stand in winter, the hyporheic–hypolentic zone contains water from Ledbetter Creek and groundwater separated by an interface at ~10 cm below the channel bottom. Following reservoir-stage increase in spring and summer, water from Kentucky Lake infiltrates into the hyporheic–hypolentic zone to a depth of at least 18 cm below the channel bottom. Reservoir-stage decline in autumn causes source-water mixing, largely obscuring the hyporheic–hypolentic boundary. Stable isotopes provide an effective complement to conventional tracers for delineation of water masses within the hyporheic–hypolentic zone.

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Resumen Se han utilizado isótopos estables del agua para definir el límite hiporreico-hipoléntico en Ledbetter Creek, que constituye una zona de descarga del lago Kentucky, una presa construida al Oeste de Kentucky, USA. Se ha llevado a cabo una recogida de muestras de alta resolución (a escala centimétrica) y se utilizaron los resultados para determinar las variaciones unidimensionales en δ²H y δ¹⁸O del H₂O y los cloruros (Cl⁻) alrededor del límite. Durante la época de niveles bajos en invierno, la zona hiporreica-hipolentica tiene agua procedente de Ledbetter Creek y de agua subterránea separada por una interfase de ~10 cm debajo del límite del canal. Siguiendo el incremento de los niveles en la presa en primavera y verano, el agua del Lago Kentucky se infiltra en la zona hiporreica-hipoléntica hasta una profundidad de, al menos, 18 cm bajo el límite hiporreico-hipoléntico. Los isótopos estables aportan un complemento efectivo a los trazadores convencionales para la delimitación de masas de agua dentro de la zona hiporreica-hipoléntica.

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Résumé L’utilisation des isotopes stables de la molécule d’eau a permis de définir l’interface hyporhéique-hypolentique dans la Ledbetter Creek, au point de déversement dans le réservoir artificiel que constitue le Kentucky Lake (Ouest du Kentucky, Etats-Unis). Une campagne de prélèvements à haute résolution (échelle centimétrique) a contribué à déterminer les variations unidimensionnelles des valeurs de δ2H et de δ18O de la molécule d’eau et de la concentration en chlorures (Cl⁻) de part et d’autre de l’interface. En hiver, lorsque le niveau du réservoir est minimal, la zone hyporhéique-hypolentique contient de l’eau de la Ledbetter Creek et de l’eau souterraine, séparées par un interface situé environ 10 cm sous le fond du chenal. Suite aux recharges printanières et estivales, l’eau du Kentucky Lake envahit la zone hyporhéique-hypolentique sur plus de 18 cm sous le fond du chenal. En automne, la baisse de niveau dans le réservoir occasionne un mélange des eaux, rendant diffus l’interface hyporhéique-hypolentique. Les isotopes stables constituent ainsi un complément efficace aux traceurs conventionnels pour la délimitation des masses d’eau dans la zone hyporhéique-hypolentique.

     

Lake bank filtration at Nainital,India: water-quality evaluation

There are different water-supply schemes in Uttarakhand, India to tap the water from streams, rivers and lakes. At Nainital, seven tube-wells (depths 22.6–36.7 m), located at a distance of <100 m from the lake, are being used to abstract (1) lake water after passage through the soil and (2) subsurface water/groundwater flowing towards the lake. Water samples from the lake and tube-wells were analyzed in monsoon and non-monsoon periods from 1997 to 2006. Total dissolved solids, EC, alkalinity and hardness were found to be marginally greater in tube-well waters. The difference in hydrochemistry of tube-well water was mainly due to variation in flow regimes during monsoon and non-monsoon periods. Results clearly indicate that lake water as such is not potable as it contains unacceptable levels of organic matter in terms of COD (~44 mg/L), coliforms (~15.6 × 10⁴ MPN/100 mL) and nutrients. Coliform bacteria and COD have not been detected in any of the tube-well water samples over the years. Lake water, treated by sand filters did not conform to drinking water standards. These investigations have led to the closure of the treatment facility and installation of two tube-wells in addition to the existing five tube-wells.

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Résumé  Il existe divers projets d’alimentation en eau dans l’état d’Uttarakhand, Inde, afin de capter l’eau de ruisseaux, de rivières et de lacs. A Nainital, sept puits tubés (profondeur de 22.6–36.7 m), situés à une distance < à 100 m du lac, sont utilisés pour prélever (1) de l’eau du lac après transit à travers le sol et (2) de l’eau de sub-surface/eau souterraine s’écoulant vers le lac. Des échantillons d’eau du lac et des puits tubés ont été analysés en périodes de mousson et de celles sans mousson 1997 à 2006. Résidu sec, C.E., alcalinité et dureté ont été trouvés marginalement supérieurs dans l’eau des puits tubés. La différence d’hydrochimie de l’eau des puits tubés était surtout due à la variation des régimes d’écoulement pendant les périodes de mousson et de celles sans mousson. Les résultats indiquent clairement que l’eau du lac en tant que telle n’est pas potable car elle contient des teneurs inacceptables de matière organique en termes de COD (~44 mg/L), de coliformes (~15.6 × 10⁴ MPN/100 mL) et d’éléments nutritifs. Des bactéries coliformes et du COD n’ont été détectés dans aucun des échantillons d’eau de puits tubés au fil des années. L’eau du lac traitée par des filtres à sable ne se conformait pas aux normes de l’eau potable. Ces recherches ont conduit à la fermeture de l’installation de traitement et à l’implantation de deux puits tubés en plus des cinq puits existants.

