Mining unique soft old water within the Manson Impact Structure, Iowa (USA)

Abstract

The City of Manson, Iowa (USA), lies near the center of the Manson Impact Structure (MIS), a 37-km diameter impact crater that formed about 74 million years ago. The MIS is present at the bedrock surface, but it is completely buried by 20–90 m (70–300 ft) of glacial till and displays no surface expression. Groundwater samples were collected from Manson’s municipal well and nearby domestic wells to assess the sustainability of unusually soft water that typifies the central peak of the Manson Impact Structure. Groundwater quality indices from the various aquifer sources were distinctly different, with groundwater from the central peak of the crater exhibiting low Ca (<22 mg/L) and alkalinity (<127 mg/L as CaCO₃), and high concentrations of fluoride (>3.7 mg/L; max = 10.0 mg/L) and certain trace elements (e.g. Li, Mo, W). In contrast, groundwater collected from wells in overlying Quaternary aquifers was very hard (high Ca and Mg), with high alkalinity (>261 mg/L as CaCO₃), sulfate (58–485 mg/L) and occasionally nitrate-N (up to 6 mg/L). Age-dating techniques using ³H, ¹⁴C, and ³⁶Cl suggested water older than 35,000 years to possibly as old as 1,000,000 years within the central peak aquifer, but indicated recent water in overlying aquifers. Pumping of the Manson municipal wells appears to be mining old water of the central peak aquifer and drawing modern water containing elevated hardness and nitrate-N down into the aquifer. The Manson example illustrates a source-water challenge of balancing aquifer quality with sustainability.

Résumé

La ville de Manson, Iowa (Etats Unis d’Amérique) est située à proximité du centre de la structure d’impact de Manson (SIM), un cratère d’impact de 37 km de diamètre qui s’est formé il y a environ 74 millions d’années. La SIM est présente à la surface du substratum, mais est complétement recouverte par 20 à 90 mètres (70–300 pieds) de moraines glaciaires et ne présente aucune expression morphologique en surface. Les échantillons d’eau souterraine ont été collectés à partir des puits municipaux de Manson et de puits domestiques dans les environs afin d’évaluer la durabilité de l’eau inhabituellement douce qui est caractéristique de la partie centrale de la SIM. Les indices de qualité de l’eau souterraine provenant de différentes sources aquifères étaient nettement distincts, avec les eaux souterraines de la partie centrale du cratère présentant une faible concentration en Ca (<22 mg/L) et alcalinité (<127 mg/L de CaCO₃), et de fortes concentrations en fluorure (>3.7 mg/L ; max = 10.0 mg/L) et de certains éléments traces (par ex. Li, Mo, W). En revanche, les eaux souterraines échantillonnées au niveau de puits des aquifères quaternaires sus jacents sont caractérisées par une très forte dureté (concentrations en Ca et Mg élevées), avec une alcalinité élevée (>261 mg/L de CaCO₃), avec des sulfates (58–485 mg/L) et occasionnellement avec des nitrates (jusqu’à 6 mg/L). Les techniques de datations utilisées à l’aide de ³H, ¹⁴C, et ³⁶Cl ont suggéré des eaux de plus de 35,000 ans à voir à plus de 1,000,000 ans au sein de l’aquifère dans la partie centrale du cratère, mais ont donné des âges récents pour les aquifères sus-jacents. Pomper dans les puits municipaux de Manson revient à une exploitation minière d’eau eau ancienne de l’aquifère de la partie centrale du cratère et à drainer de l’eau récente caractérisée par une dureté élevée et des teneurs en nitrate dans l’aquifère. L’exemple de Manson illustre un défi en matière de ressource en eau afin de maintenir la qualité de l’eau de manière durable.

