Geologisches System – Settings und Stofftransport
M. Sauter, R. Helmig, IHS, T. Lange, K. Brosig, A. Kissinger
Abschätzung der Auswirkungen von Fracking-Maßnahmen auf quartäre Grundwasserleiter
- Hydrogeologische Settings und Stofftransport –
Berlin, 6. März 2012
Geologisches System – Settings und Stofftransport
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Quellelement
Senkenelement
Senkenelement
Bohrung
Störungszone
Grundwasserleiter
Grundwasserleiter
Systemkomponenten (schematische Darstellung)
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Ziele der AG Geologische Risiken
• Abschätzung der Kontaminationsrisiken durch Fracking-Fluide im Grundwasser
- Kurzfristig durch Fracking-Operationen (wenige Stunden, hohe Potentialgradienten)
- Langfristig durch Grundwassergrundströmung (Jahre, Jahrzehnte; geringe Potentialgradienten)
• Abschätzung der Massenflüsse der Fracking-Fluide im Grundwasser
� Fracht
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Hauptfragestellungen
• Effektivität des Deckgebirges als Barriere für Stofftransport (Größen: Mächtigkeit, Permeabilität)
• Rolle von Salzformationen als Barriere für Fracking-Fluid Ausbreitung und Transport
• Effektive hydraulische Leitfähigkeiten der Transportwege (Faktoren: Störungszonen, Deckgebirgseinheiten)
• Ausdehnung der Fracs (Berücksichtung deren Rolle als Transportpfad?)
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Methoden der Abschätzung
• Die Stoffausbreitungsmodellierung basiert auf dem kumulativen Effekt von ungünstigen Faktoren
• Ungünstige Prozesskombination; keine Prozesse, die die Stoffausbreitung verlangsamen (d.h. nur Advektion, keine Sorption, keine Matrixdiffusion, keine Biodegradation)
• Ungünstige Systemgeometrien; Störungszone vorhanden und keine Barriere zwischen Top Frac und Störungszone / tiefem Grundwasserleiter
• Ungünstige Systemparameter; höchste, noch vertretbare hydraulische Leitfähigkeiten für Störungszone / Barrieregestein
• Ungünstige Randbedingungen; hohe hydraulische Gradienten, große Volumina an Fracking-Fluid dringt in Störung ein
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Methoden der Abschätzung
• Abschätzung der Stoffausbreitung der Frack-Fluide basierend auf einem betont konservativen Ansatz:
• Äußerst unwahrscheinlich
• Physikalisch denkbar
• Auslotung der Bandbreite
� Extremfall unter äußerst unwahrscheinlichen Bedingungen
� maximale Ausdehnung unter diesen Bedingungen
� jedoch: keine unplausiblen hydrogeologischen Parameterkombinationen
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Methoden der Abschätzung
• Mathematische Modellierung der Stoffausbreitung
• Beschreibung der Systemgeometrie (hydrogeologische Einheiten, Struktur)
• Parametrisierung des Deckgebirges bzgl. hydraulischer Parameter
• Identifizierung von relevanten Fließwegen (Störungszonen) und deren Kenngrößen
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Systemgeometrie – regional
• Langzeittransport (Jahrzehnte)
Geologisch-hydrogeologisches Modell (Zentrales Münsterland)
Modellhafte Störungen mit
versch. Deckgebirgsmächtigkeiten
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Systemgeometrie - lokalDefinition von Settings, d.h. Typstandorten
• Kurzzeittransport (Stunden)
• Typisch für ein bestimmtes Gebiet ('Verortung')
• Typische Bandbreite der stratigraphisch-lithologischen Abfolge und Mächtigkeitsverteilung
• Notwendige Variantenreduktion für Simulationen
• Ableitung allgemeiner bzw. genereller Aussagengrößen
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Systemgeometrie - Settings
Münsterländer Becken
Mit
Störungszone
Ohne
Störungszone
Hohe Deckgebirgsmächtigkeit Nordwalde
Geringe Deckgebirgsmächtigkeit Bad Laer Borken
Niedersächsisches Becken
Mit
Salzhorizonten
Ohne
Salzhorizonte
Hohe Deckgebirgsmächtigkeit Lünne,Vechta
Damme
Geringe Deckgebirgsmächtigkeit Quakenbrück-Ortland
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Parametrisierung
- Effektive hydraulische Leitfähigkeit (isotrop/anisotrop) -> Analoga/Literatur
- Berücksichtigung der Anisotropie der hydraulischen Parameter im Deckgebirge (Khorizontal > Kvertikal),
- � lateraler Druckabbau (Leakoff) und horizontaler Transport
- Effektive Porositäten -> Analoga/Literatur
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Parametrisierung - Lithologien• Hydraulische Eigenschaften Grundwasserleiter/-geringleiter
BB-beeinflusst = Bergbau-beeinflusst
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Parametrisierung - Lithologien• Hydraulische Eigenschaften Grundwasserleiter/-geringleiter
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Parametrisierung – Settings (+ Anisotropien)
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Parametrisierung - Settings
Quakenbrück-Ortland:Hohe Deckgebirgs-mächtigkeit, Salz-Formation
Damme:
Geringere Deckgebirgs-mächtigkeit, keine Salzformation
Vechta:
Sehr hohe Deckgebirgs-mächtigkeit, Salz-Formation
Lünne:Geringe Deckgebirgs-mächtigkeit,Salz-Formation
• Hydrogeologische Profile
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Parametrisierung- potentiell aktive Störung• Potentielle Störungen
- Datenverfügbarkeit Münsterländer/Norddeutsches Becken gering:
� aufwendig zu erheben
� bisher von untergeordnetem Interesse
� exakte Lokalisierung oberflächennaher Störungen schwierig
- Unbekannte hydraulische Störungsparameter:
� Breite und hydraulische Leitfähigkeit
� mittlere, effektive Porosität
- Hydraulische Parametrisierung indirekt möglich durch:
� Upscaling (Fels-Labormaßstab) -> sehr aufwendig, unsicher
� Tracertests -> hohe Permeabilitäten erforderlich
� Wasser- und Stoffbilanzen -> ergeben integrale Transmissivitäten
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Parametrisierung - Störungszonen
QStörung
= TStörung
* grad_hStörung
QStörung
grad_hStörung
• Konservativer Ansatz
• Praktische Erfahrung:Bereits erhöhte Hintergrundwerte für Salinitäten im Emscher Mergel
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Parametrisierung hydraulisch wirksamer Störungszonen
Abb: Lotze & Kötter, 1958
• Schneider (1962): räumliche Korrelation Salinität – Störungen
• Korrelation in der Praxis nicht immer eindeutig
• Unterschiedliche Bezugsniveaus (Teufenabhängigkeit)
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Parametrisierung hydraulisch wirksamer Störungszonen
• Chlorid-Bilanz-Ansatz – Beispiel Setting Nordwalde
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• Lokale Settings – Prognose des Stofftransports während der Fracking-Phase (wenige Stunden, Puls)
• Abschätzung hydraulischer Leitfähigkeiten des Deckgebirges / der Störungszonen,
• Abschätzung der hydraulischen Potentialdifferenzen, Fracking-Dimension
• Spezifizierung der Randbedingungen, Position, Typ und Stärke
Modellierung – lokal (Settings)� Szenario 1 (Helmig)
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Modellierung – Untere Randbedingung
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• Regionaler Transport – Prognose des Langzeit-Stofftransportsentlang des natürlichen hydraulischen Gradienten (Jahrzehnte, kontinuierlich)
• Abschätzung hydraulischer Leitfähigkeiten des Deckgebirges / der Störungszonen,
• Abschätzung der hydraulischen Potentialdifferenzen, Fracking-Dimension
• Spezifizierung der Randbedingungen, Position, Typ und Stärke
Modellierung – regional (Münsterland)� Szenario 2 (Helmig)
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Geologisch-hydrogeologisches Profil (Zentrales Münsterland)
Modellhafte Störungen mit versch. Deckgebirgsmächtigkeiten
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Zusammenfassung
• Konservativer Ansatz erlaubt die Eingrenzung der maximalen Ausdehnung des Stofftransports und damit des Risikos von Grundwasserkontaminationen
• Die geologische Situation in den Aufsuchungsgebieten ist unterschiedlich und ihr wird Rechnung getragen
• Angesichts der Vielfalt an geologischen Situationen und Lagerstättentypen beschreibt der Expertenkreis sieben in den Aufsuchungsregionen vorkommende typische geologische Situationen („Settings“)
• Diese bilden jeweils unterschiedliche Standortverhältnisse ab.
• Für diese werden jeweils Angaben zur Schichtmächtigkeit, Gebirgsdurchlässigkeit (einschließlich deren Richtungsabhängigkeit) und effektiven Porosität gemacht, die in die Modellierung einfließen.
• Keine Modellierung der Frack – Dimension erforderlich zur Definition der Randbedingungen