Rapid groundwater recharge dynamics determined from hydrogeochemical and isotope data in a small permafrost watershed near Umiujaq (Nunavik, Canada)

Abstract

Hydrogeochemical data are used to better understand recharge dynamics and to support a hydrogeological conceptual model in a 2-km² watershed in a discontinuous permafrost zone in Nunavik, Canada. The watershed contains an upper (surficial) and lower aquifer within Quaternary deposits, above and below a marine silt layer containing ice-rich permafrost mounds. The analysis is based on water samples from precipitation, groundwater monitoring wells, ground ice in permafrost mounds, thermokarst lakes and a perennial stream. Groundwater geochemistry in both aquifers reflects young, poorly evolved waters, with mainly Ca-HCO₃ water types and low mineralisation ranging from 11 to 158 mg/L total dissolved solids (TDS), implying short pathways and rapid travel times of a year or less. While relatively low, TDS signatures in groundwater and surface water show increasing values downgradient. Groundwater isotope values (δ¹⁸O_H2O and δ²H_H2O) are often strongly influenced by snowmelt, while those of thermokarst lakes show evidence of evaporation. Recharge along the cuesta contributes to a transverse component of groundwater flow within the valley with higher TDS and δ¹³C_DIC values influenced by open-system weathering. Even where permafrost-free, the marine silt unit has a strong confining effect and plays a more important role on recharge dynamics than the discontinuous permafrost. Nevertheless, the vulnerability of these types of hydrogeological aquifer systems is expected to increase due to rapid recharge dynamics associated with the gradual loss of the confining effect of permafrost. This hydrogeochemical data set will be useful as a baseline to document impacts of permafrost degradation on the hydrogeological system.

Résumé

Les données hydrogéochimiques sont utilisées pour mieux comprendre la dynamique de recharge et pour appuyer l’élaboration d’un modèle conceptuel hydrogéologique d’un bassin hydrogéologique de 2 km² dans une zone de pergélisol discontinu dans le territoire de Nunavik, au Canada. Le bassin versant comprend un aquifère supérieur (superficiel) et inférieur qui se développe dans les dépôts du Quaternaire, au-dessus et au-dessous d’une couche de limon marin renfermant des monticules de pergélisol riches en glace. L’analyse est basée sur des échantillons d’eau des précipitations, des puits de suivi des eaux souterraines, de glace des monticules de pergélisol, de lacs de type thermokarst et de cours d’eau pérennes. La géochimie des eaux souterraines dans les deux aquifères reflète des caractéristiques d’eau jeune et peu évoluée, avec principalement des types d’eau Ca-HCO₃ et une faible minéralisation comprise entre 11 et 158 mg/L pour le total des solides dissous, traduisant des écoulements de faible distance et des temps de transit rapides d’une année et même moins. Bien que relativement faibles, les signatures TDS dans les eaux souterraines et les eaux de surface montrent des valeurs croissantes à l’aval des écoulements. Les valeurs des isotopes des eaux souterraines (δ¹⁸O_H2O and δ²H_H2O) sont souvent fortement influencées par la fonte des neiges, tandis que celles des lacs thermokarstiques montrent des signes d’évaporation. La recharge le long de la cuesta contribue à une composante transversale de l’écoulement des eaux souterraines dans la vallée avec des valeurs plus élevées de TDS et de δ¹³C_DIC influencées par l’altération du système ouvert. Même lorsqu’elle est exempte de pergélisol, l’unité de limon marin est fortement peu perméable et joue un rôle plus important sur la dynamique de recharge que le pergélisol discontinu. Néanmoins, on s’attend à ce que la vulnérabilité de ces types de systèmes hydrogéologiques aquifères augmente en raison de la dynamique rapide de recharge liée à la perte progressive du caractère imperméable du pergélisol. Cet ensemble de données hydrogéochimiques sera utile comme référence pour documenter les impacts de la dégradation du pergélisol sur le système hydrogéologique.

