Untersuchungen zum Gastransport im ungesättigten, geklüftet-porösen Festgestein

KURZFASSUNG

Die dringende Notwendigkeit zur effizienten Sanierung von
Kontaminationen im Bereich von Festgesteinsaquiferen erfordert
ein verbessertes Verständnis der maßgeblichen Strömungs­ und
Transportprozesse in geklüfteten Gesteinen sowie der
Wechselwirkungen ihrer Fluide mit der porösen Gesteinsmatrix und
dem sie durchqueren­ den Kluftnetzwerk. Die weite Verbreitung
von Festgesteinen in Europa und die häufigen Konflikte durch die
Nutzung als nachhaltige Grund­wasserresource, als
Rohstoffquelle, Deponieraum und Verkehrsweg, sowie zunehmend
auch als Energiespeicher und Wärmequelle unter­streichen ihre
Bedeutung. Um die genannten Prozesse unter kontrollierbaren,
möglichst Natur nahen Randbedingungen zu erfassen und dazu
beizutragen, die notwendigen Mess­ und Modelltechniken zu
entwickeln, entstand in einem Sandsteinbruch das Festgestein­
Testfeld Pliezhausen.
Diese Arbeit gibt zunächst einen Überblick über die wichtigsten
Strömungs­ und Transportprozesse in Festgesteinen unter
Berücksichtigung der Besonderheiten kompressibler und turbulenter
Strömung. Sie behandelt dann die zur Standortausweisung des
in­situ Testfelds erhobenen tektonischen und faziellen
... mehr
Rahmenbedingungen sowie die zur Installation notwendigen
Erkundungs-­ und Baumaßnahmen. Unter Bezug auf die geschilderten
Methoden werden die Ergebnisse aus den Felduntersuchungen und
den Laborversuchen erläutert.
Die durchgeführten Untersuchungen ermöglichen eine Charakterisier­
ung der Transporteigenschaften eines porös­geklüftete
nFestgesteins im ungesättigten Zustand, wenn folgende Techniken
in Kombination angewandt werden: -> statistische Bestimmung der
Kluftparameter -> Elektro-Magnetische-Resonanz-Messungen in
unterschiedlichen Raumlagen -> Multidirektionale und
multitemporale Gastracertests mit Helium und SF 6 über
ausgewählte Bohrlochzonen -> Porenraum­ und
Kluftfüllungs-­Analysen an Bohrkernen.
Winter-­Gastracertests bieten die einzigartige Chance der
Ermittlung von Transportparametern bei extrem reduzierten
Retardationspoten­tialen (Diffusion, Gaslösung). Zur genaueren
Bestimmung verläss­licher Transportparameter aus Gastracertests
mittels analytischer Modelle wird die präzise Massenkontrolle
des eingegebenen Tracers mit zeitlichem Monitoring der
Eingabekonzentration sowie der Druck­ und Temperaturkonditionen
empfohlen. Dies ermöglicht den Einsatz analytischer Modelle, die
auch eine zeitlich verzögerte Tracerabgabe im Bohrloch
berücksichtigen.

ABSTRACT

The urgent need for efficient remediation of subsurface
contaminations in hard rock terrain requires a better
understanding of the dominant flow and transport processes in
fractured rock and of the interactions of their fluids with the
porous rock matrix and the inter­secting fracture network. The
abundance of solid rock terrain through­out Europe combined with
the general conflict of usage (as sustainable groundwater
resource, as source for raw material, disposal sites and for
travel routes and more and more­ also as energy storage and heat
source) underline their importance. In order to evaluate the
above­mentioned processes under controlled, nearly natural
conditions and to contribute to the development and optimization
of necessary measurement and modeling techniques, the hard rock
test site Pliezhausen was established in a sandstone quarry.
This dissertation first reviews the most important flow and
transport processes in fractured rock, giving special
consideration to com­pressible and turbulent flow. It then
summarizes the investigated tectonic and sequence stratigraphic
conditions used to delineate the optimal location of the in situ
test site. Investigations and construction measures necessary to
establish the test site are also handled.
Referring to the investigation techniques covered the results of
the field investigations and laboratory tests are presented and
interpreted.
The field and laboratory testing conducted enable a general
charac­terisation of the transport properties of a porous
fractured rock at unsaturated conditions, if the following
techniques are applied in combination: -> statistical evaluation
of fracture parameters -> multi­directional EMR survey ->
multidirectional and multitemporal gas tracer tests using Helium
and SF 6 introduced in distinct bore hole zones -> pore space
analysis and fracture fill analysis on drilling cores.
Gastracer testing conducted during the winter time at the frozen
test site provide the unique opportunity to evaluate transport
parameters at extremly reduced retardation potential (diffusion,
gas solution in contact water) For a more specific evaluation of
reliable transport parameters applying analytical models to gas
tracer testing data, the mass control of the injected tracer gas
and the monitoring of the input concentration as well as the
temperature and pressure conditions over time are recommended.
This will enable the use of analytical models which also account
for a delayed tracer release from the borehole.