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Resumen  En el estado de Uttarakhand, India, existen diferentes esquemas de abastecimiento de agua que explotan agua de arroyos, ríos y lagos. En Nainital, siete pozos (profundidades entre 22.6–36.7 m), ubicados a una distancia de <100 m del lago, se usan para extraer (1) agua del lago luego de su pasaje a través del suelo y (2) agua superficial y subterránea que fluye hacia el lago. En períodos de monzón y de no monzón de 1997 a 2006 se han analizado muestras de agua del lago y de las captaciones. Se halló que el agua de los pozos es ligeramente mayor en términos del total de sólidos disueltos, la conductividad eléctrica, la alcalinidad y la dureza. La diferencia en la hidroquímica del agua de las perforaciones se debe principalmente a la variación de los regímenes de flujo durante los períodos de monzón y de no monzón. Los resultados claramente indican que el agua del lago no es potable por su contenido inaceptable de materia orgánica medida como demanda de carbono orgánico/oxígeno –DCO- (~44 mg/L), coliformes (~15.6 × 10⁴ NMP/100 mL) y nutrientes. En el período, no se han detectado bacterias coliformes ni DCO en las muestras de agua de las captaciones. El agua del lago, tratada con filtros de arena, no conformó los estándares de agua para bebida. Estas investigaciones han demostrado la necesidad de clausurar las instalaciones de tratamiento y la adición de dos captaciones a las cinco ya existentes.

     

Application of environmental groundwater tracers at the Sulphur Bank Mercury Mine, California, USA

Boron, chloride, sulfate, δD, δ¹⁸O, and ³H concentrations in surface water and groundwater samples from the Sulphur Bank Mercury Mine (SBMM), California, USA were used to examine geochemical processes and provide constraints on evaporation and groundwater flow. SBMM is an abandoned sulfur and mercury mine with an underlying hydrothermal system, adjacent to Clear Lake, California. Results for non-³H tracers (i.e., boron, chloride, sulfate, δD, and δ¹⁸O) identify contributions from six water types at SBMM. Processes including evaporation, mixing, hydrothermal water input and possible isotopic exchange with hydrothermal gases are also discerned. Tritium data indicate that hydrothermal waters and other deep groundwaters are likely pre-bomb (before ~1952) in age while most other waters were recharged after ~1990. A boron-based steady-state reservoir model of the Herman Impoundment pit lake indicates that 71–79% of its input is from meteoric water with the remainder from hydrothermal contributions. Results for groundwater samples from six shallow wells over a 6–month period for δD and δ¹⁸O suggests that water from Herman Impoundment is diluted another 3% to more than 40% by infiltrating meteoric water, as it leaves the site. Results for this investigation show that environmental tracers are an effective tool to understand the SBMM hydrogeologic regime.

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Electronic supplementary material The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.

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Résumé Les concentrations en bore, chlorure, sulfate, δD, δ¹⁸O, et ³H d’échantillons d’eaux de surface et souterraine prélevés dans le banc de soufre de la mine de mercure (SBMM en anglais) en Californie, USA, ont été utilisées pour étudier les processus géochimiques et pour fournir des contraintes à l’évaporation et à l’écoulement des eaux souterraines. La SBMM est une mine de soufre et de mercure abandonnée, adjacente au lac Clear en Californie et sous laquelle se trouve un système hydrothermal.Les résultats des traceurs autres que le tritium (bore, chlorure, sulfate, δD, et δ¹⁸O) ont permis d’identifier des contributions de six types d’eaux à SBMM. Des processus tels que l’évaporation, le mélange, l’entrée d’eau hydrothermale et de possibles échanges isotopiques avec des gaz hydrothermaux ont également été identifiés. Les données de tritium montrent que les eaux hydrothermales et d’autres eaux profondes sont probablement d’age antérieure à la bombe (avant ~1952), alors que la plupart des autres eaux sont issues de la recharge après ~1990. Un modèle de réservoir représentant le lac situé dans la partie Herman Impoundment de l’ancienne mine, en régime permanent et basé sur le bore, montre que 71–79% de l’eau provient des précipitations, le reste provenant de contributions hydrothermales. Les résultats de δD et δ¹⁸O pour des échantillons d’eau souterraine de six puits peu profonds sur une période de 6 mois suggèrent que l’eau de Hermann Impoundment est encore diluée entre 3% jusqu’à plus de 40% lorsqu’elle quitte le site du fait de l’infiltration d’eau météorique. Les résultats de cette étude montrent que les traceurs environnementaux constituent un outil efficace pour comprendre le régime hydrogéologique de la SBMM.

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Resumen Se han utilizado datos de concentraciones de boro, cloruros, sulfatos, δD, δ¹⁸O, y ³H en muestras de aguas superficiales y subterráneas procedentes de la Mina de Mercurio Sulphur Bank (SBMM), California, USA, para estudiar los procesos geoquímicos y caracterizar la evaporación y el flujo del agua subterránea. SBMM es una mina abandonada de azufre y mercurio con un sistema hidrotermal subyacente, cercano al Lago Clear, California.Los resultados de los trazadores que no son ³H (por ejemplo, boro, cloruros, sulfatos δD, y δ¹⁸O) identifican las contribuciones de seis tipos de agua en la SBMM. Se han identificado diversos procesos, como evaporación, mezcla, entrada de agua hidrotermal y la posibilidad de intercambios isotópicos con gases hidrotermales. Los datos de tritio indican que las aguas hidrotermales y otras aguas subterráneas profundas son probablemente pre-bombas (previas a ~1952) en edad mientras que la mayoría de las otras aguas se han recargado después de ~1990. Un modelo estacionario basado en el boro de la fosa del lago Herman Impoundment indica que el 71–79% de su entrada procede de agua meteórica con restos de contribución hidrotermal. Los resultados para las muestras de aguas subterráneas procedentes de seis pozos superficiales en un periodo de 6 meses para δD y δ¹⁸O sugieren que el agua procedente de Herman Impoundment se diluye en otro 3% hasta más del 40% debido a la infiltración de agua meteórica., que sale del sitio. Los resultados de esta investigación muestran que los trazadores ambientales son una herramienta efectiva para entender el régimen hidrogeológico de la SBMM.

