Amos Russak1,2, Orit Sivan1, Yoseph Yechieli2 and Boaz Lazar3 Time Scale of Water-Rock Interaction Processes in the Fresh-Saline Water Interface of Coastal Aquifers Amos Russak1,2, Orit Sivan1, Yoseph Yechieli2 and Boaz Lazar3 איך אני מתרגם לעברית Time scale of … processes ?? לברר איך עושים שהקהל יראו שקופיות ואני אראה גם את ההערות שלי אני אספר לכם המחקר שלי במסגרת התואר השני שלי שבהנחיית אורית סיוון מבן גוריון, יוסי יחיאלי מהמכון הגיאולוגי ובעז לזר מהאוניברסיטה העברית. כותרת ההרצאה היא – time scale of water-rock interaction processes in the fresh-saline groundwater interface of coastal aquifers או בעברית הקצב של תהליכי מים-סלע בפן הבייני באקוויפר החוף. 1Department of Geological and Environmental Sciences, Ben Gurion University, Beer Sheva, Israel 2Geological Survey of Israel, Jerusalem, Israel 3Institute of Earth Sciences, Hebrew University, Jerusalem, Israel

Fresh-saline water interface (FSI) Changes in the FSI can happen due to: http://water.usgs.gov/ogw/gwrp/saltwater/fig2.gif Global sea level change. Big sea storms. Over exploitation of groundwater. Seasonal changes in groundwater flow rate. Tide. (?) מי תהום זורמים אל הים ונוצר ביניהם אזור ערבוב באקוויפר זהו הפן הבייני. הרכב המים בפן הבייני יכול להיות תוצאה מערבוב המים או שונה מערבוב פשוט אם יש אינטראקציה של המים עם הסלע. הפן הבייני הוא דינמי - מיקומו ורוחבו משתנה. מיקום הפן הבייני יכול להשתנות משינויים גלובליים של גובה פני הים, סופות חזקות שמתרחשות פעם בכמה שנים יגרמו לכניסה גדולה של מי ים אל היבשה שאיבת יתר של מי תהום יגרום לחדירת מי ים והפן הבייני אל היבשה. שינוי עונתי במפלס מי תהום גם כן משפיע. דבר נוסף, גאות ושפל יכולים לשנות את הפן הבייני לפי תדירות הגאות והשפל שמעלים מעט את פני הים ומורידים. שינוי עקב הגאות והשפל לא נבדק מבחינה גיאוכימית. אני במחקר התייחסתי להשפעות עונתיות וגאות ושפל.

Research Goals Identifying seasonal and diurnal controls on the chemical composition of water at the FSI. Quantifying the time scale and the chemical processes in the FSI from field observations and laboratory simulations. מטרת המחקר אם כן היא תיאור וכימות השינויים הפיזיים והכימיים בפן הבייני והערכת קצב תהליכים אלו

Research Area Poleg Well located 70 meters from the shore. Poleg well depth is about 45 meters and perforated all along the length of the pipe. (Netanya) Poleg Poleg Well Mediterranean Sea

Field Methods Seasonal electrical conductivity profiles. Seasonal high resolution (15cm) chemical profiles by multi-layer-sampler (MLS). Equilibration with groundwater is less than 1 month. Diurnal chemical profiles by 3mm diameter pipes and peristaltic pump. Sampling water was done from 6 depths every 2 hours for 28 hours. מה עשינו בשדה? קודם כל הגענו כמידי חודש אל פולג ובצענו פרופילי מוליכות חשמלית. כך ידענו איפה הפן הבייני ויכלנו לחזור ולדגום עם דוגם (bailer). דגמנו את הפן הבייני, מעל הפן הבייני ומתחתיו. וכדי לקבל רזולוציה גבוהה השתתמשנו גם ב- multi-layer-sampler (MLS), שהינו פיתוח של דניאל רונן, שמאפשר רזולוציה גבוהה של כ-15 ס"מ. הדיגום ב MLS אורך זמן רב (התאים נמצאים כחודש בקידוח) וברור שבדרך זו לא ניתן לדגום שינויים יומיים של גאות ושפל ולשם כך השתמשנו בצינורית דקה ודגמנו את המים במשאבה פריסטלטית. דגמנו בשישה עומקים שונים – ארבעה באזור הפן הבייני, אחד מעליו ואחד מתחתיו. דגמנו אותם כל שעתיים במשך 28 שעות. MLS Cell MLS rod

Ion Exchange Simulations in the Laboratory A column was filled with sediments from the research area. The column was saturated with local fresh groundwater. Seawater was pumped through the column in three experiments using different flow velocities. Experiment are somewhat similar to those of Appelo, with addition of other parameters. The column was flushed with freshwater after each salinization experiment. ניסויי המעבדה – כדי ליצור סימולציה קרובה למתרחש באזור המחקר לקחנו דוגמת סדימנט מעומק קרוב לקידוח. ניתן לראות את חיים חמו ואת שלמה אשכנזי עם המקדח. גם שאבנו מים מתוקים מהקידוח מעומק 6 מטרים ולקחנו בז'ריקן מי ים מתוך הים. מבנה הניסוי דומה לניסוי של אורלי אורן למי שמכיר - מילאנו קולונה בסדימנט רווי במים המתוקים, כפי שניתן לראות בתמונה, והזרמנו את מי הים אל הקולונה ע"י משאבה פריסטלטית ודגמנו את המים שיצאו מן הקולונה. בצענו שלוש סדרות של ניסויי המלחה במהירויות שונות. בין שני ניסויי המלחה בצענו ניסוי המתקה. 5 experiments

