Estimation of fault-zone conductance by calibration of a regional groundwater flow model: Desert Hot Springs, California

Abstract

The hydraulic conductance of a large fault zone has been estimated by calibrating a regional groundwater flow model. Drops in groundwater elevations of over 80 m have been observed along a 15-km length of the Mission Creek fault, California, USA. The large drops in elevation are attributed to the reduced hydraulic conductivity of the fault materials. A conceptual and numerical model of the two hydrologic subbasins in Desert Hot Springs, separated by the Mission Creek fault, was developed. The model was used to estimate the hydraulic conductance along the fault. The parameter estimation involved calibrating the model with observed groundwater elevations from over 40 locations over a 60-year period. The fault hydraulic conductances were estimated assuming a linear trend in the fault length, yielding variations in the fault hydraulic conductance of about an order of magnitude along the fault length (2 × 10⁻¹¹–4 × 10⁻¹⁰ 1/s). When an average fault thickness of 35 m is assumed, the fault hydraulic conductivity values are estimated to be from three to five orders of magnitude lower than the surrounding materials. A sensitivity analysis indicated that assumptions made in the conceptual model do not significantly affect estimated fault hydraulic conductances.

Résumé

La conductance hydraulique d’une zone présentant une large faille a été estimée grâce à la calibration d’un modèle hydrogéologique régional d’écoulement. Des chutes de niveaux piézométriques de plus de 80 m ont été observées le long de la faille de Mission Creek en Californie, Etats-Unis, sur une longueur de 15 km. Les importantes baisses de niveau sont attribuées à la faible conductivité hydraulique des matériaux de la faille. Un modèle conceptuel et numérique des deux sous-bassins hydrologiques du Desert Hot Springs, séparés par la faille de Mission Creek a été élaboré. Le modèle a été utilisé pour estimer la conductance hydraulique le long de la faille. L’estimation de ce paramètre a impliqué de calibrer le modèle avec les niveaux piézométriques observés au niveau de 40 localisations sur une période de 60 ans. Les conductances hydrauliques de la faille ont été estimées avec l’hypothèse d’une tendance linéaire sur la longueur de la faille, accommodant les variations des valeurs de conductance hydraulique de la faille d’environ un ordre de grandeur le long de la longueur de la faille (2 × 10⁻¹¹–4 × 10⁻¹⁰ s⁻¹). Lorsque l’épaisseur moyenne de la faille est supposée de 35 m, les valeurs de conductivité hydraulique de la faille sont estimées être entre 3 à 5 ordres de grandeurs inférieurs par rapport aux matériaux environnants. Une analyse de sensibilité a indiqué que les hypothèses formulées dans le modèle conceptuel n’affectent pas de manière significative les conductances hydrauliques estimées de la faille.

Resumen

Se ha estimado la conductancia hidráulica de una gran zona de falla, mediante la calibración de un modelo de flujo regional de agua subterránea. Se han observado caídas en las elevaciones del agua subterránea por encima de 80 m a lo largo unos 15-km de longitud de la falla Mission Creek, California, EE.UU. Se atribuyen los descensos grandes en la elevación, a la conductibilidad hidráulica reducida de los materiales de la falla. Se desarrollaron un Modelo conceptual y numérico de las dos subcuencas hidrológicas en el Desierto Hot Springs, separadas por la falla de Misión Creek. El modelo fue utilizado para estimar la conductancia hidráulica a lo largo de la falla. La estimación del parámetro involucró calibrar al modelo, con las elevaciones del agua subterránea observadas en más de 40 localidades y por un periodo mayor a 60 años. Las conductancias hidráulicas de la falla se estimaron asumiendo una tendencia lineal en la longitud de la falla, obteniendo variaciones en la conductancia hidráulica de la falla, de alrededor de un orden de magnitud a lo largo de la longitud de la falla (2 × 10⁻¹¹–4 × 10⁻¹⁰ s⁻¹). Cuando es supuesto un espesor medio de la falla de 35 m, se estiman los valores de conductibilidad hidráulicos de la falla, de tres a cinco órdenes de magnitud más bajos que los de materiales circundantes. Un análisis de sensibilidad indicó, que los supuestos hechos en el modelo conceptual, no afectan significativamente las conductancias hidráulicas estimadas de la falla.