     

Solute and isotope constraint of groundwater recharge simulation in an arid environment,Abu Dhabi Emirate,United Arab Emirates

A simple, well-constrained simulation of solute increases in a downgradient direction was used in the shallow unconfined aquifer of eastern Abu Dhabi Emirate (United Arab Emirates). The simulation indicates that the observed exponential increase in solute concentrations results from a combination of upward transport of solutes from underlying mudstones and evaporites, and groundwater losses by evaporation. Groundwater recharge and discharge flux in unconfined regional aquifers in arid regions commonly are difficult to estimate because there are few constraints on the flux of water lost or gained from the system. Total dissolved solids (TDS) and deuterium isotopes (δ²H) in groundwater are used to constrain estimated fluxes to the shallow aquifer of eastern Abu Dhabi Emirate. Vertical upward transport of solutes from underlying mudstones and evaporites accounts for solute increases along approximately the first 80 km of the simulated flow path, but a combination of upward solute transport and evaporation is necessary to explain observed solute concentrations beyond 80 km. Mobilization and transport of solutes in the unsaturated zone by recharging precipitation is not a significant factor.

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Résumé Une simulation simple et bien contrainte de l’augmentation des solutés dans la direction de l’écoulement a été réalisée sur l’aquifère phréatique et libre de l’Est de l’émirat d’Abu Dhabi (émirats Arabes Unis). La simulation indique que l’augmentation observée de solutés, de forme exponentielle, est le produit de la combinaison du transport ascendant de solutés provenant des mudstones et des évaporites sous-jacents, et de l’évaporation des eaux souterraines. La recharge des eaux souterraines et les flux de vidange dans les aquifères régionaux libres des régions arides sont habituellement difficiles à estimer du fait du peu de contraintes agissant sur la perte ou le gain d’eau dans le système. La charge dissoute totale (TDS, en anglais) et les isotopes deutérium (δ²H) des eaux souterraines sont utilisés pour contraindre l’estimation des flux en direction de l’aquifère phréatique de l’Est de l’émirat d’Abu Dhabi. Le transport vertical ascendant des solutés à partir des mudstones et des évaporites fait parti des processus qui concentrent les solutés approximativement le long des 80 premiers kilomètres du trajet des écoulements simulés, mais une combinaison du transport ascendant des solutés et de l’évaporation est nécessaire pour expliquer les concentrations observées en soluté au delà des 80 km. La mobilisation et le transport des solutés par les précipitations efficaces dans la zone non saturée ne représentent pas des facteurs significatifs.

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Resumen Se utilizó una simulación simple y muy restringida, de incrementos de soluto en la dirección del flujo, en el acuífero libre poco profundo del Emirato oriental de Abu Dhabi, (Emiratos árabes Unidos). La simulación indica que el aumento exponencial observado en las concentraciones del soluto, resulta de una combinación de transporte ascendente de solutos desde las evaporitas y lodolitas subyacentes, y por pérdidas del agua subterránea por evaporación. Los flujos de recarga y descarga de agua subterránea, en los acuíferos libres regionales en regiones áridas, normalmente son difíciles estimar, porque hay algunas restricciones en el flujo de agua perdido o ganado por el sistema. Los sólidos disueltos totales (TDS) y los isótopos de deuterio (δ²H) en el agua subterránea, se usan para forzar los flujos estimados hacia el acuífero poco profundo del Emirato oriental de Abu Dhabi. El transporte ascendente vertical de solutos desde las lodolitas y evaporitas subyacentes, involucra los aumentos del soluto a lo largo de aproximadamente los primeros 80 Km. de la dirección de flujo simulada, pero es necesaria una combinación de transporte ascendente del soluto y la evaporación para explicar las concentraciones del soluto observadas más allá de 80 Km. La movilización y transporte de solutos en la zona no saturada, por recarga debida a precipitación, no es un factor significante.

     

Analysis of radial movement of an unconfined leaky aquifer due to well pumping and injection

Radial movement of an unconfined leaky aquifer was studied with respect to hydraulic forces that are induced by well recharge and discharge. New analytic solutions in the velocity and displacement fields were found and applied to describe transient movement in an unconfined leaky aquifer. Linear momentum and mass balance of saturated porous sediments, the Darcy-Gersevanov law, and the analytic solution of hydraulic drawdown for unsteady flow within the unconfined leaky aquifer were introduced to find the new solutions. Analytic results indicate that the nonlinear relation between the initial hydraulic head (h₀) and the well function has an insignificant effect on the aquifer transient movement when the drawdown s<0.02h ₀. When the well function is simplified with different assumptions and pumping conditions, the new solutions correspondingly reduce to cases that are similar to the Hantush-Jacob, Muskat, and Theis transient movement of a confined leaky aquifer. It was found that large leakance is important in slowing radial movement and reducing aquifer deformation. Flow velocity in the aquifer is more responsive to leakance than to cumulative displacement within the aquifer. The zones and boundary with tensile stress can be located using the same approach applied to a confined aquifer for risk assessment of earth fissuring.

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Résumé Le mouvement radial dans un aquifère semi-perméable libre a été étudié en considérant les forces hydrauliques induites par la recharge et le prélèvement au niveau d’un puits. De nouvelles solutions analytiques des champs de vitesse et de déplacement ont été trouvées et appliquées pour décrire le mouvement transitoire dans un aquifère semi-perméable libre. Pour trouver les nouvelles solutions, le moment linéaire et le bilan de masse dans les sédiments poreux saturés, la loi de Darcy-Gersevanov, et la solution analytique du rabattement hydraulique pour un écoulement transitoire dans un aquifère semi-perméable libre sont pris en compte. Les résultats analytiques montrent que la relation non-linéaire entre le potentiel hydraulique initial (h₀) et la fonction de puits a un effet insignifiant sur le mouvement transitoire de l’aquifère quand le rabattements s <0.02h₀. Si la fonction de puits est simplifiée en tenant compte de différentes hypothèses et conditions de pompage, les nouvelles solutions se réduisent en conséquence à des cas similaires au mouvement transitoire dans un aquifère semi-perméable captif selon Hantush-Jacob, Muskat, et Theis. Il s’est avéré qu’une drainance élevée est importante pour le ralentissement du mouvement radial et la réduction de la déformation de l’aquifère. La vitesse d’écoulement dans l’aquifère est plus sensible à la drainance qu’au déplacement cumulé dans l’aquifère. Les zones et la frontière présentant des contraintes de traction peuvent être localisées en utilisant la même approche appliquée à un aquifère captif pour l’évaluation des risques de fissuration du sol.

