Source of paleo-groundwater in the Emirate of Abu Dhabi, United Arab Emirates: evidence from unusual oxygen and deuterium isotope data

Abstract

Paleo-groundwaters of 6000 years BP from the Liwa water-table sand dune aquifer in the Rub al Khali and the Gachsaran artesian carbonate aquifer, on the coast of the Emirate of Abu Dhabi (UAE), exhibit normal δ²H/δ¹⁸O slopes, modest δ¹⁸O increases, and large negative deuterium excess “d” (Liwa aquifer: 2.19‰ VSMOW and d = –15; Gachsaran aquifer: 3.16‰ VSMOW and d = –28) compared to local Shamal precipitation (0.05‰ VSMOW and d = 7). This unusual isotopic signature is hypothesized to result from re-evaporation of continental runoff to the Red Sea catchment basin. It is postulated that this continental water flowed onto the surface of the Indian Ocean providing a moisture source for the monsoon that dominated precipitation during this, the last wet period in the area from 5000 to 9000 BP. Carbonate precipitation, forming speleothems, travertines, tufas, lacustrine, and capillary-zone deposits, subsequently record this δ¹⁸O isotopic signature. This rock record is thus dominated by the water source, rather than environmental conditions of deposition normally assumed to control the rock δ¹⁸O isotopic signature. As a consequence, re-evaluation of paleo-climateδ¹⁸O data from the rock record may be necessary for this time period in southern Arabia.

Résumé

Les eaux souterraines anciennes, âgées de 6000 ans BP, provenant de l’aquifère sableux dunaire à surface libre de Liwa dans le Rub al Khali et de l’aquifère carbonaté artésien de Gachsaran sur la côte de l’émirat d’Abou Dabi (EAU), montrent une droite météorique similaire, une augmentation modérée du δ¹⁸O et un excès en deutérium « d » très faible (aquifère de Liwa : 2.19 δ¹⁸O‰ VSMOW et d = –15 ; aquifère Gachsaran : 3.16 δ¹⁸O‰ VSMOW et d = –28) par rapport aux précipitations de Shamal (0.05 δ¹⁸O‰VSMOW et d = 7). Cette signature isotopique singulière est susceptible de résulter de processus de ré-évaporation d’eaux de ruissellement continentales circulant en direction du bassin versant de la Mer Rouge. Ces eaux continentales circulent ainsi à la surface de l’Océan Indien et fournissent une source d’humidité à la mousson, processus dominant des précipitations dans cette région, pendant la dernière période humide, de 5000 à 9000 BP. La précipitation des carbonates, la formation des spéléothèmes, des travertins, des tufs et les dépôts lacustres et de zone capillaire ont enregistré cette signature isotopique en δ¹⁸O. Cet enregistrement sédimentaire est alors plus conditionné par l’origine de l’eau que par les paramètres environnementaux de dépôt habituellement supposés contrôler la signature isotopique en δ¹⁸O des roches. En conséquence, une réévaluation des données paléoclimatiques en δ¹⁸O d’origine rocheuse pourrait être nécessaire pour cette période en Arabie du sud.

Resumen

Las aguas subterráneas fósiles de 6000 años AP de la capa freática del acuífero de dunas arenosas de Liwa en el Rub al Khali y en el acuífero carbonático artesiano de Gashsaran, sobre la costa del Emirato de Abu Dhabi (UAE), presentan pendientes normales de δ²H/δ¹⁸O, modestos incrementos de ¹⁸O, y grandes excesos de deuterio negativo “d” (acuífero Liwa: 2.19‰ VSMOW y d = –15; acuífero Gachsaran: 3.16‰ VSMOW y d = –28) comparado con la precipitación local de Shamal (0.05‰ VSMOW y d = 7). Esta inusual señal isotópica se supone ser el resultado de la reevaporación del escurrimiento superficial continental a la cuenca de drenaje del Mar Rojo. Se postula que esta agua continental fluyó sobre la superficie del océano Indico proveyendo una fuente de humedad para el monzón que dominó la precipitación durante este, el último período húmedo en el área de 5000 a 9000 AP. La precipitación carbonática formando espeleotemas, travertinos, tufas, lagunas, y depósitos en la zona capilar, delata subsecuentemente esta señal del isótopo de δ¹⁸O. Este registro de rocas está así dominado por la fuente de agua más que por las condiciones ambientales o la deposición que normalmente se supone que controlan la señal isotópica de δ¹⁸O en las rocas. En consecuencia, la reevaluación de datos δ¹⁸O paleoclimáticos a partir del registro de roca puede ser necesaria para este período de tiempo en Arabia del Sur.

摘要

阿布扎比酋长国的滨海鲁卜哈利的Liwa砂丘潜水含水层和加奇萨兰灰岩承压自流含水层中的年龄为距今6000年的古地下水与附近的Shamal地区降水 (δ¹⁸O为0.05‰ VSMOW, 氘盈余为 +7) 同位素相比, ²H/¹⁸O斜率正常, δ¹⁸O的富集、氘盈余很低 (Liwa含水层: 分别为2.19‰ VSMOW和d = –15; 加奇萨兰含水层: 分别为3.16‰ VSMOW 和d = –28)。 这些异常的同位素值是红海流域盆地的陆相径流的二次蒸发过程导致的。我们认为流到印度洋表面的陆相水流为季风提供了水汽来源。该季风主要控制着距今5000到9000年期间该地区最后一个潮湿气候时期的降水。碳酸盐的沉淀, 形成了钟乳石, 钙华, 泉华, 湖泊沉积物和毛细带沉积物记录了相应的δ¹⁸O同位素信息。这种岩石记录的δ¹⁸O同位素信息主要受水源支配, 而不是通常认为的沉积环境。所以, 岩石记录中的古气候δ¹⁸O数据的重评估对于该时期内的阿拉伯南部地区是非常 必要的。

Resumo

As paleo-águas subterrâneas com 6000 anos existentes no aquífero freático de Liwa em Rub al Khali, formado em areias dunares, e no aquífero artesiano carbonatado de Gachsaran, na costa do Emirado de Abu Dhabi (EAU), exibem declives normais de δ²H/δ¹⁸O, aumentos moderados de δ¹⁸O e um excesso de deutério “d” altamente negativo (aquífero de Liwa: 2.19‰ VSMOW e d = –15; aquífero Gachsaran: 3.16‰ VSMOW e d = –28), quando comparados com a precipitação local de Shamal (0.05‰ VSMOW e d = 7). Uma possível explicação para esta assinatura isotópica invulgar é a re-evaporação do escoamento superficial na bacia hidrográfica do Mar Vermelho. Presume-se que esta água continental entrava no Oceano Índico, ficando à superfície e proporcionando uma fonte de humidade para as monções que dominaram as precipitações no último período húmido da região, entre 5000 e 9000 anos atrás. Posteriormente, a precipitação de carbonatos registou esta assinatura isotópica de δ¹⁸O, formando espeleotemas, travertinos, tufas e depósitos lacustres e na zona capilar. É portanto a origem da água que determina este registo isotópico de δ¹⁸O nas rochas, mais do que as condições ambientais de deposição normalmente consideradas predominantes. Com efeito, poderá ser necessário reavaliar os dados paleo-climáticos de δ¹⁸O nos registos das rochas no sul da Arábia para este período temporal.