Banda, Kawawa Eddy

Et af de stor miljøproblemer i verdens aride og semi-aride områder verden er salinisering af vandressourcen. Tilmed er de fleste af disse områder befolket af fattige samfund i udviklingslande, med begrænsede eller ingen finansielle ressourcer til at udvikle alternativer til at opfylde det basale behov for vand. Med en voksende befolkning og tiltagende virkninger af klimaændringerne kan grundvandsressourcer være et muligt alternativ. Imidlertid kræver udnyttelsen af grundvandet i disse områder kendskab til grundvandssystemets struktur og tilblivelse og de mekanismer der styrer vandkemien. De, der arbejder med vandressourcer i aride og semi-aride områder, er enige om, at det fremtidige potentiale for udvikling af grundvandsressourcerne især afhænger af graden og hastigheden af saliniseringen. Dette ph.d. arbejde fokuserer på de sedimentologiske og hydro-geokemiske forhold, der har formet grundvandsystemet i det vestlige Zambia til den nuværende hydrogeologi, med særligt fokus på oprindelsen af og dynamikken i grundvandets saltindhold. Det undersøgte område er Machile Bassinet i det sydvestlige Zambia, et semi-aridt område i den nordlige forlængelse af et udtørret søsystem – Palæo Makgadikgadi Søen (PMS) i det sydlige Afrika. PMS er en palæo-endorheisk megasø, dannet som følge af tektoniske hændelser i Tidlig Pleistocæn (anslået - ca. 1,4 Ma). Søoverfladen har siden dannelsen ligget i flere niveauer, med det højeste niveau på ~ 995 m over middel havniveau. Søen tørrede stort set ud i Sen Pleistocæn (sandsynligvis ca. 500 ka). De anvendte felt-og laboratoriemetoder omfatter: boring til 100 m under terræn (mut), geofysisk borehulslogging, måling af grundvandsspejlets beliggenhed, datering af sediment (med optisk stimuleret luminescens - OSL), mineralogiske analyser (XRD), sporkomponenter i grundvandet (18O, 2H, 3H / 3He, 14C), vandkemi (herunder pore-vand), kationbytningsevne og sediment udvaskningsforsøg. Der blev udtaget prøver fra de ukonsoliderede sedimenter ved flere dybder ned til 50 mut fra den 100 m dybe boring. XRD-analyse af sedimentet viser, at det overvejende består af silikat mineraler (kvarts og feldspater) med hvidlige noduler af bassanite (dehydreret gips), mens indholdet af karbonater (kalcit og dolomit) var under detektionsgrænsen for XRD; brusen ved syretilsætning viste dog et vist indhold af karbonater. OSL dateringen viste, at sedimenterne er gamle (&gt; 300 ka), men alderen kan ikke bestemmes mere præcist, da kvartskornene er helt eller næsten mættet mht. det oplagrede strålingssignal. Sedimenterne viser at palæo-miljøet har være karakteriseret ved vekslende våde og tørre perioder (baseret på mikrofossiler og facies ændringer), hvor der er afsat fluviatile og lacustrine sedimenter (sand, silt og ler aflejringer). De geofysiske logs formåede i høj grad at afgrænse den vertikale udstrækning af sedimenttyperne og påviste en høj saltholdighed ned til de underliggende basalter 100 mut. Inden for Machile Bassinet, har grundvandsspejlet en lav hydraulisk gradient i de centrale del af området med palæo-søsedimenter, kendetegnet ved brakvand-saltvand, og en stejlere gradient i det omkransende ferskvandsområde. Det ferske vand er typisk Ca-Mg-HCO3 og Na-HCO3 domineret, et resultat af silikatforvitring, mens det salte grundvand er Na-SO4-Cl domineret, som følge af en vedvarende dedolomitisering og ionbytning, modelleret ved hjælp af den geokemiske kode PHREEQC. Grundvandets aldre langs en strømningsbane, bestemt ved hjælp af 14C og 3H/3He er &lt;10 ka og generelt &lt;50 ka indenfor PMS regionen, og dermed betydeligt yngre end de meget gamle sedimenter (&gt; 300 ka). Dette tyder på en høj infiltration under nedbørsrige perioder i Sen Pleistocæn ( &gt; 30-20 ka) og Holocæn (8-4,5 ka), der medførte en delvis udvaskning af sedimenterne. Stabile vandisotopdata (2H og 18O) data tyder på, at grundvandet modtager infiltration fra nedbør, men at det meste af dette vand fjernes ved evapo-transpiration og gør den salte del af systemet til en zone med næsten stillestående grundvand uden nogen gennemstrømning. Fersk grundvand befinder sig derfor i en zone nær overfladen (i f.eks flodløb, palæo dræneringer og alluviale deltaiske systemer) inden for PMS regionen. Denne undersøgelse understøtter en tektonisk styret udvikling af PMS, hvor hydrologiske feedbacks var sekundære processer under PMS udviklingen. Klimatiske variationer med nedbørsrige perioder var imidlertid afgørende for udvaskningen af sedimentet. Den nuværende hydrogeologi i den udtørrede sø, omfatter, ler, silt og sandede sedimenter, som indeholder næsten stillestående saltvand. Ferskvand fra det regionale grundvand bliver generelt fjernet ved evapo-transpiration eller overfladisk dræning. Disse resultater tyder på, at tilsaltningen af grundvandsressourcerne i dette system primært er et resultat af de palæo processer, der dannede PLM i et aridt klima og efterlod evaporitmineraler og et højt saltindhold i sedimenterne. Det generelt tørre klima siden dannelsen, kombineret med lav hydraulisk ledningsevne indebærer, at PLM sedimenterne stadig ikke er skyllet fri for salte efter ca. 500 ka. Dette indebærer, at søgning efter fersk grundvand skal målrettes mod dybere grundvandsmagasiner, eller at andre teknologier såsom grundvand afsaltning og regnvandsopsamling må tages i brug.An important environmental problem in arid to semi-arid regions of the world