Characterising the main karst aquifers of the Alvand basin, northwest of Zagros, Iran, by a hydrogeochemical approach

The Alvand River basin, situated in the northwest of the Zagros mountain range, Iran, drains carbonate aquifers through some important karst springs. The physical, chemical and isotopic characteristics of spring water were studied for two years in order to assess the origin of groundwater and determine the factors driving the geochemical composition. Principal components analysis was used to identify the main factors controlling the water chemistry. Two groups of springs were identified: (1) low mineralisation, ion concentration, especially sulphate, low temperature, light isotope composition and high elevation of the recharge area, and (2) moderate to high mineralisation, especially sulphate, higher temperature, heavy isotope composition and low altitude of the recharge area. The main factors controlling the groundwater composition and its seasonal variations are the geology, because of the presence of evaporite formations, the elevation and the rate of karst development. In both groups, the carbonate chemistry is diagnostic of the effect of karst development. The supersaturation with respect to calcite indicates CO₂ degassing, occurring either inside the aquifer in open conduits, or at the outlet in reservoirs. The undersaturation with respect to calcite shows the existence of fast flow and short residence-time conditions inside the aquifer. A PCA analysis showed that, contrary to most developed karst systems, where dilution occurs during the wet season, leaching of the gypsum-bearing Gachsaran Formation by rainwater produced higher mineralisation.

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Resumen La cuenca del río Alvand, situada en el noreste de la cadena montañosa Zagros drena acuíferos compuestos por carbonatos a través de manantiales kársticos. Durante dos años se estudiaron las características físicas, químicas e isotópicas del agua de manantial con el objetivo de determinar el origen del agua subterránea y de los factores que controlan su composición geoquímica. Se utililizó el análisis de componentes principales para identificar los factores principales que controlan la química del agua. Se identificaron dos grupos de mantaniales: (1) de baja mineralización, concentración de iones especialmente sulfatos, y baja temperatura, composición de isotopos livianos y elevación alta del área de recarga, y (2) mineralización moderada y alta, especialmente, sulfatos, y temperatura más alta, composición de isotopos pesados y altitud más baja del agua de recarga. Los factores principales que controlan la composición del agua subterránea y sus variaciones estacionales son la geología debido a la presencia de formaciones evaporitas, la elevación y la tasa a la que se desarrolla el karst. En ambos grupos la química de los carbonatos es un diagnóstico del efecto del desarollo de la estructura kárstica. La supersaturación con respecto a la calcita indica presencia de CO₂ que está en proceso de degasificación que ocurre dentro de acuífero en conductos abiertos o a la salida en reservorios. La subsaturación en lo referente a la calcita muestra la existencia de flujo rápido y de tiempos cortos de residencia al interior del acuífero. El análisis de componentes principales muestra que a diferencia de la mayor parte de sistemas kársticos en donde la dilución ocurre durante la temporada de lluvias, la lixiviación de la formación Gachsaran que contiene yeso a causa de lluvia produce mineralizaciones más altas.

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Résumé Le bassin de la rivière Alvand, situé dans le nord-ouest de la chaîne de montagne Zagros, draine des aquifères carbonatés par le biais dun important réseau de sources karstiques. Les caractéristiques physiques, chimiques et isotopiques de leau provenant des sources ont été étudiées pendant deux ans afin de déterminer lorigine de leau souterraine et les facteurs responsables de sa composition chimique actuelle. Lanalyse des éléments chimiques majeurs a été utilisée pour identifier les processus qui contrôlent la composition chimique de leau. Deux groupes différents de sources ont été identifiés: (1) faible minéralisation et concentration en ions, spécialement en sulfates, faible température, composition isotopique légère et haute élévation de la zone de recharge, et (2) minéralisation moyenne à élevée, particulièrement en sulfates, température élevée, composition isotopique lourde et plus basse altitude de la zone de recharge. Les facteurs principaux qui contrôlent la composition et la variation saisonnière de leau souterraine sont la géologie, en raison de la présence dévaporites, lélévation et le taux de développement des karsts. Dans les deux groupes, la teneur en carbonates est un diagnostic de leffet du développement de la structure des karsts. La sursaturation par rapport à la calcite indique un dégazage en CO₂ qui a lieu soit à lintérieur de laquifère, dans les conduits ouverts, ou à sa sortie, dans les réservoirs. La sous-saturation par rapport à la calcite indique lexistence dun écoulement rapide et un faible temps de résidence dans laquifère. Une analyse des éléments chimiques majeurs a démontré que contrairement aux systèmes de karst les mieux développés où la dilution a lieu lors de la saison humide, le lessivage du gypse de la formation de Gachsaran par leau de pluie produit une minéralisation plus élevée.