1 | Konzept - Modellszenarien
Abschätzung der Auswirkungen von FrackingMaßnahmen auf das oberflächennahe Grundwasser Konzept, Szenarien und Herangehensweise Münster, 11. November 2011
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
2 | Konzept - Modellszenarien
Systemkomponenten (schematische Darstellung) Grundwasserleiter
Senkenelement
Stรถrungszone
Grundwasserleiter
Bohrung
Senkenelement
Quellelement
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
3 | Konzept - Modellszenarien
Systemkomponenten und erforderliche Daten / Informationen • Fracking (Quellelement) - Dimension abhängig von Gebirgsspannungen - Gesteinsmechanische Parameter - Fracking-Operative Randbedingungen • Deckgebirge (Transportelement; Leiter, Geringleiter) - Geometrie (Mächtigkeit, Gesteinstyp, Präsenz von Störungszonen) - Transport im Deckgebirge abhängig von hydraulischem Potential (Fracking-Periode, Grundströmung) - Hydraulische und Transportkenngrößen • Grundwasserleiter (Senkenelement) - Geometrie (Mächtigkeit) - Volumenströme abhängig von hydraulischem Potential - Hydraulische und Transportkenngrößen Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
4 | Konzept - Modellszenarien
Ziele • Quantifizierung der Kontaminationsrisiken durch Fracking-Fluide im Grundwasser - Kurzfristig durch Fracking-Operationen (wenige Stunden, hohe Potentialgradienten) - Langfristig durch Grundwassergrundströmung (Jahre, Jahrzehnte; geringe Potentialgradienten) • Quantifizierung der Massenflüsse der Fracking-Fluide im Grundwasser - Fracht - Konzentration
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
5 | Konzept - Modellszenarien
Grundprinzip „Konservativer Ansatz“ • Konservative Herangehensweise - Transport: nur advektiven Prozess betrachtet, keine Sorption, Matrixdiffusion, Abbau - Maximale Ausdehnung von Fracs unter gegebenen Bedingungen (Spannungsfeld, geomech. Parameter, operative Größen (z.B. Pumpleistung) - Minimale Transportstrecken im Deckgebirge, - Berücksichtigung potentieller schneller Wegsamkeiten (Störungszonen) - Maximale Potentialunterschiede
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
6 | Konzept - Modellszenarien
Hauptfragestellungen • Effektivität des Deckgebirges als Barriere für Transport (Mächtigkeit, Permeabilität) • Rolle von Salzformationen als Barriere für Frack-Ausbreitung • Effektive hydraulische Leitfähigkeiten der Transportwege (Störungszonen, Kreidekalke) • Ausdehnung des Fracks (Rolle als Transportpfad)?
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
7 | Konzept - Modellszenarien
Vorgehensweise • Identifikation und Quantifizierung der Prozesse • Charakterisierung der Geometrie des Systems und der hydraulischen, mechanischen, thermischen und chemischen Prozesskenngrößen • Erstellung eines mathematischen Modells • Vorwärtssimulation von Szenarien unter Berücksichtigung der Unsicherheiten in der Bestimmung der Systemgeometrie und der Prozessparameter (Heterogenität)
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
8 | Konzept - Modellszenarien
Strategie • Abschätzung des Stofftransports während der Fracking-Phase (wenige Std., Puls) - Norddeutsches Becken (Wealden, Posidonienschiefer) Hohe Deckgebirgs-Mächtigkeit, Salz-Formation (Bramsche) Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit Deckgebirge, hydraulisches Potential
Mittlere Deckgebirgs-Mächtigkeit, Salz-Formation (Lünne) Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit Deckgebirge, hydraulisches Potential
Geringere Deckgebirgs-Mächtigkeit, kein Salz (Damme) konservativ Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit Deckgebirge, hydraulisches Potential
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
9 | Konzept - Modellszenarien
Regionale geologisch-hydrogeologische Verh채ltnisse im Nieders채chsischen Becken
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
10 | Konzept - Modellszenarien
Geologisches Profil (W – E) durch das Niedersächsische Becken • Lage der Settings Lünne und Bramsche • Quelle, LBEG, Geotektonischer Atlas Lünne 1
Setting Bramsche
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
11 | Konzept - Modellszenarien
