Factors controlling the configuration of the fresh–saline water interface in the Dead Sea coastal aquifers: synthesis of TDEM surveys and numerical groundwater modeling

Abstract.

TDEM (time domain electromagnetic) traverses in the Dead Sea (DS) coastal aquifer help to delineate the configuration of the interrelated fresh-water and brine bodies and the interface in between. A good linear correlation exists between the logarithm of TDEM resistivity and the chloride concentration of groundwater, mostly in the higher salinity range, close to that of the DS brine. In this range, salinity is the most important factor controlling resistivity. The configuration of the fresh–saline water interface is dictated by the hydraulic gradient, which is controlled by a number of hydrological factors.

Three types of irregularities in the configuration of fresh-water and saline-water bodies were observed in the study area: 1. Fresh-water aquifers underlying more saline ones ("Reversal") in a multi-aquifer system. 2. "Reversal" and irregular residual saline-water bodies related to historical, frequently fluctuating DS base level and respective interfaces, which have not undergone complete flushing. A rough estimate of flushing rates may be obtained based on knowledge of the above fluctuations. The occurrence of salt beds is also a factor affecting the interface configuration. 3. The interface steepens towards and adjacent to the DS Rift fault zone. Simulation analysis with a numerical, variable-density flow model, using the US Geological Survey's SUTRA code, indicates that interface steepening may result from a steep water-level gradient across the zone, possibly due to a low hydraulic conductivity in the immediate vicinity of the fault.

Résumé.

Des profils TDEM (time domain electromagnetic) dans l'aquifère côtier de la Mer Morte ont permis de définir les contours des masses d'eau douce et d'eau saline et de leur interface. Il existe une bonne corrélation linéaire entre le logarithme de la résistivité TDEM et la concentration en chlorure de l'eau souterraine, surtout dans la gamme des plus hautes valeurs de salinité, proches de celles de la saumure de la Mer Morte. Dans cette gamme, la salinité est le facteur le plus important contrôlant la résistivité. La configuration de l'interface eau douce – eau saline est fixée par le gradient hydraulique, qui est contrôlé par un certain nombre de facteurs hydrologiques.

Trois types d'irrégularités dans la configuration des masses d'eau douce et d'eau saline ont été observées dans la zone étudiée: 1. Des aquifères d'eau douce situés sous des aquifères plus salins (situation inverse) dans un système multicouches. 2. Des masses d'eau saline résiduelles et irrégulières et en situation inverse liées à un niveau de base de la Mer Morte historique et fréquemment fluctuant et les interfaces correspondants, qui n'ont pas été complètement évacuées. Une estimation rapide des taux d'évacuation peut être faite à partir de la connaissance des fluctuations au-dessus. La présence de niveaux de sels est également un facteur qui affecte la configuration de l'interface. 3. L'interface plonge en direction de la zone de faille du rift de la Mer Morte et en est adjacent. Une analyse de la simulation par un modèle numérique d'écoulement à densité variable, utilisant le code SUTRA du Service Géologique des États-Unis, indique que le plongement de l'interface peut résulter d'un fort gradient du niveau d'eau au travers de cette zone, probablement dû à une faible conductivité hydraulique au voisinage de la faille.

Resumen.

En el acuífero costero del Mar Muerto (MM), se ha empleado perfiles transversales electromagnéticos en el dominio de tiempos (EMDT) para delimitar las masas interrelacionadas de agua dulce y salmuera y la interfaz entre ambas. Se ha obtenido una buena correlación lineal entre el logaritmo de la resistividad de los perfiles EMDT y la concentración de cloruros en las aguas subterráneas, la mayor parte de las cuales se hallan en el rango más elevado de salinidad, cercano al de la salmuera del MM. En este rango, la salinidad es el factor más importante en relación con la resistividad. La configuración de la interfaz agua dulce-agua salada está determinada por el gradiente hidráulico, que a su vez está controlado por una serie de factores hidrológicos.

Se ha observado tres tipos de irregularidades en la configuración de las masas de agua dulce y salada en la zona de estudio: 1. Existencia de acuíferos de agua dulce por debajo de acuíferos más salados ("inversión"), dentro de un sistema multi-acuífero. 2. "Inversión" y masas residuales irregulares de agua salada, relacionadas con fluctuaciones frecuentes y periódicas del nivel de base del MM y de las interfaces relativas, que no han sido lavadas completamente. Se puede estimar de forma aproximada las velocidades de lavado por medio de las fluctuaciones del nivel superior. La existencia de depósitos de sal también es un factor que afecta a la configuración de la interfaz. 3. La interfaz se hace más pendiente hacia y en torno a la zona de fallas del rift del MM. Los análisis de una simulación mediante el código numérico de densidad variable SUTRA, del Servicio Geológico de los Estados Unidos, indican que dicho incremento de pendiente puede ser debido a la existencia de un gradiente piezométrico abrupto, propiciado por la baja permeabilidad del entorno inmediato de la falla.