Resumen

La ciudad de Manson, Iowa (EEUU), se encuentra cerca del centro del Manson Impact Structure (MIS), un cráter de impacto de 37-km de diámetro que se formó hace alrededor de 74 millones de años. El MIS está presente en la superficie del basamento, pero está completamente enterrado por 20–90 m (70–300 pie) de till glaciario y no despliega ninguna expresión superficial. Las muestras de agua subterránea fueron recolectadas de pozos municipales de Manson y de pozos domésticos cercanos para evaluar la sustentabilidad de la inusual agua blanda que tipifica el pico central del Manson Impact Structure. Los índices de calidad de agua subterránea a partir de varias fuentes acuíferas fueron claramente diferentes, donde el agua subterránea del pico central del cráter exhibe bajo Ca (<22 mg/L) y alcalinidad (<127 mg/L como CaCO₃), y altas concentraciones de fluoruro (>3.7 mg/L; max = 10.0 mg/L) y ciertos elementos trazas (por ejemplo Li, Mo, W). En contraste, el agua subterránea recolectada de pozos en los acuíferos del Cuaternario suprayacentes fue muy dura (alto Ca y Mg), con una alta alcalinidad (>261 mg/L como CaCO₃), sulfato (58–485 mg/L) y ocasionalmente nitrato -N (hasta 6 mg/L). Las técnicas de datación de la edad usando ³H, ¹⁴C, y ³⁶Cl sugirieron agua más viejas que 35,000 años y posiblemente tan viejas como 1,000,000 de años dentro del pico central del acuífero, pero indicaron agua reciente en los acuíferos supracentes. El bombeo en los pozos municipales del Mason parece estar realizando la minería de las aguas viejas del acuífero del pico central y extrayendo agua moderna que contiene elevada dureza y nitrato-N hacia abajo en el acuífero. El ejemplo de Manson ilustra el desafío del equilibrio de la calidad de la fuente de agua del acuífero con la sustentabilidad.

摘要

(美国)爱荷华州曼森市位于曼森撞击构造(MIS)中心附近,这个撞击构造是一个直径37公里的撞击坑,大约形成于7400万年前。曼森撞击构造存在于基岩表面,但完全被20-90 米(70-300英尺)厚的冰碛物所 覆盖,地表一点也看不到。从曼森市政井和附近家庭井中采集了地下水样,用来评价不寻常软水的可持续性,这里的软水代表着曼森撞击构造的中心峰值。各种各样的含水层地下水质量指标明显不同,撞击坑中心峰值的地下水中Ca(<22 mg/L)和碱度(CaCO₃,<127 mg/L)较低,而氟含量很高(>3.7 mg/L; 最大 = 10.0 mg/L),同时也含一定数量的微量元素(例如Li, Mo, W)。与此相反,从上覆第四纪含水层井中采集的地下水非常硬(Ca和Mg含量高),碱度(CaCO₃ > 261 mg/L)和硫酸盐含量(58–485 mg/L)高,硝酸盐-N含量(达6 mg/L)偶尔高。采用³H, ¹⁴C和 ³⁶Cl测年技术测量结果表明,中心峰值含水层内的水年龄至少35万年到大概1百万年,但在上覆的含水层内有近代水。曼森市政井抽水好像是开采中心峰值含水层的古老水,致使硬度增加的、含有硝酸盐-N的现代水进入含水层。曼森的实例说明了平衡含水层水质和可持续性所面临的源-水挑战。

Resumo

A Cidade de Manson, Iowa (EUA), situa-se perto do centro da Estrutura de Impacto de Manson (MIS), uma cratera de impacto com 37 km de diâmetro que se formou há cerca de 74 milhões de anos atrás. O MIS está presente à superfície do bedrock, mas encontra-se completamente soterrada por 20 a 90 m de till glacial e não tem qualquer expressão à superfície. As amostras de água subterrânea foram recolhidas no poço municipal de Manson e em poços domésticos próximos, para avaliação da sustentabilidade da água branda pouco usual que tipifica o pico central da MIS. Os índices de qualidade da água subterrânea das várias origens aquíferas são diferentemente distintos, com a água subterrânea do pico central da cratera a exibir baixos conteúdos de Ca (<22 mg/L) e alcalinidade (<127 mg/L CaCO₃), e altas concentrações de fluoreto (>3.7 mg/L; máx = 10.0 mg/L) e de alguns elementos traço (por exemplo Li, Mo, W). Em contraste, a água subterrânea recolhida em poços nos aquíferos Quaternários superiores é muito dura (elevado Ca e Mg), com elevada alcalinidade (>261 mg/L CaCO₃), sulfato (58–485 mg/L) e, ocasionalmente, nitrato-N (até 6 mg/L). As técnicas de datação com ³H, ¹⁴C, e ³⁶Cl sugerem água com mais de 35,000 anos, até possivelmente tão antigas como 1,000,000 de anos, na área do aquífero do pico central, mas indicam água recente nos aquíferos sobrejacentes. O bombeamento a partir dos poços municipais de Manson parece extrair água antiga fóssil a partir do aquífero do pico central, o que produz a entrada descendente de água contendo elevada dureza e nitrato-N no aquífero inferior. O exemplo de Manson ilustra o desafio que se apresenta em relação às origens de água no balanço da qualidade da água do aquífero com a sustentabilidade.