Geochemistry and Noble Gases of Permafrost Groundwater and Ground Ice in Yukon and the Northwest Territories, Canada

In Canada’s western Arctic, perennial discharge from permafrost watersheds is the surface manifestation of active groundwater flow systems, yet understanding the mechanisms of groundwater recharge and flow in periglacial environments remains enigmatic. This thesis addresses questions on how and where groundwater recharge occurs. Watersheds were selected in Yukon (Fishing Branch River at Bear Cave Mountain) and the Northwest Territories at latitudes spanning from continuous to discontinuous permafrost (five tributary rivers to the Mackenzie River from Wrigley to Aklavik). All are characterized by perennial flow with open water in the winter, and discharge from sedimentary formations of karstic carbonates and evaporate rocks. Determinations of groundwater contributions to discharge, mixing, recharge conditions and circulation times were made on the basis of a suite of analytical approaches involving measurements of major dissolved ions, δ18O, δD, δ13CDIC, 3H, noble gases and flow gauging was conducted at some sites. The application of these tracers show that hydrogeological conditions and flow paths in permafrost terrains are surprisingly similar to those of temperate regions. Groundwater recharge was determined to be a mix of annual precipitation with contributions from snowmelt and precipitation. All systems investigated show that groundwaters have recharged through organic soils with elevated PCO2, which suggests that recharge occurs largely during summer when biological activity is high. Noble gas concentrations show that the recharge temperature was between 0 and 6 °C, which, when considered in the context of discharge temperatures, suggests that there is no significant imbalance of energy flux into the subsurface. Groundwater ages were found using the 3H-3He method and were dependent on flow path. By characterizing groundwater and surface water chemistry, the proportion of groundwater was found in numerous water courses. The possible impact of ground ice formation and melting on noble gas concentrations in groundwater was considered. To assess this link, a new method to measure the noble gas composition of ground ice bodies was developed. The method can be used to determine the origin of ice, based on changes in noble gas ratios between ice originating from compaction of snow (e.g. glacier ice) vs. ice originating from freezing of water. No significant fractionation of noble gases during groundwater freezing and ground ice formation was identified. Applied to determination of the origin of ground ice bodies, the method was shown to be both diagnostic of ice origin and un-encumbered by reactivity in the subsurface, which compromises the use of the dominant atmospheric gases (O2 and N2). Résumé Dans l’Ouest de l'Arctique canadien, la décharge pérenne dans certaines rivières en région de pergélisol est la manifestation en surface d’une circulation d’eau souterraine; cependant la compréhension des mécanismes d’écoulement et de recharge des eaux souterraines en région de pergélisol demeure énigmatique. Cette thèse s’intéresse à la question de savoir comment et où la recharge des eaux souterraines se produit. Des bassins versants ont été choisis au Yukon (Rivière Fishing Branch à Bear Cave Mountain) et dans les Territoire du Nord-Ouest à des latitudes s’étendant du pergélisol discontinu au pergélisol continu (cinq tributaires du Mackenzie entre Wrigley et Aklavik). Toutes ces rivières ont un écoulement d’eau pérenne avec des zones non gelées et une décharge dans des formations sédimentaires de roches carbonatées et d‘évaporites. L’identification des contributions des eaux à la décharge, les mélanges, les conditions de recharge, et les temps de circulation ont été faits à partir d’analyses qui ont inclus les concentrations en éléments majeurs, leur valeur isotopique (δ18O, δD, δ13C, 3H), ainsi que leur teneur en gaz rares. A certain des sites analysés des mesures d’écoulement ont été prises. L’application de ces traceurs montre que les conditions hydrauliques et le chemin des écoulements en région de pergélisol sont similaires à ceux des régions tempérées. La recharge en eau souterraine a été identifiée comme étant un mélange de précipitations annuelles, avec des contributions de neige et de pluies. Tous les systèmes étudiés montrent que les eaux souterraines se sont rechargées en traversant des sols organiques avec une PCO2 élevée, ce qui suggère que la recharge se produire largement durant l’été quand l’activité biologique est élevée. Cependant, les concentrations en gaz nobles montre que la température de recharge des eaux souterraines était entre 0 et 6 °C ce qui indique qu’il n’y a pas de déséquilibre de flux d’énergie à l’intérieur de la zone proche de la surface. L’âge des eaux a été déterminé par la méthode 3H-3He et cet âge est dépendant du chemin d'écoulement. En caractérisant les paramètres chimiques des eaux de surface et des eaux souterraines, il a été possible de trouver la contribution des eaux souterraines aux eaux surface. Le possible impact de la formation et de la fonte de la glace souterraine sur les concentrations des gaz nobles a été considéré. Pour déterminer s’il y a un lien entre ceux-ci, une nouvelle méthode pour mesurer la concentration en gaz nobles dans les glaces souterraines a été développée. La méthode peut être utilisée pour déterminer l’origine de la glace; elle est basée sur les changements dans les rapports des gaz nobles entre la glace issue de la compaction de la neige (c’est-à-dire la glace de glacier) par opposition à la glace issue du gel de l’eau. Aucun fractionnement significatif des gaz nobles durant l’engel des eaux souterraines et la formation de glaces souterraines n’a été identifié. Appliquée à l’identification de l’origine des masses de glace enfouies, on a montré que la méthode pouvait permettre d’identifier l’origine des glaces souterraines sans qu’elle soit affectée par des réactions biologiques de sub-surface, lesquelles rendent inutilisables les gaz atmosphériques (O2, and N2).

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