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

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 (δ18OH2O and δ2HH2O) 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 δ13CDIC 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.

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 (δ18OH2O and δ2HH2O) 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 δ13CDIC 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.

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 (δ18OH2O y δ2HH2O) 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 δ13CDIC 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.

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 δ2HH2O) 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 δ13CDIC 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.