Groundwater as a geologic agent: An overview of the causes, processes, and manifestations

Abstract

 The objective of the present paper is to show that groundwater is a general geologic agent. This perception could not, and did not, evolve until the system nature of basinal groundwater flow and its properties, geometries, and controlling factors became recognized and understood through the 1960s and 1970s.

The two fundamental causes for groundwater's active role in nature are its ability to interact with the ambient environment and the systematized spatial distribution of its flow. Interaction and flow occur simultaneously at all scales of space and time, although at correspondingly varying rates and intensities. Thus, effects of groundwater flow are created from the land surface to the greatest depths of the porous parts of the Earth's crust, and from a day's length through geologic times. Three main types of interaction between groundwater and environment are identified in this paper, with several special processes for each one, namely: (1) Chemical interaction, with processes of dissolution, hydration, hydrolysis, oxidation-reduction, attack by acids, chemical precipitation, base exchange, sulfate reduction, concentration, and ultrafiltration or osmosis; (2) Physical interaction, with processes of lubrication and pore-pressure modification; and (3) Kinetic interaction, with the transport processes of water, aqueous and nonaqueous matter, and heat. Owing to the transporting ability and spatial patterns of basinal flow, the effects of interaction are cumulative and distributed according to the geometries of the flow systems.

The number and diversity of natural phenomena that are generated by groundwater flow are almost unlimited, due to the fact that the relatively few basic types are modified by some or all of the three components of the hydrogeologic environment: topography, geology, and climate. The six basic groups into which manifestations of groundwater flow have been divided are: (1) Hydrology and hydraulics; (2) Chemistry and mineralogy; (3) Vegetation; (4) Soil and rock mechanics; (5) Geomorphology; and (6) Transport and accumulation. Based on such a diversity of effects and manifestations, it is concluded that groundwater is a general geologic agent.

Résumé

L'objectif de ce papier est de montrer que les eaux souterraines sont un agent géologique général. On n'a pas pu avoir conscience de ce rôle avant que la nature en tant que système de l'écoulement souterrain dans les bassins et ses propriétés, ses géométries et ses facteurs de contrôle aient été reconnus et compris au cours des années 60 et 70.

Les deux causes fondamentales du rôle actif des eaux souterraines dans la nature sont leur capacitéà interagir avec l'environnement et la distribution spatiale généralisée de leur écoulement. L'interaction et l'écoulement se produisent en même temps à toutes les échelles de temps et d'espace, mais à des taux et à des intensités variables selon les échelles. Ainsi, les écoulements souterrains produisent leurs effets depuis la surface du sol jusqu'aux profondeurs les plus grandes dans les parties poreuses de l'écorce terrestre, et pour des durées qui s'étendent d'une journée jusqu'aux temps géologiques. Trois types principaux d'interaction entre les eaux souterraines et l'environnement sont identifiés dans ce papier, avec plusieurs processus particuliers pour chacun ; ce sont: 1) les interactions chimiques, avec les processus de dissolution, d'hydratation, d'hydrolyse, d'oxydo-réduction, d'attaque acide, de précipitation chimique, d'échange de bases, de réduction des sulfates, de concentration et d'ultrafiltration ou d'osmose, 2) les interactions physiques, avec les processus de lubrification et de modification de pression de pores, et 3) les interactions cinétiques, avec les processus de transport de l'eau, de substances aqueuses et non aqueuses et de chaleur. Grâce à la capacité de transport et à l'organisation spatiale des écoulements dans les bassins, les effets de ces interactions sont cumulatifs et se distribuent en fonction des géométries des systèmes d'écoulement.

Le nombre et la diversité des phénomènes naturels générés par les écoulements souterrains sont presque illimités, du fait que les quelques types de base sont modifiés par certaines ou par l'ensemble des trois composantes de l'environnement hydrogéologique: la topographie, la géologie et le climat. Voici les six groupes de base dans lesquels les eaux souterraines se manifestent: 1) l'hydrologie et l'hydraulique, 2) la chimie et la minéralogie, 3) la végétation, 4) le sol et la mécanique des roches, 5) la géomorphologie, et 6) le transport et l'accumulation. En se basant sur une telle variété des effets et des manifestations, on en conclut que les eaux souterraines sont un agent géologique général.

Resumen

El objetivo del artículo es mostrar que el agua subterránea es un agente geológico habitual. Esta percepción no se pudo desarrollar hasta que la naturaleza de la hidrogeología de cuenca, sus propiedades, geometría y factores de control no fueron reconocidos y entendidos en las décadas de los 60–70.

Las dos causas fundamentales para el papel activo de las aguas subterráneas en la naturaleza son su capacidad para interactuar con el medio ambiente y la distribución espacial del flujo. Ambas tienen lugar simultáneamente a todas las escalas de espacio y tiempo, aunque con distintas intensidades. Así, el flujo subterráneo tiene lugar desde la superficie hasta a grandes profundidades, y desde escalas de un día hasta tiempos geológicos. En este artículo se identifican tres tipos principales de interacciones entre aguas subterráneas y medio ambiente, con ciertos procesos particulares para cada tipo de interacción: (1) Interacción química, con los procesos de disolución, hidratación, hidrólisis, oxidación-reducción, ataque químico, precipitación, intercambio iónico, reducción de sulfatos, concentración, ultrafiltración y ósmosis; (2) Interacción física, con los procesos de lubrificación y modificación de presiones y (3) Interacción cinética, con los procesos de transporte de agua, materia acuosa y no acuosa y calor. Dadas la capacidad de transporte y las características especiales del flujo en cuencas sedimentarias, los efectos de interacción son acumulativos y se distribuyen de acuerdo con la geometría de los sistemas de flujo.

El número y la diversidad de los fenómenos naturales que se generan mediante flujo subterráneo son prácticamente ilimitados, ya que los tipos básicos se pueden modificar por una o varias de las componentes del medio hidrogeológico: topografía, geología y clima. Los seis grupos básicos en los que se han dividido las manifestaciones de flujo subterráneo son: (1) Hidrología e hidráulica, (2) Química y mineralogía, (3) Vegetación, (4) Mecánica del suelo y de las rocas, (5) Geomorfología y (6) Transporte. Basándose en tan gran diversidad de efectos y manifestaciones se concluye que las aguas subterráneas son un agente geológico habitual.