Age structure and recharge conditions of a coastal aquifer (northern Germany) investigated with ³⁹Ar, ¹⁴C, ³H, He isotopes and Ne

Abstract

A tide-influenced two-layer aquifer system in northern Germany was investigated using environmental dating tracers (³H, ³⁹Ar, ¹⁴C), the noble gas isotopes ³He, ⁴He and Ne. The study area is a marshland at the River Ems estuary, exposed to regular flooding until AD 1000. The construction of dykes, artificial land drainage and groundwater abstraction define the hydraulic gradient. The aquifer depicts a pronounced age stratification with depth. Tritium concentrations above 0.03 TU are found only in the top 30 m. Two tritium-free samples between 20 and 30 m depth show ³⁹Ar ages of 130 and 250 years. Below a clay layer–about 50 m below surface level (mbsl)–all analysed samples are ³⁹Ar free and, thus, older than 900 years. The initial ¹⁴C activities were about 70 pmC. Resulting ¹⁴C ages increase with depth and increase up to 9,000 years, in agreement with minimal ³⁹Ar ages. Concentrations of radiogenic ⁴He correlate with ¹⁴C ages. Samples in a mid-depth range (20–70 mbsl) show significant gas loss. The gas loss is assigned to recharge in a methane producing environment. Deduced ⁴He ages were used to assign this water to a infiltration period of about AD 1000.

Résumé

Un système aquifère bi-couche d’Allemagne du Nord influencé par la marée a été étudié en utilisant pour la datation des traceurs environnementaux (³H, ³⁹Ar, ¹⁴C), les isotopes de gaz rare ³He et ⁴He et Ne. L’aire d’étude est un pays de marais à l’estuaire de la rivière Ems, soumis à une marée régulière jusqu’en l’an 1000. La construction de digues, le drainage du terrain et le prélèvement sur nappe déterminent le gradient hydraulique. L’aquifère montre en profondeur une stratification bien soulignée par les âges. Des concentrations en tritium supérieures à 0.03 TU sont notées seulement sur les 30 m de tête. Entre 20 et 30 m de profondeur, deux échantillons sans tritium sont datés de 130 et 250 ans par ³⁹Ar. Sous un niveau d’argile (à environ 50 m sous le niveau de la mer), tous les échantillons analysés sont sans ³⁹Ar et donc plus âgés que 900 ans. Les activités initiales ¹⁴C “sont environ 70 pmC. Les ages ¹⁴C résultants s’accroissent avec la profondeur jusqu’à 9000 ans, en accord avec les ages ³⁹Ar. Les concentrations de ⁴He radiogénique sont corrélées avec les âges ¹⁴C. A profondeur moyenne (20 – 70 m sous le niveau marin), des échantillons montrent une importante perte de gaz, attribuée à une recharge en méthane produit par l’environnement. Des âges ⁴He datent la période d’infiltration de l’eau aux environs de l’an 1000.

Resumen

Se investigó un sistema acuífero de dos capas en el Norte de Alemania influenciado por la marea usando trazadores de datación ambiental (³H, ³⁹Ar, ¹⁴C), los isótopos de los gases nobles ³He y ⁴He, y Ne. El área de estudio es un terreno de marisma en el estuario del río Ems, expuesto a inundaciones regulares hasta el año 1000. La construcción de diques, drenajes artificiales de los terrenos y la extracción de aguas subterráneas determinan el gradiente hidráulico. El acuífero muestra una pronunciada estratificación de edad con la profundidad. Las concentraciones de tritio por encima de 0.03 TU se encuentran sólo en los 30 m superiores. Dos muestras libres de tritio entre 20 y 30 m de profundidad mostraron edades de ³⁹Ar de 130 años y 250 años. Por debajo de una capa de arcilla (alrededor de 50 m debajo del nivel de la superficie (mbsl)) todas las muestras analizadas resultaron estar libres de ³⁹Ar y por lo tanto con una antigüedad mayor a 900 años. Las actividades iniciales de ¹⁴C estuvieron alrededor de 70 pmC. Las edades de ¹⁴C resultantes aumentan con la profundidad y se incrementan hasta 9000 años, en acuerdo con las edades mínimas de ³⁹Ar. Las concentraciones de ⁴He radiogénico se correlacionan con las edades de ¹⁴C. Las muestras en un intervalo de profundidades medias (20 – 70 mbsl) muestran una pérdida de gas significativa. La pérdida de gas se asignó a la recarga en un ambiente productor de metano. Las edades de ⁴He deducidas fueron usadas para asignar esta agua a un período de infiltración de alrededor del año 1000.

摘要

利用环境示踪剂(³H, ³⁹Ar, ¹⁴C), 惰性气体同位素³He、⁴He和 Ne研究了德国北部的一个受潮汐影响的双层含水层。研究区位于埃姆斯河口的一个沼泽区域, 这里在公元1000年前经常泛滥。防洪堤的结构、人造的地面排水渠道、以及地下水的开采决定了该区的水力梯度。该含水层显示出一个随深度变化的明显的年龄分层。仅仅在顶部的30m发现超过0.03TU的氚。在20m和30m深度之间的两个无氚样品显示³⁹Ar的年龄为130年和250年。在粘土层(大约在地表以下50m处)以下, 所有的分析样品中均无³⁹Ar, 所以年龄均超过900年。最初的¹⁴C浓度大约是70 pmC。结果表明¹⁴C的年龄随着深度的增加而增加, 直至9000年, 并与³⁹Ar的最小年龄一致。放射性的⁴He的浓度与¹⁴C的年龄相吻合。中间深度样品(20m到70m之间)气体亏损严重。气体的亏损标志着在一个产生甲烷的环境中接受补给。依据⁴He推断的年龄表明该水是公元1000年时渗透的水。

Resumo

Um sistema aquífero de duas camadas sujeito a influência de maré foi investigado através do uso de traçadores de idade (³H, ³⁹Ar, ¹⁴C), de isótopos de gases nobres ³He e ⁴He, e de Ne. A área de estudo é um terreno pantanoso no estuário do rio Ems exposta a cheias regulares até 1000 AD. O gradiente hidráulico é definido pelos diques construídos, pela drenagem artificial dos solos e pela extracção de águas subterrâneas. O aquífero apresenta uma acentuada estratificação de idades em profundidade. Apenas nos primeiros 30 m se observam concentrações de trítio acima de 0.03 TU. Duas amostras sem trítio entre os 20 e os 30 m apresentam idades para ³⁹Ar de 130 anos e de 250 anos. Sob uma camada de argila (localizada a cerca de 50 m abaixo da superfície do terreno (mast)) em nenhuma das amostras analisadas foi observado ³⁹Ar e, portanto, têm idades superiores a 900 anos. As actividades iniciais de ¹⁴C são de cerca de 70 pmC. As idades de ¹⁴C aumentam em profundidade até um valor de 9000 anos, em concordância com idades mínimas de ³⁹Ar. As concentrações de ⁴He radiogénico correlacionam-se com as idades de ¹⁴C. As amostras recolhidas num nível intermédio de profundidade (entre 20 – 70 mast) apresentam uma significativa perda de gás. A perda de gás é atribuída a uma recarga num ambiente com produção de metano. As idades deduzidas do ⁴He foram utilizadas para atribuir esta água a um período de infiltração cerca de 1000 AD.