Application of airborne and ground geophysics to unravel the hydrogeological complexity of the Deccan basalts in central India

Abstract

Groundwater occurrence in continental flood basalt, where multiple lava flows separated by intertrappean and irregular patterns of lineaments govern the regional hydro-dynamics, is poorly understood. This necessitates a high-resolution hydrogeophysical investigation to devise an effective groundwater management plan. To enhance the knowledge and unravel the hydrogeological complexity of such systems, an integrated hydrogeophysical investigation consisting of local-scale vertical electrical soundings, ground-based transient electromagnetic soundings, relatively large-scale electrical resistivity tomography (ERT) and helicopter-borne transient electromagnetic (H-TEM) surveys was carried out in an area of the Deccan Traps (372 km²) near Nagpur, central India. A 14.4-km-long and almost continuous profile of ERT was conducted, with special attention to the lateral discontinuity, which was compared with the H-TEM data. The results from these studies were further supported and validated by drilling of exploratory wells at select locations, geophysical logging and pumping tests. Integration of the results successfully provided a geophysical characterization of the basalts, to develop a consistent lithological model that was finally transformed into hydrogeological sections. The pumping test (exploratory wells) derived aquifer transmissivity data that complemented the anomalies of the electrical parameters. Furthermore, the hydrogeological observations revealed that the groundwater yield is strongly correlated (R² = 0.78) with the depth to the Basalt-Gondwana contact.

Résumé

La présence d’eaux souterraines dans les basaltes des traps continentaux, où de multiples coulées de lave séparées par des schémas d’inter trapps et irréguliers de linéaments qui régissent l’hydrodynamique régionale, est mal comprise. Cela nécessite une étude hydrogéophysique à haute résolution pour élabore un plan de gestion efficace des eaux souterraines. Pour améliorer les connaissances et déchiffrer la complexité hydrogéologique de ces systèmes, une exploration hydrogéophysique intégrée consistant en des sondages électriques verticaux à l’échelle locale, des sondages électromagnétiques au sol, en mode transitoire, une tomographie par résistivité électrique (ERT) à relativement grande échelle et des relevés électromagnétiques en mode transitoire (HTEM) en aéroporté par hélicoptère ont été effectués dans une zone des Trapps du Deccan (372 km²) près de Nagpur, dans le centre de l’Inde. Un profil de 14.4 km de long et presque continu d’ERT a été réalisé, avec une attention particulière à la discontinuité latérale, et qui a été comparée aux données d’HTEM. Les résultats de ces études ont été étayés et validés par la réalisation de forages d’exploration en endroits choisis, par des diagraphies géophysiques et par des essais de pompage. L’intégration des résultats a permis de fournir une caractérisation géophysique des basaltes, de développer un modèle lithologique cohérent qui a finalement été transformé en coupes hydrogéologiques. Les essais de pompage au niveau des forages d’exploration ont permis d’obtenir des données sur la transmissivité de l’aquifère complétant les anomalies des paramètres électriques. En outre, les observations hydrogéologiques ont révélé que l’emmagasinement de l’aquifère était fortement corrélé (R² = 0.78) avec la profondeur du contact entre les basaltes et les séquences sédimentaires du Gondwana.

