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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

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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)?

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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)

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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

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9 | Konzept - Modellszenarien

Regionale geologisch-hydrogeologische Verh채ltnisse im Nieders채chsischen Becken

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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

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11 | Konzept - Modellszenarien

Geologisches Profil (N - S) durch das Niedersächsische Becken • Lage der Settings Damme, Vechta • Quelle, LBEG, Geotektonischer Atlas

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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

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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)

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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

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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


Abschätzung der Auswirkungen von Fracking-Maßnahmen auf das oberflächennahe Grundwasser