Resumen

Los datos hidrogeoquímicos se utilizan para comprender mejor la dinámica de la recarga y para apoyar un modelo conceptual hidrogeológico en una cuenca de 2 km2 en una zona discontinua de permafrost en Nunavik, Canadá. La cuenca contiene un acuífero superior (superficial) e inferior dentro de los depósitos cuaternarios, por encima y por debajo de una capa de limo marino que contiene montículos de permafrost ricos en hielo. El análisis se basa en muestras de agua de precipitación, de pozos de monitoreo de agua subterránea, de hielo del subsuelo en los montículos de permafrost, de lagos de termokarst y de un arroyo perenne. La geoquímica de las aguas subterráneas en ambos acuíferos refleja aguas jóvenes y poco evolucionadas, con tipos de agua principalmente Ca-HCO₃ y baja mineralización que van de 11 a 158 mg/L de sólidos disueltos totales (TDS), lo que implica trayectorias cortas y tiempos de tránsito rápidos de un año o menos. Aunque el contenido de TDS es relativamente bajo en las aguas subterráneas y superficiales muestran valores crecientes pendiente abajo. Los valores de los isótopos de las aguas subterráneas (δ¹⁸O_H2O y δ²H_H2O) a menudo están fuertemente influenciados por el deshielo, mientras que los de los lagos termokársticos muestran evidencia de evaporación. La recarga a lo largo de la cuesta contribuye a un componente transversal del flujo de agua subterránea dentro del valle con valores más altos de TDS y δ¹³C_DIC influenciados por la meteorización en los sistemas abiertos. Incluso cuando está libre de permafrost, la unidad del limo marino tiene un fuerte efecto de confinamiento y juega un papel más importante en la dinámica de recarga que el permafrost discontinuo. Sin embargo, se espera que la vulnerabilidad de estos tipos de sistemas acuíferos hidrogeológicos aumente debido a la dinámica de la recarga rápida asociada con la pérdida gradual del efecto de confinamiento del permafrost. Este conjunto de datos hidrogeoquímicos será útil como línea de base para documentar los impactos de la degradación del permafrost en el sistema hidrogeológico.

摘要

水文地球化学数据用于更好地理解补给动力学, 并支撑构建加拿大努纳维克不连续永久冻土带2 km²流域的水文地质概念模型。该流域包含第四系沉积物中的上部(表层)和下部含水层, 该沉积物位于富含冰的永久冻土堆的海洋淤泥层之上和之下。该分析基于来自降水, 地下水监测井, 多年冻土丘中的地面冰, 热岩溶湖泊和常流河的水样。两个含水层中的地下水地球化学反映了年轻的, 演替不好的水, 主要是Ca-HCO₃型和总溶解固体(TDS)为11至158 mg/L的低矿化度水, 这意味着一年或更短的短途通道和快速途经时间。虽然相对来说较低, 但地下水和地表水中的TDS特征显示增幅值的降低。地下水同位素值(δ¹⁸O_H2O和δ²H_H2O)通常受到融雪的强烈影响, 而热岩溶湖泊则显示有蒸发的证据。沿着cuesta的补给有助于受开放系统风化作用影响的更高TDS和δ¹³C_DIC值山谷内地下水流的横向分量。即使在无永久冻土的情况下, 海洋淤泥单元也具有强大的限制作用, 并且在补给动力学中比不连续的永久冻土更重要。然而, 由于与永久冻土限制效应逐渐减弱相关的快速补给机制, 这些类型的水文地质含水层系统的脆弱性估计会增加。该水文地球化学数据集将作为记录永久冻土退化对水文地质系统影响的基线。

Resumo

Os dados hidrogeoquímicos são usados para entender melhor a dinâmica da recarga e apoiar um modelo conceitual hidrogeológico de uma bacia hidrográfica de 2 km² em uma zona descontínua de petgelissolos em Nunavik, Canadá. A bacia hidrográfica contém um aquífero superior (superficial) e inferior dentro dos depósitos quaternários, acima e abaixo de uma camada de silte marinho contendo acúmulos de pergelissolos ricos em gelo. A análise é baseada em amostras de água de precipitação, de poços de monitoramento de águas subterrâneas, de lagos cársticos termais, de um córrego perene e gelo de superfície em acúmulos de pergelissolo. A geoquímica das águas subterrâneas em ambos os aquíferos reflete águas jovens pouco desenvolvidas, com principalmente tipos de água Ca-HCO₃ e baixa mineralização variando de 11 a 158 mg/L de sólidos dissolvidos totais (SDT), implicando caminhos curtos e tempos de viagem rápidos de um ano ou menos. Embora relativamente baixas, as assinaturas de SDT nas águas subterrâneas e nas águas superficiais mostram valores crescentes em declínio. Os valores dos isótopos das águas subterrâneas (δ¹⁸OH₂O e δ²H_H2O) são frequentemente bastante influenciados pelo derretimento da neve, enquanto os dos lagos cársticos termais mostram evidências de evaporação. A recarga ao longo da cuesta contribui para um componente transversal do fluxo das águas subterrâneas no vale, com valores mais altos de SDT e δ¹³C_DIC influenciados pelo intemperismo do sistema aberto. Mesmo onde não há pergelissolo, a unidade de silte marinho tem um forte efeito confinante e desempenha um papel mais importante na dinâmica de recarga do que o pergelissolo descontínuo. No entanto, espera-se que a vulnerabilidade desses tipos de sistemas aquíferos aumente devido à rápida dinâmica de recarga associada à perda gradual do efeito limitante do pergelissolo. Esse conjunto de dados hidrogeoquímicos será útil como base para documentar os impactos da degradação do pergelissolo no sistema hidrogeológico.