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