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Bei der Beschreibung von Grundwasserleitern wird davon ausgegangen, dass diese in der Zeit statische Systeme darstellen, d.h. die Grundwasserleiter in Hinblick auf ihre Durchlässigkeit und Speichervermögen sowie auf ihren Lösungsinhalt zeitlich unveränderlich sind. Betrachtet man jedoch die landschaftsgeschichtliche Entwicklung eines Grundwasserleiters über geologische Zeiträume, so erkennt man, dass Grundwasserleiter dynamische Systeme darstellen, die zeitlichen Änderungen unterliegen. Dies wird am Beispiel der Erfurt-Formation in Nord-Württemberg gezeigt. Es lassen sich drei räumliche Bereiche identifizieren, die nebeneinanderliegen und unterschiedliche Stadien der Aquifergenese entsprechen. Ausgehend von einem Geringleiter entwickelt sich ein gut durchlässiger und ergiebiger Grundwasserleiter, der mit Abnahme der Überdeckung und Verwitterung wieder zu einem Geringleiter wird. Das Beispiel zur Erfurt-Formation zeigt, dass hydrogeologisch verschiedene Bereiche, die heute räumlich nebeneinanderliegen, in einer Schichtstufenlandschaft aufeinanderfolgenden zeitlichen Stadien der Aquifergenese entsprechen. Dieses Model zur Aquifergenese kann auch auf andere Grundwasserleiter übertragen werden und sollte bei der Charakterisierung eines Grundwasserleiters berücksichtigt werden.

Abbildung: Die Erfurt-Formation im Steinbruch „Schotterwerk Schuhmann“ in Vellberg-Eschenau. Die Erfurt-Formation (kuE) ist dort komplett aufgeschlossen. Im Liegenden die Meißner-Formation des Oberen Muschelkalks (moM), im Hangenden Grabfeld-Formation (kmGr). Foto: R. Rausch, April 2018.

Die Rauhigkeit von Klüften ist eine wichtige, aber oft vernachlässigte Einflußgröße auf die Strömung und den Transport in Festgesteinen. Sie kann lokal die Öffnungsweiten der Klüfte verringern (den wichtigsten Parameter im wesentlichen Fließgesetz in geklüfteten Medien, dem cubic law), die gebirgsmechanischen Eigenschaften beeinflussen sowie den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung befördern und damit die Durchmischung und Reaktivität erhöhen.

Anhand von Buntsandsteinproben aus Süddeutschland wurden zunächst allgemeine Kluftparameter wie Anzahl und Öffnungsweite erfasst. Anschließend wurden die Kluftbeläge geochemisch-mineralogisch und per Rasterelektronenmikroskop untersucht. Die Rauhigkeit selber wurde mit verschiedenen mechanischen und optischen Verfahren gemessen, wobei sowohl Profil- als auch Flächenmessungen durchgeführt wurden.

Die Rauhigkeitsmessungen aller Messmethoden ergeben in Komoination das interessante Phänomen, dass die Rauhigkeit mit der erfassten Bildgröße zunimmt, d.h. die Rauhigkeit ist keine konstante Größe sondern von der Probengröße abhängig. Dies ist auf die fraktale (selbst-affine) Natur der Rauhigkeit zurückzuführen.

Bei einer Modellierung unter Berücksichtigung der Rauhigkeit muss dieses Phänomen berücksichtigt werden, da ein upscaling von kleinskaligen Messwerten nicht ohne Weiteres möglich ist.

The accurate prediction of flow and transport processes in an aquifer strongly relies on the correct characterization of the heterogeneities in the hydraulic conductivity distribution. For that purpose, hydraulic tomography (HT) experiments are often utilized to infer the hydraulically relevant features within the domain of interest. However, the correct inversion of the data remains a challenging task depending on the individual site conditions. Particularly at fractured-porous sites, ideally, the underlying conceptual models used for porous aquifers (continuum-based models) and fractured rocks (discrete fracture models) have to be combined to achieve accurate results. Therefore, we implement a discrete fracture network (DFN) inversion approach that is expanded by considering a nonzero matrix permeability. By using this hybrid model, both matrix and fracture flow are taken into account.

