Saisonale chemische Variationen des See Genezareth, seiner Zuflüsse und deren Ursachen

Abstract

Ziel dieser Studie war es, Grundwasserzutritte in den See Genezareth zu erkennen, chemisch zu charakterisieren und zu quantifizieren. Für die Detektion solcher Zuströme war es notwendig die verschiedenen Grund- und Oberflächenwässer, die in diesen Prozess involviert sind, chemisch durch Haupt-, Neben- und Spurenelemente (REE+Y) sowie isotopenchemisch ( δ 18O, δ 2H, δ 13C, δ34S) zu erfassen. In sämtlichen Grundwässern verdeutlichen saisonale hydrochemische Variationen die jeweilige hydraulische Anbindung an (i) spezifische Aquifere, (ii) unterschiedliche thermo-salinare Grundwässer sowie (iii) von den Infiltrationsgebieten abhängige Neubildungswässer. 5 Grundwassertypen sind im Beq at Kinarot anhand von Spider-Mustern und Elementverhältnissen auszuhalten. Diese Gruppierung gibt Aufschluss über die Lithologie der Entlastungsaquifere sowie den Anteil und die Art zutretender thermo-salinarer Wässer. \- Typ B1 repräsentiert Wässer der Judea-Kalksteine, die in geringen Mengen Halit und Gips aufgenommen haben. Mit Ausnahme von Bohrung D 906 sind die Grundwässer dieses Typs unbeeinflusst von thermo- salinaren Wässern. \- Typ B2 umfasst Wässer, die überwiegend aus Eozänen Avedat- und nur geringfügig den Judea-Karbonaten entstammen und Beimengungen von Gips und Halit enthalten. Anhand der Elementverhältnisse werden die Subtypen Typ B2a (Tabgha Gruppe) und Typ B2b (Hammat Gader) unterschieden. Typ B2a ist von aufsteigenden Na-Ca-Mg-Cl-Solen beeinflusst und Typ B2b durch die Verwitterung der Vulkanite beeinflusst. \- Typ B3 repräsentiert thermo- salinarer Wässer. Sie entstammen ausschließlich dem Unteren Aquifer der westlichen Grabenflanke und weist molare Mg/Ca Verhältnis <1 auf. Cl/Brund B/Cl Verhältnisse zeigen in Fuliya und Tabgha (KIN 8), dass Solen aus der Ablation verdeckter Evaporite (Halit, Gips) den überwiegenden Anteil der thermo-salinaren Endglieder bilden, während in den Tiberias Quellen die Beimischung von Na-Ca-Mg-Cl-Solen dominiert. \- Typ C ist geprägt durch oxidativen Basaltverwitterung. Hohe Nitratgehalte belegen die starke antropogene Beeinflussung aus der Landwirtschaft. \- Typ D mit molaren Mg/Ca Verhältnissen >1 und erhöhten bis hohen Salinitäten tritt landseitig nur ufernah in der Ostflanke und südlich Tiberias auf. Die Elementverhältnisse kennzeichnen Ha On 1 als Derivat einer primären Evaporationssole. Das Glaukonit-reiche Einzugsgebiet der Gofra-Quellen wird anhand hoher B-Gehalte im Quellwasser angezeigt. Im Beq at Kinarot zeigen alle Grundwässer mit erhöhter Mineralisation 2Na/(Ca+Mg)>1 (molar). Das verweist auf die intensive Laugung von Evaporitkörpern, wie dem in Zemah. In Tiberias entspricht das salinare Endglied einer Mischung aus einer Ablationssole und einer chemisch modifizierten, residualen Evaporationssole. Eine solche modifizierte Restsole, als Teil des salinaren Endgliedes, ist nur in und nördlich von Tiberias zu beobachten, wobei die Mischungsverhältnisse regional stark schwanken. Die Modifikation der Primärsole ist das Resultat ihrer Migration durch Alkaliolivin-Basalte und Gabbros sowie Kalksteine, wie sie im Graben sensu stricto und der westlichen Flanke vorkommen. Durch die Chloritisierung und Albitisierung der Magmatite und die Dolomitisierung der Kalksteine wurde das ursprüngliche Mg/Ca Verhältnis von >1 zu Mg/Ca<1 verändert. Aufgrund der starken Ähnlichkeiten (Cl/Br, Na/Cl) zwischen Tiberias und Ha On 1, kann ein salinares Endglied wie in Ha On 1 der Primärsole entsprechen. In gut entwickelten Fließsystemen tapezieren Seltenerd Elemente+Y (REY) die