Geologisches Profil (N - S) durch das Niedersächsische Becken • Lage der Settings Damme, Vechta • Quelle, LBEG, Geotektonischer Atlas
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
Geologisches Profil – Setting Lünne Geringere Deckgebirgsmächtigkeit, Salzhorizont als Barriere
Geologisches Profil – Setting Bramsche Hohe Deckgebirgsmächtigkeit, Salzhorizont als Barriere
Geologisches Profil am Standort (Setting) Damme Geringere Deckgebirgsm채chtigkeit (체ber Wealden), kein Salzhorizont als Barriere
15 | Konzept - Modellszenarien
Regionale geologisch-hydrogeologische Verh채ltnisse im M체nsterl채nder Becken
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
16 | Konzept - Modellszenarien
Strategie ff. • Abschätzung des Stofftransports während der Fracking-Phase (wenige Std., Puls) - Münsterländer Becken (Oberkarbon) Hohe Deckgebirgs-Mächtigkeit, Emscher Mergel (Borken N) Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit Deckgebirge, hydraulisches Potential
Geringere Deckgebirgs-Mächtigkeit, Emscher Mergel (Nordwalde) Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit Deckgebirge, hydraulisches Potential
Gestörtes Deckgebirge, Emscher Mergel (Bad Laer) Erfordert Quantifizierung der Frac-Dimension, hydraulische Leitfähigkeit Deckgebirge, hydraulisches Potential Erfordert zusätzlich Quantifizierung des Volumenstroms in den gestörten Bereichen hydraulische Leitfähigkeit (abgeleitet aus Mischungsansatz) Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
Geologisches Profil – Setting Borken Nord Geringere Deckgebirgsmächtigkeit, ungestört
Geologisches Profil – Setting Nordwalde Hohe Deckgebirgsmächtigkeit, ungestört
Geologisches Profil – Setting Bad Laer Geringere Deckgebirgsmächtigkeit, gestört
20 | Konzept - Modellszenarien
Strategie fff. • Abschätzung des regionalen Stofftransports in der Post-Frac-Phase (Jahrzehnte, regionaler Transport) - Norddeutsches Becken Kein relevanter regionaler Transport erwartet wegen extrem geringer horizontaler hydraulischer Gradienten keine Modellierung des regionalen Transports (außer bei vorh. extremen Überdrucken im Quellbereich)
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
21 | Konzept - Modellszenarien
Strategie ffff. • Abschätzung des regionalen Stofftransports in der Post-Fracking-Phase (Jahrzehnte, regionaler Transport) - Münsterländer Becken Modellierung des regionalen Transports in den Kreidekalken (Teutoburger Wald Lippe u. Bäder) Erfordert: Quantifizierung des Volumenstroms (Prä-Bergbauphase) in den verkarsteten Kreidekalken (Mischungsansatz) hydraulische Leitfähigkeit Beitrag Ingenieurbüro Heitfeld Schetelig
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
22 | Konzept - Modellszenarien
Hydrogeologische Verhältnisse Quantifizierung der Grundströmung • Grundwasserströmung (Salz-, Süßwasser) in Richtung Mineralquelle • Grundwasseraufstieg lokal an Störungszonen Mineralquellen (natürlich)
Münster Geringleiter Emscher Mergel
Grundwasserleiter Kreidekalke Geringleiter (Paläoz.) Mit Kohleflözen
Störungszone
Frac-Fluide Salzwasser (natürlich) Süßwasser (natürlich)
Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig
Geologisch-hydrogeologisches Profil durch das Münsterländer Becken (N – S) • Voraussetzung zur Simulation des regionalen Stofftransports (postfracking) • Quelle Ingenieurbüro Heitfeld Schetelig
24 | Konzept - Modellszenarien
Derzeitige Aktivitäten • Erstellung geologisch-hydrogeologische Modelle (IHS, UniGö) - lokale Settings - regionales Fließfeld • Parametrisierung der Modellkenngrößen (UniGö, IHS) - Aus Bilanzrechnungen (Grundwasserabfluss, Salinitätsverteilung) - Aus hydraulischen Versuchen - Aus der Literatur und Plausibilitätsüberlegungen • Einfluss von Barrieregesteinen und Integrität von Deckgebirgsbarrieren (UniGö, IHS) - Verbreitung von Salzhorizonten (Nds. Becken) - Position von durchflusswirksamen Störungszonen (Münsterl. Becken) - Effektivität der durchflusswirksamen Störungszonen (Münsterl. Becken) • Modellierung des Stofftransports (UniStutt) - lokal für Settings - regional für Langzeitentwicklung Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Prof. Dr. Martin Sauter, Prof. Dr. Rainer Helmig