Original paper

Effect of oil exploration and production on the salinity of a marginally permeable aquifer system in the Thar Jath-, Mala- and Unity Oilfields, Southern Sudan

Rueskamp, Hella; Ariki, John; Stieglitz, Klaus; Treskatis, Christoph

Zentralblatt für Geologie und Paläontologie, Teil I Jg. 2014 Heft 1 (2014), p. 95 - 115

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published: Dec 10, 2014

DOI: 10.1127/zgpI/2014/0095-0115

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Abstract

The study area, located in the Subtropics west of the East African Rift, is characterized – on the basis of its hydrology – by an alluvial aquifer system that is made up of predominantly fine-grained early Tertiary and Quaternary sediments. These sediments were deposited by the River Nile in large lakes. Nowadays, there is little natural new water recharge from seeping precipitation, due to marginal permeability and the formation of extensive wetlands. In order to search for possible links between an increasingly high salinity in drinking water and the exploration and production of oil in Unity State, South Sudan, a total of 90 water samples from 76 different sampling sites were taken, 74 have been analysed in detail. The samples were taken from the surface water of swamps, from boreholes in various settlements in the area, from produced water storage basins, from production facilities of the oil industry and from mud pits at abandoned as well as from still active exploration drilling sites. Results of these analyses facilitated the identification of six water types that were hydrochemically distinguishable, and that were characterized by significantly variable ionic relationships and salt contents. Waters unaffected by human activity are characterized by prograde quality development, controlled by water-rock reactions, and they range from a hydrogen carbonate type to a sulphate type. The total dissolved content increases only gradually with the geogenic, prograde evolution of groundwater close to the surface, and ranges in terms of electrical conductivity from < 400 μs/cm to about 800 μs/cm. however, by comparison, contaminated well waters show a substantially increased salt content (> 6, 000 μS/cm) with simultaneous dominance of chloride and sulphate contents. This anion dominance occurs also partially in produced water storage basins of oil production facilities, especially in mud pits of exploration operations. Due to the direction of groundwater flow, the spatial distribution of salt contamination and the hydro-geological boundary conditions found in low water permeable alluvial deposits, the cause of high conductivities in drinking water wells can only be attributed to selective seepage of salt-containing water from the basins and mud pits of those three oilfields operating in the study area. Other sources of salt contamination, e. g. deepwater rises or groundwater affected by evaporation, were not identified. In order to guarantee the supply of drinking water for the population in the region, initially two deep wells were sunk (down to 280 m and 300 m depth respectively), and drinking water was pumped from the deepest aquifer, which had not yet been explored and developed. The latter has sulphate-dominated water of low to medium conductivity, which circulates in thin lenses of sand as well as in predominantly silty, fine sand layers. A clay layer, approximately 50 m thick, separates the first partly salinized aquifer from the underlying newly explored groundwater horizon. This horizon is supplied only by very slow processes of new accumulation (re-charge) processes, extending over decades. With reasonable exploration and proper well construction, the natural protection against any shift of saltwater contamination into deeper layers, will be assured by the clay layer.

