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Use of trace elements to distinguish flows from different types of carbonated rocks

Utilisation des éléments traces pour distinguer les écoulements de différents types de carbonates

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Abstract

Chemistry of groundwater is heavily affected by water-rocks interactions. Major elements in groundwater provide valuable indications on main aquifer rock types but requires strong lithological contrasts. Carbonate rocks differ because of deposit conditions and diagenesis and it bears significant implications for groundwater flow. It is established that trace elements in carbonates depend on deposit environment and diagenesis (Gholami Zadeh et al., 2019; Hood et al., 2018; Li et al., 2020). In waters from carbonate aquifers, variation of trace elements contents is observed at different spatial and temporal scales (Dematteis, 1995; Morgantini et al., 2010; Schürch et al., 2004). While some of this variability is due to recharge characteristics, in the absence of anthropic contamination the main process affecting trace elements contents is water-rock interactions. This leads to the potential for trace elements to be a natural tracer of limestone rock types. This work aims to develop a natural tracer of limestone rock types that could distinguish the fingerprints of the different sub-reservoirs of carbonate aquifers. To this purpose, we studied the Fontaine de Vaucluse karst system (southern France). It has a large recharge area (~ 1160km²; Ollivier, 2020) composed of Upper Barremian limestones of inner/outer platform, slope and basinal environnements (Masse and Fenerci-Masse, 2011; Léonide et al., 2012). We analysed major and trace elements of a set of 107 rock samples representative of the complete lithologie, facies and rock type properties of these carbonates. We also performed a one-year sampling campaign on 17 flow points: 12 in unsaturated zone from the LSBB gallery (lsbb.cnrs.fr), 3 springs, 1 stream losses, and at the main outlet of the karst system. In addition to trace elements we also monitored major elements, stables isotopes, TOC and fluorescence of natural organic matter. A hierarchical clustering was performed with trace element contents of rock samples. It splits data into four groups according to facies description (inner/outer platforms, slope, basin). In water, first results show temporal and spatial variation of trace elements of Fontaine de Vaucluse system. These promising results hint that trace element seem to be relevant natural tracers of the path taken by water in different limestones.
La chimie des eaux souterraines est affectée par les interactions eau-roches. Les éléments majeurs peuvent renseigner sur le type de roches principal constituant l'aquifère, mais cela nécessite d'importants contrastes lithologiques. Les roches carbonatées varient en fonction de leurs conditions de dépôt et de la diagenèse, ce qui peut impliquer une variation des écoulements d'eau souterraine. Il est établi que les éléments en trace contenus dans les roches carbonatées dépendent de l'environnement de dépôts et de la diagenèse (Gholami Zadeh et al., 2019; Hood et al., 2018; Li et al., 2020). Dans les eaux des aquifères karstiques, des variations des concentrations en éléments en trace peuvent être observées à différentes échelles spatiales et temporelles (Dematteis, 1995; Morgantini et al., 2010; Schürch et al., 2004). Bien qu'une partie de cette variabilité puisse provenir des caractéristiques de la recharge, en l'absence de contamination anthropique, le processus majeur impactant les concentrations en éléments en trace est l’interaction eau-roche. De ce fait, les éléments en trace semblent avoir le potentiel d'un traceur naturel des types de calcaires traversés par l'eau. Ce travail a pour objectif de développer un traceur naturel capable de distinguer les signatures des différents sub-réservoirs des aquifères carbonatés. Pour cela, nous nous sommes intéressés au système karstique de Fontaine de Vaucluse (au sud de la France). Ce système présente une importante aire de recharge (~ 1160km²; Ollivier, 2020) composée de calcaires du Barrémien supérieur déposés dans différents environnements : plateformes interne, externe, pente et bassin (Masse and Fenerci-Masse, 2011; Léonide et al., 2012). Les éléments majeurs et traces de 107 échantillons de roches représentatifs de la lithologie, des faciès et des propriétés pétrophysiques du système ont été analysés. Un suivi d'un an a également été réalisé, comprenant 17 points d'écoulements : 12 de la zone non saturée situés dans les galeries du LSBB (lsbb.cnrs.fr), 3 sources, une pertes, et l'exutoire principale du système. En plus des éléments traces, les éléments majeurs, les isotopes stables, le TOC et la fluorescence de la matières organiques ont également été suivis. Un clustering hiérarchique a été réalisé à partir des teneurs en éléments traces des échantillons de roches. Il a conduit à la séparation des données en 4 groupes correspondants aux faciès décrits (plateformes interne/externe, pente, bassin). Dans l'eau, les premiers résultats montrent une variations temporelle et spatiales des éléments en trace au niveau du systèmes Fontaine de Vaucluse. Ces résultats prometteurs indiquent que les éléments traces semblent être des traceurs naturels pertinents du chemin emprunté par l'eau au travers de différents calcaires.
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Dates and versions

hal-03817369 , version 1 (17-10-2022)

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Cite

Leïla Serène, Christelle Batiot-Guilhe, Naomi Mazzilli, Philippe Leonide, Christophe Emblanch, et al.. Use of trace elements to distinguish flows from different types of carbonated rocks. IAHS-AISH Scientific Assembly 2022, May 2022, Montpellier, France. ⟨10.5194/iahs2022-329⟩. ⟨hal-03817369⟩
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