Relation of hydraulic conductivity to depth, alteration, and rock type in the volcanic rocks of Pahute Mesa, Nevada, USA

Abstract

A large data set of hydraulic conductivity (K) with depth was used to examine and isolate the influences of rock type, volcanic-rock alteration, and depth on K heterogeneity in the volcanic rocks of Pahute Mesa, Nevada, USA. K varied laterally up to seven orders of magnitude, even when controlling for alteration, rock type, and depth. Mean K values, however, differed by no more than two orders of magnitude between different alteration, rock type, or depth groupings. Shallow fractured lava flows (LF) and welded tuff (WT) in the upper 500 m of the saturated zone are hydraulically similar and have the highest mean K values of the volcanic rocks studied. Largely because of these high-K rocks, 90% of the transmissivity occurs in the shallow part of the flow system. Matrix-dominated nonwelded and bedded tuffs and deep LFs and WTs have low mean K values because of secondary alteration and limited open fracture networks. The relations of K with overburden pressure have weak correlations because of large heterogeneity, even in hydraulically similar data sets. Overburden pressure likely causes a one-to-three orders of magnitude decrease in K in the saturated zone within 2,000 m of the land surface, whereas lateral heterogeneity varies at least five orders of magnitude at any given depth. Field-scale, lateral and vertical K distributions from this work can be applied to conceptual and numerical studies of groundwater flow in complex volcanic settings.

Résumé

Un grand jeu de données sur la conductivité hydraulique (K) en fonction de la profondeur a été utilisé pour examiner et isoler les influences respectives du type de roche, de l’altération des roches volcaniques et de la profondeur sur l’hétérogénéité de K dans les roches volcaniques de Pahute Mesa, Nevada, Etats-Unis d’Amérique. K varie latéralement jusqu’à sept ordres de grandeur, même en contrôlant l’altération, le type de roche et la profondeur. Cependant, les valeurs moyennes de K ne diffèrent pas de plus de deux ordres de grandeur entre les différents groupes d’altération, de type de roche ou de profondeur. Les coulées de lave fracturées peu profondes (LF) et les tufs soudés (WT) situés dans les 500 m supérieurs de la zone saturée sont hydrauliquement similaires et présentent les valeurs moyennes de K les plus élevées des roches volcaniques étudiées. En grande partie à cause de ces roches à K élevée, 90% de la transmissivité se trouve dans la partie peu profonde du système d’écoulement. Les tufs non soudés et lités dominés par la matrice et les LF et WT profonds ont des valeurs moyennes de K faibles en raison d’une altération secondaire et de réseaux de fractures ouvertes limités. Les relations de K avec la pression des terrains de recouvrement ont des corrélations faibles en raison de la forte hétérogénéité, même dans des jeux de données hydrauliquement similaires. La pression des terrains de recouvrement entraîne probablement une diminution d’un à trois ordres de grandeur de K dans la zone saturée à moins de 2000 m de profondeur, alors que l’hétérogénéité latérale varie d’au moins cinq ordres de grandeur à toute profondeur donnée. Les distributions latérales et verticales de K à l’échelle du terrain issues de ce travail peuvent être appliquées aux études conceptuelles et numériques de l’écoulement des eaux souterraines dans des environnements volcaniques complexes.

