Potential for fresh submarine groundwater occurrence in an arid Mediterranean region: the case of Gulf of Gabes, Tunisia

Abstract

Arid and semiarid zones, including the southern Mediterranean countries, are among the world’s most affected by water scarcity. Unconventional water resources, such as submarine fresh groundwater, may be key contributors to mitigate ongoing and future water crises for coastal regions and islands. In the Gulf of Gabes, Tunisia, several deep confined aquifers have been identified and the parts that are onshore have been well characterized. However, the offshore extension of these aquifers has been unexplored to date, except beneath Kerkenah and Djerba islands, where a number of exploitation wells are operating. In this work, the existing, but fragmented, geological, geophysical and hydrogeological data from both the marine and terrestrial sides of the Gulf of Gabes are synthesized for the first time in order to map the offshore extension of the deep aquifers and identify the quality of their groundwaters. Geological data confirmed the offshore continuity of the deep aquifers contained in the Miocene siliciclastic formations, particularly the Serravallian-Tortonian (ST) water-bearing horizon, on which the present research focuses more specifically, because of its wide extension and potential. In the study region, the ST aquifer is present onshore and is currently exploited in Kerkenah and Djerba islands. Offshore, the average thickness of the ST aquifer is ~200 m. Wireline log data suggest total porosity and salinity ranges of 30–36% and 5.5–7.5 g/L, respectively. These conditions make the offshore water-bearing horizon of potential interest for agriculture, industry and domestic purposes, including after adequate treatments such as desalination or dilution with freshwater.

Résumé

Les zones arides et semiarides, y compris les pays du sud de la Méditerranée, sont parmi les plus touchées par la pénurie d’eau. Les ressources en eau non conventionnelles, telles que les eaux souterraines douces sous-marines, peuvent contribuer de manière décisive à atténuer les crises de l’eau actuelles et futures dans les régions côtières et les îles. Dans le golfe de Gabès, en Tunisie, plusieurs aquifères captifs profonds ont été identifiés et les parties terrestres ont été bien caractérisées. Cependant, l’extension au large de ces aquifères n’a pas encore été explorée, sauf sous les îles de Kerkenah et de Djerba, où un certain nombre de puits d’exploitation sont en service. Dans ce travail, les données géologiques, géophysiques et hydrogéologiques existantes, mais fragmentées, de part et d’autre, marin et terrestre du Golfe de Gabès sont synthétisées pour la première fois afin de cartographier l’extension au large des aquifères profonds et d’identifier la qualité de leurs eaux souterraines. Les données géologiques ont confirmé la continuité vers le large des aquifères profonds contenus dans les formations siliciclastiques du Miocène, en particulier l’horizon aquifère Serravallien-Tortonien (ST), sur lequel la présente recherche se concentre plus particulièrement, en raison de sa large extension et de son potentiel. Dans la région étudiée, l’aquifère ST est présent à terre et est actuellement exploité dans les îles de Kerkenah et de Djerba. Au large, l’épaisseur moyenne de l’aquifère ST est d’environ 200 m. Les données des diagraphies suggèrent une porosité totale et une salinité respectivement de 30 à 36% et de 5.5 à 7.5 g/L. Ces conditions font que l’horizon aquifère offshore présente un intérêt potentiel pour l’agriculture, l’industrie et les usages domestiques, y compris après des traitements adéquats, tels que le dessalement ou la dilution avec de l’eau douce.

Resumen

Las zonas áridas y semiáridas, incluidos los países del sur del Mediterráneo, se encuentran entre las más afectadas del mundo por la escasez de agua. Los recursos hídricos no convencionales, como las aguas subterráneas dulces submarinas, pueden contribuir decisivamente a mitigar las crisis actuales y futuras de las regiones costeras y las islas. En el Golfo de Gabes (Túnez) se han identificado varios acuíferos confinados profundos y se han caracterizado correctamente sus partes terrestres. Sin embargo, la extensión offshore de estos acuíferos no se ha explorado hasta la fecha, excepto bajo las islas Kerkenah y Djerba, donde funcionan varios pozos de explotación. En este trabajo se sintetizan por primera vez los datos geológicos, geofísicos e hidrogeológicos existentes, aunque fragmentados, de las vertientes marina y terrestre del Golfo de Gabes, con el fin de cartografiar la extensión mar adentro de los acuíferos profundos e identificar la calidad de sus aguas subterráneas. Los datos geológicos confirman la continuidad mar adentro de los acuíferos profundos contenidos en las formaciones silicoclasticas del Mioceno, en particular el horizonte acuífero Serravalliano-Tortoniano (ST), en el que se centra más concretamente la presente investigación, debido a su vasta extensión y potencial. En la región estudiada, el acuífero ST esta presente en tierra firme y se explota actualmente en las islas de Kerkenah y Djerba. En alta mar, el espesor medio del acuífero ST es de unos 200 m. Los datos de los registros de la perforación indican una porosidad total y una salinidad que oscilan entre el 30% y el 36% y entre 5.5 y 7.5 g/L, respectivamente. Estas condiciones hacen que el horizonte acuífero offshore presente un interés potencial para la agricultura, la industria y los usos domésticos, incluso tras tratamientos adecuados, como la desalinizaciónón o la dilución con agua dulce.