The novel inversion algorithm is applied to HT data acquired at a fractured-porous field site in Göttingen (Germany), and the results are compared with those of a standard travel time inversion assuming an equivalent porous media. It is shown that the results of both inversion methods reveal similar hydraulically relevant features within the aquifer, but only the hybrid DFN inversion allows for resolving individual fractures with high accuracy. Thereby, the underlying Bayesian inversion procedure yields probabilistic results. Furthermore, the inversion results are validated by conducting heat tracer tests at the same site and comparing the temperature responses with those obtained by simulating the experiments using the inversion results for the underlying material parameters. The DFN ensemble predicts the thermal response of the experiments correctly for the two major fractures in terms of location, amplitude, and time-dependent behaviour of the temperature anomaly.

We conclude that a hybrid DFN inversion approach considering both matrix and fracture flow is a promising approach for the hydraulic characterization of fractured-porous sites and can therefore lead to significant improvements in site-specific flow and transport modelling.

Für viele geowissenschaftliche Anwendungen wie z. B. die Endlagerung radioaktiver Abfälle, die tiefe Geothermie oder die Kohlenwasserstoffproduktion ist das Verständnis der hydro­mechanischen Eigenschaften von Klüften sowie deren Einfluss auf Fließprozesse innerhalb einer Kluft essentiell. Dabei ist besonders die Permeabilität entscheidend. In den letzten Jahren wurden daher zahlreiche Methoden entwickelt, um die Kluftpermeabilität zu unter­suchen. Zu diesen zählen vor allem Durchflussexperimente im Labor sowie numerische hydraulische Modellierungen des Durchflusses durch eine Kluft. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass der Durchfluss hauptsächlich von der Geometrie und der Rauigkeit der Kluft kontrolliert wird. Deshalb stellt diese Studie mehrere Ansätze vor, um die Kluftpermeabilität direkt aus ihrer Geometrie zu ermitteln. Dazu vergleichen und bewerten wir in einem ersten Schritt bildgebende Methoden für Kluftflächen. Wir wenden (1) einen tragbaren Laserscanner, (2) ein kombiniertes System aus hochpräzisem Laserscanner und robotischem Führungsarm, sowie (3) die photogrammetrische Structure from Motion-Methode (SfM) auf eine Schichtfuge in einem Rotliegend-Sandsteinblock an. Nach der Ermittlung der Kluftgeometrie wird der Durchfluss durch die Kluft numerisch simuliert, um die mittlere hydraulische Kluftöffnungsweite zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass der tragbaren Laserscanner nicht für diese Anwendung geeignet ist, da Messgenauigkeit und Auflösung zu beschränkt sind und somit die Geometrie der Kluft nicht hinreichend gut aufgelöst werden kann. Die Methoden (2) und (3) hingegen können die Geometrie auflösen. Im Vergleich zu experimentell ermittelten hydraulischen Kluftöffnungsweite von 81 ± 1 µm ergeben die hydraulischen Simulationen auf Grundlage beider Methoden allerdings deutlich höhere Werte von 163 µm (2), bzw. 207 µm (3). Um die Diskrepanz zwischen Simulation und Messung zu verringern, wurde der Abstand der Kluftflächen schrittweise verringert und Kontaktflächen an den überlappenden Stellen angenommen. Bei 5% bzw. 7% Kontaktfläche konnte die hydraulische Öffnungsweite der experimentell ermittelten hydraulischen Kluftöffnungsweite mit 85 µm (2) bzw. 83 µm (3) nachgebildet werden.

