@phdthesis{Cherubini2013,
  author    = {Cherubini, Yvonne},
  title     = {Influence of faults on the 3D coupled fluid and heat transport},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-69755},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2013},
  abstract  = {Da geologische St{\"o}rungen k{\"o}nnen als Grundwasserleiter, -Barrieren oder als gemischte leitende /stauende Fluidsysteme wirken. Aufgrund dessen k{\"o}nnen St{\"o}rungen maßgeblich den Grundwasserfluss im Untergrund beeinflussen, welcher deutliche Ver{\"a}nderungen des tiefen thermischen Feldes bewirken kann. Grundwasserdynamik und Temperaturver{\"a}nderungen sind wiederum entscheidende Faktoren f{\"u}r die Exploration geothermischer Energie. Diese Studie untersuchte den Einfluss von St{\"o}rungen auf das Fluidsystem und das thermische Feld im Untergrund. Sie erforschte die physikalischen Prozesse, welche das Fluidverhalten und die Temperaturverteilung in St{\"o}rungen und in den umgebenden Gesteinen. Dazu wurden 3D Finite Elemente Simulationen des gekoppelten Fluid und W{\"a}rmetransports f{\"u}r synthetische sowie reale Modelszenarien auf unterschiedlichen Skalen durchgef{\"u}hrt. Um den Einfluss einer schr{\"a}g einfallenden St{\"o}rung systematisch durch die schrittweise Ver{\"a}nderung der hydraulischen {\"O}ffnungsweite und der Permeabilit{\"a}t, zu untersuchen, wurde ein klein-skaliges synthetisches Modell entwickelt. Ein inverser linearer Zusammenhang wurde festgestellt, welcher zeigt, dass sich die Fluidgeschwindigkeit in der St{\"o}rung jeweils um ~1e-01 m/s verringert, wenn die {\"O}ffnungsweite der St{\"o}rung um jeweils eine Magnitude vergr{\"o}ßert wird. Ein hoher Permeabilit{\"a}tskontrast zwischen St{\"o}rung und umgebender Matrix beg{\"u}nstigt die Fluidadvektion hin zur St{\"o}rung und f{\"u}hrt zu ausgepr{\"a}gten Druck- und Temperaturver{\"a}nderungen innerhalb und um die St{\"o}rung herum. Bei geringem Permeabilit{\"a}tskontrast zwischen St{\"o}rung und umgebendem Gestein findet hingegen kein Fluidfluss in der St{\"o}rung statt, wobei das hydrostatische Druck- sowie das Temperaturfeld unver{\"a}ndert bleiben. Auf Grundlage der synthetischen Modellierungsergebnisse wurde der Einfluss von St{\"o}rungen auf einer gr{\"o}ßeren Skala anhand eines komplexeren (realen) geologischen Systems analysiert. Dabei handelt es sich um ein 3D Modell des Geothermiestandortes Groß Sch{\"o}nebeck, der ca. 40 km n{\"o}rdlich von Berlin liegt. Die Integration von einer permeablen und drei impermeablen Hauptst{\"o}rungen, zeigte unterschiedlich starke Einfl{\"u}sse auf Fluidzirkulation, Temperatur - und Druckfeld. Die modellierte konvektive Zirkulation in der permeablen St{\"o}rung ver{\"a}ndert das thermische Feld stark (bis zu 15 K). In den gering durchl{\"a}ssigen St{\"o}rungen wird die W{\"a}rme ausschließlich durch Diffusion geleitet. Der konduktive W{\"a}rmetransport beeinflusst das thermische Feld nicht, bewirkt jedoch lokale Ver{\"a}nderungen des hydrostatischen Druckfeldes. Um den Einfluss großer St{\"o}rungszonen mit kilometerweitem vertikalen Versatz auf das geothermische Feld der Beckenskala zu untersuchen, wurden gekoppelte Fluid- und W{\"a}rmetransportsimulationen f{\"u}r ein 3D Strukturmodell des Gebietes Brandenburg durchgef{\"u}hrt (Noack et al. 2010; 2013). Bez{\"u}glich der St{\"o}rungspermeabilit{\"a}t wurden verschiedene geologische Szenarien modelliert, von denen zwei Endgliedermodelle ausgewertet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die undurchl{\"a}ssigen St{\"o}rungen den Fluidfluss nur lokal beeinflussen. Da sie als hydraulische Barrieren wirken, wird der Fluidfluss mir sehr geringen Geschwindigkeiten entlang der St{\"o}rungen innerhalb eines Bereichs von ~ 1 km auf jeder Seite umgelenkt. Die modellierten lokalen Ver{\"a}nderungen des Grundwasserzirkulationssystems haben keinen beobachtbaren Effekt auf das Temperaturfeld. Hingegen erzeugen permeable St{\"o}rungszonen eine ausgepr{\"a}gte thermische Signatur innerhalb eines Einflussbereichs von ~ 2.4-8.8 km in -1000 m Tiefe und ~6-12 km in -3000 m Tiefe. Diese thermische Signatur, in der sich k{\"a}ltere und w{\"a}rmere Temperaturbereiche abwechseln, wird durch auf- und abw{\"a}rts gerichteten Fluidfluss innerhalb der St{\"o}rung verursacht, der grunds{\"a}tzlich durch existierende Gradienten in der hydraulischen Druckh{\"o}he angetrieben wird. Alle Studien haben gezeigt, dass St{\"o}rungen einen beachtlichen Einfluss auf den Fluid-, und W{\"a}rmefluss haben. Es stellte sich heraus, dass die Permeabilit{\"a}t in der St{\"o}rung und in den umgebenden geologischen Schichten so wie der spezifische geologische Rahmen entscheidende Faktoren in der Ausbildung verschiedener W{\"a}rmetransportmechanismen sind, die sich in St{\"o}rungen entwickeln k{\"o}nnen. Die von permeablen St{\"o}rungen verursachten Temperaturver{\"a}nderungen k{\"o}nnen lokal, jedoch groß sein, genauso wie die durch hydraulisch leitende und nichtleitende St{\"o}rungen hervorgerufenen Ver{\"a}nderungen des Fluidystems. Letztlich haben die Simulationen f{\"u}r die unterschiedlich skalierten Modelle gezeigt, dass die Ergebnisse sich nicht aufeinander {\"u}bertragen lassen und dass es notwendig ist, jeden geologischen Rahmen hinsichtlich Konfiguration und Gr{\"o}ßenskala gesondert zu betrachten. Abschließend hat diese Studie demonstriert, dass die Betrachtung von St{\"o}rungen in 3D Finiten Elementen Modellen f{\"u}r die Simulation von gekoppeltem Fluid- und W{\"a}rmetransport auf unterschiedlichen Skalen m{\"o}glich ist. Da diese Art von numerischen Simulationen sowohl die geologische Struktur des Untergrunds sowie die im Erdinnern ablaufenden physikalischen Prozesse integriert, k{\"o}nnen sie einen wertvollen Beitrag leisten, indem sie Feld- und Laborgest{\"u}tzte Untersuchungen vervollst{\"a}ndigen.},
  language  = {de}
}