TY - THES A1 - Manu, Evans T1 - Hydrogeochemical characterization of water resources in the Pra Basin (Ghana) for quality assessment and water management T1 - Hydrogeochemische Charakterisierung der Wasserressourcen im Pra-Becken (Ghana) zur Qualitätsbewertung und Wasserbewirtschaftung BT - field observations and geochemical modelling BT - Feldbeobachtungen und geochemische Modellierung N2 - Watershed management requires an understanding of key hydrochemical processes. The Pra Basin is one of the five major river basins in Ghana with a population of over 4.2 million people. Currently, water resources management faces challenges due to surface water pollution caused by the unregulated release of untreated household and industrial waste into aquatic ecosystems and illegal mining activities. This has increased the need for groundwater as the most reliable water supply. Our understanding of groundwater recharge mechanisms and chemical evolution in the basin has been inadequate, making effective management difficult. Therefore, the main objective of this work is to gain insight into the processes that determine the hydrogeochemical evolution of groundwater quality in the Pra Basin. The combined use of stable isotope, hydrochemistry, and water level data provides the basis for conceptualizing the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. For this purpose, the origin and evaporation rates of water infiltrating into the unsaturated zone were evaluated. In addition, Chloride Mass Balance (CMB) and Water Table Fluctuations (WTF) were considered to quantify groundwater recharge for the basin. Indices such as water quality index (WQI), sodium adsorption ratio (SAR), Wilcox diagram, and salinity (USSL) were used in this study to determine the quality of the resource for use as drinking water and for irrigation purposes. Due to the heterogeneity of the hydrochemical data, the statistical techniques of hierarchical cluster and factor analysis were applied to subdivide the data according to their spatial correlation. A conceptual hydrogeochemical model was developed and subsequently validated by applying combinatorial inverse and reaction pathway-based geochemical models to determine plausible mineral assemblages that control the chemical composition of the groundwater. The interactions between water and rock determine the groundwater quality in the Pra Basin. The results underline that the groundwater is of good quality and can be used for drinking water and irrigation purposes. It was demonstrated that there is a large groundwater potential to meet the entire Pra Basin’s current and future water demands. The main recharge area was identified as the northern zone, while the southern zone is the discharge area. The predominant influence of weathering of silicate minerals plays a key role in the chemical evolution of the groundwater. The work presented here provides fundamental insights into the hydrochemistry of the Pra Basin and provides data important to water managers for informed decision-making in planning and allocating water resources for various purposes. A novel inverse modelling approach was used in this study to identify different mineral compositions that determine the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. This modelling technique has the potential to simulate the composition of groundwater at the basin scale with large hydrochemical heterogeneity, using average water composition to represent established spatial groupings of water chemistry. N2 - Die Bewirtschaftung von Wassereinzugsgebieten erfordert ein Verständnis der wichtigsten hydrochemischen Prozesse. Das Pra-Becken ist eines der fünf großen Flusseinzugsgebiete Ghanas mit einer Bevölkerung von über 4,2 Millionen Menschen. Die Bewirtschaftung der Wasserressourcen wird derzeit durch die Verschmutzung der Oberflächengewässer erschwert, die durch die unkontrollierte Einleitung von unbehandelten Haushalts- und Industrieabfällen in die aquatischen Ökosysteme und durch illegale Bergbauaktivitäten entsteht. Dies hat den Bedarf an Grundwasser als zuverlässigste Wasserversorgung erhöht. Unser Verständnis der Mechanismen der Grundwasserneubildung und der chemischen Entwicklung im Einzugsgebiet ist bislang unzureichend, was eine wirksame Bewirtschaftung erschwert. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit Einblicke in die Prozesse zu bekommen, welche die hydrogeochemische Entwicklung der Grundwasserqualität im Pra-Becken bestimmen. Die kombinierte Verwendung von Daten stabiler Isotope, der Hydrochemie und von Wasserständen bildet die Grundlage für die Konzeption der chemischen Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken. Dafür wurden die Herkunft und die Verdunstungsraten des in die ungesättigte Zone infiltrierenden Wassers bewertet. Darüber hinaus wurden die Chlorid-Massenbilanz und die Wasserspiegelschwankungen betrachtet, um die Grundwasserneubildung für das Einzugsgebiet zu quantifizieren. Indizes wie der Wasserqualitätsindex (WQI), das Natriumadsorptionsverhältnis (SAR), das Wilcox-Diagramm und der Salzgehalt (USSL) wurden in dieser Studie verwendet, um die Qualität der Ressource für die Verwendung als Trinkwasser und zu Bewässerungszwecken zu bestimmen. Aufgrund der Heterogenität der hydrochemischen Daten wurden die statistischen Verfahren der hierarchischen Cluster- und Faktorenanalyse angewandt, um die Daten entsprechend ihrer räumlichen Korrelation zu unterteilen. Ein konzeptionelles hydrogeochemisches Modell wurde entwickelt und anschließend durch Anwendung kombinatorischer inverser und reaktionspfadbasierter geochemischer Modelle validiert, um plausible mineralische Assemblagen zu bestimmen, welche die chemische Zusammensetzung des Grundwassers kontrollieren. Die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein bestimmen die Grundwasserqualität im Pra-Becken. Die Ergebnisse unterstreichen, dass das Grundwasser eine gute Qualität aufweist und als Trinkwasser und für Bewässerungszwecke genutzt werden kann. Es wurde nachgewiesen, dass ein großes Grundwasserpotenzial vorhanden ist, um den derzeitigen und künftigen Wasserbedarf des gesamten Pra-Beckens zu decken. Als Hauptneubildungsgebiet wurde die nördliche Zone im Gebiet identifiziert, während die südliche Zone das Abflussgebiet ist. Der vorherrschende Einfluss der Verwitterung von Silikatmineralen spielt bei der chemischen Entwicklung des Grundwassers eine zentrale Rolle. Die hier vorgestellte Arbeit gibt grundlegende Einblicke in die Hydrochemie des Pra-Beckens und liefert für das Wassermanagement wichtige Daten für eine fundierte Entscheidungsfindung bei der Planung und Zuweisung von Wasserressourcen für verschiedene Zwecke. Ein neuartiger Ansatz zur inversen Modellierungwurde in dieser Studie eingesetzt, um unterschiedliche Mineralzusammensetzungen zu ermitteln, welche die chemische Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken bestimmen. Diese Modellierungstechnik hat das Potenzial, die Zusammensetzung eines Grundwassers auf der Skala eines Beckens mit großer hydrochemischer Heterogenität zu simulieren, wobei die durchschnittliche Wasserzusammensetzung zur Darstellung der etablierten räumlichen Gruppierungen der Wasserchemie verwendet wird. KW - PHREEQC KW - PHREEQC KW - combinatorial inverse modelling KW - kombinatorische inverse Modellierung KW - reaction path modelling KW - Reaktionspfadmodellierung KW - groundwater evolution KW - Grundwasserentwicklung KW - water quality KW - Wasserqualität KW - rock-water interaction KW - Gestein-Wasser-Wechselwirkung KW - silicate weathering KW - Silikatverwitterung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628062 ER - TY - JOUR A1 - Steding, Svenja A1 - Kempka, Thomas A1 - Zirkler, Axel A1 - Kühn, Michael T1 - Spatial and temporal evolution of leaching zones within potash seams reproduced by reactive transport simulations JF - Water / Molecular Diversity Preservation International (MDPI) N2 - Leaching zones within potash seams generally represent a significant risk to subsurface mining operations and the construction of technical caverns in salt rocks, but their temporal and spatial formation has been investigated only rudimentarily to date. To the knowledge of the authors, current reactive transport simulation implementations are not capable to address hydraulic-chemical interactions within potash salt. For this reason, a reactive transport model has been developed and complemented by an innovative approach to calculate the interchange of minerals and solution at the water-rock interface. Using this model, a scenario analysis was carried out based on a carnallite-bearing potash seam. The results show that the evolution of leaching zones depends on the mineral composition and dissolution rate of the original salt rock, and that the formation can be classified by the dimensionless parameters of Peclet (Pe) and Damkohler (Da). For Pe > 2 and Da > 1, a funnel-shaped leaching zone is formed, otherwise the dissolution front is planar. Additionally, Da > 1 results in the formation of a sylvinitic zone and a flow barrier. Most scenarios represent hybrid forms of these cases. The simulated shapes and mineralogies are confirmed by literature data and can be used to assess the hazard potential. KW - carnallite KW - water rock interaction KW - density-driven