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Resumen Se ha estudiado el movimiento radial en un acuífero no confinado con fuga en relación a las fuerzas hidráulicas que son inducidas por la descarga y recarga del pozo. Se encontraron nuevas soluciones analíticas en los campos de desplazamiento y velocidad, las cuales se aplicaron para describir el movimiento transitorio en un acuífero no confinado con fuga. Se han introducido cálculos de balance de masa y momentum lineal de los sedimentos porosos saturados, la Ley Darcy-Gersevanov, y la solución analítica de descenso hidráulico para flujo sin régimen permanente dentro del acuífero no confinado con goteo para encontrar las nuevas soluciones. Los resultados analíticos indican que la relación no lineal entre la presión hidráulica inicial (h₀) y la función del pozo tiene efecto insignificante en el movimiento transitorio del acuífero cuando el descenso s < 0.02h₀. Cuando se simplifica la función del pozo en base a diferentes supuestos y condiciones de bombeo se reducen las nuevas soluciones a casos que son similares a el movimiento transitorio Hantush-Jacob, Muskat, y Theis de un acuífero confinado con goteo. Se encontró que las fugas grandes son importantes en la disminución del movimiento radial y en la reducción de la deformación del acuífero. La velocidad de flujo en el acuífero responde más a las fugas que al desplazamiento acumulativo dentro del acuífero. Pueden localizarse zonas y límites con esfuerzos tensionales usando el mismo enfoque aplicado a acuíferos confinados para evaluación de riesgo de generación de fracturas en el terreno.

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Looking for the “missing endmember” in South Atlantic Ocean mantle around Ascension Island

Summary Published bathymetric, geophysical and geochemical data suggest the presence of a hotspot in the South Atlantic, between the Bode Verde and Ascension fracture zones, in the vicinity of Ascension Island which has been named Ascension hotspot. We provide here new isotope and trace element data on Grattan (a near-ridge seamount) basalts which suggest that this edifice was produced by the plume presently feeding the adjacent Mid-Atlantic Ridge (MAR) segment and that it could represent the geochemical “missing end-member” described by Hanan et al. (1986) in the South Atlantic Ocean. Its isotopic signature differs slightly from that of Ascension Island and is more radiogenic in ²⁰⁸Pb. Trace element data are intermediate between those of MORB and characteristic OIB. We suggest that near Grattan seamount there exists a weak, perhaps intermittent, and slightly chemically heterogeneous plume.

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Résumé De nombreuses données bathymétriques, géophysiques et géochimiques suggérent qu’il existe un point chaud dans l’Atlantique Sud entre les zones de fracture d’Ascencion et de Bode Verde, dans les environs de l’?le d’Ascencion et qui a été nommé point chaud d’Ascencion. Nous publions ici de nouvelles données géochimiques et isotopiques sur des basaltes du mont sous-marin Grattan qui est trés proche de la dorsale. Ces données montrent que cet édifice a été produit par le panache mantellique qui influence également la source des basaltes de la dorsale, et qu’il pourrait s’agir du “p?le manquant” décrit par Hanan et al. (1986) dans l’Atlantique Sud. Sa signature isotopique diffère légèrement de celle de l’?le d’Ascencion et présente notamment des valeurs plus radiogéniques en ²⁰⁸Pb. Les données en éléments en trace sont intermédiaires entre celle d’un MORB et d’un OIB caractéristique. Nous suggérons donc qu’il existe preès du mont sous-marin Grattan un panache mantellique faiblement actif, peut-être intermittent et chimiquement hétérogène.

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Received January 15, 2000; revised version accepted April 17, 2000     

Position de la limite Cénomanien-Turonien dans la Formation Bahloul de Tunisie centrale: apports intégrés des ammonites et des isotopes du carbone (δ13C)

Resume. Deux coupes de la Formation Bahloul en Tunisie centrale ont livré plus de 250 ammonites qui fondent une zonation en quatre termes allant du Cénomanien terminal (Zones à Metoicoceras geslinianum et à Pseudaspidoceras pseudonodosoides) au Turonien basal (Zones à Watinoceras spp et à Pseudaspidoceras flexuosum). La position de la limite Cénomanien-Turonien (C-T) étant définie par l’apparition de Watinoceras spp, cette limite est placée à 0,60m près dans la localité-type de la Formation à l’Oued Bahloul. Sur les deux coupes étudiées des mesures du carbone isotopique ont mis en évidence quatre événements – ou pics en δ¹³C – formant des lignes temporelles considérées comme synchrones dans la région considérée. L’événement δ¹³C indexé III, d’age encore cénomanien, est le plus proche de la limite C-T. Un événement biologique relatif à l’apparition de ?filaments? – ou microlamellibranches pélagiques – toujours cénomanien, est encore plus proche de la limite C-T. Enfin, une comparaison est tentée avec les Marnes à Plenus d’Eastbourne (UK) et avec le stratotype de la limite C-T à Pueblo (USA). Manuscrit re?u le 15 octobre, 2004 Révision acceptée le 2 février, 2005     

Use of unit response functions for management of regional multilayered aquifers: application to the North Aquitaine Tertiary system (France)

Although there are many numerical applications used in aquifer management, few methodologies seem to be sufficiently adapted to provide solutions for regional-scale problems. Their applications for multilayered aquifers are also too limited. A new groundwater management tool adapted to such large physical systems has been developed, using the unit response function (URF) approach. This tool is based on the link between a numerical groundwater flow model and a mathematical optimisation tool. Pre- and post processing are based on a geographical information system (GIS). The developed tool has been applied to a real management case—the regional Aquitaine multilayered aquifer (France). A representative hydrodynamic model was built using MODFLOW 2000 code. First tests show that the linearity condition needed for the application of URF methodology is respected despite the high complexity of the system. Two management scenarios were tested. Optimal solutions thus obtained allow for viable exploitation alternatives to be proposed, which integrate complex environmental constraints.

