In several areas of the North East German Basin (NEGB) saline water comes close to or even reaches the surface. Although this phenomenon has been observed during the past two centuries, the origin and mechanisms of brines within the NEGB aquifer are not fully understood. In geothermal systems, the driving forces can be intrinsic to the basin, like thermal variations, and/or external due to hydraulic head. In order to clarify the possible mechanisms of brine transport, thermohaline simulations have been carried for 2D and 3D model scenarios. For this purpose, a hydrogeological model of the NEGB has been developed which contains the major stratigraphic and hydrogeologic units from the Quaternary to the Upper Permian. In contrast to normal groundwater models for freshwater, large-scale simulation of coupled flow, mass and heat transfer requires a proper fluid density model. Field measurements of pore fluid pressure and temperatures, as well as laboratory investigations of solute content provided density input data. The brine stratification is unstable in the deeper underground suggesting that convective flows are favoured. The governing equations of density driven flow have been solved by the use of the finite element software FEFLOW 5®. The numerical approach of thermohaline simulations has been performed by testing different grid resolutions. The 2D model allows to quantify the interaction between diffusive solute transport, thermally and head-driven flow (forced versus free convection). The main fluid-dynamics of salt migration throughout the NEGB have been inferred from temporal analysis of the transport processes. Additionally, viscosity effects have been taken into account and have been evaluated. Based on these 2D numerical results, a regional picture of the transport processes affecting the NEGB has been tracked down. The 3D regional model (230x330 km) indicates that salt water occurring close to the surface may mainly be driven by hydrostatical forces from the surrounding highlands, describing part of the phenomena. In addition, a smaller 3D scale model (10x10 km) has been constructed with a grid resolution accounting for temperature effects. The results point towards that thermally induced flow, which may play a dominant role in areas with minor topography. In summary, the complex pattern of near surface occurrences probably results from the interaction of hydrostatic and thermal forces. Scenarios that allow for mixed convection are needed to understand the mechanism behind numerous previously unexplained field observations of deep-groundwater occurrences near the basin surface. The potential presence of large-scale convection cells has implications both for the fundamental understanding of basin processes as well as for socio-economic issues.
In vielen Gebieten des Norddeutschen Beckens (NEGB � Northeast German Basin) tritt Salzwasser oberflächennah auf oder erreicht sogar die Oberfläche. Obwohl dieses Phänomen bereits seit zwei Jahrhunderten beobachtet wird, sind der Ursprung und die Mechanismen des Salzwasserflusses im Aquifer des NEGB nicht vollständig verstanden. Die Antriebskräfte in einem geothermischen System wie einem Becken können intrinsisch sein, zum Beispiel thermische Gradienten, und/oder extern sein, zum Beispiel der hydraulische Druckhöhe. Um die Mechanismen des Salzwassertransports innerhalb des Beckens zu klären, wurden für das NEGB thermohaline Simulationen in 2D- und 3D-Szenarios durchgeführt. Basierend auf einer umfangreichen Datensammlung wurde zu diesem Zweck ein hydrogeologisches Modell des NEGB entwickelt, das die stratigraphischen und hydrogeologischen Haupteinheiten vom Oberen Perm bis zum Quartär beinhaltet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Grundwassermodellen für Frischwasser erfordern großmaßstäbliche Simulationen des gekoppelten Fluidflusses, Massen- und Wärmetransfers ein angepasstes Fluiddichtemodell. Feldmessungen des Fluidporendrucks und der Fluidtemperaturen sowie Laborexperimente zu Lösungsgehalten liefern die in das Modell eingehenden Dichtedaten. Die Salzwasserschichtung ist im tieferen Untergrund instabil, was darauf hinweist, dass das Auftreten konvektiver Ströme sehr wahrscheinlich ist. Die Gleichungen des dichtegesteuerten Fluidflusses wurden mithilfe der Finite-Elemente- Software FEFLOW 5 ® gelöst. Der numerische Ansatz der thermohalinen Simulation umfasst Tests verschiedener Gitterauflösungen. Das 2D-Modell erlaubt die Quantifizierung der Interaktionen zwischen diffusem Lösungstransport und thermisch sowie druckhöhegesteuertem Fluidfluss (gezwungene versus freie Konvektion). Die grundlegende Fluiddynamik der Salzmigration im NEGB wurde anhand der temporalen Analyse der Transportprozesse ermittelt. Des Weiteren wurden Effekte der Viskosität berücksichtigt und evaluiert. Basierend auf den numerischen 2D-Ergebnissen wurde ein regionales Bild der Transportprozesse, die das NEGB beeinflussen, erstellt. Das regionale 3D-Modell (230x330 km) zeigt, dass das oberflächennahe Auftreten von Salzwasser hauptsächlich durch hydrostatische Kräfte des umgebenden Reliefs gesteuert wird. Zusätzlich wurde ein kleineres 3D-Modell (10x10 km) mit einer Gitterauflösung konstruiert, die die Temperatureffekte einbeziehen kann. Die Ergebnisse machen deutlich, dass der thermisch induzierte Fluidfluss in Regionen mit wenig Relief ein dominanter Steuerungsfaktor sein kann. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass das komplexe Muster oberflächennahen Auftretens von Salzwasser höchstwahrscheinlich aus der Interaktion von hydrostratischen und thermischen Kräften resultiert. Gemischte Konvektionsszenarien sind nötig, um die Mechanismen zu verstehen, die zum Auftreten von Tiefengrundwasser an der Beckenoberfläche führen. Der Nachweis und das Verständnis großmaßstäblicher Konvektionszellen hat Auswirkungen sowohl auf das fundamentale Wissen um Beckenprozesse an sich als auch auf sozioökonomische Belange.
