Original paper

Angewandte isotopenhydrologische Studien in ariden und semi-ariden Gebieten

[Applied Isotope Hydrogeological Studies in Arid and Semiarid Regions]

Geyh, Mebus A.; Plöthner, Dieter; Wagner, Wolfgang; Bender, Hans; Müller, Wolfgang

Kurzfassung

Isotopenhydrologische Methoden sind heute fester Bestandteil hydrogeologischer Arbeitsweisen in humiden, ariden und semi-ariden Gebieten, wobei aus Kosten- und Kapazitätsgründen Analysen der stabilen Umweltisotope und von Tritium bevorzugt werden. Hydrogeologisch äußerst nützliche Angaben über die Art, den Ort und die Schnelligkeit der Grundwasserneubildung werden auf diese Weise ermittelt oder wenigstens abgeschätzt. Zusätzliche 14C-Analysen sind notwendig, wenn die Grundwässer ganz oder teilweise fossil sind, was mit den üblichen hydrogeologischen Instrumenten nicht erkennbar ist. Fallstudien aus den semi-ariden bis ariden Landesteilen von Jordanien, Syrien und Pakistan haben dies gezeigt. Die hydrogeologische Vorstellung der Grundwasserneubildung im Azraq-Quellengebiet geht von Zuflüssen im Norden aus. Sie war aufgrund der unerwartet hohen 14C-Alter der Quellwässer zu modifizieren. Der Gradient der Grundwasseroberfläche ist die Resultierende aus heutiger Grundwasserneubildung und stetigem Abbau fossiler Grundwasservorräte, die in den letzten Pluvialen entstanden sind. In Syrien erlaubten 14C-Grundwasseraltersbestimmungen den Nachweis, daß die Ressourcen aus süßem Grundwasser im Dawwa-Becken östlich des Antilibanon-Gebirges ebenfalls aus früheren pluvialen Zeiten stammen und heute nicht mehr neugebildet werden. Diese Vorstellung wurde durch weiterführende isotopenhydrologische Studien im südlich gelegenen Hamad-Gebiet und durch geochronologisch-paläoklimatische Untersuchungen an Höhlensinter in Galiläa unterstützt. Ein von Brackwasser eingeschlossenes, großes, süßes Grundwasservorkommen in Cholistan/Pakistan erwies sich nach 14C-Grundwasserdaten ebenfalls als fossil. Die ursprüngliche Hypothese, daß Grundwasserzufluß, Flußwasserversickerung und indirect recharge während großflächiger Überflutungen noch heute für Grundwasserneubildung sorgen, war damit nicht vereinbar. Anfangs war es schwierig, die Größe der Korrektur der C-Wasserzeitskala zu bestimmen. Historische Gegebenheiten, paläoklimatische Zeitmarken aus Nordwest-Indien, die Histogramme der 14C-Grundwasserdaten aus dem semi-ariden Dawwa-Becken in Syrien und dem Hamad-Gebiet der benachbarten arabischen Länder sowie das paläohydrologische und paläoklimatische Wissen aus Nordafrika haben dann aber eine vielfach gestützte, weiträumige paläohydrologische Vorstellung vermittelt. 14C-Wasseraltersbestimmungen sind nach diesen Erfahrungen als ein notwendiger Bestandteil des isotopenhydrologischen Instrumentariums anzusehen, wenn zuverlässige Wasserbilanzierungen und hydraulische Modellierungen in ariden und semi-ariden Gebieten mit fossilen Grundwasservorräten vorzunehmen sind.

Abstract

Environmental isotope analyses are routineously used in hydrogeologic studies in humid, semi-arid and arid regions. Analyses of the stable hydrogen and oxygen isotopes and of the radioactive tritium are preferred mainly due to the low costs. Hydrogeologically valuable proxy data are obtained on the process, location and rate of ground water recharge. Complementary 14C analysis are essential if fossil or partly fossil ground water resources are studied as other appropriate hydrogeological methods are lacking. Three case studies in semi-arid and arid regions in Jordan, Syria and Pakistan will this demonstrate. The hydrogeological concept ond the ground water recharge for the Azraq spring area, Jordan, presupposes that the present ground water recharge in the north balances the spring discharge. The unexpected high 14C ages of the spring water contradict this concept. The present gradient of the ground water table appears to be the result of present ground water recharge and a decaying fossil ground water resource formed during the last pluvial periods. The 14C results of ground water samples from the fresh ground water resources of the Dawwa Basin, Syria, eastwards of the Antilebanon mountains also reflect dominating recharge during the last pluvials. This conclusion is supported by complemetary environmental isotope results from the southern Hamad region and C dates from speleothem of Galilean caves, Israel. A large fresh ground water resource in the arid Cholistan area, Pakistan, surrounded and underlain by brackish ground water, consists also of fossil ground water due to the 14C dates. This finding contradict the initial hydrogeological hypothesis that present-day ground water recharge occurs by seepage of river water and indirect recharge during periods of innundation. The estimate of the reservoir correction of the C dates was the main problem. Historic events, paleoclimatic time marks from northwest India, the histogram of C ground water data from the semiarid Hamad region of the Arabic countries as well as paleohydrological and paleoclimatological records from North Africa finally yielded in a reliable absolute time scale. Based on this experience 14C dating of ground water is an indispensable tool of hydrologeologists if reliable water budget studies and numerical modelling has to be done in arid and semi-arid regions with predominant fossil ground water resources.

Keywords

Isotope hydrologytritiumdeuteriumC13O18rechargegroundwaterfossil waterC14datingpalaeoclimatepalaeoprecipitationpluvialarid environmentsemiarid environmentnumerical modellingcase studies Jordan (Azraq spring area)Syria (Da