In einem weiteren Schritt verwenden wir die topologische Methode der persistenten Homologie (PH), um die Permeabilität direkt aus der Kluftgeometrie zu berechnen, ohne auf Labor­experimente oder numerische Simulationen angewiesen zu sein. Dazu werden drei Datensätze derselben Sandsteinkluft mit unterschiedlicher räumlicher Auflösung erzeugt (Pixelgrößen: 200 µm, 100 µm und 50 µm). Die Ergebnisse dieser topologischen Methode zeigen hydraulische Öffnungsweiten zwischen 73 µm und 92 µm, was gut mit den experimentellen Messungen übereinstimmt. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, dass die Qualität der vorhergesagten Kluftpermeabilität generell mit steigender Auflösung zunimmt. Zusammenfassend zeigt diese Studie einen effektiven Arbeitsablauf auf, der die direkte Bestimmung der Kluftpermeabilität anhand der Geometrie einer Sandsteinkluft ermöglicht

Neuentwicklungen numerischer Grundwassermodellierungswerkzeuge können unstrukturierte Netze nutzen und Parameter sowie Randbedingungen für diese komplexen Geometrien übernehmen. Auch Werkzeuge aus den Ingenieurwissenschaften sowie THMC- und Multiphysics-Werkzeuge können auf unstrukturierte und parameterisierte Netze zurückgreifen. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für numerische Modellierungen, weil geologische Strukturen und darauf basierende Parameterschätzungen direkter transferiert werden können. Ein Ansatz über Octrees und dreidimensionale Interpolationen zur Parameterbelegung wird hier aufgezeigt und Modelle in dieser frühen Anfangsphase der Modellerstellung vorgestellt.

Für die Erstellung numerischer Grundwassermodelle werden oft sowohl für die hydrologischen wie geologischen Datengrundlagen GIS-Werkzeuge genutzt. Die universelle Einsetzbarkeit der dort verfügbaren Methoden und die häufige Nutzung für verschiedenste Aufgaben in den Angewandten Geowissenschaften sowie Standard-Datenformate sind für die Bearbeitung vorteilhaft. Aber auch (geo)statistische und konstruktive Spezialwerkzeuge kommen zum Einsatz, deren zielorientierte Interpretation adäquat in ein numerisches Modell überführt werden soll. In allen Fällen wird eine profilschnittgestützte Konstruktionsweise bevorzugt eingesetzt.

Die Automatisierung der Profilschnittgenerierung verspricht eine erhebliche Steigerung der Effizienz und Genauigkeit im geologischen Modellierungsprozess. Die entwickelten Werkzeuge, insbesondere das QGIS-Plug-In gis4geology, bieten diese Möglichkeit zur effizienten Verwaltung geologischer Daten, einschließlich der nahtlosen Integration von Bohrlochinformationen aus standardisierten Datenbanken. Diese Werkzeuge ermöglichen die Erstellung topologisch präziser 3D-Strukturmodelle und bieten eine breite Palette von Parametrisierungs- und Anpassungsoptionen.

Die bisherige Überführung der geologischen Strukturmodelle in geschichtete numerische Grundwassermodelle ist in mehreren Modellierungswerkzeugen, wie z.B. MODFLOW6, zugunsten unstrukturierter Netze erweitert worden, was neue Möglichkeiten eröffnet. Eine Diskretisierungsmöglichkeit, die sowohl den hydrogeologischen als auch den numerischen Erfordernissen in den meisten Fällen besser gerecht wird als die geschichteten Modelle sind Octree-Netze, die auf einer Zweiteilung übergeordneter Elemente in allen drei Raumrichtungen bei mehrfacher Eingangsdatendichte beruhen. Darauf folgend müssen Randbedingungen und Parameterverteilungen aus diesen geologischen und hydrologischen Modellierungssystemen in die zur numerischen Grundwassermodellierung notwendigen Verteilungen und damit auch Datenformate überführt werden. Hierfür müssen geeignete dreidimensionale Interpolationsmethoden angewendet werden, s. Abb. 1.