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Résumé Malgré un nombre important d’applications existant dans le domaine de la gestion des aquifères, peu de méthodologies semblent adaptées pour proposer des solutions à des problèmes réels de dimension régionale. Leurs application pour des systèmes multicouches sont souvent trop limitées. Un outil de gestion adapté à ces systèmes de large taille a été développé, basé sur la théorie des Fonctions de Réponses Unitaires (FRU). Cet outil est basé sur le couplage d’un modèle numérique d’écoulement et d’un code d’optimisation mathématique. Les entrées et sorties du modèle sont réalisées à l’aide d’un Système d’Information Géographique (SIG). L’outil développé est appliqué à un cas de gestion réel—le système aquifère régional multicouche aquitain (France). Un modèle hydrodynamique représentatif a été construit, basé sur le code MODFLOW 2000. Les premiers tests montrent que les conditions de linéarité nécessaires à l’application de la méthode FRU sont respectées, malgré l’importante complexité du système. Deux scénarii de gestion sont testés. Les solutions optimales ainsi obtenues permettent de proposer des solutions d’exploitation alternatives viables, intégrant des contraintes environnementales complexes.

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Resumen Aunque hay muchas aplicaciones numéricas usadas en la gestión de acuíferos, unas pocas metodologías parecen estar adaptadas suficientemente para dar las soluciones a los problemas de escala regional. También son limitadas sus aplicaciones para los acuíferos multicapa. Se ha desarrollado una nueva herramienta para el manejo del agua subterránea, adaptada a tales sistemas físicos grandes, usando el avance de la Función de Respuesta Unitaria (URF). Esta herramienta se basa en la combinación entre un modelo numérico de flujo de agua subterránea y una herramienta de optimización matemática. El pre-proceso y el post-proceso se basan en un Sistema de Información Geográfico (GIS). La herramienta desarrollada se ha aplicado a un caso real de manejo en el acuífero regional multicapa de Aquitania (Francia). Se construyó un modelo hidrodinámico representativo, que usó el código MODFLOW 2000. Las primeras pruebas muestran que la condición de linearidad, necesaria para la aplicación de la metodología URF, se respeta a pesar de la complejidad alta del sistema. Se probaron dos escenarios de manejo. Las soluciones óptimas así obtenidas permiten la proyección de alternativas viables de explotación, las cuales integran restricciones medioambientales complejas.

     

Salinization of groundwater in the Nefzawa oases region,Tunisia: results of a regional-scale hydrogeologic approach

Groundwater pumped from the semi-confined Complexe Terminal (CT) aquifer is an important production factor in irrigated oases agriculture in southern Tunisia. A rise in the groundwater salinity has been observed as a consequence of increasing abstraction from the aquifer during the last few decades. All sources of contamination were investigated using hydrochemical data available from the 1980s. Water samples were taken from drains and observation wells tapping both the CT and the phreatic aquifers and analyzed with regard to chemistry, temperature, isotopes and other environmental tracers. Local salinization mechanisms are suggested, i.e. the upwelling of saline water from the underlying, confined Continental Intercalaire (CI) aquifer, as well as backflow of agricultural drainage water. At this stage, the main salt pan, the Chott el Djerid, is not a contamination source. A finite difference model was also developed to simulate groundwater flow and contaminant transport in the oases. Calibration for the period 1950–2000 was carried out in order to adjust geological and chemical system parameters. The simulation of planned extraction projects predicts a worsening of the present situation. Maintenance of the present abstraction regime will not reduce or stop the salinity increase.

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Résumé L’eau souterraine pompée dans l’aquifère semi-captif du Complexe Terminal (CT) est un facteur de production important pour l’agriculture des oasis irriguées du sud de la Tunisie. Une augmentation de la salinité de l’eau souterraine a été considérée comme la conséquence de l’augmentation des prélèvements dans l’aquifère au cours des dernières décades. Toutes les sources de contamination ont été étudiées à l’aide de données hydro-chimiques disponibles depuis les années 80. Des échantillons d’eau ont été prélevés dans des drains et des puits d’observation qui captent à la fois le CT et les aquifères phréatiques; la chimie, la température, les isotopes ainsi que d’autres traceurs environnementaux ont été analysés. Des processus locaux de salinisation sont proposés, comme par exemple la remontée d’eau salée en provenance de l’aquifère captif du Continental Intercalaire (CI) sous-jacent, ainsi que le reflux des eaux du drainage agricole. A ce stade, le principal marais salé, le Chott el Djerid, n’est pas une source de contamination. Un modèle aux différences finies a également été élaboré pour simuler les écoulements souterrains et le transport de contaminants dans les oasis. Une calibration pour la période 1950–2000 a été effectuée afin d’ajuster les paramètres des systèmes géologique et chimique. La simulation de projets planifiés d’extraction prédit une aggravation de la situation actuelle. La conservation du régime d’extraction actuel ne réduira ou ne stoppera pas l’augmentation de la salinité.

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Resumen El agua subterránea que se bombea del acuífero semi-confinado Terminal Complejo (CT) es un importante factor de producción en la agricultura de riego con oasis en el sur de Túnez. Se ha observado un incremento en la salinidad del agua subterránea como consecuencia de la abstracción creciente del acuífero durante las últimas décadas. Se investigaron todas las fuentes de contaminación usando datos hidroquímicos disponibles de la década de 1980s. Las muestras de agua se tomaron de drenajes y pozos de observación alojados tanto en el CT como los acuíferos freáticos y se analizaron en relación con química, temperatura, isótopos y otros trazadores ambientales. Se sugieren mecanismos de salinización local, i.e. el ascenso de agua salada a partir del acuífero confinado subyacente Intercalado Continental (CI), así como también retorno de flujo de agua de drenaje agrícola. En esta etapa, el pan salado principal, el Chott el Djerid, no es una fuente de contaminación. También se desarrolló un modelo de diferencia finita para simular el flujo de agua subterránea y el transporte de contaminantes en los oasis. Se calibró el modelo para el periodo 1950–2000 para de este modo ajustar parámetros del sistema químico y geológico. La simulación de los proyectos de extracción que se han planeado predice un empeoramiento de la situación actual. El mantenimiento del régimen de extracción actual no reducirá o detendrá el incremento de salinidad.

