Mass transport in fractured media - transition to anomalous transport

Abstract

Substantial understanding of the processes involved in fluid flow and tracer transport in geological systems can be gained from the use of numerical simulations. Regardless of the nature or scale of a geological system, the probability of encountering fractures in hard rock units is high. Therefore, modelling flow and transport in fractures and fracture networks is a key component of almost any complex hydrogeological simulation. Over the last few decades, with the increase in computational power and the availability of increasingly sophisticated and powerful specialized modelling software, numerical models have become increasingly commonplace, and are meanwhile regarded as vital tools in the wide field of geoscience.

This work portrays the development of a series of numerical models, with discrete fracture network geometry, based on the knowledge of an actual fracture network gained through prior experiments performed at the Grimsel Test Site (GTS) in the Swiss Alps. A three dimensional reconstruction of the actual fracture network geometry is developed from the extensive photographic data set provided by the Excavation Project (EP) and used as the basis for purely advective particle tracking models, as well as for fully advective-dispersive transport models. Realistic fracture apertures based on actual fracture measurements are generated through a geostatistical method and their influence upon flow and transport is studied. Various degrees of heterogeneity with regard to aperture distributions are generated and used in a Monte Carlo approach to examine their influence. Further, the retardation effects of matrix diffusion are also considered and incorporated into the models by means of a new semi-analytical method included in the FEM code Rockflow/Geosys V4. The resulting breakthrough curves are analysed and fitted with several analytical solutions, including advective dispersive transport with matrix diffusion and continuous time random walks (CTRW). It is shown that the standard advection dispersion equation (ADE) is not suitable for approximating or predicting breakthrough curves from heterogeneous models.

The development of the various models portrayed herein depended strongly on the ongoing advances made in the available modelling codes and in new and dedicated preprocessing tools. Several newly developed methods and tools were tested and applied during the project.

For the first time, a group of numerical simulations is presented, that incorporates complex fracture network geometry based on actual field data, geostatistically generated realistic apertures and the effect of matrix diffusion. This new level of realism provides the basis for new insights into the role of heterogeneity, matrix diffusion and the combination of both in the transition toward anomalous transport.

Das Wissen über die an Fluss- und Transportprozessen beteiligten Mechanismen kann durch die Verwendung von numerischen Simulationen deutlich erweitert werden. Unabhängig der Natur oder der Grössenordnung des untersuchten Systems ist das Auftreten von Klüften und Spalten in Felsstrukturen sehr wahrscheinlich. Daher stellt das Modellieren von Fluss- und Transport in geklüfteten Medien eine wesentliche Komponente der meisten komplexen hydrogeologischen Simulationen dar. Mit der andauernden Entwicklung von immer Leistungsfähigeren Computern und dem Aufkommen von spezialisierter und leistungsfähiger Software zur numerischen Modellierung haben sich numerische Simulationen in den letzten Jahren und Jahrzehnten etabliert, und sind nun als wichtiges Werkzeug im weiten Feld der Geowissenschaften anerkannt.

Diese Arbeit stellt die Entwicklung und Anwendung einer Reihe solcher numerischer Modelle dar. Die Modelle basieren auf dem bestehenden Wissen über ein natürliches Kluftsystem in den Schweizer Alpen, welches durch frühere Experimente am Felslabor Grimsel untersucht wurde. Eine dreidimensionale Rekonstruktion der Kluftgeometrie wird entwickelt und als Basis für sowohl rein advective "Particle Tracking" Modelle, als auch für advektiv-dispersive Transportmodelle verwendet. Realistische Kluftöffnungsweiten, basierend auf gemessenen Weiten von untersuchten Klüften, werden mittels einer Geostatistischen Methode für die Modelle generiert. Der Einfluss dieser Heterogenität auf Fluss und Transport wird untersucht. Vergleichbare Öffnungsweitenverteilungen mit unterschiedlich starker Heterogenität werden generiert und deren Einfluss im Rahmen eines Monte Carlo Ansatzes Untersucht. Ebenso wird der retardierende Einfluss von Matrix Diffusion in den Modellen berücksichtigt und untersucht. Die resultierenden Durchbruchskurven werden mittels einer Auswahl an analytischen Methoden, unter anderem mit Matrix Diffusion und "Continuous Time Random Walks" (CTRW), angepasst und interpretiert. Es wird dabei gezeigt, dass die herkömliche Advektions-Dispersions Gleichung (ADE) nicht geeignet ist um Durchbrüche von heterogenen Modellen anzunähern oder vorauszusagen.

Die Entwicklung der vorgestellten Modelle wird ermöglicht durch die fortwährende Entwicklung im Bereich von numerischen Modellierungscodes, sowie durch neue und verbesserte Werkzeugen zur Erstellung und Verwaltung der Modellgeometrie. Etliche neue Methoden und Werkzeuge wurden im Rahmen der Arbeit getestet und verwendet.

Erstmals wird eine Gruppe von numerischen Simulationen vorgestellt, welche complexe, auf Felddaten beruhende Kluftnetzwerkgeometrien beinhalten, sowie geostatistisch generierte Öffnungsweiten und Matrix Diffusion. Dieser neue Grad an Realitätsnähe bildet die Basis für neue Erkenntnisse bezüglich der Rolle von Heterogenitäten, Matrix Diffusion und deren Kombination im Übergangsbereich zum anormalen Transport.