Effects of sulphate reduction and geogenic CO₂ incorporation on the determination of ¹⁴C groundwater ages – a case study of the Palaeogene groundwater system in north-eastern Syria

Abstract.

Groundwater from the Palaeogene aquifer system in north-eastern Syria has been studied using chemical and isotopic methods to determine the effects of carbonate dissolution, sulphate reduction and geogenic CO₂ incorporation in the dilution of ¹⁴C activity, and later to correct the conventional ¹⁴C water ages. The reason for this non-classical approach of correction is because the groundwater in this karstified and Nummulitic carbonate aquifer occurs under confined and partly confined conditions, and is located in an area very close to deep faults and fractures. Furthermore, the interconnection with the Upper Cretaceous formations, which commonly contain gypsum and hydrocarbons, can facilitate the processes of sulphate reduction and geogenic CO₂ incorporation, which should not be excluded. The dilution factor related to carbonate dissolution was estimated to be about 0.60–0.75. The dilution factor associated with sulphate reduction, which only depends on H₂S content, was rather low (about 0.95). However, as a result of the local tectonic setting in this area, the influence of geogenic CO₂ incorporation was clearly high. The dilution factor associated with this effect ranges between 0.24–0.64. Consequently, the corrected ¹⁴C ages are considerably reduced compared with those determined by classical models. Accordingly, the groundwater in the study area can be divided into three main groups: (1) fresh, shallow and cold water of less than 1 ka age; (2) brackish, deep and thermal water of rather old age (10.9–12.3 ka B.P.); and (3) an admixed groundwater of intermediate quality and age (1.9–6.7 ka B.P.).

Résumé.

L'eau du système aquifère du Paléogène du nord-est de la Syrie a été étudiée au moyen des méthodes chimiques et isotopiques afin de déterminer les effets de la dissolution des carbonates, de la réduction des sulfates et de l'introduction de CO₂ d'origine géologique responsable de la dilution du ¹⁴C, pour corriger ensuite les âges ¹⁴C conventionnels des eaux. La raison de cette approche de correction, qui n'est pas classique, est due au fait que l'aquifère carbonaté karstifié du Nummulitique est captif ou partiellement captif, et qu'il est situé dans une région très proche de failles et de fractures profondes. En outre, la connexion avec les formations du Crétacé supérieur, qui contient habituellement du gypse et des hydrocarbures, peut faciliter les processus de réduction des sulfates et l'introduction de CO₂ géologique, qui ne peut pas être exclue. Le facteur de dilution lié à la dissolution des carbonates a été estimé à environ 0,60–0,75. Le facteur de dilution associé à la réduction des sulfates, qui dépend uniquement de la concentration en H₂S, est plutôt faible (autour de 0,95). Cependant, du fait de la situation tectonique locale, l'influence d'une introduction de CO₂ géologique est manifestement forte. Le facteur de dilution associé à cet effet est compris entre 0,24–0,64. par conséquent, les âges ¹⁴C corrigés sont considérablement réduits par rapport à ceux déterminés par les modèles classiques. Par suite, les eaux souterraines de la région étudiée peuvent être réparties en trois groupes : (1) l'eau douce, peu profonde et froide, dont l'âge est inférieur à 1 ka, (2) l'eau saumâtre, profonde et chaude, plutôt ancienne (entre 10,9–12,3 ka B.P.), et (3) un mélange d'eaux souterraines de qualité et d'âges intermédiaires (entre 1,9–6,7 ka B.P.).

Resumen.

Se ha estudiado las aguas subterráneas del sistema acuífero Paleógeno ubicado en el Nordeste de Siria con métodos químicos e isotópicos para determinar los efectos de la disolución de carbonatos, la reducción de sulfatos y la incorporación de dióxido de carbono geogénico en la dilución de la actividad del ¹⁴C, corrigiendo posteriormente la edad del agua estimada con el método convencional del ¹⁴C. Se ha aplicado esta corrección no clásica debido a las características del acuífero formado por carbonatos karstificados con Nummulites de tipo confinado y parcialmente confinado, el cual está situado en un área muy cercana a fallas y fracturas profundas. Más aún, la conexión con las formaciones del Cretácico Superior, que contienen yeso e hidrocarburos, podría facilitar los procesos de sulfato-reducción e incorporación de CO₂ geogénico. Se ha estimado un factor de dilución asociado a la disolución de carbonato del 0,60 al 0,75, mientras que el correspondiente a la reducción de sulfato – que sólo depende de la concentración de H₂S – es bastante bajo (en torno a 0,95). Sin embargo, y como resultado de movimientos tectónicos en la zona, la influencia de la incorporación de CO₂ geogénico es incuestionable, con un factor de dilución comprendido entre 0,24 y 0,64. En consecuencia, la edad corregida del ¹⁴C se ha visto considerablemente reducida en comparación con los valores obtenidos mediante modelos clásicos. Como resultado, las aguas subterráneas en la zona de estudio pueden ser divididas en tres grandes grupos: (1) agua dulce, somera y fría, con edad inferior a 1.000 años; (2) agua salobre, profunda y termal, bastante antigua (de 10.900 a 12.300 años de edad), y (3) una mezcla de aguas subterráneas de calidad y edad intermedias (entre 1.900 y 6.700 años de antigüedad).