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Thermohaline Konvektion in gering durchlässigen Kluftgesteinen

Katharina Vujevic1, Thomas Graf1
1 Institut für Strömungsmechanik, Leibniz Universität Hannover

O 1.12 in Numerische Simulation von Strömungs- und Transportprozessen in Grundwasserleitern und angrenzenden Kompartimenten

30.05.2014, 15:40-16:00, H17, NW II

 

 

Die Eigenschaften des Grundwassers, insbesondere seine Dichte, werden durch gelöste Stoffe (z.B. Salz), sowie durch die Untergrundtemperatur beeinflusst. Wird Wasser mit geringer Dichte von Wasser höherer Dichte überlagert, ergeben sich potentiell instabilen Dichteschichtungen. In Abhängigkeit von Ausprägung der Dichteunterschiede und Diffusivität der beteiligten Stoffe, beziehungsweise der thermischen Eigenschaften des Grundwasserleiters, werden die Dichteunterschiede durch Diffusion oder Konduktion ausgeglichen oder die Auftriebskräfte dominieren und führen zu freier Konvektion. Ein Grundwasserfluss durch freie Konvektion ist somit möglich, auch ohne dass äußere Druckgradienten Grundwasserbewegung erzwingen.

Freie Konvektion hervorgerufen durch Temperaturgardienten (thermisch), durch unterschiedliche Salzkonzentrationen (halin) oder durch eine Kombination davon (thermohalin) können auf natürliche Ursachen zurückzuführen sein, wie den natürlich thermische Gradienten im Erdmantel, die Lösung natürlicher Salze im Grundwasser, oder das Eindringen von Meerwasser in küstennahe Grundwasserleiter. Instabile Dichteschichtungen können aber auch anthropogen verursacht werden, zum Beispiel durch das Eindringen von salzhaltigem Deponiesickerwasser ins Grundwasser, das Einlagern Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle in geologische Formationen wie Salzstöcke oder die Injektion von Wasser mit Temperaturen, welche nicht denen des Untergrundes entsprechen (Geothermische Anlagen, Geocooling).

Da freie Konvektion im Vergleich zu reiner Diffusion/Konduktion gelöste Stoffe und Wärme weit schneller und effektiver transportieren kann, ist gerade bei Eingriffen des Menschen in die Grundwassersysteme zu prüfen, ob und inwieweit freie Konvektion auftritt. In Festgesteinen wird eine Prognose der zu erwartenden Konvektionsmuster durch Kluftsysteme erschwert, da Klüfte bevorzugte Fließwege darstellen, in denen die Fließgeschwindigkeiten erheblich größer sein können als in der umgebenden Gesteinsmatrix.

Derzeit gibt es kaum Studien, die sich mit freier Konvektion in Kluftgesteinen befassen. Unser Ziel ist es daher, zu bestimmen, wann Kluftsysteme Konvektionsmuster und Stofftransport beeinflussen und die dafür entscheidenden geometrischen Eigenschaften von Kluftnetzwerken zu bestimmen. Haline und thermohaline Konvektion in geklüftetem Gestein und einem homogenen porösen Vergleichsmedium werden dazu mit dem numerischen Modell HydroGeoSphere analysiert.

Die bisherigen Ergebnisse legen nahe, dass Klüfte die Dichteströmung signifikant beeinflussen, wenn die Permeabilität der Kluft mehrer Größenordnungen über der der Matrix liegt. Je nach Geometrie des Kluftnetzwerks,  können Klüfte ein System mit identischer äquivalenter Durchlässigkeit stabilisieren und Konvektion eindämmen oder Konvektion ermöglichen, beziehungsweise verstärken.



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Letzte Änderung 01.11.2013