Reconstruction of natural groundwater flow paths in the multiple aquifer system of the northern Negev (Israel), based on lithological and structural evidence

Abstract

 The Judea Group, a limestone and dolomite karstic aquifer of late Albian–Turonian age, is one of the most important sources of water in Israel. In the western part of the country, the Judea Group aquifer is also known as the Yarkon–Taninim basin. In the northern Negev, the Judea Group is a recipient for fresh water flowing southward from the Hebron Mountains and of brackish paleowater flowing northward from Sinai. Very little is known of the hydraulic properties of this aquifer. In order to outline assumed natural flow paths that existed in this karstic environment prior to groundwater exploitation, use was made of lithological, structural, and paleomorphological features. A detailed hydrogeological conceptual model of the Judea Group aquifer in northern Negev was established by the geological interpretation of high-resolution seismic reflection and by analysis of lithological evidence from boreholes. Isopach, isolith-contour, and isolith-ratio maps were compiled for the main lithological components. Increase in transmissivity values is inversely proportional with the cumulative thickness of argillaceous components. The lithological and hydraulic evidence provides the basis for subdividing the subsurface into distinctive permeability zones for the upper and lower sections of the aquifer; for outlining possible preferential groundwater flow paths for both subaquifers; and for improving understanding of groundwater-salinty variations that result from lithological variability, direction of groundwater flow paths, groundwater flow rates, and the duration of rock/water interactions. In an earlier conceptual model of the basin, the Judea Group aquifer was regarded as a continuous and undisturbed entity. The present study reveals an intricate groundwater flow pattern that is controlled by lithological and structural factors that create zones of preferential flow. This interpretation bears on the overall evaluation of groundwater resources and their management and exploitation.

Résumé

La formation de Judée, un aquifère karstique de calcaire et de dolomie de l'Albo-Turonien, constitue l'une des plus importantes ressources en eau en Israël. Dans la partie ouest du pays, la formation de Judée est aussi connue comme étant le bassin de Yarkon-Taninim. Dans le nord du Néguev, la formation de Judée reçoit de l'eau douce s'écoulant vers le sud à partir des Monts Hébron et de l'eau saumâtre ancienne s'écoulant vers le nord depuis le Sinaï. Les caractéristiques hydrauliques de cet aquifère sont mal connues. On s'est appuyé sur les informations lithologiques, structurales et paléomorphologiques pour établir les principales directions supposées d'écoulement naturel existant dans ce milieu karstique avant l'exploitation de l'eau souterraine.

Un modèle hydrogéologique conceptuel de la formation aquifère de Judée dans la partie du Néguev a étéélaboréà partir de l'interprétation géologique de la sismique réflexion à haute résolution et de l'analyse des caractères lithologiques dans les forages. Des cartes en isopaques et lithologiques ont été réalisées pour les principales composantes lithologiques. L'accroissement des valeurs de la transmissivité est inversement proportionnel à l'épaisseur cumulée de composantes argileuses. Les caractères lithologiques et hydrauliques fournissent les bases pour subdiviser l'ensemble en zones de perméabilité distinctes, pour les parties supérieure et inférieure de l'aquifère, pour esquisser les directions préférentielles possibles des écoulements souterrains dans les deux aquifères, et pour améliorer la compréhension des variations de la salinité de l'eau souterraine, en fonction de la variabilité lithologique, de la direction d'écoulement souterrain, du flux souterrain et de la durée des interactions eau–roche.

Un premier modèle conceptuel du bassin avait conduit à considérer la formation aquifère de Judée comme un ensemble continu et tranquille. Cette étude fait apparaître un schéma compliqué des écoulements souterrains, contrôlé par des facteurs lithologiques et structuraux responsables de l'existence d'écoulements préférentiels. Cette interprétation concerne l'évaluation d'ensemble des ressources en eau souterraine, ainsi que leur gestion et leur exploitation.

Resumen

El Grupo de Judea, un acuífero cárstico en calcitas y dolomitas del final del Albiense-Turonense, es una de las fuentes de recursos de agua más importantes en Israel. En la zona oeste del país, este acuífero se conoce también con el nombre de Cuenca de Yarkon-Taninim. En la zona septentrional del Negev, el Grupo de Judea recibe el agua dulce que fluye en dirección sur desde los Montes de Hebrón y la paleoagua salobre que circula hacia el norte desde Sinaí. Se conoce muy poco sobre las propiedades hidráulicas de este acuífero. Para poder estimar las líneas de flujo naturales (previas a la explotación) en el carst se tuvieron en cuenta sus características litológicas, estructurales y paleomorfológicas.

Se estableció un modelo hidrogeológico conceptual de detalle del acuífero en la zona norte del Negev, mediante la interpretación geológica de sísmica de reflexión de alta resolución y el análisis de los testigos. Se dibujaron mapas de isopacas, y de contornos y relaciones litológicas para las unidades principales. Se observa que los valores de transmisividad son inversamente proporcionales al espesor total de las componentes arcillosas. La evidencia litológica e hidráulica proporciona una base para (1) dividir el subsuelo en zonas de permeabilidad bien diferenciadas para los acuíferos superior e inferior; (2) dar una idea sobre las posibles líneas de flujo preferente en ambos subacuíferos y (3) mejorar el conocimiento acerca de las variaciones en la salinidad como resultado de: la variación litológica, las direcciones de flujo, los caudales y las interacciones roca/agua.

En un modelo conceptual anterior, el acuífero del Grupo de Judea se había tratado como una entidad continua, sin grandes perturbaciones. El estudio actual revela una estructura muy compleja del agua subterránea, controlada por factores litológicos y estructurales que crean zonas de flujo preferente. Esta nueva interpretación tiene consecuencias sobre la evaluación de los recursos subterráneos totales y sobre su gestión y explotación.