Using saline tracers to evaluate preferential recharge in fractured rocks, Floyd County, Virginia, USA

Abstract

Potassium chloride (KCl) and potassium bromide (KBr) tracers were used to explore the role of geologic structure on groundwater recharge and flow at the Fractured Rock Research Site in Floyd County, Virginia, USA. Tracer migration was monitored through soil, saprolite, and fractured crystalline bedrock for a period of 3 months with chemical, physical, and geophysical techniques. The tracers were applied at specific locations on the ground surface to directly test flow pathways in a shallow saprolite and deep fractured-rock aquifer. Tracer monitoring was accomplished with differential electrical resistivity, chemical sampling, and physical monitoring of water levels and spring discharge. KCl, applied at a concentration of 10,000 mg/L, traveled 160 m downgradient through the thrust fault aquifer to a spring outlet in 24 days. KBr, applied at a concentration of 5,000 mg/L, traveled 90 m downgradient through the saprolite aquifer in 19 days. Tracer breakthrough curves indicate diffuse flow through the saprolite aquifer and fracture flow through the crystalline thrust fault aquifer. Monitoring saline tracer migration through soil, saprolite, and fractured rock provided data on groundwater recharge that would not have been available using other traditional hydrologic methods. Travel times and flowpaths observed during this study support preferential groundwater recharge controlled by geologic structure.

Résumé

Les traceurs de chlorure de potassium (KCl) et bromure de potassium (KBr) ont été utilisés pour explorer l’impact de la structure géologique sur la recharge et l’écoulement de l’eau souterraine au Site de Recherche sur les Roches Fracturées dans le comté de Floyd en Virginie aux USA. La migration du traceur a été surveillée dans le sol, le saprolite et le socle cristallin fracturé sur une période de 3 mois au moyen de techniques chimiques, physiques et géophysiques. Les traceurs ont été injectés à la surface du sol, en des lieux spécifiquement choisis pour évaluer directement les lignes d’écoulement dans un saprolite peu profond et un aquifère de roche fracturée profond. La surveillance des traceurs a été réalisée au moyen de résistivité électrique différentielle, échantillonnage chimique et surveillance physique des niveaux d’eau et du débit des sources. Le KCl, injecté à une concentration de 10, 000 mg/L, a parcouru en 24 jours 160 m en aval à travers l’aquifère affecté par la faille inverse jusqu′à l’exutoire d’une source. Le KBr, injecté à une concentration de 5, 000 mg/L, a transité sur 90 m à travers l’aquifère de saprolite en 19 jours. Les courbes de restitution des traceurs indiquent un écoulement diffus à travers l’aquifère de saprolite et un écoulement de fracture à travers l’aquifère de socle cristallin affecté par la faille inverse. La surveillance de la migration du traceur salin à travers le sol, le saprolite et la roche fracturée a apporté des données sur la recharge de l’eau souterraine qui n’auraient pas été disponibles via d’autres méthodes hydrologiques. Les temps de transport et les directions d’écoulement observés durant cette étude étayent l’idée d’une recharge préférentielle contrôlée par la structure géologique.

Resumen

Mediante la utilización de cloruro potásico (KCl) y bromuro potásico (KBr), se ha investigado el papel de la estructura geológica en la recarga y flujo del agua subterránea en el punto de Investigación de rocas fracturadas en Floyd County, Virginia, USA. La migración de los trazadores se ha monitorizado a través del suelo, el saprolito y las rocas cristalinas fracturadas durante 3 meses mediante técnicas químicas, físicas y geofísicas. Los trazadores se aplicaron en sitios específicos de la superficie del suelo para testar directamente los flujos de agua en el saprolito superficial y el acuífero profundo en rocas fracturadas. La monitorización de los trazadores se acompañó de medidas de resistividad eléctrica diferencial, muestreo químico y monitorización física de los niveles de agua y la descarga en manantiales. KCl, aplicado en una concentración de 10,000 mg/L, viajó 160 m aguas abajo a través del acuífero hacia un manantial en 24 días. KBr, aplicado con una concentración de 5,000 mg/L, viajó aguas abajo 90 m a través de acuífero en el saprolito durante 19 días. Las curvas de la llegada de los trazadores indican la existencia de flujo difuso a través del saprolito y el flujo a través de fracturas del acuífero cristalino fallado. Monitorizando los trazadores salinos a través del suelo, el saprolito y la roca fracturada se consiguen datos de la recarga que no serían obtenidos usando otros métodos hidrológicos tradicionales. Los tiempos de residencia y los caminos del flujo observados durante este estudio apuntan a la existencia de recarga de agua subterránea por flujos preferenciales controlados por la estructura geológica.