     

Geomechanical model for fracture deformation under hydraulic, mechanical and thermal loads

Hydraulic flow and transport (heat and solute) within crystalline rocks is dominated by the fracture systems found within them. In situ stress conditions have a significant impact on the hydraulic, mechanical and thermal coupled processes, and quantification of these processes provides a key to understanding the often transient time-dependent behaviour of crystalline rocks. In this paper, a geomechanical model is presented which describes fracture closure as a function of effective stress and the changes in parameters such as storage, permeability, porosity and aperture. Allowing the fracture closure to be defined by the change in normal effective stress provides a link to the numerical consideration of parametrical changes due to rock stress alterations caused for example by changes in fracture fluid pressure, stress release, tectonic stress, thermal stress, orientation of the natural fracture in the pervasive stress system and local changes in a rock mass due to stress alteration. The model uses geometrical considerations based on a fractal distribution of apertures on the fracture surface, and applies well-established analytical elastic deformation solutions to calculate the deformation response to changes in effective stress. Analysis of the fractal generation method allows a standard normal distribution of fracture apertures to be predicted for all common fractal dimensions relating to a 2D surface. Changes in the fracture aperture are related to hydraulic functions such as permeability, storage and porosity of the fracture. The geomechanical model is experimentally validated against laboratory scale experimental data gained from the closure of a fractured sample recovered at a depth of 3,800 m from the KTB pilot borehole. Parameters for matching the experimental data were established externally, the only fitting parameters applied were the minimum and maximum contact area between the surfaces and the number of allowable contacts. The model provides an insight into the key processes determining the closure of a fracture, and can act as a material input function for numerical models linking the effects of changes in the stress field, hydraulic or thermal conditions, to the flow and transport parameters of a fractured system.

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Résumé L’écoulement et le transport (chaleur et soluté) dans les roches cristallines sont dominés par les systèmes de fracture. Les conditions de stress in-situ ont un impact significatif sur l’hydraulique, les processus couplés de mécanique et thermique et la quantification de ces processus apportent une clé pour comprendre le comportement transitoire des roches cristallines. Dans cet article un modèle géomécanique est présenté, modèle qui décrit la fermeture des fractures comme une fonction de la contrainte effective et des changements de paramètres tels le coefficient d’emmagasinement, la perméabilité, la porosité et l’ouverture. En s’accordant que la fermeture des fractures est définit par les changements de la contrainte effective normale, on apporte le lien avec la considération numérique des changements paramétriques dus aux altérations de la contrainte des roches, causés par exemple par des variations de la pression des fluides dans les fractures, du dégagement de la contrainte, des contraintes tectoniques et thermiques, des orientations des fractures naturelles dans le système de contraintes pénétrantes, et des changements locaux dans un massif de roches dus à l’altération des contraintes. Le modèle utilise des considérations géométriques basées sur une distribution fractale des ouvertures à la surface des fractures, et permet d’établir des solutions analytiques de la déformation élastique pour calculer la réponse de la déformation à la contrainte effective. L’analyse de la méthode par génération fractale permet de prédire une distribution normale standard de l’ouverture des fractures, pour toutes les dimensions fractales en relation avec les surfaces 2D. Les changements dans l’ouverture des fractures sont mis en relation avec les fonctions hydrauliques tels la perméabilité, l’emmagasinement et la porosité de la fracture. Le modèle géoméchanique est expérimentalement validé à l’échelle du laboratoire sur un échantillon fracturé récupéré à une profondeur de 3,800 mètres sur le puits du site pilote KTB. Les paramètres du calibrage des données expérimentales ont été établies extérieurement, les seuls paramètres utilisés étant les surfaces de contact minimum et maximum, et le nombre de contacts permis. Le modèle apporte une connaissance perspicace sur le processus clé déterminant la fermeture des fractures, et peut servir de fonction input dans les modèles numériques reliant les effets des variations de la contrainte du terrain, les conditions hydrauliques ou thermales, les paramètres de l’écoulement et du transport et les systèmes de fracture.

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Resumen El flujo hidráulico y transporte (de calor y solutos) dentro de rocas cristalinas está dominado por los sistemas de fracturas que se encuentran en ellas. Las condiciones de esfuerzos in-situ tienen un impacto significativo en los procesos aparejados termales, mecánicos e hidráulicos y la cuantificación de estos procesos aporta una clave para entender el frecuente comportamiento transitorio dependiente de las rocas cristalinas. En este artículo se presenta un modelo geomecánico que describe el cierre de fracturas en función del esfuerzo efectivo y los cambios en parámetros tal como almacenamiento, permeabilidad, porosidad y apertura. El definir el cierre de fractura mediante el cambio en esfuerzo normal efectivo aporta un vínculo con la consideración numérica de cambios paramétricos ocasionados por alteraciones de esfuerzos en la roca causadas, por ejemplo, por cambios en presión de fluidos en fractura, liberación de esfuerzo, esfuerzo tectónico, esfuerzo termal, orientación de fracturas naturales en el sistema de esfuerzos penetrante, y cambios locales en una masa rocosa ocasionados por alteración de esfuerzos. El modelo utiliza consideraciones geométricas basadas en la distribución fractal de aperturas en la superficie de fractura y aplica soluciones analíticas bien establecidas de deformación elástica para calcular la respuesta de deformación a cambios en el esfuerzo efectivo. Los análisis del método de generación fractal permiten predecir una distribución normal standard para la distribución de aperturas de fracturas para todas las dimensiones fractales comunes que se relacionan con una superficie 2D. Los cambios en la apertura de fractura se relacionan con funciones hidráulicas tal como permeabilidad, almacenamiento y porosidad de la fractura. El modelo geomecánico se ha validado experimentalmente en contra de datos experimentales a escala de laboratorio obtenidos a partir del cierre de una muestra fracturada recuperada a una profundidad de 3,800 m en el pozo piloto KTB. Se establecieron externamente parámetros que se ajustan a los datos experimentales, con los parámetros de ajuste aplicados que fueron el área máxima y mínima de contacto entre las superficies y el número de contactos permisibles. El modelo arroja luz sobre los procesos clave que determinan el cierre de una fractura y puede actuar como un material de función de entrada para modelos numéricos que vinculan los efectos de cambios en el campo de esfuerzos, condiciones termales o hidráulicas, con los parámetros de flujo y transporte de un sistema fracturado.

