Characterising thermal water circulation in fractured bedrock using a multidisciplinary approach: a case study of St. Gorman’s Well, Ireland Translated title: Caractérisation de la circulation d’eau thermale dans le substratum rocheux fracturé à l’aide d’une approche multidisciplinaire: une étude de cas à St. Gorman’s Well, Irlande Translated title: Caracterización de la circulación de aguas termales en rocas fracturadas mediante un enfoque multidisciplinar: un estudio de caso de St. Gorman’s Well, Irlanda Translated title: 使用多学科方法表征裂隙基岩中的热水循环:以爱尔兰圣戈尔曼井为例 Translated title: Caracterizando a circulação de água termal em rocha fraturada usando uma abordagem multidisciplinar: um estudo de caso do poço de St. Gorman, Irlanda

Abstract

A hydrogeological conceptual model of the source, circulation pathways and temporal variation of a low-enthalpy thermal spring in a fractured limestone setting is derived from a multidisciplinary approach. St. Gorman’s Well is a thermal spring in east-central Ireland with a complex and variable temperature profile (maximum of 21.8 °C). Geophysical data from a three-dimensional(3D)audio-magnetotelluric(AMT) survey are combined with time-lapse hydrogeological data and information from a previously published hydrochemical analysis to investigate the operation of this intriguing hydrothermal system. Hydrochemical analysis and time-lapse measurements suggest that the thermal waters flow within the fractured limestones of the Carboniferous Dublin Basin at all times but display variability in discharge and temperature. The 3D electrical resistivity model of the subsurface revealed two prominent structures: (1) a NW-aligned faulted contact between two limestone lithologies; and (2) a dissolutionally enhanced, N-aligned, fault of probable Cenozoic age. The intersection of these two structures, which has allowed for karstification of the limestone bedrock, has created conduits facilitating the operation of relatively deep hydrothermal circulation (likely estimated depths between 240 and 1,000 m) within the limestone succession of the Dublin Basin. The results of this study support a hypothesis that the maximum temperature and simultaneous increased discharge observed at St. Gorman’s Well each winter is the result of rapid infiltration, heating and recirculation of meteoric waters within a structurally controlled hydrothermal circulation system.

Supplementary Information

The online version contains supplementary material available at 10.1007/s10040-021-02393-1.

Résumé

Un modèle conceptuel hydrogéologique de la source, des voies de circulation et de la variation temporelle d’une source thermale à faible enthalpie dans un contexte de calcaire fracturé est dérivé d’une approche multidisciplinaire. St. Gorman’s Well est une source thermale du centre-est de l’Irlande avec un profil de température complexe et variable (maximum de 21.8 °C). Les données géophysiques d’un levé audio-magnétotellurique (AMT) en trois dimensions (3D) sont combinées avec des données hydrogéologiques à intervalles de temps et des informations provenant d’une analyse hydrochimique publiée précédemment pour étudier le fonctionnement de cet intrigant système hydrothermal. L’analyse hydrochimique et les mesures à différentes périodes suggèrent que les eaux thermales s’écoulent à tout moment dans les calcaires fracturés du bassin carbonifère de Dublin, mais présentent une variabilité de débit et de température. Le modèle de résistivité électrique 3D du sous-sol a révélé deux structures importantes: (1) un contact faillé orienté NW entre deux lithologies calcaires; et (2) une faille alignée au Nord, améliorée par dissolution, d’âge cénozoïque probable. L’intersection de ces deux structures, qui a permis la karstification du socle calcaire, a créé des conduits facilitant le fonctionnement d’une circulation hydrothermale relativement profonde (profondeurs estimées vraisemblablement entre 240 et 1,000 m) au sein de la succession calcaire du bassin de Dublin. Les résultats de cette étude appuient l’hypothèse selon laquelle la température maximale et l’augmentation simultanée du débit observés à St. Gorman’s Well chaque hiver sont le résultat d’une infiltration, d’un réchauffement et d’une recirculation rapides des eaux météoriques dans un système de circulation hydrothermale structurellement contrôlé.

