Propagation of pressure change through thick clay sequences: an example from Liverpool Plains, NSW, Australia

Abstract

In-situ hydraulic conductivity and specific storage measurements are derived from an analysis of pore-water pressure changes in a nest of piezometers installed in a 40-m-thick succession of smectitic clay on the Liverpool Plains of northern New South Wales, Australia. The cumulative response to the rainfall events that typically occurs during winter or early spring is propagated through the clay with measurable loss of amplitude and increasing phase lag. Five major rainfall events occurred over the four years of detailed monitoring. The phase lag at the base of the clay varied between 49 and 72 days. Barometric efficiency (BE) measurements for the clay sequence (BE = 0.07) and the underlying confined aquifer (BE = 0.10) were used, with a known porosity of 0.567, to derive specific storage values of 3.7×10⁻⁵ and 6.8×10⁻⁶ m⁻¹ respectively. Vertical hydraulic conductivity (K_v) of the clay sequence derived from observed amplitude and phase changes, resulted in an average value of 2.8×10⁻⁹ m/s. These in-situ-derived values indicate that previous estimates of vertical hydraulic conductivity of the clays, made on core samples, are unrealistically high. The instantaneous response to individual rainfall events transmitted through the clay succession (tidal efficiency of 0.93) is also described.

Résumé

Des mesures in-situ de conductivité hydraulique et d’emmagasinement spécifique sont obtenues à partir de l’analyse de la variation des pressions interstitielles telles que mesurées au droit d’un nid de piézomètres interceptant une épaisseur de 40 m d’argile smectique dans les plaines de Liverpool, région nord du New South Wales, Australie. La réponse cumulative aux évènements pluviométriques qui surviennent typiquement durant l’hiver ou le début du printemps, se propage dans les argiles suite à une diminution d’amplitude (des pressions interstitielles) et à un accroissement du pas de temps.. Cinq évènements pluviométriques sont survenus lors d’un suivi détaillé effectué sur quatre (4) années. Le pas de temps à la base de l’argile a varié de 49 à 72 jours. Les mesures d’efficience barométrique (EB) de l’assemblage argileux (BE = 0.07) et de la nappe aquifère confinée sous-jacente (BE = 1.10) ont été utilisées, avec une porosité connue de 0,567, afin d’obtenir des valeurs d’emmagasinement spécifique de respectivement 3.7×10⁻⁵ et 6.6×10⁻⁶ m⁻¹. La conductivité hydraulique verticale (Ky) de l’assemblage argileux a été déterminée à partir de la mesure des variations d’amplitudes ainsi que des pas de temps, permettant la détermination d’une valeur moyenne de 2.8×10⁻⁹ m/s. Ces valeurs obtenues in-situ montrent que les estimations de conductivité hydraulique verticale des argiles telles qu’obtenues à partir d’échantillons non remaniés sont surestimées. La réponse instantanée à des évènements pluviométriques individuels transmis au travers de la succession d’argile (facteur d’efficacité de marée de 0.93) est également décrite.

Resumen

Se han derivado mediciones in-situ de conductividad hidráulica y almacenamiento específico a partir de un análisis de cambios de presión intersticial en una red de piezómetros instalados en una secuencia gruesa de 40 m de arcilla esmectítica en las Planicies Liverpool del norte de Nueva Gales del Sur, Australia. La respuesta acumulativa de los eventos de lluvia que típicamente ocurren en invierno y principio de primavera se propaga a través de la arcilla mediante pérdida de amplitud y un incremento en retraso de fase. Durante los cuatro años de monitoreo detallado ocurrieron cuatro eventos de lluvia principales. El retraso de fase en la base de la arcilla varió de 49 a 72 días. Las mediciones de eficiencia barométrica (BE) para la secuencia arcillosa (BE = 0.07) y el acuífero confinado subyacente (BE = 0.1) se utilizaron, con una porosidad conocida de 0.567, para derivar valores de almacenamiento específico de 3.7×10⁻⁵ y 6.8×10⁻⁶ m⁻¹, respectivamente. La conductividad hidráulica vertical (Kv) de la secuencia arcillosa derivada de cambios observados en amplitud y fase dio por resultado un valor promedio de 2.8×10⁻⁹ m/s. Estos valores derivados in-situ indican que los estimados previos de conductividad hidráulica vertical de las arcillas, hechos en muestras de núcleo, son muy altos y poco confiables. También se describe la respuesta instantánea de eventos de lluvia individuales transmitidos a través de la secuencia arcillosa (eficiencia de marea de 0.93).