dc.contributor.author
Magri, Fabien
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:31:09Z
dc.date.available
2005-07-19T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/10587
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-14785
dc.description
0\. Title page and table of contents
1\. Introduction 1
1.1. The North East German Basin: an unexplained large-scale transport system
of dissolved halite 1
1.2. Data: aquifer and fluid model 4
1.2.1. Database and sampling location 5
1.2.2. Aquifer model 6
1.2.3. Fluid model: chemistry and density 8
1.3. Discussion and approaches 16
2\. 2D thermohaline approach: model scenario and preliminary simulations 19
2.1. Definition of the two-dimensional model scenario for thermohaline
simulations by use of FEFLOW® 19
2.1.1. The need of a two-dimensional approach 19
2.1.2. Integration of the structural model of the NEGB into FEFLOW® 20
2.1.3. The representative NEGB cross-section 22
2.2. Preliminary 2D thermohaline simulations 24
2.2.1. Governing equations and assumptions 24
2.2.2. Boundary and initial conditions 27
2.2.3. Numerical and time step schemes 29
2.2.4. Building a mesh suitable for the thermohaline approach 32
2.3. Discussion 37
3\. Mechanisms driving brines within the NEGB. Results from 2D coupled fluid
flow mass transport and thermohaline simulations 39
3.1. Diffusive brine transport 39
3.1.1. Boundary conditions 39
3.1.2. Diffusive brine transport without regional flow 41
3.1.3. Diffusive brine transport and regional flow 46
3.2. Thermohaline convection 53
3.2.1. Boundary conditions 54
3.2.2 Free convection 55
3.2.3. Mixed convection 65
3.2.4. Viscosity effects 71
3.3. Discussion 78
4\. Three dimensional approach 79
4.1. Large scale model scenario 79
4.2. Square box model scenario 82
4.3. Discussion 88
5\. Summary and discussion 89
Ref. References 93
A1. Fluid, heat and mass transport equations in porous media 101
A2. Derivation of the coefficients of thermal expansion and compressibility
for use in FEFLOW® 111
A3. Implementation of the coefficient of thermal expansion and
compressibility through the IFM interface manager for use with FEFLOW® 119
A4. Rayleigh stability criteria 125
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Salinar brines
dc.subject
thermohaline convection
dc.subject
sedimentary basins
dc.subject
North East German Basin
dc.subject
numerical modelling of fluid flow.
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.title
Mechanisms and fluid-dynamics driving saline waters within the North East
German Basin:
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Ulf Bayer
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Asaf Pekdeger
dc.date.accepted
2005-06-10
dc.date.embargoEnd
2005-07-26
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2005001903
dc.title.subtitle
Results from thermohaline numerical simulations
dc.title.translated
Mechanismus und Fluiddynamik der Salzwasserzirkulation im Norddeutschen Becken
de
dc.title.translatedsubtitle
Ergebnisse thermohaliner numerischer Simulationen
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
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FUDISS_thesis_000000001790
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2005/190/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000001790
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free
dcterms.accessRights.openaire
open access