is salinisation of water resources. Moreover, most of these regions are inhabited by poor communities in developing countries, with limited or no financial resources to develop suitable alternatives to meet their basic water needs. With increasing world population and increasing effects of climate change, groundwater resources are seen as a suitable alternative. However, the exploitation of groundwater in these regions requires knowledge of aquifer structure and genesis, and mechanisms that control hydrochemistry. Water resources practioners in arid and semi-arid regions accept that future development of groundwater resources depends largely on the degree and rate of salinisation. This PhD study focuses on investigating the sedimentological and hydro-geochemical conditions that have shaped the groundwater environment in Western Zambia to the present hydrogeology, in particular the origin and dynamics of groundwater salinity. The case study is the Machile Basin of south-western Zambia, a semi-arid region on the northern extension of a desiccated lake system – Palaeo-lake Makgadikgadi (PLM), southern Africa. PLM is a palaeo-mega endorheic lake system that was formed due to tectonic disruptions in the Early Pleistocene (speculated at c. 1.4 Ma). The lake has sustained several lake levels, with the highest level at ~995 m above mean sea level (amsl) and became largely desiccated in the Late Pleistocene (probably by c. 500 ka). Methods used in the field and laboratory included: deep borehole drilling, geophysical borehole logging, groundwater table measurements, sediment dating (with optically stimulated luminescence - OSL), mineralogical analysis (XRD and SEM), groundwater tracers (18O, 2H, 3H/3He, 14C), hydrochemistry (including pore-water), cation exchange capacity and sediment dilution experiments. Unconsolidated sediment samples at intermittent depths up to 50 m below ground level (bgl) were retrieved from a 100 m bgl research borehole. Sediment XRD analysis shows that the sediment has predominantly silicate minerals (quartz and feldspars) with whitish nodule like structures detected to be bassanite (dehydrated gypsum), whereas carbonates (calcite and dolomite) were below detection by XRD; a simple acid test, however, validated the presence of carbonates. OSL dating showed that the sediments are old (&gt; 300 ka) and cannot be accurately constrained as the quartz mineral grains are fully or nearly saturated. The sediment pack shows conditions of palaeo-environmental changes of wet and dry conditions (based on microfossils and facies changes) depositing fluvio-lacustrine sediments (sand, silt and clay intercalations); geophysical logging delineated and resolved these sediments well, showing high salinity down to the basement rocks at 100 m bgl. Within the Machile Basin, the groundwater table has a low hydraulic gradient in the central palaeo-lake sediment region, characterized by brackish-saline water, and higher gradients in the fresh water fringe region. The fresh water is typically Ca-Mg-HCO3 and Na-HCO3 dominated due to silicate weathering, whereas, the saline groundwater is Na-SO4-Cl dominated, the result of sustained dedolomitization and ion exchange processes as modelled using the geochemical code PHREEQC. The groundwater ages along a flow line using 14C and 3H/3He are &lt; 10 ka and generally &lt; 50 ka at a regional scale over the PLM, compared to very old sediments (&gt; 300 ka), suggesting pluvial climatic recharge process during Late Pleistocene (&gt; 30-20 ka) and Holocene (8-4.5 ka) that induced partial leaching of the sediments. Stable water isotopes (2H and 18O) data suggest that groundwater receives meteoric recharge; however most of this water is lost to evapo-transpiration rendering the saline environment a virtually stagnant groundwater zone without any through flow. Fresh groundwater is therefore hosted in the near-surface zone (such as river channels, palaeo drainages and alluvial deltaic features) within the PLM region. This study supports a tectonically controlled evolution of PLM in which hydrological feedbacks were secondary processes during the PLM development; climatic variation during pluvial events was, however, critical in flushing the sediment. The present hydrogeology of the desiccated lake, includes, clay, silt and sand sediments that host almost stagnant saline water. Freshwater from the regional groundwater is generally lost to evapo-transpiration or superficial drainage. These findings suggest that the salinisation of the groundwater resources in this system is primarily the result of the palaeo processes that formed PLM in an arid climate leaving evaporitic minerals and high salinity in the sediments. Because of the generally arid climate since the formation, combined with low hydraulic conductivity the PLM sediments are still not flushed after c. 500 ka. This implies that investigations for fresh groundwater must be targeted at deeper aquifers or other technologies such as groundwater desalination and rain-water harvesting must be implemented

Online Research Database In Technology

Sedimentology, hydrogeology and hydrogeochemistry of Machile Basin, Zambia

http://orbit.dtu.dk/ws/files/106858542/Kawawa_E_Banda_PhD_thesis_FULL_Version_for_ORBIT.pdf

Sedimentology, hydrogeology and hydrogeochemistry of Machile Basin, Zambia

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology