Hydro-geological assessment of fracture system in the rock mass of Mekelle area (Ethiopia) using geo-statistical approach

Abstract

Çalışma alanı Etiyopya'nın kuzeyinde Tigray Bölgesel Yönetim birimi içerisinde yer alan Mekelle bölgesi ve dolayını kapsamaktadır. Bölgede jeolojik yapı, Dolerit dayk ve silleri tarafından kesilmiş olan, normal faylardan etkilenmiş Mesozoyik sedimanter istifle karakterize edilir.Bu çalışmanın temel amacı, kaya kütlelerinde kırık çatlak sisteminin hidrolik karakterizasyonunun sağlanmasıdır. Ayrıca çalışma alanında ana fayların, dolerit daykları ve sillerinin yeraltısuyu sistemindeki rollerinin anlaşılabilmesinin sağlanması bu çalışmanın ana hedefleri arasındadır. Kırık-çatlak analizi sonucunda, çalışma alanında kaya kütlesinin kırık-çatlak sisteminin beş farklı yönelim gösterdiği belirlenmiştir. Kırık-çatlak yüzeyi analizi sonucunda çatlak açıklığı çoğunlukla orta derecede genişlikle karakterize edilmiştir. Çatlak aralığının ise kaya kütlesinde çoğunlukla çok geniş, az oranda da orta derecede olduğu belirlenmiştir. Kaya kütlesinde hacimsel çatlak yoğunluğu değerleri Agulae şeyli, Hintalo kireçtaşı ve Dolerit için sırasıyla 6.9 çatlak/m3, 4.49 çatlak/m3 ve 4.17 çatlak/m3 olarak hesaplanmıştır. Kaya kütlesinin gözeneklilik değerleri ise, Agulae şeyli, Hintalo kireçtaşı ve Dolerit için sırasıyla %2.14, 2.66 ve 1.54 olarak hesaplanmıştır.Çatlak aralığı, açıklığı ve sıklığı değerleri kullanılarak her bir çatlak seti için hidrolik iletkenlik değerleri hesaplanmıştır. Agulae şeyli için en yüksek hidrolik iletkenlik değeri J4 çatlak seti için 0,811 m/s, en düşük hidrolik iletkenlik değeri ise J1 çatlak seti için 9.71x10-4 m/s' dir. Hidrolik iletkenlik değeri Hintalo kireçtaşında en yüksek 0.557 m/s (J2 seti) , en düşük 5.11 x 10-2 m/s (J5 seti); Dolerit biriminde ise en yüksek 8.25 x 10-2 m/s (J5 seti), en düşük 1.59 x 10-2 m/s (J3 seti)'dir.Ancak pompa testi sonuçları Agulae şeylinin bütünü için temsil edici hidrolik iletkenliğin 8.84 x 10-4 m/s olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bu değer Hintalo kireçtaşı için 1.39x10-5 m/s'dir. Bu iki formasyonun bütünü için temsil edici hidrolik iletkenlik değeri 1.85 x10-5 m/s; Dolerit daykları ve sillerinden etkilenmiş olan kısımları için 4.03 x 10-5 m/s'dir. Pompa testi sonuçlarına göre depolama değeri Agulae şeylinin tamamı için 1.89x10-4; Hintalo kireçtaşı için 2.02x10-7, iki formasyonun bütünü için 1.59x10-6, Dolerit dayk ve silleri tarafından etkilenmiş kısımları için 4.55x10-4 olarak hesaplanmıştır.Kaya kütlesinde hidrolik parametrelerin analizi üzerine çalışma alanı için oluşturulan kavramsal modele göre, dolerit dayk ve sillerinden etkilenen formasyonlar bölgenin yeraltısuyu potansiyeli açısından önemli birimlerini oluşturmaktadır. Kaya kütlelerinde, dolerit dayk ve sillerinin etkilediği kısımlarda gelişen hasar zonları, daykların ve sillerin yüzeyleyebildiği koşullarda yeraltısuyu depolamasına ve dolaşımına uygun bir yapı sergilemektedir. Ancak, dolerit dayk ve sillerinin, genç faylar tarafından kesilmedikçe, hasar zonundan uzakta merkezdeki kısımları hidrolik bariyer işlevi görmektedir.Anahtar Kelimeler: Mekelle, kırık-çatlaklar özellikleri, hidrolik iletkenlik, depolama, gözeneklilik, kavramsal model, sillleri ve daykları

The main objective of the study is to provide representative characteristics of the fracture system of the rock mass and evaluate their hydraulic properties. Understanding the role of the major tectonic faults and dolerite dykes and sills in the groundwater system of the area are among the major objectives of this study. The study area is located in the northern part of Ethiopia in Tigray regional state around Mekelle. It is characterized by Mesozoic sedimentary sequence affected by prominent normal faults and dissected by dolerite dykes and sills.According to the fracture analysis results five fracture system with different orientations were identified in the Mekelle rock mass.The analysis of the fracture aperture from the surface fracture analysis mostly show moderately wide and the fractures are mostly characterized by wide spacing with some moderately spacing. The volumetric joint count calculated for the rock mass which revealed that its value for Agulae shale, Hintalo limestone and dolerite are 6.9 joint/m3, 4.49 joint/m3 and 4.17 joint/m3, respectively.From the surface fracture data measurement the porosity was found as 2.14% for Agulae shale formation, 2.66% for Hintalo limestone formation and 1.54% dolerite formation. Using the fracture spacing, aperture and frequency the hydraulic conductivity of Agulae shale was found to have higher value (0.811m/s) along one of the joint sets (J4) whereas its lowest value (9.71x10-4 -m/s) along the joint set (J1). In the Hintalo limestone, the hydraulic conductivity along the fracture set (J2) is highest (0.557 m/s) and the lowest along fracture set (J5) is 5.11x10-2 m/s. In dolerite formation the highest hydraulic conductivity is along the fracture set of (J5) which is 8.25x10-2 m/s and the lowest is along the fracture set (J3) which is 1.59x10-2 m/s.However, pumping test revealed that the Agulae shale has a bulk hydraulic conductivity of 8.84x10-4 m/s, Hintalo limestone 1.39x10-5 m/s, Agulae shale or Hintalo affected dolerite dyke and sill 4.03x10-5 m/s and Agule shale and Hintalo formation 1.85x10-5 m/s. The storativity was also calculated and the result is 1.89x10-4 for Agulae shale, 2.02x10-7 for Hintalo limestone 4.55x10-4 for Agulae shale or Hintalo Limestone affected by dolerite dyke and sill 4.55x10-4 and 1.59x10-6 Agule shale and Hintalo formation. The analysis of the hydraulic parameters of the study area and the developed conceptual model indicate that the rock units which are affected by dolerite dykes and sills are important features for the ground water potential of the area. That is, the area which are affected by dolerite dykes and sills developed a damaged zone favorable for groundwater circulation and storage if the dolerite dykes and sills are exposed to the surface. But the core of the dolerite dykes and sills are barriers unless they are affected by younger faults.Keywords: Mekelle, fracture characterstics, hydraulic conductivity, storativity, porosity, conceptual model, sills and dykes.