Aquiferwandungen mit der Initialsignatur des Wassers und das Wasser behält im Unterschied zur makrochemischen, die REY-Signatur des Infiltrationsgebietes bei. Anhand der REY-Muster wurden die Grundwässer klassifiziert. \- Typ REY-A1 entspricht Wässern aus der karbonatischen und stellenweise mergeligen Judea- Gruppe. Die Muster sind durch einen ausgeprägt glatten Verlauf und einen schwachen Abfall von den leichten zu den schweren REE gekennzeichnet. \- Typ REY-A2 tritt nur in Tabgha auf und ist gekennzeichnet durch geringe REY- Gehalte sowie ausgeprägte negative Ce- sowie positive Gd- und Y-Anomalien. Sie repräsentieren das sauerstoffreiche, verkarstete System der Eozänen Karbonat- Aquifere. \- Typ REY-A3 repräsentiert thermo-salinare Wässer aus Tiberias und ist mit seinen sehr flachen Mustern und ausgeprägten Y-Anomalien dem Typ REY-A1 ähnlich. Sie stehen mit den hydrothermal überprägten Kalksteinen des Unteren Aquifers in Kontakt. \- Typ REY-A4 ist durch einen überwiegend steilen Verlauf der leichten REE (La bis Sm) charakterisiert. Diese ebenfalls thermo- salinaren Grundwässer entstammen Kontaktzonen von Kalken mit intrusiven Magmatiten. \- Typ REY-B ist nur in der östlichen Grabenflanke sowie in Ein Porih vertreten und deutet durch Muster mit variablen Ce-, Gd- und Y-Anomalien auf Verwitterungslösungen aus den Golan- und Cover-Basalten hin, in denen FeOOH-Fällungen stattgefunden haben. Die stabilen Isotope δ18O und δD der Grundwässer verweisen auf eine Mischung leichter Neubildungswässer mit isotopisch schweren thermo-salinaren Grundwässern. Aufgrund der Isotopendaten aus dem Quellsystem Tabgha, ist ein bislang unbekannter Zustrom an isotopisch leichtem Wasser aus nördlichen Regionen durch den Korazim-Block in das Beq at Kinarot nachgewiesen. Das Wasser des See Genezareth wurde in 12 Seeprofilen auf die Haupt-, Neben- und Spurenelement- sowie Isotopenverteilung untersucht. Abgesehen von Barbutim , Tabgha und G , drei Profilen, in denen sowohl die Makro- und Isotopenchemie, als auch die REY klar auf einen Zustrom an Grundwasser hinweisen, sind Zutritte in sämtlichen anderen Regionen des Sees nur anhand der Ce-Anomalie und geringfügigen Änderungen der REY-Muster nachweisbar. Anhand von Daten der Mekorot Company Ltd. wurde für das hydrologische Jahr 2002/2003 die in den See zutretende Menge an Grundwasser sowie deren Cl- und Br-Gehalte auf 84×106 m3/a, 66×106 kg/a Cl und 0,54×106 kg/a Br bilanziert. Die Unsicherheiten bei der Bestimmung der monatlichen Zu- und Abflüsse des Sees führen zu einer Fehlerbreite, die im Bereich des bilanzierten Grundwasserzuflusses liegt. Die Kombination von flächenhaften Informationen über spezifische elektrische Widerstände im Porenwasser mit lokalen Informationen zu eintretenden Cl-Mengen durch Diffusion und Advektion aus Bohrdaten ergab einen jährlichen Minimal-Input von 22×106 kg Chlorid. Die Wichtung von Cl-Strömen mit Flächen gleicher spezifischer Widerstände gibt die Realität genauer wider, als eine Berechnung von jährlichen Stoffflüssen auf Basis einer pauschalen Betrachtung der Seegrundfläche. Aus der Änderungen der Ce-Anomalie an der Sediment-Wasser Grenzfläche wurde ein Netto- Strom von Wasser aus dem Sediment in den See von minimal 44×106 m3 Wasser abgeleitet. Unter der Annahme, dass in den oberen 0,3 m des Sedimentes ein durchschnittlicher Cl- Gehalt von 350 mg/l existiert, resultiert ein Netto- Zustrom von >17×106 kg Cl pro Jahr in den See. Die Berechnung über Diffusion/Advektion sowie über die Änderung der Ce-Anomalie ergaben einen Zustrom an Chlorid durch den Seegrund, der definitiv 20×106 kg/a überschreitet, ohne eine obere Grenze angeben zu können.

