Original paper

An other approach of karstic dynamic hydrochemistry: relationships between variations in flow and chemical characteristics in karstic waters

Pellegrin, Jean-Christophe Hoffmann

Kurzfassung

Ein Karstsystem wird geprägt von den verkarstungsfähigen Gesteinen, den unterirdischen Karstwasserleitern und der Abflussdynamik. Alle diese Parameter korrelieren untereinander und steuern die Karstquellen. Beobachtungen zeigen, dass es über das ganze Jahr möglich ist, eine Relation zwischen dem Verhalten der Quellen und der chemischen Zusammensetzungen des Karstwassers aufzustellen.Karstquellen werden einerseits charakterisiert durch die Varianz der Karstwassermineralisation und andererseits durch die Bilanz der Calcium Ionen zu den Bikarbonat Ionen.Die Mineralisation kann abnehmen (Verdünnung) oder ansteigen (Konzentration). Verdünnung erfolgt bei Anstieg des Abflusses, wenn eine rasche Ankunft von Regenoder Schmelzwasser an der Quelle erfolgt. Konzentration ist zurückzuführen auf eine langsame Zirkulation oder gering entwickelte Karstsysteme. Daraus folgt, dass die Karstwasserleiter einen Einfluss auf die Kalklösung und die Varianz der Quelle haben.Die Ionenbilanz wird bei der Mehrheit der Karstwässer durch das Calcium-Karbonat Lösungsgleichgewicht bestimmt, aber in geringem Gehalt vorhandene andere Ionen bewirken gegensätzliche Gleichgewichte. Im ersten Fall bestimmen die Gehalte von Calcium und Magnesium das Lösungsgleichgewicht, im anderen Falle wird der Calcium und auch Magnesiumgehalt durch Sulfat-Ionen gesteuert. Die Ionenbilanz einiger Quellen zeigt signifikant die Komplexität der Systeme. Daraus folgt, dass die Ionenbilanz der Karstquellen von der geologischen Zusammensetzung der Gesteine bestimmt wird.

Abstract

A karstic system is defined by the type of kartified rock, by the conduits geometry and by the hydraulic flows'dynamic. All of these parameters have a common interaction on the spring waters'restitution. Some observations point out that it is possible to establish a relation between the variations of this restitution and the variation of the waters'chemical composition all over the year. The expression of this relation is based on a pool. It characterizes, on the one hand, the variation of karstic waters'mineralization by the functioning (we use calling functioning, the variation of the mineralization depending on the flow) and on the other, by their behaviour pattern (in this case, we use calling behaviour pattern, the rate of calcium ions in relation to bicarbonate ions).The functioning of karstic springs can be seen, in a general way, either in dilution or in concentration. The functioning with dilution effect characterized by a decrease of the mineralization when the flow increases on the contrary, the functioning with with concentration effect is characterized by a growth of the mineralization while the flow is growing too. The functioning with dilution effect is explained by a fast arriving in the karst of rainwater or thaw of low mineralisation. The functioning with concentration effect is due to a lower circulation, in a close relation with a structure of karstic vacuums more fragmented. Accordingly, the morphology of karstic conduits has an influence on the speed of limestone dissolved and determines the spring functioning.The majority of a karstic water's mineralization is represented by the calco-carbonated system. However, some other ions with less contents still alter balances of this system. Some datas show that springs have a calcium concentrations behaviour pattern still inferior to bicarbonate concentrations and others have an opposite behaviour pattern. In the first case, magnesium and calcium are those which "balance" bicarbonates; in the second one, calcium excess (and magnesium) is "balanced" by sulfate ions in water mixed calco-carbonated ionic behaviour patterns of some springs are significant of the complexity of their supply. So, karsting springs behaviour pattern are determined by the geological composition of rocks.

Résumé

Cette approche, à partir de chroniques de sources karstiques, permet de proposer une classification dynamique des eaux. Elle n'est pas basée sur une composition moyenne, mais prend en compte les variations de la minéralisation. Cette classification s'appuie également sur les variations du débit. Elle met en relation le sens de variation des débits et le sens de variation de la minéralisation. Cette relation permet de discriminer deux familles de dynamique ionique: celle des fonctionnements hydrochimiques à effet dilutif ou concentratif, et celles des comportements ioniques calco-carbonatés. En effet, la première reflètent l'évolution de la minéralisation en fonction du débit, la seconde la stabilité dans le temps des proportions ioniques du système calco-carbonaté.