     

Roughness control on hydraulic conductivity in fractured rocks

The influence of joint roughness on the typologies of fluid flow inside fractures is well known and, thanks to experiences in the field of hydraulics, it has been studied from both a physical and mathematical point of view. Nevertheless, the formulations adopted by traditional hydraulic models are hardly applicable in the geological field, because of the difficulty encountered in the roughness parameter estimation. Normally this parameter can be estimated using the joint roughness coefficient (JRC), which considers both the asperity height and its regularity and directional trend. The main advantage in using the JRC arises from the fact that it can easily be obtained from geological-technical surveys and from comparison with the standard Barton profiles. Some relationships have been built up that allow for the estimation of the hydraulic conductivity tensor (an essential parameter for understanding water flow in fractured rock masses), not only as a function of traditional parameters like aperture, spacing, dip and dip direction, etc., but also of joint roughness, precisely expressed in terms of the roughness coefficient. These relationships have been studied initially from a theoretical point of view and then practically, through laboratory investigations.

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Resumen  Se conoce muy bien la influencia de la rugosidad de las grietas en las tipologías del flujo de fluidos a lo interior de las fracturas y gracias a las experiencias en el campo de hidráulica ha sido posible estudiarla desde puntos de vista matemáticos y físicos. Sin embargo, las formulaciones adoptadas por los modelos hidráulicos tradicionales tienen poca aplicabilidad en el campo geológico debido a la dificultad relacionada con la estimación del parámetro de rugosidad. Normalmente este parámetro puede estimarse usando el coeficiente de rugosidad de grieta (JRC) el cual considera tanto la altura de la aspereza como su regularidad y tendencia direccional. La principal ventaja de utilizar el JRC se deriva del hecho que puede obtenerse fácilmente de levantamientos técnico-geológicos y de la comparación con los perfiles Standard Barton. Se han construido algunas relaciones que permiten la estimación del tensor de conductividad hidráulica (un parámetro esencial para el entendimiento del flujo de agua en masas de roca fracturadas), no solo en función de parámetros tradicionales como apertura, espaciado, buzamiento y dirección de buzamiento, etc., sino también en función de la rugosidad de la grieta estimada con precisión en términos del coeficiente de rugosidad. Estas relaciones se han estudiado inicialmente desde un punto de vista teórico y luego de modo práctico a través de investigaciones de laboratorio.

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Résumé  L’influence de la rugosité des joints sur les types d’écoulement de fluide dans les fractures est bien connue et a été étudiée aussi bien du point de vue physique que mathématique grace à des expériences menées dans le domaine de l’hydraulique. Cependant les formulations adoptées dans les modèles hydrauliques traditionnels sont difficilement applicables dans le domaine de la géologie à cause de la difficulté rencontrée pour estimer la rugosité. Ce paramètre peut normalement être apprécié grace au coefficient de rugosité du joint (JRC), lequel prend en compte à la fois la hauteur de l’aspérité ainsi que sa régularité et sa direction. Le principal avantage dans l’utilisation du JRC réside dans le fait qu’il peut facilement être obtenu à partir d’études techniques-géologiques et par comparaison avec la classification de Barton. Des relations qui permettent une estimation du tenseur de conductivité hydraulique (un paramètre essentiel pour comprendre l’écoulement de l’eau dans les masses rocheuses fracturées) ont été élaborées, pas seulement en fonction de paramètres traditionnels tels que l’ouverture, l’espacement, l’inclinaison et la direction d’inclinaison, etc , mais aussi en prenant en compte la rugosité des joints à travers le coefficient de rugosité. Ces relations ont initialement été étudiées d’un point de vue théorique puis expérimentalement à travers des recherches en laboratoire.

     

A case study to verify methods for estimating transmissivity distributions along boreholes

Two methods, both using data from fixed-interval-length hydraulic tests and geological mapping on different scales, have been utilised to estimate transmissivity distributions of individual fractures. Individual fracture properties are of importance in estimating transport of water and solutes; they influence the spreading of grout when sealing tunnels. One of the methods is non-parametric, while the other is based on combinatorics and the multiplication principle. The study verified the usefulness of both methods for estimating the probability of conductive and non-conductive fractures, and the transmissivity distributions. Data for estimating transmissivity distributions originate from flow logging of a borehole in Sweden. Fracture frequency data are from core logging and images using a borehole image processing system (BIPS). Estimated transmissivity distributions, based on flow log data from 3-m sections (test scale length, L: 3 m, and step length, dL: 3 m), were compared with transmissivities obtained directly from detailed, overlapping flow logging which identify individual conductive fractures (test scale, L: 0.5 m, step length, dL: 0.1 m). The latter data are considered to be an acceptable approximation of the individual fracture transmissivities; the agreement, compared with the calculated transmissivity distributions based on 3-m section data, is good for both methods.