Resumen

Se utilizó un amplio conjunto de datos de conductividad hidráulica (K) en función de la profundidad para examinar y aislar las influencias del tipo de roca, la alteración de la roca volcánica y la profundidad con respecto a la heterogeneidad de K en las rocas volcánicas de Pahute Mesa, Nevada, Estados Unidos. El K varió lateralmente hasta siete órdenes de magnitud, incluso cuando se controló la alteración, el tipo de roca y la profundidad. Los valores medios de K, sin embargo, no difieren en más de dos órdenes de magnitud entre los diferentes grupos de alteración, tipo de roca o profundidad. Los flujos de lava fracturados poco profundos (LF) y la toba sellada (WT) en los 500 m superiores de la zona saturada son hidráulicamente similares y tienen los valores medios de K más altos de las rocas volcánicas estudiadas. En gran parte debido a estas rocas de alto K, el 90% de la transmisividad se produce en la parte somera del sistema de flujo. Las tobas no soldadas y estratificadas dominadas por la matriz y las LF y WT profundas tienen valores medios de K bajos debido a la alteración secundaria y a las limitadas redes de fracturas abiertas. Las relaciones de K con la presión de sobrecarga tienen correlaciones débiles debido a la alta heterogeneidad, incluso en conjuntos de datos hidráulicamente similares. La presión de sobrecarga probablemente causa una disminución de uno a tres órdenes de magnitud en K en la zona saturada dentro de los 2,000 m de la superficie terrestre, mientras que la heterogeneidad lateral varía al menos cinco órdenes de magnitud a cualquier profundidad. Las distribuciones de K laterales y verticales a escala de campo de este trabajo pueden aplicarse a estudios conceptuales y numéricos del flujo de agua subterránea en entornos volcánicos complejos.

摘要

一套与深度相关的渗透系数(K)大数据集用于研究和分析美国内华达州Pahute Mesa火山岩岩石类型、火山岩蚀变和渗透系数非均质厚度的影响。 K 侧向变化最多可达七个数量级，即使控制蚀变，岩石类型和深度。但是，平均K值在不同的蚀变、岩石类型或深度分组之间的差异不超过两个数量级。饱和区500 m的浅裂隙熔岩流(LF)和密实凝灰岩(WT)在水力上具有相似性，并且所研究的火山岩的平均K值最高。很大程度上是由于这些高K岩石，90%的传导系数发生在流动系统的浅层部分。由于次要蚀变和有限的开裂缝网络，基质主导的非密实和成层凝灰岩以及深LFs和WTs的平均K值较低。由于异质性很大，即使对于水力上相似的数据集，K 与覆盖压力的关系具有较弱的相关性。覆盖压力可能会导致2,000 m地表以内的饱和区的K降低一到三个数量级，而在任何给定的深度，侧向异质性至少有五个数量级变化。本工作的野外尺度、侧向和垂直K分布研究可以应用于复杂火山环境中地下水流的概念模型和数值研究。

Resumo

Um grande conjunto de dados de condutividade hidráulica (K) com profundidade foi usado para examinar e isolar as influências do tipo de rocha, alteração da rocha vulcânica e profundidade sobre a heterogeneidade de K nas rochas vulcânicas de Pahute Mesa, Nevada, EUA. K variava lateralmente até sete ordens de magnitude, mesmo quando se controlava por alteração, tipo de rocha e profundidade. Os valores médios de K, entretanto, diferiram por não mais que duas ordens de magnitude entre diferentes alterações, tipo de rocha, ou agrupamentos de profundidade. Os fluxos rasos de lava fraturada (LF) e tufo vulcânico soldado (TVS) nos 500 m mais altos da zona saturada são hidraulicamente similares e têm os maiores valores médios de K das rochas vulcânicas estudadas. Em grande parte, devido a estas rochas apresentarem alto K, 90% da transmissividade ocorre na parte rasa do sistema de fluxo. Os tampões não soldados e de cama dominados por matriz e os LFs e TVSs profundos têm baixos valores médios de K por causa da alteração secundária e redes de fraturas abertas limitadas. As relações de K com pressão de sobrecarga têm correlações fracas devido à grande heterogeneidade, mesmo em conjuntos de dados hidraulicamente semelhantes. A pressão de sobrecarga provavelmente causa uma diminuição de uma a três ordens de magnitude em K na zona saturada dentro de 2,000 m da superfície terrestre, enquanto a heterogeneidade lateral varia pelo menos cinco ordens de magnitude em qualquer profundidade. As distribuições de K em escala de campo, lateral e vertical deste trabalho podem ser aplicadas a estudos conceituais e numéricos do fluxo de águas subterrâneas em ambientes vulcânicos complexos.