Groundwater geochemistry in shallow aquifers above longwall mines in Illinois, USA

Abstract

 Aquifers above high-extraction underground coal mines are not affected by mine drainage, but they may still exhibit changes in groundwater chemistry due to alterations in groundwater flow induced by mine subsidence. At two active longwall mine sites in Illinois, USA, glacial-drift aquifers were largely unaffected by mining, but the geochemistry of the bedrock aquifers changed during the post-mining water-level recovery. At the Jefferson site, brackish, high-sulfate water present in the upper bedrock shale briefly had lower values of total dissolved solids (TDS) after mining due to increased recharge from the overlying drift, whereas TDS and sulfate increased in the sodium-bicarbonate water present in the underlying sandstone due to downward leakage from the shale and lateral inflow of water through the sandstone. At the Saline site, sandstones contained water ranging from brackish sodium-chloride to fresh sodium-bicarbonate type. Post-mining recovery of the potentiometric levels was minimal, and the water had minor quality changes. Longwall mining affects geochemistry due to subsidence-related fracturing, which increases downward leakage from overlying units, and due to the temporary potentiometric depression and subsequent recovery, whereby water from surrounding areas of the aquifer recharges the affected zone above and adjacent to the mine.

Résumé

Les aquifères situés au-dessus de mines de charbon et soumis à de forts pompages ne sont pas affectés par le drainage minier, mais peuvent montrer des modifications du chimisme des eaux souterraines dues à celles de l'écoulement souterrain provoquées par l'abaissement piézométrique au niveau de la mine. Dans deux sites miniers en activité de l'Illinois (États-Unis), des aquifères de moraines glaciaires n'ont pas, de façon générale, été affectés par l'exploitation minière; mais la géochimie des aquifères du substratum s'est modifiée lors de la remontée de la nappe, après arrêt de l'exploitation. Sur le site de Jefferson, où l'exploitation était pratiquée sur un large front, des eaux saumâtres, fortement sulfatées, existant dans les marnes du sommet du substratum, ont présenté très brièvement de plus faibles minéralisations après l'arrêt de la mine, du fait de l'accroissement de la recharge à partir de l'aquifère sus-jacent, tandis que la minéralisation et les sulfates ont augmenté dans les eaux bicarbonatées sodiques des grès sous-jacents, à cause de la drainance des marnes et de venues latérales d'eaux dans les grès. Sur le site de Saline, les grès contenaient des eaux de minéralisation variant de saumâtre à faciès chloruré sodique à douce à faciès bicarbonaté sodique. La remontée de la nappe après l'arrêt de l'exploitation a été minimale et les eaux ont subi des changements de qualité mineurs. L'exploitation minière sur un large front de taille affecte le chimisme des eaux à cause de la fracturation liée à l'effondrement, qui favorise l'augmentation de la drainance à l'aval à partir des formations sus-jacentes, et à cause de la dépression piézométrique temporaire et de la remontée consécutive, lorsque les eaux des zones voisines de l'aquifère rechargent la zone affectée au-dessus et à côté de la mine.