Abstract The aim of the study was to detect, to characterise and to quantify groundwater-inflows into the Lake Kinneret (Sea of Galilee, Lake Tiberias or See Genezareth). To detect those inflows, it was necessary to chemically acquire all ground- and surface waters, which are involved in this process by using a combination of advanced hydrochemical methods: major and minor elements, trace elements (REE+Y), radiogenic (3H) and stable isotopes (δ 18O, δ 2H, δ 13C, δ34S). Seasonal hydrochemical variations clarify the hydraulic connection of groundwaters to (i) specific aquifers, (ii) different thermo- saline groundwaters, and (iii) to recharge waters, which are chemically dependent on the lithology of their recharge areas. In the Beq at Kinarot, 5 types of groundwater are outlined on the base of spider-patterns and ionic ratios. That grouping gives information about the lithology of the aquifers of discharge and the mixing with thermo-saline groundwaters. - Type B1 represents waters from Judea-limestones, where only small amounts of halite and gypsum occur. With exception of well D 906 no other groundwater of this type is influenced by thermo-saline waters. - Type B2 comprises waters mainly from Eocene Avedat- and only minor from Judea-limestones, which also contain some gypsum and halite. Based on ionic ratios this type is subdivided in type B2a (Tabgha group) and type B2b (Hammat Gader group). Waters of type B2a is compositionally altered by ascending Na-Ca-Mg-Cl-brines, whereas type B2b is influenced by weathering solutions of basalts. - Type B3 represents thermo- saline waters. They are solely from Lower Aquifer of the western graben shoulder showing Mg/Ca molar ratios <1\. Cl/Br- and B/Cl ratios in Fuliya and Tabgha (KIN 8) indicate high contributions of ablation brines of still undiscovered evaporate bodies (halite, gypsum). However, in Tiberias mixing with Na-Ca-Mg-Cl-brines dominates. - Type C represents water from oxidative weathering of basalts. High contents of nitrate document a strongly anthropogenic influence by agriculture. - Type D with high Mg/Ca molar ratios >1 and with elevated to high salinities is solely observable along the eastern graben shoulder and south of Tiberias. Ionic ratios of groundwater from Ha On 1 indicate the presence of a primary evaporation brine of the Sdom Sea. The recharge area of Gofra spring is rich in glauconitic minerals, which may explain the high contents of B in this type of water. In Beq at Kinarot, all groundwaters with elevated mineralisation show molar 2Na/ (Ca+Mg)>1, which indicates intensive leaching of evaporate bodies such as that of in Zemah borehole. In Tiberias, the saline end-member is a mixture of residual evaporation brine chemically modified by albitisation and dolomitisation and a Na dominated ablation brine. As part of the saline end-member, the modified brine is only observable in and north of Tiberias. However, the mixture ratios locally strongly differ. Modification of primary evaporation brine is the result of their migration through alkali-olivine-basalts, gabbros and limestones as they occur in the graben sensu stricto and in the western graben flank. The former Mg/Ca molar ratio >1 is turned <1, because of chloritisation and albitisation of plagioclase and the dolomitisation of the limestones. Waters from Tiberias show strong analogies (Cl/Br, Na/Cl) to those in Ha On 1. In Tiberias, these refer to a saline end-member which is similar to the primary brine in Ha On. In well developed flow systems rare earth elements including yttrium (REY) cover the aquifer walls with the initial signature of the water. In contrast to the major elements, water maintains the REY- signature of the lithology in the area of infiltration. Using REY-patterns, waters have been classified. - Type REY-A1 corresponds to waters from the carbonaceous and sometimes marly Judea-group. The patterns show a distinct flat course with a slight decline from light towards the heavy rare earths. - Type REY-A2 occurs only in the Tabgha area and is characterised by low contents of REY and well developed negative Ce-, positive Gd- and Y-anomalies. These waters represent the oxygen rich karstified system of the Eocene limestone aquifers. - Type REY-A3 represents thermo-saline waters from Tiberias. With flat patterns and well developed Y-anomalies. They are similar to type REY-A1 but are in contact with hydrothermally altered limestones of the Lower Aquifer. - Type REY-A4 is characterised by predominantly steep decline of the light REE (La to Sm). Groundwater of this type is also of thermo-saline origin, form instance, contact zones of limestones and intruded igneous basic rocks. - Type REY-B is present solely along the eastern graben shoulder and in Ein Porih. Patterns with variable Ce-, Gd- and Y-anomalies refer to solutes from weathering of the Golan- and Cover Basalts, where precipitation of FeOOH occurred. Stable isotopes δ18O and δ2Η in groundwaters are the results of mixing of (i) isotopically light recharge and (ii) isotopically heavy, ascending thermo-saline groundwaters. δ18O and δ2H in Tabgha waters establish an inflow of isotopically very light groundwater from the north into the Beq at Kinarot. The distribution of major-, minor- and trace elements as well as of isotopes in the water of Lake Kinneret was investigated in 12 lake-water profiles. With the exception of profiles Barbutim , Tabgha and G were hydrochemistry and isotopes clearly indicate the inlet of groundwater, in all other locations constant inflow of groundwater into the lake water was only provable by the systematic change of Ce-anomalies and marginal changes in REY-patterns at the sediment/water interface. On the base of data from Mekorot Comp. Ltd., the amount of inflowing groundwater at the lake bottom and the contents of Cl and Br were balanced for the hydrological year 2002/03. The results are inflow of 84×106 m3/a, Cl and Br equal 66×106 and 0.54×106 kg/a, respectively. However, the uncertainties of the monthly in- and outflows of the lake fully cover the estimated inflow. Combination of (i) areal information on specific electric resistivities in pore-waters and (ii) chemical analyses of pore fluids, lead to a yearly minimum input of 22×106 kg chloride by diffusion/advection. Weighting the Cl input by areas of similar specific resistivities describes the reality much better than a lump-sum view of the basal area of the lake. From the systematic changes of the Ce-anomalies at the sediment/water interface a net-stream of minimal 44×106 m3 pore water into the lake was derived. From the assumption in the upper 0.3m of the sediment chloride is about 350 mg/l a net-inflow of >17×106 kg Cl per year is derived. The inflow of chloride through the lake bottom as calculated by diffusion/advection and by the changing Ce-anomalies are definitely more than 20×106 kg/a, without knowing the upper limit.