الخلاصة

تعتبر المناطق الجافة وشبه الجافة، بما في ذلك دول جنوب البحر الأبيض المتوسط، من بين أكثر مناطق العالم تأثرًا بندرة المياه. قد تكون المصادر غير التقليدية للمياه، مثل المياه الجوفية العذبة تحت البحر، من الحلول الهامة للمساهمة في التخفيف من أزمات المياه الحالية والمستقبلية للمناطق الساحلية والجزر. في خليج قابس بتونس، تم تحديد العديد من الموائد المائية العميقة المحصورة وتم توصيف الأجزاء البرية منها بشكل جيد. ومع ذلك، لم يتم استكشاف الامتداد البحري لهذه الموائد حتى الآن، باستثناء منطقتي جزيرة قرقنة وجزيرة جربة، حيث توجد عدد من آبار استغلالها. في هذا العمل، يتم تجميع البيانات الجيولوجية والجيوفيزيائية والهيدروجيولوجية الموجودة، من الجهتين البحرية والبرية لخليج قابس من أجل رسم الامتداد الجغرافي للموائد المائية العميقة تحت البحر وتحديد جودة مياهها. أكدت البيانات الجيولوجية استمرارية الموائد العميقة الموجودة لا سيما في تكوينات السيليكلاستيك الميوسينية، ولا سيما الطبقة المائية سيرافاليان-تورتوني(ST)، والتي يركز البحث الحالي بشكل أكثر تحديدًا على امتدادها وإمكاناتها. في منطقة الدراسة، تتواجد الطبقة المائية ST على البر وكذلك يتم استغلالها حاليًا في جزيرتي قرقنة وجربة. تحت البحر، يبلغ متوسط سمك الطبقة المائية ST حوالي 200 متر. تشير بيانات تسجيلات الأسلاك الرفيعة إلى مسامية إجمالية ونسب ملوحة تتراوح بين 30-36٪ و 5.5-7.5 غ/لتر، على التوالي. تجعل هذه المعطيات الطبقة المائية تحت البحر مثيرة للاهتمام للاستخدامات الزراعية والصناعية والمنزلية، بما في ذلك بعد المعالجات المناسبة، مثل التحلية أو التخفيف باستخدام المياه العذبة.

摘要

包括南地中海国家的干旱和半干旱地区，是世界上受水资源稀缺影响最严重的地区之一。非传统水资源，例如海底地下淡水，可能是减缓沿海地区和岛屿持续和未来水危机的关键因素。在突尼斯的Gabes湾，已经确定了几个深层承压含水层，并且这些含水层的陆地部分已经得到很好的表征和研究。然而，这些含水层的海上延伸在迄今为止尚未被探索，除了在凯尔克纳和杰尔巴岛下方，在那里已经有了若干开采井。在这项工作中，首次综合了 Gabes 湾陆地和海洋两侧现有但零散的地质、地球物理和水文地质数据，以绘制深层含水层的海上延伸图，并确定其地下水的质量。地质数据证实了深层含水层在中新世硅质碎屑岩层中的海上连续性，特别是Serravallian-Tortonian（ST）含水层位，本研究更专注于该含水层位，因为其分布广泛和具有潜力。在研究区域内，ST含水层位陆上存在，并且目前在凯尔克纳和杰尔巴岛上进行开采。在海上，ST含水层的**均厚度约为200米。测井数据显示，总孔隙度和盐度范围分别为30–36%和5.5–7.5 g/L。这些条件使得海上含水层位在农业、工业和家庭用途方面具有潜在兴趣，包括经过适当处理，如淡化或淡水稀释后的用途。

Resumo

As zonas áridas e semiáridas, incluindo os países do sul do mediterrâneo, estão entre as mais afetadas pela escassez de água no mundo. Os recursos hídricos não convencionais, como as águas subterrâneas doces submarinas, podem ser os principais contribuintes para mitigar as crises hídricas atuais e futuras das regiões e ilhas costeiras. No Golfo de Gabes, na Tunísia, vários aquíferos profundos confinados foram identificados e as partes que estão em terra foram bem caracterizadas. No entanto, a extensão fora da costa desses aquíferos não foi explorada até o momento, exceto sobre as ilhas Kerkenah e Djerba, onde vários poços de exploração estão em operação. Neste trabalho, os dados geológicos, geofísicos e hidrogeológicos existentes, porém fragmentados, dos lados marinho e terrestre do Golfo de Gabes são sintetizados pela primeira vez para mapear a extensão fora da costa dos aquíferos profundos e identificar a qualidade de suas águas subterrâneas. Os dados geológicos confirmaram a continuidade dos aquíferos profundos fora da costa contidos nas formações siliciclásticas do Mioceno, particularmente o horizonte portador de água Serravallian-Tortonian (ST), no qual a presente pesquisa se concentra mais especificamente, devido à sua ampla extensão e potencial. Na região de estudo, o aquífero ST está presente em terra e atualmente é explorado nas ilhas Kerkenah e Djerba. Em alto mar, a espessura média do aquífero ST é de cerca de 200 m. Os dados de perfilagem sugerem porosidade total e faixas de salinidade de 30 a 36% e 5.5–7.5 g/L, respectivamente. Essas condições tornam o horizonte de água fora da costa de potencial interesse para agricultura, a indústria e fins domésticos, inclusive após tratamentos adequados, como dessalinização ou diluição com água doce.