Hydrogeologic and hydrochemical framework of the shallow groundwater system in the southern Voltaian Sedimentary Basin, Ghana

Abstract

 The southern Voltaian Sedimentary Basin underlies an area of about 5000 km2 in east-central Ghana. Groundwater in the basin occurs in fractures in highly consolidated siliciclastic aquifers overlain by a thin unsaturated zone. Aquifer parameters were evaluated from available aquifer-test data on 28 shallow wells in the basin. Hydraulic-conductivity values range from 0.04–3.6 m/d and are about two orders of magnitude greater than the hydraulic conductivity calculated using Darcy's Law and the average groundwater velocity estimated from carbon-14 dating. Linear-regression analysis of the transmissivity and specific-capacity data allowed the establishment of an empirical relationship between log transmissivity and log specific capacity for the underlying aquifers.

Groundwater chemistry in the basin is controlled by the weathering of albitic plagioclase feldspar. The weathering rates of various minerals were estimated using 14C-derived average velocity in the basin. The weathering rate of albite was calculated to be 2.16 μmol L–1 yr–1 with the resulting formation of 3.3 μmol L–1 yr–1 of kaolinite and 0.047 μmol L–1 yr–1 of calcite. The low porosity and permeability of the aquifers in the basin are attributed to the precipitation of secondary minerals on fracture surfaces and interlayer pore spaces.

Résumé

Le bassin sédimentaire de Volta du sud s'étend sur environ 5000 km2 dans le centre-est du Ghana. Dans ce bassin, les eaux souterraines sont présentes dans les fractures d'aquifères de roches détritiques siliceuses consolidées, présentant une zone non saturée peu épaisse. Les paramètres des aquifères ont été calculés à partir des données disponibles d'essais d'aquifère provenant de 28 puits peu profonds.

Les valeurs de la conductivité hydraulique sont comprises entre 0,04 et 3,6 m/j et sont supérieures de deux ordres de grandeur environ à celles calculées à partir de la loi de Darcy et de la vitesse moyenne d'écoulement de l'eau souterraine déduite des datations par le radiocarbone. Une analyse par régression linéaire des données de transmissivité et de coefficient d'emmagasinement a permis d'établir une relation empirique entre le log de la transmissivité et le log du coefficient d'emmagasinement pour les aquifères sous-jacents.

Le chimisme de l'eau souterraine dans le bassin est contrôlé par l'altération d'un plagioclase albitique. Les taux d'altération de différents minéraux ont été estimés au moyen de la vitesse moyenne dans le bassin, d'après les données de radiocarbone. Le taux calculé d'altération de l'albite est de 2,16 μmol L–1 an–1, à laquelle est associée la formation de 3,3 μmol L–1 an–1 de kaolinite et de 0,047 μmol L–1 an–1 de calcite. La faible porosité et la faible perméabilité des aquifères du bassin sont attribuées à la précipitation de minéraux secondaires à la surface des fractures et dans les espaces poraux des intercalations.

Resumen

La zona sur de la Cuenca Sedimentaria de Voltaia ocupa un área de unos 5000 km2 en la parte este-central de Ghana. El agua subterránea en esta cuenca aparece en las fracturas de un material silicoclástico altamente consolidado, sobre el que existe una zona no saturada de pequeño espesor. Los parámetros del acuífero se evaluaron a partir de datos de ensayos de bombeo en 28 pozos superficiales. Los valores de conductividad hidráulica oscilaron entre 0.04–3.6 m/d y son unos dos órdenes de magnitud superiores a los calculados a partir de aplicar la Ley de Darcy a la velocidad media del agua estimada mediante la datación con Carbono-14. El análisis mediante regresión lineal de los datos de transmisividad y caudal específico permiten establecer una relación empírica entre ambos.

La hidroquímica del agua subterránea de la cuenca por la erosión del feldespato plagioclásico albítico. Las velocidades de erosión de los distintos materiales se estimaron a partir de las velocidades medias derivadas de los datos de 14C. La velocidad de erosión de la albita se ha calculado en 2.16 μmol L–1 año–1, con la consiguiente formación de 3.3 μmol L–1 año–1 de caolinita y de 0.047 μmol L–1 año–1 de calcita. Las bajas porosidades y permeabilidades de los acuíferos en la cuenca se atribuyen a la precipitación de minerales secundarios en las superficies de fractura y en los espacios intersticiales.