『Abstract
Geochemical processes occurring at a seawater/freshwater interface
were studied in a shallow coastal siliclastic aquifer containing
minor amounts of calcite. Data were collected from 106 piezometers
in a 120-m transect from the coastline and landward. In the first
40 m from the coastline, a wedge of saltwater is intruding below
the freshwater aquifer. The aquifer is strongly reduced with mineralization
of organic matter by methanogenesis in the freshwater aquifer,
and sulfate reduction dominating in the most seaward part of the
saline aquifer. The spatial separation of cations in the aquifer
indicated a slow freshening process where Ca2+ from
freshwater displaced the marine cations Na+ and Mg2+
from the exchanger complex. The resulting loss of Ca2+
from solution decreases the saturation state for calcite and possibly
causes calcite dissolution. A storm-flooding event was recorded
where pulses of dense seawater sank through the fresh aquifer.
As a result, the terminal electron accepting process switched
from methanogenesis to sulfate reduction. The pulses of sinking
seawater also triggered cation exchange reactions where Ca2+
was expelled from the exchanger by seawater Na+ and
Mg2+. The released Ca2+ is being flushed
from the aquifer by groundwater flow, and this export of Ca2+
will, in the long term, cause decalcification of the sediment.
The water composition in the aquifer is in a transient state as
the result of various processes that operate on different timescales.
Oxidation of organic matter occurs continuously but at a rate
decreasing on a geological time scale. The freshening of the aquifer
operates on the timescale of a few years. The episodic flooding
and sinking of seawater through the aquifer proceeds in the course
of days to weeks, but occurs irregularly with years in between.』
『要旨
海水/淡水界面で生じている地球化学過程が、少量の方解石を含んだ浅い沿岸珪質砕屑性帯水層において研究された。データは、海岸線と陸の方にはった120mのトランセクトでの106のピエゾメーター(水圧測探器)から集められた。海岸線から最初の40mでは、海水のくさびが淡水帯水層の下に侵入している。帯水層は、淡水帯水層でのメタノゲネシス(メタンの生合成)による有機物の鉱化作用で強く還元されており、塩水帯水層のもっとも海側の部分で硫酸塩還元が優勢であった。帯水層中の陽イオンの空間分離から、淡水からのCa2+が交換体の錯体から海洋性陽イオンのNa+
とMg2+を置き換えるところで、ゆっくりした塩分を除く過程が示された。溶液から結果としてCa2+が失われることは、方解石に対する飽和状態が減少し、たぶん方解石の溶解をもたらす。脈動的に濃い海水が淡水帯水層をとおって沈んだところに、嵐による洪水イベントが記録されていた。その結果、最終の電子受容過程がメタン生合成から硫酸還元へ切り替わった。脈動的に沈み込む海水はまた、Ca2+が海水のNa+とMg2+によって交換体から吐き出されるような陽イオン交換反応のきっかけとなった。放出されたCa2+は地下水流によって帯水層から洗い流され、そして長期におよぶこのようなCa2+の輸出は堆積物の脱灰化を引き起こす。帯水層の水の組成は、異なる時間スケールで働くさまざまな過程の結果として過渡状態にある。有機物の酸化は連続的に起こるが、地質時間スケールでは速度は減少する。帯水層の塩分の除去は数年の時間スケールで起こる。時たまおこる洪水および帯水層をとおる海水の沈み込みは、数日から数週間の間におこるが、数年の間では不規則に生じる。』
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. Monitoring well installation and sediment coring
2.2. Field water analysis procedures
2.3. Laboratory water analysis procedures
2.4. Laboratory procedures for sediment samples
2.5. Hydrogeology
3. Results and discussion
3.1. Water chemistry at the seawater/freshwater interface
3.1.1. Distribution of chloride and seawater
3.1.2. Redox species and organic matter
3.1.3. Cation exchange and CEC
3.1.4. Calcite equilibria
3.1.5. Reactive transport modeling
3.2. Storm flooding and groundwater composition
3.2.1. Changed redox conditions after storm flooding
3.2.2. Ion exchange reactions caused by storm flooding
3.2.3. Changes in calcite equilibria
3.2.4. Modeling of sinking seawater pulses
4. Conclusions
Acknowledgments
References