| dc.contributor.advisor | Wiegand, Bettina Dr. | |
| dc.contributor.author | Kölbel, Lena | |
| dc.date.accessioned | 2020-10-08T07:44:46Z | |
| dc.date.available | 2020-10-08T07:44:46Z | |
| dc.date.issued | 2020-10-08 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-14A6-9 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8242 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 910 | de |
| dc.subject.ddc | 550 | de |
| dc.title | Th-U series radionuclides in the characterization of geothermal reservoirs (Bruchsal, SW Germany) | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Sauter, Martin Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2020-09-30 | |
| dc.description.abstractger | Eine detaillierte Analyse natürlich vorkommender Radionuklide hat das Potential die Nutzbarmachung der Tiefengeothermie in verschiedenen Projektphasen zu unterstützen. Der methodische
Ansatz basiert dabei auf der Detektion radioaktiver Ungleichgewichte, welche durch einen vergleichsweisen schnellen Isotopenaustausch zwischen Fluid und Gestein im Reservoir verursacht
werden und zu einer Fraktionierung zwischen Tochter- und Mutternukliden führen.
In tiefen geothermischen Systemen kommen natürliche Radionuklide sowohl in der fluiden Phase
als auch im angrenzenden Gestein vor. Radioaktive Ungleichgewichte zeigen sich dabei besonders
deutlich im Fluid, da dieses sehr leicht auf Austauschprozesse der Radionuklide reagiert. Durch die
Modellierung dieser radioaktiven Ungleichgewichte können standort-spezifische Informationen
über das langfristige Migrationsverhalten der Radionuklide gewonnen werden und kann damit für
die nachhaltige Bewirtschaftung geothermischer Reservoire vorteilhaft sein. Überdies ermöglicht
es den Anlagenbetreibern die fachgerechte Handhabung radionuklidhaltiger Mineralausfällungen
wie sie aus obertägigen Anlagenteilen bekannt sind. Darüber hinaus kann bereits parallel zu Bohrarbeiten die Untersuchung und Bewertung von Radionuklid-Signaturen der Gesteine einen praktischen Nutzen für die Erschließung geothermischer Reservoire aufweisen.
Es wurden in der Vergangenheit vergleichsweise wenige Studien publiziert, die sich mit dem konkreten Nutzen der Anwendung radionuklidbasierter Methoden für Tiefengeothermie-Projekten
befassen. Um diese Informationslücke zu verkürzen, wurde im Rahmen des Forschungsprojekts
ANEMONA am Geothermiestandort Bruchsal ein radiochemisches Monitoringsystem installiert.
Der Untersuchungsstandort befindet sich am östlichen Grabenrad des Oberrheingrabens in Südwestdeutschland. Durch regelmäßige und langwährende Probenahmen zusammen mit Laboranalysen geothermischer Fluide konnte ein um fangreicher Datensatz generiert werden. Zusätzlich
wurden Bohrkleinproben aus dem Bruchsaler Reservoirgestein der Injektions- und Produktionsbohrung untersucht. Die Ergebnisse und deren Anwendung werden im Rahmen dieser Arbeit in
drei eigenständigen Manuskripten vorgestellt.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Identifikation von Bruchzonen mit heute
oder zumindest vormals aktiver Fluidzirkulation anhand spezifischer Radionuklid-Signaturen im
Gestein vorgestellt. Die spezifischen Aktivitäten der natürlichen Radionuklide wurden hierfür mittels Alpha- und Gammaspektrometrie am Bohrklein ermittelt. Es wird gezeigt, dass der Reservoirbereich durch eine positive 226Ra-Anomalie in den tieferen Bohrlochabschnitten gekennzeichnet
ist. Ein möglicher Zusammenhang zwischen den hydrothermalen Vorgängen im Reservoir und der
Anreicherung von Radium wird durch eine petrographische Alterationsstudie des Bohrkleins untersucht. Potenziell aktive Kluftzonen werden durch die Bewertung von Th/Ra und Ra/K-Verhältnissen des Gesteins identifiziert, die deutlich auf die Schwankungen der 226Ra-Konzentration reagieren. Die Ergebnisse wurden mit konventionellen Bohrlochmessungen der GB2 verglichen.
Die radiochemischen Untersuchungen der Bruchsaler NaCl-Sole zeigen radioaktive Ungleichgewichte innerhalb der natürlichen Zerfallsreihe, welche auf die bevorzugte Lösung der Radiumisotopen (228Ra, 226Ra, 224Ra, 223Ra) zurückzuführen sind. Hierbei liegen die Ra-Aktivitäten weit über
den Aktivitäten ihrer Thorium-Mutternuklide. Darauf aufbauend wurden Wasser-Gesteins-Interaktionsprozesse anhand der beobachteten radioaktiven Ungleichgewichte untersucht und ihre Auswirkungen auf den Radionuklidtransport im geothermischen Reservoir bewertet. Der mathematische Ansatz beruht auf Ku et al. (1992), dessen Wasser-Gesteins-Interaktionsmodell die detaillierte
Betrachtung der physikalisch-chemischen Reaktionen sowie advektiver Transportvorgänge erlaubt.
Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell konzentriert sich auf die Verwendung von RaIsotopen, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Halbwertszeiten und ihrer Stellung in den Zerfallsreihen die Bestimmung von Interaktionsraten über verschiedene Zeitskalen hinweg gestatten.
