Published April 13, 2011 | Version v1
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Isotope hydrogeology and geothermal applications to clarify the origin, the sustainability and the character of groundwater flow. Examples of the Bohemian and Aquitaine sedimentary basins

Description

Isotopic investigations combined with geothermal applications represent powerful tools for the exploration of groundwater potential as a drinking or geothermal resource. This Ph.D. Thesis combines both approaches, environmental and radioactive isotopes together with temperature data in deep aquifers, in order to enrich and update the knowledge concerning the aquifer recharge processes in the Aquitaine Basin (France) and the aquifer recharge processes and geothermal potential in the Bohemian Cretaceous Basin (Czech Republic). Stable isotopes (18O, 2H, 13C) combined with radioisotope data (14C, 3H) are used to estimate the recharge timing and climatic conditions prevailing during the infiltration from the Late Pleistocene up to modern time. The character of groundwater recharge and regime are necessary to generate relevant source data for the accurate modelling of complex groundwater systems. Three groups of groundwater recharge types can be distinguished throughout Europe - (i) continuous recharge and (ii) interrupted recharge during Last Glacial Maximum and (iii) a group corresponding to particular recharge conditions. The contrasted geographic and climate conditions at both study sites in France and the Czech Republic have entailed a great heterogeneity of the recharge conditions and processes. Southern France, with generally mild climatic conditions during the last 40 ka BP, did not experienced considerable hiatus in groundwater recharge. The residence time of groundwater in the Bohemian aquifers is estimated about 11 ka BP at the maximum but the depletion in the stable isotopes suggests that this groundwater originates in the melting of the north European ice sheets after the Last Glacial Maximum period, i.e. 18-20 ka BP. Further investigations on both stable and radioactive carbon isotopes indicated numerous groundwater interactions within the reservoir that were used to delineate the carbon origin within the Bohemian aquifers. Information on groundwater geochemistry was supplemented in the Czech case study by geothermal data in order to improve our knowledge of groundwater flow and dynamics. More than one hundred of temperature records from well-logging measurements were used to assess the geothermal gradient in the Bohemian Cretaceous Basin which is the most promising heat accumulation within the country. Many phenomena can affect the thermal field in the region. Vertical groundwater flow and variations in the lithology and the topography lead to a complicated areal distribution of the geothermal gradient and the heat flux which is dominantly controlled by groundwater. Shallow tectonic structures and numerous volcanic rocks exercise an influence on groundwater flow and therefore exert a secondary effect on the thermal field. The geothermal investigation provided useful information on the geothermal resources within the region but also represents an important tool for understanding groundwater flow, and for constructing realistic hydrogeological models in such a complex geological, tectonic and geothermal context. (author)

Abstract (French)

Les etudes isotopiques couplees avec des informations geothermiques peuvent constituer des outils pertinents pour l'exploration des eaux souterraines en tant que ressources en eau potable ou geothermiques. Ce travail combine les deux approches, isotopes de l'environnement et radioactifs associes a des donnees de temperature sur des aquiferes profonds, dans l'objectif d'enrichir et d'ameliorer la connaissance des mecanismes de recharge (Bassin d'Aquitaine, France) ainsi que des mecanismes de recharge et du potentiel geothermique (Bassin Cretace de Boheme, Republique Tcheque). Les isotopes stables (18O, 2H, 13C) utilises conjointement avec des radioisotopes (14C, 3H) sont utilises pour estimer l'epoque de la recharge ainsi que les conditions climatiques qui prevalaient lors de l'infiltration depuis la fin de Pleistocene jusqu'a nos jours. Definir le type de recharge et les conditions d'ecoulement est necessaire pour parvenir a modeliser de facon satisfaisante et fiable les grands systemes aquiferes profonds. Trois types de recharge ont ete definis en Europe - (i) continue, (ii) interrompue lors du dernier maximum glaciaire (LGM) - un troisieme type (iii) correspond a des situations particulieres de recharge. Les conditions geographiques et climatiques tres differentes rencontrees en France et en Republique Tcheque ont engendrees une importante heterogeneite des conditions et processus de recharge. Le sud de la France, avec un climat relativement doux depuis les derniers 40 ka BP, n'a pas enregistre d'interruption de la recharge. Le temps de sejour des eaux souterraines en Boheme est estime a environ 11 ka BP au maximum. Cependant, l'appauvrissement des teneurs en isotopes stables enregistre suggere une recharge liee a la fonte de la calotte glaciaire Nord Europeenne apres le dernier maximum glaciaire (LGM), autour de 18-20 ka BP. Des investigations sur les isotopes du carbone mineral dissous des eaux souterraines du bassin de Boheme ont montrees d'importantes interactions avec differentes sources de carbone qui ont ete identifiees. Pour le site d'etude tcheque, les informations apportees par la geochimie ont ete completees par des donnees geothermiques afin d'ameliorer la connaissance des flux et de la dynamique des eaux souterraines. Plus d'une centaine d'enregistrements diagraphiques de temperature ont ete utilises pour estimer le gradient geothermique. Plusieurs phenomenes viennent perturber le gradient geothermique de la region. Les flux d'eau souterraine verticaux et les variations lithologiques et topographiques sont a l'origine d'une distribution complexe du flux de chaleur, etant majoritairement conditionne par les ecoulements souterraines. Les discontinuites peu profondes et les nombreux pointements volcaniques exercent aussi une influence importante sur l'ecoulement souterrain et donc aussi sur le potentiel geothermique du reservoir. Les investigations sur la geothermie ont ainsi fourni des informations fondamentales sur le potentiel geothermique mais aussi sur les conditions d'ecoulement des eaux souterraines. La prise en compte de ces informations s'avere necessaire afin de proposer des modeles mathematiques d'ecoulement realistes. (auteur)

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FRNC-TH--10578

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