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Resumen Se han utilizado dos métodos, ambos procesando datos de pruebas hidráulicas de longitud e intervalo fijo y mapas geológicos en distintas escalas, para estimar las distribuciones de transmisividad de fracturas individuales. Las propiedades de fracturas individuales son de importancia para estimar el transporte de agua y solutos; las propiedades influyen en la propagación de lechada al sellar túneles. Uno de los métodos es no paramétrico mientras que el otro se basa en el principio de multiplicación y combinatorio. El estudio verifica la utilidad de ambos métodos para estimar la probabilidad de fracturas conductivas y no conductivas y las distribuciones de transmisividad. Los datos para estimar las distribuciones de transmisividad se originan del registro de flujo de un pozo en Suecia. Los datos de frecuencia de fracturas provienen de registros de núcleo e imágenes usando un Sistema de Procesamiento de Imágenes de Pozo (BIPS). Se compararon las distribuciones estimadas de transmisividad basadas en datos del registro de flujo en secciones de 3 m (longitud de escala de la prueba L: 3 m, y escalón de longitud dL: 3 m), con transmisividades obtenidas directamente de registros detallados de flujo superpuesto el cual identifica fracturas conductivas individuales (escala de la prueba, L: 0.5 m, escalón de longitud, dL: 0.1 m). Los últimos datos se consideran una aproximación aceptable de las transmisividades de fracturas individuales; la consistencia, comparada con las distribuciones de transmisividad calculada basadas en datos de sección de 3 m, es buena para ambos métodos.

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Résumé Deux méthodes ont été testées afin d’estimer la distribution des transmissivités de fractures unitaires; toutes deux utilisent des données issues de tests hydrauliques effectués à intervalles réguliers et de cartographies géologiques à plusieurs échelles. La connaissance des propriétés des fractures unitaires est importante pour estimer le transport d’eau et de solutés; elles influencent en outre l’étalement du coulis lors du scellement des tunnels. La première méthode est non-paramétrique, et la seconde repose sur l’analyse combinatoire et le principe de multiplication. Cette étude a vérifié l’utilité des deux méthodes pour estimer la probabilité d’occurrence de fractures conductrices et non-conductrices, et la distribution des transmissivités. Les distributions des transmissivités ont été estimées à partir de diagraphies effectuées sur un forage situé en Suède. Les densités de fracturation proviennent de carottages et d’imagerie BIPS (Borehole Image Processing System). Les distributions estimées des transmissivités, basées sur des diagraphies de flux effectuées sur des sections de 3 m (échelle du test L:3 m; pas dL:3 m), ont été comparées aux transmissivités obtenues sur des diagraphies de flux détaillées et se chevauchant, identifiant les fractures conductrices unitaires (échelle du test L: 0.5 m ; pas dL: 0.1 m). Il est admis que ces dernières données représentent une approximation satisfaisante des transmissivités des fractures unitaires; les deux méthodes sont en accord avec les distributions des transmissivités calculées à partir des données acquises sur des sections de 3 m.

     

Climate-induced hydrological impacts on the groundwater system of the Pingtung Plain,Taiwan

The Pingtung Plain is one of the most important groundwater-resource areas in southwestern Taiwan. The overexploitation of groundwater in the last two decades has led to serious deterioration in the quantity and quality of groundwater resources in this area. Furthermore, the manifestation of climate change tends to induce the instability of surface-water resources and strengthen the importance of the groundwater resources. Southwestern Taiwan in particular shows decreasing tendencies in both the annual amount of precipitation and annual precipitation days. To effectively manage the groundwater resources of the Pingtung Plain, a numerical modeling approach is adopted to investigate the response of the groundwater system to climate variability. A hydrogeological model is constructed based on the information from geology, hydrogeology, and geochemistry. Applying the linear regression model of precipitation to the next two decades, the modeling result shows that the lowering water level in the proximal fan raises an alarm regarding the decrease of available groundwater in the stress of climate change, and the enlargement of the low-groundwater-level area on the coast signals the deterioration of water quantity and quality in the future. Suitable strategies for water-resource management in response to hydrological impacts of future climatic change are imperative.

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Resumen La llanura Pingtung constituye uno de los recursos de aguas subterráneas más importantes en el Suroeste de Taiwan. La sobreexplotación de las aguas subterráneas en las dos últimas décadas ha dado lugar a un serio deterioro de la calidad y la cantidad de los recursos subterráneos en esta área. En particular el Suroeste de Taiwan muestra una tendencia decreciente en las cantidades de precipitación y en los días anuales de lluvia. Para gestionar de forma efectiva los recursos subterráneos en la Llanura Pingtung, se ha utilizado un modelo numérico aproximado para investigar la respuesta de las aguas subterráneas a la variabilidad climática. Un modelo hidrogeológico se construye a partir de la información geológica, hidrogeológica y geoquímica. Aplicando el modelo de regresión linear de la precipitación para las próximas dos décadas, el modelo resultante muestra que el descenso de los niveles de agua en el abanico proximal es alarmante, observándose el descenso del agua subterránea disponible en la presión del cambio climático, y el crecimiento del área de descensos de niveles de agua subterránea en la costa apunta a un deterioro de la cantidad y calidad del agua subterránea en el futuro. Se imponen pues, estrategias apropiadas para la gestión de los recursos hídricos en respuesta a los impactos hidrológicos del futuro cambio climático.

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Résumé La plaine de Pingtung est l’une des plus importantes zones de ressource en eau souterraine du Sud-Ouest de Taiwan. La surexploitation de l’eau souterraine durant les deux dernières décennies a conduit à une sérieuse détérioration de la quantité et de la qualité des ressources en eau souterraine dans cette zone. De plus, la manifestation des changements climatiques tend à induire une instabilité des ressources en eau souterraine et renforce l’importance des ressources en eau souterraine. Le Sud-Ouest de Taiwan montre, en particulier, des précipitations annuelles et des nombres annuels de jour de pluie à la baisse. Pour gérer efficacement les ressources en eau souterraine de la Plaine de Pingtung, une approche par modélisation numérique est adoptée pour étudier la réponse du système hydrogéologique aux variabilités climatiques. La construction du modèle hydrogéologique est basée sur les informations géologiques, hydrogéologiques et géochimiques. En appliquant le modèle de régression linéaire aux précipitations pour les deux prochaines décades, le résultat de la modélisation montre que la baisse du niveau d’eau atteint un état alarmant au regard de la décroissance des eaux souterraines disponibles et la contrainte du changement climatique, tandis que l’extension de la zone de niveau bas des eaux souterraines à la cote indique une détérioration de la quantité et de la qualité de l’eau dans le futur. Des stratégies convenables pour la gestion des ressources en eau souterraine en réponse aux impacts hydrologiques de futurs changements climatiques sont impératifs.