Electrical Conductivity (mS·cm-1) Field Results Electrical Conductivity (mS·cm-1) Depth (m) July January תוצאות – פרופילי מוליכות: בציר הY העומק מקצה הקידוח, שימו לב שכדי להדגיש את הפן הבייני הטווח הוא בין 15 ל-30 מ', ציר הX הוא המוליכות החשמלית במיליסימנס לס"מ כמובן שקרוב לאפס אלו מים מתוקים ו-60 זה מי ים, מי הקידוח מגיעים כמעט לערך של מי ים. ניתן לראות יפה איך הפן הבייני משנה את צורתו ממעבר חד בין מתוק למלוח (בחורף) ובחודשי הקיץ השינוי הרבה יותר הדרגתי. עומק הפן הבייני גם כן משתנה בערך בין 22 ל 25 מטר. (זה היה חשוב לנו שיצאנו לדגום את הדיגום היומי) The FSI zone moves vertically.

saline water in the well Seawater Mg2+ (meq·L-1) saline water in the well Fresh water in the well לודא שרואים את כל הנקודות (טורקיז וירוק בהיר במצגת על הקיר) תוצאות דגימות השדה: מגנזיום כנגד כלור: ציר הX הוא ערך הכלור ובצירY ערכי המגנזיום במיליאקוויולנט לליטר ניתן לראות שהתוצאות נופלות על קו הערבוב בין מים מתוקים למי ים. זהו סימן לכך שהמגנזיום מתנהג באופן קונסרבטיבי. Cl- (meq·L-1) Most of the results are on a simple mixing line between fresh water and saline water. The magnesium shows a conservative behavior.

saline water in the well Sea water Ca2+ (meq·L-1) saline water in the well Fresh water in the well Cl- (meq·L-1) לעומת זאת הקלציום שונה גם כאן ציר הX הוא ערך הכלור ובצירY רואים את ערכי הקלציום במיליאקוויולנט לליטר המשולשים האדומים הם מי הים וניתן לראות שוב שהמים בקידוח לא מגיעים לערכי המליחות של מי ים אך מעניין שערכי הקלציום של המים המלוחים בקידוח עוברים את ערך ריכוז קלציום בים. כמו כן ניתן לראות שרק בדיגום אחד התוצאות נופלות על קו ערבוב בין המים המתוקים והמלוחים בקידוח ובשאר הם מעל קו הערבוב באופן שונה מדיגום לדיגום. מחישוב אלקליניות נראה שהשינוי העיקרי הוא לא מהמסת קרבונט אלא שחלוף קטיונים. רואים שגם תוצאות הדיגום היומי נופלות מעל קו הערבוב מכאן שעבר עליהם תהליך השחלוף ( כרגע אנחנו מנסים לחשב האם השינוי מתרחש בטווח הזמן היומי או התרחש בזמן ארוך יותר.) Most of the results are above the mixing line between fresh water and saline water, indicating that cation exchange occur. The cation exchange time scale is seasonal at most, and possibly also on diurnal scale.

Concentration (relative to maximum) Experiments Results Values of δ13CDIC in seawater and saline groundwater Mg Cl Seawater end member Na Sr Concentration (relative to maximum) δ13CDIC Ca K SO4 δ13CDIC אני מציג עכשיו שוב את תוצאות ניסוי ההמלחה הראשון כדי לעצור רגע על התהליכים שניתן ללמוד מהתוצאות. אז שוב ציר X זהו נפח החללים, ציר Y (שמאלי) ריכוזים של כל יון מנורמל לריכוזו המקסימלי ושימו לב לציר Y הימני של ערכי דלתא C 13. בניסויים קודמים שנעשו לא נעשו אנליזות לדלתא C 13. נעשה זום כדי לראות את השינויים בתחילת הערבוב של המים המתוקים ומי הים. הכלור והמגנזיום ממש אחד על שני ולכן קשה לזהות – (העיגול הכחול והאיקס האדום). הקלציום והסטרונטציום באופן מאד ברור מועשרים – מעבר לריכוזם במי ים. האשלגן באופן מאד ברור מדולדל. הנתרן והסולפט מעט מעוקבים גם כן. שימו לב גם לירידה בדלתא C 13 בחלק של תחילת ערבוב מים הים עם המים המתוקים שיכולים ללמד על תהליך של חמצון חומר אורגני . Fresh water end member Pore Volume Magnesium show a conservative behavior. Calcium and strontium are enriched. Potssium seem to be delay. Negative δ13CDIC imply on organic matter oxidation.