Im dritten Teil der Arbeit wird eine integrative Herangehensweise zur Abschätzung standortspezifischer Kluftgrößen basierend auf einem Massenbilanzierungsansatz von 222Rn vorgestellt. Radon
tritt dabei als natürlicher Radiotracer auf, dessen Aktivität im geothermischen Fluid maßgeblich
durch den diffusiven Fluss von Kluftflächen sowie durch die Kluftgeometrie bestimmt sind. Relevante hydraulische Parameter des Bruchsaler Reservoirs wurden durch die Auswertung von Pumpversuchen ermittelt. Hierfür wurde die Software AQTESOLV® verwendet. Für die Abschätzung
der Kluftgrößen kommt ein Äquivalentkluft-Modell zum Einsatz. Dabei werden die hydraulischen
Parameter eines Mehrkluftsystems näherungsweise von einer einzelnen Kluft, der so genannten
Äquivalentkluft, abgebildet. Dieser Ansatz erlaubt die Bewertung von Kluftgrößen wie Apertur,
Oberfläche, etc. mittels 222Rn. Hier ist festzuhalten, dass mehrdeutige Ergebnisse nicht auszuschließen sind. | de |
| dc.description.abstracteng | A sophisticated analysis of naturally occurring nuclides has the potential to support geothermal
energ\ e[ploitation during various stages of a project·s life c\cle. One possible methodological
approach is based on the detection of Th-U decay series disequilibria which are caused by a relatively rapid exchange of isotopes between fluid and rock within the reservoir section resulting in a
fractionation of daughter and parent nuclides.
In deep geothermal systems, natural radionuclides exist in both the fluid phase and the adjoining
solids. Since the fluid phase is extremely sensitive to radionuclide exchanges, it displays the extent
of radioactive disequilibrium very evidently. Modelling of these radioactive disequilibria can provide site-specific information of the long-term migratory behavior of radionuclides which might
be useful for the sustainable management of geothermal reservoirs. Furthermore, the understanding of the Th-U series nuclides behavior in geothermal systems enables the plant operators to
handle radionuclide-bearing mineral precipitations which are known from surface installation parts.
But even in early stages of geothermal projects, the examination and assessment of radionuclide
signatures of rocks can have a practical benefit for geothermal reservoir engineering.
Only a few studies dealing with the tangible benefit of using radionuclide-based methods for deep
geothermal projects are published. To shorten this gap in knowledge, a radiochemical monitoring
system was realized at Bruchsal in the framework of the ANEMONA research project. The test
site is located at the eastern main boundary fault of the Upper Rhine Graben in SW-Germany. A
comprehensive dataset was generated by frequent, long-term fluid sampling and laboratory analyses. In addition, the Bruchsal reservoir rock was intensively examined based on drill cuttings from
both the injection and production well. The results and their application are presented in three
individual studies.
The first part of this thesis deals with a new approach to identify permeable fractures or at least
formerly permeable fractures based on specific radionuclide signatures of rocks. Alpha and gamma
spectrometry surveys of the Bruchsal drill cuttings delivered specific activities of the Th-U series
nuclides. It is shown that the reservoir section at Bruchsal is defined by a positive 226Ra anomaly in
deeper borehole sections. A petrographic alteration study is performed on the rock material to
determine links between the hydrothermal processes in the reservoir and the related accumulation
of radium. Possible fractured zones are identified by the evaluation of Th/Ra and Ra/K ratios
which are sensitive to changes in the 226Ra concentration. The results are compared with the conventional well logs performed in the GB2 well.
The radiochemical analysis of the Bruchsal NaCl brine display radioactive disequilibria within the
natural decay series caused by the preferred solution of radium isotopes (228Ra, 226Ra, 224Ra, 223Ra) having activities by far exceeding those of their thorium progenitors. Based on the observed radioactive disequilibria, water-rock interactions are examined in depth to evaluate their effects on
radionuclide transport in the geothermal reservoir. The results are documented in the second part
of this study. The mathematical treatment is based on Ku et al. (1992) whose water-rock interaction
model allows a detailed analysis of physico-chemical reactions as well as the study of advective
transport phenomena. The modelling part of this study is focused on radium isotopes since their
range in half-lives and their interrelation in the respective decay chain allows the determination of
water-rock interaction rates across different timescales. It is shown that diffusion along microfractures is an essential step allowing the recoiled atoms to enter the flow system and causing a significant fractionation of Ra isotopes.
In the third part of the thesis, an integrative approach to estimate site-specific fracture dimensions
is introduced by means of a 222Rn mass balance approach. Here, radon acts as a natural radiotracer
whose activity in the geothermal fluid is mainly controlled by the diffusional flux from fracture
surfaces, but also by the fracture geometry. Integral hydraulic parameters of the Bruchsal reservoir
are obtained from the interpretation of pumping tests. Therefore, the aquifer test analysis tool
AQTESOLV® is employed. The assessment of the fracture dimensions assumes an equivalent
fracture. Thus, hydraulic parameters of a multi-fracture system are approximated using a single
fracture, the so-called equivalent fracture. This approach offers the estimation of fracture parameters such as aperture, surface, etc. by using 222Rn. However, a certain ambiguity of the results cannot
be ruled out. | de |
| dc.contributor.coReferee | Schäfer, Thorsten Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | Naturally occurring radionuclides | de |
| dc.subject.eng | Geothermal reservoir exploration | de |
| dc.subject.eng | Water-rock interaction processes | de |
| dc.subject.eng | Radium isotopes | de |
| dc.subject.eng | Upper Rhine Graben | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0005-14A6-9-1 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Geowissenschaften und Geographie | de |
| dc.subject.gokfull | Geologische Wissenschaften (PPN62504584X) | de |
| dc.identifier.ppn | 1735233048 | |