Kurzfassung

Zur Untersuchung eines möglichen Zusammenhangs von zunehmend hohen Salz- und Gesamtlösungsinhalten im Trinkwasser und der Exploration und Produktion von Erdöl im Unity State, Südsudan, wurden insgesamt 90 Wasserproben an 76 unterschiedlichen Entnahmestellen analysiert. Sie wurden aus Oberflächengewässern der Sümpfe, aus Trinkwasserbrunnen der Siedlungen, aus Prozesswasserbecken der Produktionsanlagen und aus Spülgruben an ehemaligen und aktiven Explorationsbohrstellen entnommen. Das in den Randtropen gelegene Untersuchungsgebiet ist hydrogeologisch durch ein alluviales Grundwasserleitersystem westlich des Ostafrikanischen Grabens charakterisiert, das durch gering wasserdurchlässige Sedimente des Nils aufgebaut ist und aufgrund der eingeschränkten Permeabilität nur keine signifikante natürliche Neubildung durch versickernde Niederschläge erfährt. Die Analyse der Wässer erfolgte nach der deutschen Trinkwasserverordnung und nach WHO Richtlinien. Die Ionenbilanzen führten zur Abgrenzung von fünf Wassertypen, die sich durch unterschiedliche Ionenrelationen und Salzgehalte auszeichnen. Die anthropogen unbeeinflussten Wässer zeichnen sich durch eine prograde, von Wasser-Gesteins-Reaktionen gesteuerte Qualitätsentwicklung vom Hydrogenkarbonat-Typ zum Sulfat-Typ aus. Dabei steigt der Gesamtlösungsinhalt nur mäßig an. Die belasteten Wässer aus den Brunnen weisen dagegen einen im Vergleich dazu stark erhöhten Salzgehalt (> 6. 000 μS/cm) auf bei gleichzeitiger Dominanz der Chlorid und Sulfat-Anteile. Diese Ionenrelationen finden sich auch in den Prozesswasserbecken der Erdölproduktionsanlagen und Spülgruben der Erdölexploration. Aufgrund der Grundwasserfließrichtungen, der räumlichen Verteilung der Salzbelastungen und der vorgefundenen hydrogeologischen Randbedingungen in den geringdurchlässigen Alluvionen kann die Ursache der hohen Leitfähigkeiten in den Trinkwasserbrunnen nur auf die Versickerung von salzhaltigen Wässern aus Becken und Spülgruben der drei nahegelegenen Ölfelder zurückgeführt werden. Andere Quellen der Salzbelastungen, wie z. B. Tiefenwasseraufstiege oder verdunstungsbeeinflusste Wässer, wurden nicht identifiziert. Die Analyse der Wässer erfolgte nach der deutschen Trinkwasserverordnung und nach WHO Richtlinien. Die Ionenbilanzen führten zur Abgrenzung von fünf Wassertypen, die sich durch unterschiedliche Ionenrelationen und Salzgehalte auszeichnen. Die anthropogen unbeeinflussten Wässer zeichnen sich durch eine prograde, von Wasser-Gesteins-Reaktionen gesteuerte Qualitätsentwicklung vom Hydrogenkarbonat-Typ zum Sulfat-Typ aus. Dabei steigt der Gesamtlösungsinhalt nur mäßig an. Die belasteten Wässer aus den Brunnen weisen dagegen einen im Vergleich dazu stark erhöhten Salzgehalt (> 6. 000 μS/cm) auf bei gleichzeitiger Dominanz der Chlorid und Sulfat-Anteile. Diese Ionenrelationen finden sich auch in den Prozesswasserbecken der Erdölproduktionsanlagen und Spülgruben der Erdölexploration. Aufgrund der Grundwasserfließrichtungen, der räumlichen Verteilung der Salzbelastungen und der vorgefundenen hydrogeologischen Randbedingungen in den geringdurchlässigen Alluvionen kann die Ursache der hohen Leitfähigkeiten in den Trinkwasserbrunnen nur auf die Versickerung von salzhaltigen Wässern aus Becken und Spülgruben der drei nahegelegenen Ölfelder zurückgeführt werden. Andere Quellen der Salzbelastungen, wie z. B. Tiefenwasseraufstiege oder verdunstungsbeeinflusste Wässer, wurden nicht identifiziert. Zur Sicherung der Trinkwasserversorgung der Bevölkerung in der Region wurden zunächst zwei Tiefbrunnen (280 m und 300 m Tiefe) gebohrt und Trinkwasser aus dem nächst tieferen, zweiten Grundwasserleiter gefördert. Bei diesem handelt es sich um ein Sulfat-dominiertes Wasser mit geringer bis mittlerer Leitfähigkeit, das in Sandlinsen und schluffig-feinsandigen Lagen unter einem Tonhorizont zirkuliert. Es handelt sich um einen gespannten Grundwasserleiter, der nur durch sehr langsame Neubildungsprozesse über Dekaden gespeist werden kann. Eine ca. 50 m mächtige Tonschicht trennt den ersten, punktuell versalzenen Grundwasserleiter von dem darunterliegenden, neu erschlossenen Grundwasserhorizont. Durch diese Tonschicht bleibt bei einer angemessenen Förderung und fachgerechtem Brunnenausbau der natürliche Schutz vor der Verlagerung der Salzwasserkontamination in die Tiefe gewährleistet.

Keywords

drinking water supplywell sinkinggroundwater salinizationSouth SudanTrinkwasserversorgungBrunnenbauSalinität im GrundwasserSüdsudan