Resumen

Se deriva un modelo conceptual hidrogeológico de la fuente, las vías de circulación y la variación temporal de un manantial termal de baja entalpía en un entorno de caliza fracturada a partir de un enfoque multidisciplinar. Gorman’s Well es un manantial termal en el centro-este de Irlanda con un perfil de temperatura complejo y variable (máximo de 21.8 °C). Los datos geofísicos de un estudio audio-magnetotelúrico (AMT) tridimensional (3D) se combinan con los datos hidrogeológicos de un lapso de tiempo y la información de un análisis hidroquímico previamente publicado para investigar el funcionamiento de este intrigante sistema hidrotermal. El análisis hidroquímico y las mediciones a intervalos de tiempo sugieren que las aguas termales fluyen dentro de las calizas fracturadas de la cuenca carbonífera de Dublín en todo momento, pero muestran variabilidad en la descarga y la temperatura. El modelo de resistividad eléctrica tridimensional del subsuelo reveló dos estructuras prominentes: (1) un contacto de falla alineado al NW entre dos litologías calcáreas; y (2) una falla de disolución incrementada, alineada al N, de probable edad cenozoica. La intersección de estas dos estructuras, que ha permitido la karstificación del lecho rocoso calcáreo, ha creado conductos que facilitan el funcionamiento de una circulación hidrotermal relativamente profunda (probablemente a profundidades estimadas entre 240 y 1,000 m) dentro de la sucesión calcárea de la cuenca de Dublín. Los resultados de este estudio apoyan la hipótesis de que la temperatura máxima y el aumento simultáneo de la descarga observados en St. Gorman’s Well cada invierno son el resultado de una rápida infiltración, calentamiento y recirculación de aguas meteóricas dentro de un sistema de circulación hidrotermal estructuralmente controlado.

摘要

通过多学科方法, 建立了裂缝型石灰岩环境中低焓温泉的来源、循环路径和时间变化的水文地质概念模型。圣戈尔曼井是爱尔兰中东部的温泉, 温度分布复杂多变 (最高21.8 °C)。将三维 (3D) 音频-大地电磁 (AMT) 调查的地球物理数据与延时水文地质数据和先前发布的水化学分析信息相结合, 调查了有趣的热液系统运行情况。水化学分析和延时测量表明, 热水一直在石炭系都柏林盆地的裂缝型石灰岩内流动, 但流量和温度有变异性。地下的 3D 电阻率模型揭示了两个突出的结构:(1) 两个石灰岩岩性之间的 NW 向断层接触; 和 (2) 可能新生代的溶蚀增强的和N向的断层。两个结构的交叉点使石灰岩基岩发生岩溶作用, 形成了通道, 促进了都柏林盆地石灰岩序列内相对较深的热液循环 (估计深度可能在 240 至 1,000 m 之间)作用。通过这项研究发现每年冬天在圣戈尔曼井观察到的最高温度和同时增加的排泄量是结构控制的热液循环系统中大气水快速入渗、加热和再循环的结果。

Resumo

Um modelo hidrogeológico conceitual da fonte, vias de circulação e variação temporal de uma fonte termal de baixa entalpia em um ambiente de calcário fraturado é derivado de uma abordagem multidisciplinar. O poço de St. Gorman é uma fonte termal no centro-leste da Irlanda com um perfil de temperatura complexo e variável (máximo de 21.8°C). Os dados geofísicos de uma pesquisa áudio-magnetotelúrica (AMT) tridimensional (3D) são combinados com dados hidrogeológicos em intervalos de tempo e informações de uma análise hidroquimica publicada anteriormente, para investigar a operação deste intrigante sistema hidrotérmico. A análise hidroquimica e as medições em intervalos de tempo sugerem que as águas termais fluem de dentro dos calcários fraturados da Bacia Carbonifera de Dublin o tempo todo, mas exibem variabilidade na descarga e na temperatura. O modelo de resistividade elétrica 3D da subsuperfície revelou duas estruturas proeminentes: (1) um contato defeituoso alinhado a NO entre duas litologias de calcário; e (2) uma falha dissolucionalmente aumentada, alinhada a N, de provável idade Cenozóica. A intersecção dessas duas estruturas, que permitiu a carstificação da rocha calcária, criou condutos que facilitam a operação de circulação hidrotérmica relativamente profunda (profundidade estimada entre 240 e 1,000 m) dentro da sucessão de calcário da Bacia Dublin. Os resultados desse estudo suportam a hipótese de que a temperatura máxima e o aumento simultâneo da descarga observada no poço de St. Gorman a cada inverno é o resultado da rápida infiltração, aquecimento e recirculação de águas meteóricas dentro de um sistema de circulação hidrotérmica estruturalmente controlado.