Zusammenfassend bietet dieser Ansatz eine umfassende Lösung für hydrogeologische, geothermische und ingenieurgeologische 3D-Modelle. Er überwindet Beschränkungen kommerzieller Tools und fördert Open-Source-Zugänglichkeit und Flexibilität in der geologischen Forschung als auch eine umfassende Lösung für 3D-geologische Modelle und Parameterverteilungen. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Anwendung dieser Methoden in komplexeren geologischen Gebieten konzentrieren, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen und an verschiedene Modellierungsanforderungen anzupassen.

Abb. 1: K_f-Werte eines Störungssystems auf der Basis eines Octree-Netzes (in 10^-6 m/s).

Für die Genehmigung des geplanten Wiederanstieges des Grundwassers in der Uranerzgrube Königstein ist die Festlegung eines hydrogeochemischen Hintergrundgehaltes an Uran erforderlich. Da nur ungenügend historische Daten vorhanden sind, soll die vorbergbauliche Konzentration an Uran im natürlichen Grundwasser aus Sandsteinbohrkernen abgeleitet werden. Diese Arbeiten erfolgen im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsvorhabens im Auftrag des sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG).

Die Uranerzlagerstätte Königsstein befindet sich hauptsächlich im 4. Grundwasserleiter, welcher lithostratigraphisch dem Cenoman zuzuordnen ist. Der 4. Grundwasserleiter, bestehend aus Oberhäslichformation und Wurmsandstein, ist gespannt und die Uranlagerstätte entstand vereinfacht betrachtet im Zuge einer Rollfrontdynamik.

Aus den durch die Kernmaterialien repräsentierten Festgesteine und den vor Ort erwarteten natürlichen hydrochemischen Bedingungen soll der natürliche Gehalt an Uran im Grundwasser bestimmt werden. Durch Röntgenfluoreszenzanalysen (RFA) werden die Elementgehalte ausgewählter Festgesteine bestimmt. Mittels Röntgendiffraktometrie werden die mineralogische Zusammensetzung der Gesteine bestimmt. Die hydrochemischen Eigenschaften des Grundwassers, dazu gehören pH, Redox-Potenzial und die Gehalte gelöster Ionen, sollen über rezent zur Lagerstätte fließende Grundwässer charakterisiert werden. Das Wasser wurde von der Messstelle k-77012 entnommen und kann als vom Bergbau unbeeinflusst betrachtet werden.

Durch Schüttelversuche, bei denen zur Lagerstätte zufließende Wässer mit zerkleinertem Gesteinsmaterial aus Bohrkernen zusammengebracht wurde, wurde der natürliche Grundwasserleiter simuliert. Sowohl bei dem natürlichen Grundwasserleiter als auch bei den Schüttelversuchen wurde das Erreichen des chemischen Gleichgewichtes angenommen. Dies ermöglicht die Vernachlässigung kinetischer Betrachtungen. Weiterhin wurde mit dem thermodynamischen Modell PHREEQC das Sorptions-, Lösungs- und Fällungsverhalten von Uran unter Laborbedingungen nachvollzogen, um die relevanten Prozesse beschreiben und quantifizieren zu können. Nach einer Literaturrecherche der unterschiedlichen thermodynamischen Datensätze wurde eine Analyse der Speziierung von Uran unter gemessenen Bedingungen durchgeführt.

Der Überwiegende Teil der Sandsteine im 4 Grundwasserleiter bestehen hauptsächlich aus Quarz. Weiterhin kommen Zweischicht-Tonminerale und Eisenoxide vor. Die Kationenaustauschkapazität kann als gering betrachtet werden. Bei einem pH von 5,5 bis 6 kommt Uran unter oxidierenden Bedingungen hauptsächlich UO₂²⁺, UO₂OH⁺ und UO₂CO₃ vor. Somit kann erwartet werden, dass die Uranspezies, die als Kationen vorliegen, durch Tonminerale adsorbiert werden. Erste Schüttelversuche zeigten, dass das Zusammenführen reduzierter Gesteinsmateriale mit oxidierenden Wässern zu hohen Urankonzentrationen führte. Dies könnte den Lösungsprozess von Uran in der Rollfront charakterisieren.