Concentration (relative to maximum) ~50 m·y-1 Experiment Results in different velocities ~200 m·y-1 Concentration (relative to maximum) לפניכם תוצאות הניסוי של שלושת ניסויי ההמלחה. ציר ה-X הוא נפח החללים המייצג את זמן הניסוי וציר ה-Y הוא ריכוזי היונים העיקריים שמדדנו. הערכים הם מ-0 עד 1 כי ריכוז כל יון מבוטא כפרקציה מערכו המקיסמלי כדי שיהיה קל להשוות ביניהם. מעל כל גרף רשום באיזו מהירות בצענו את הניסוי חשוב לזכור שהניסויים נערכו על אותה קולונה, אפלו ושותפיו ב-1990 עשו ניסוי דומה בתנאים שלהם במהירות עד 100 מטר לשנה. אני עשיתי את הניסויים בתנאים שלנו גם במהירויות יותר גבוהות אפילו 1000 מטר לשנה וקבלנו תוצאות דומות בין שלושת הניסויים שעשינו. סה"כ ניתן לראות עקום פריצה פשוט. המים היוצאים מהקולונה הם בהתחלה מתוקים, מתחילים להיות מלוחים יותר ומגיעים בסוף לריכוז מי ים. ~1000 m·y-1 Pore Volume

[Naobs-Naexp] + [Kobs-Kexp] (meq·L-1) [Caobs – Caexp] (meq·L-1) Cation exchange calculation [Naobs-Naexp] + [Kobs-Kexp] (meq·L-1) כאן ישנו ניסיון לחשב באופן כמותי האם השחלוף הוא בין הקלציום לבין הנתרן והאשלגן. זה התבצע לפי השוואה בין הריכוזים שנמדדו לאלו הצפויים של הקטיונים. בציר X זהו השינוי בקלציום ובציר Y סכום השינוי בנתרן ובאשלגן שימו לב שציר הY לא חותך את ציר X ב-0 אלא במינוס עשר (-10) שיפוע הגרף קרוב למינוס אחד המראה התאמה בין ההעשרה של הקלציום לבין הדלדול בנתרן ובאשלגן [Caobs – Caexp] (meq·L-1) The cation exchange calculated as the difference between the observed cation concentration and the expected concentration (if conservative). Slope of -1 means that the enrichment of calcium is equal to the depletion in potassium and sodium.

Comparison Between Field and Experiments Results Black – exp. Color - field Salinization exp. Ca2+ (meq·L-1) Flushing exp. עכשיו אני רוצה לעשות השוואה בין הניסוי לתוצאות השדה, אני משווה בין גרף קלציום לעומת כלור מן השדה שהראתי קודם וביו קלציום כנגד כלור המתקבל מהניסויים. ניתן לראות התאמה די טובה וניתן ללמוד שקו הערבוב שקבלנו בשדה מלמד על תהליך המתקה ושרוב התוצאות מלמדות שמה שמתרחש באזור הפן הבייני בעיקר הוא תהליך המלחה. Cl- (meq·L-1) There is a good correlation between the field results and the laboratory experiments. Most of the field results (including the diurnal sampling) show seawater intrusion pattern.

Conclusions Salinization and flushing experiments simulate very well the field observations in the FSI. Flushing is expressed as a simple mixing lines between all ions. Exchange of Ca with (Na + K) is a major process occurring in the FSI during salinization. Cation exchange is a very fast process occurring even at very high flow rates (1,000 m·y-1 in laboratory experiments). מסקנות: שינויים כימיים עונתיים בפן הבייני נראו באופן ברור, ויתכן שמתרחשים גם בטווח זמן יומי. התהליך הברור ביותר שמתרחש הוא שחלוף קטיונים בין קלציום לבין אשלגן ונתרן. מניסויי המעבדה נמצא כי שחלוף קטיונים יכול להתרחש במהירות גבוהה הרבה יותר מזו שתאר אפלו וחובריו ב1990 (מה שמחזק ששינויים עקב חדירה מהירה יחסית של גאות ושפל כן אמורים להראות שינוי כימי) חמצון חומר אורגני נצפה בניסוי על פי דלדול בדלתא C 13 ניסויי ההמלחה מדמים טוב ביותר את התצפיות מן השדה

Thank You For Listening מסקנות: שינויים כימיים עונתיים בפן הבייני נראו באופן ברור, ויתכן שמתרחשים גם בטווח זמן יומי. התהליך הברור ביותר שמתרחש הוא שחלוף קטיונים בין קלציום לבין אשלגן ונתרן. מניסויי המעבדה נמצא כי שחלוף קטיונים יכול להתרחש במהירות גבוהה הרבה יותר מזו שתאר אפלו וחובריו ב1990 (מה שמחזק ששינויים עקב חדירה מהירה יחסית של גאות ושפל כן אמורים להראות שינוי כימי) חמצון חומר אורגני נצפה בניסוי על פי דלדול בדלתא C 13 ניסויי ההמלחה מדמים טוב ביותר את התצפיות מן השדה