, Volume 9, Issue 4, pp 378-389

Groundwater recharge and flow in the Lower Cretaceous Nubian Sandstone aquifer in the Sinai Peninsula, using isotopic techniques and hydrochemistry

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Abstract.

The present work was conducted in the Sinai Peninsula (1) to identify the recharge and flow characteristics and to evaluate the continuity of the Lower Cretaceous Nubian Sandstone aquifer; and (2) to provide information for the aquifer's rational appraisal. Isotopic and hydrochemical compositions combined with the geological and hydrogeological settings were used for this purpose.

A considerable depletion in isotopic content (oxygen-18 and deuterium) and low d-excess values exist in the studied groundwater, reflecting the contribution of old meteoric water that recharged the aquifer in pluvial times. Modern recharge also occurs from precipitation that falls on the aquifer outcrops. The wide scatter of the data points around the two meteoric lines, the global meteoric water line (GMWL) and Mediterranean meteoric water line (MMWL), in the δ18O–δD diagram indicates considerable variation in recharge conditions (amount, altitude, temperature, air masses, distances from catchment, overland flow, etc.). The isotopic composition in the El-Bruk area is minimum (18O=–9.53‰), very close to the average value of the Western Desert Nubian Sandstone (18O=–10‰), where the local structural and lithologic conditions retard groundwater flow and the main bulk of water becomes noncyclic. The continuity of the aquifer in northern and central Sinai is evidenced by the isotopic similarity between samples taken from above and below the central Sinai Ragabet El-Naam fault, the distribution of potentiometric head, and hydrogeological cross sections.

The combination of isotopic composition in terms of 18O and chemical composition in terms of TDS and salt contents is the basis for separating the studied groundwater into groups that reflect the recharge sources and isotopic and chemical modifications during flow.

Résumé.

Cette étude a été réalisée dans la péninsule du Sinaï dans le but (1) d'identifier les caractéristiques de la recharge et des écoulements et d'évaluer la continuité de l'aquifère des grès nubiens du Crétacé inférieur, et (2) de fournir des informations sur une évaluation rationnelle de cet aquifère. Les compositions isotopiques et chimiques des eaux, replacées dans leur contexte géologique et hydrogéologique, ont été utilisées dans ce but.

Un très fort appauvrissement isotopique en oxygène-18 et en deutérium et de faibles valeurs de l'excès de deutérium sont observés dans les eaux souterraines étudiées, ce qui montre la contribution d'une eau météorique ancienne ayant rechargé l'aquifère lors de phases pluviales. Une recharge actuelle se produit également à partir de précipitations tombant sur les affleurements de l'aquifère. La large dispersion des données autour des deux droites météoriques, la droite mondiale (GMWL) et la droite méditerranéenne (MMWL), dans les graphiques δ18O–δD, indique des variations considérables des conditions de recharge (hauteur d'eau, altitude, température, masses d'air, distance du bassin d'alimentation, écoulements de surface, etc.). La composition isotopique dans la région d'El-Bruk est la plus faible, très proche de la valeur moyenne dans les grès de l'ouest du Désert Nubien (δ18O=–10‰), où les conditions structurales et lithologiques locales retardent l'écoulement souterrain et où l'essentiel de l'eau est hors du cycle. La continuité de l'aquifère au nord et dans le centre du Sinaï est mise en évidence par la similarité isotopique des échantillons prélevés de part et d'autre de la faille centrale Sinaï Ragabet El-Naam, par l'organisation de la piézométrie et par les coupes hydrogéologiques.

C'est en combinant la composition isotopique en 18O et la composition chimique exprimée en minéralisation et en teneurs en sels qu'il est possible de distinguer deux groupes d'eau souterraine correspondant à des recharges différentes et à des modifications isotopiques et chimiques au cours de l'écoulement.

Resumen.

El presente trabajo se ha efectuado en la Península del Sinaí para: (1) identificar las características de la recarga y el flujo, y evaluar la continuidad del acuífero de las Areniscas del Cretácico Inferior de Núbia; y (2) proporcionar información de cara a una evaluación racional del acuífero. Para ello, se ha utilizado las composiciones isotópicas e hidroquímicas en combinación con las propiedades geológicas e hidrogeológicas.

En las aguas subterráneas, se observa una reducción considerable del contenido isotópico (18O y deuterio), así como ligeros excesos de deuterio. Estos hechos reflejan la contribución de aguas antiguas meteóricas que se recargaron en épocas lluviosas. Actualmente, la recarga se produce también a partir de la precipitación en los afloramientos del acuífero. En el diagrama δ18O–δD, la dispersión de los datos en torno a las dos líneas meteóricas – la línea meteórica mundial (LMM) y la línea meteórica del Mediterráneo (LMdM) – indica que hay una variación considerable en las condiciones de recarga, debido a factores como la precipitación, altitud, temperatura, masas de aire, distancia desde la cuenca, escorrentía superficial, etc. La composición isotópica en el área de El Bruk es mínima (18O=9,53 δD). Este valor es muy próximo al promedio de las Areniscas del Desierto Occidental de Núbia (18O=10 δD), donde la estructura local y las condiciones litológicas retrasan el flujo de aguas subterráneas, de manera que no se da el clásico ciclo del agua. La continuidad del acuífero en el norte y centro del Sinaí se manifiesta en la similaridad isotópica entre muestras tomadas por encima y por debajo de la falla central del Sinaí de Ragabet El Naam, en la distribución del nivel piezométrico y en las secciones transversales hidrogeológicas.

La combinación de la composición isotópica – en términos de 18O – y de la composición química – en términos de sólidos totales disueltos y sal – es la base para poder separar las aguas subterráneas estudiadas en grupos que reflejan las fuentes de recarga y las modificaciones isotópicas y químicas ocurridas en el acuífero.

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