Resumen

Es poco conocida la presencia de aguas subterráneas en basaltos continuos, donde múltiples coladas de lava separadas por patrones intertrapezoidales e irregulares de lineamientos gobiernan la hidrodinámica regional. Esto requiere una investigación hidrogeofísica de alta resolución para diseñar un plan eficiente de gestión de las aguas subterráneas. Para mejorar el conocimiento y desentrañar la complejidad hidrogeológica de estos sistemas, se llevó a cabo una investigación hidrogeofísica integrada que consistía en sondeos eléctricos verticales a escala local, sondeos electromagnéticos transitorios en tierra, tomografía de resistividad eléctrica (ERT) a escala relativamente grande y estudios electromagnéticos transitorios desde helicóptero (HTEM) en una zona de las Trampas del Decán (372 km²) cerca de Nagpur, en el centro de la India. Se realizó un perfil casi continuo de ERT de 14.4 km de longitud, con especial atención a la discontinuidad lateral, que se comparó con los datos de HTEM. Los resultados de estos estudios se apoyaron y validaron además mediante la perforación de pozos exploratorios en lugares seleccionados, el registro geofísico y las pruebas de bombeo. La integración de los resultados proporcionó con éxito una caracterización geofísica de los basaltos, para desarrollar un modelo litológico consistente que finalmente se transformó en secciones hidrogeológicas. Las pruebas de bombeo (pozos exploratorios) obtuvieron datos de transmisividad del acuífero que complementaron las anomalías de los parámetros eléctricos. Además, las observaciones hidrogeológicas revelaron que el rendimiento de las aguas subterráneas estaba fuertemente correlacionado (R² = 0,78) con la profundidad del contacto Basalto-Gondwana.

摘要

陆面洪流式玄武岩中的地下水分布情况知之甚少, 其中由跨层和不规则的构造线分隔的多个熔岩流控制了区域水动力学。这就需要进行高分辨率的水文地球物理调查, 以制定有效的地下水管理计划。为了增强知识并揭示此类系统的水文地质复杂性, 在印度中部那格浦尔附近的德干陷阱(372 km²)地区进行了综合水文地球物理调查, 包括局部尺度垂直电测深、地面瞬态电磁测深、相对大尺度电阻率层析成像(ERT)和直升机载瞬态电磁探测(HTEM)调查。进行了 14.4 km长且几乎连续的 ERT 剖面, 特别注意了横向不连续性, 并与 HTEM 数据进行了比较。这些研究的结果通过在选定位置钻探探井、地球物理测井和抽水试验得到了进一步支撑和验证。结果的整合成功地提供了玄武岩的地球物理特征, 以形成一致的岩性模型, 最终转化为水文地质剖面。抽水试验(探井)得出的含水层压力传导系数数据补充了电气参数的异常。此外, 水文地质观测表明, 地下水出水量与Basalt-Gondwana接触点的深度密切相关(R² = 0.78)。

Resumo

A ocorrência de águas subterrâneas em derrames basálticos continentais, onde múltiplos fluxos de lava foram separados por padrões intertrapeados e irregulares de lineamentos que governam a hidrodinâmica regional, é pouco compreendida. Isto requer uma investigação hidrogeofísica de alta resolução para elaborar um efetivo plano de gestão de águas subterrâneas. Para melhorar o conhecimento e desvendar a complexidade hidrogeologica de tais sistemas, uma investigação hidrogeofísica integrada constituída por sondagens elétricas verticais em escala local, sondagens eletromagnéticas transientes do solo, tomografia de resistividade elétrica (TRE) em escala relativamente grande e levantamento eletromagnético transiente a bordo de helicópteros (LEMTH) foram conduzidos em uma área dos Derrames Basalticos de Deccan (372 km²) próximo a Nagpur, na Índia central. Um perfil TRE de comprimento de 14.4 km e praticamente continuo foi realizado, com atenção especial a descontinuidade lateral, que foi comparado com os dados LEMTH. Os resultados desses estudos foram posteriormente suportados e validados pela perfuração de poços exploratórios em locais selecionados, perfilagem geofísica e testes de bombeamento. A integração dos resultados proporcionou uma eficiente caracterização geofísica dos basaltos, para desenvolver um modelo litológico consistente que foi por fim transformado em seções hidrogeológicas. O teste de bombeamento (poços exploratórios) derivou a transmissividade do aquífero que complementou as anomalias dos parâmetros elétricos. Além disso, as observações hidrogeológicas revelaram que a produtividade de águas subterrâneas apresenta uma forte correlação (R² = 0.78) com a profundidade de contato dos Basaltos-Gondwana.