flow KW - PHREEQC KW - Pitzer KW - equations Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/w13020168 SN - 2073-4441 VL - 13 IS - 2 PB - Molecular Diversity Preservation International CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Hennig, Theresa A1 - Stockmann, Madlen A1 - Kühn, Michael T1 - Simulation of diffusive uranium transport and sorption processes in the Opalinus Clay JF - Applied geochemistry : journal of the International Association of Geochemistry and Cosmochemistry N2 - Diffusive transport and sorption processes of uranium in the Swiss Opalinus Clay were investigated as a function of partial pressure of carbon dioxide pCO(2), varying mineralogy in the facies and associated changes in porewater composition. Simulations were conducted in one-dimensional diffusion models on the 100 m-scale for a time of one million years using a bottom-up approach based on mechanistic surface complexation models as well as cation exchange to quantify sorption. Speciation calculations have shown, uranium is mainly present as U(VI) and must therefore be considered as mobile for in-situ conditions. Uranium migrated up to 26 m in both, the sandy and the carbonate-rich facies, whereas in the shaly facies 16 m was the maximum. The main species was the anionic complex CaUO2(CO3)(3)(2-) . Hence, anion exclusion was taken into account and further reduced the migration distances by 30 %. The concentrations of calcium and carbonates reflected by the set pCO(2) determine speciation and activity of uranium and consequently the sorption behaviour. Our simulation results allow for the first time to prioritize on the far-field scale the governing parameters for diffusion and sorption of uranium and hence outline the sensitivity of the system. Sorption processes are controlled in descending priority by the carbonate and calcium concentrations, pH, pe and the clay mineral content. Therefore, the variation in porewater composition resulting from the heterogeneity of the facies in the Opalinus Clay formation needs to be considered in the assessment of uranium migration in the far field of a potential repository. KW - reactive transport KW - facies KW - heterogeneity KW - carbonate KW - PHREEQC KW - Mont Terri KW - speciation Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2020.104777 SN - 0883-2927 SN - 1872-9134 VL - 123 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Hennig, Theresa A1 - Kühn, Michael T1 - Potential uranium migration within the geochemical gradient of the opalinus clay system at the Mont Terri JF - Minerals N2 - Transport properties of potential host rocks for nuclear waste disposal are typically determined in laboratory or in-situ experiments under geochemically controlled and constant conditions. Such a homogeneous assumption is no longer applicable on the host rock scale as can be seen from the pore water profiles of the potential host rock Opalinus Clay at Mont Terri (Switzerland). The embedding aquifers are the hydro-geological boundaries, that established gradients in the 210 m thick low permeable section through diffusive exchange over millions of years. Present-day pore water profiles were confirmed by a data-driven as well as by a conceptual scenario. Based on the modelled profiles, the influence of the geochemical gradient on uranium migration was quantified by comparing the distances after one million years with results of common homogeneous models. Considering the heterogeneous system, uranium migrated up to 24 m farther through the formation depending on the source term position within the gradient and on the partial pressure of carbon dioxide pCO2 of the system. Migration lengths were almost equal for single- and multicomponent diffusion. Differences can predominantly be attributed to changes in the sorption capacity, whereby pCO2 governs how strong uranium migration is affected by the geochemical gradient. Thus, the governing parameters for uranium migration in the Opalinus Clay can be ordered in descending priority: pCO2, geochemical gradients, mineralogical heterogeneity.

KW - PHREEQC KW - reactive transport KW - sorption KW - diffusion KW - repository far-field KW - hydro-geological system Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/min11101087 SN - 2075-163X VL - 11 IS - 10 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Steding, Svenja A1 - Kempka, Thomas A1 - Kühn, Michael T1 - How insoluble inclusions and intersecting layers affect the leaching process within potash seams JF - Applied Sciences : open access journal N2 - Potash seams are a valuable resource containing several economically interesting, but also highly soluble minerals. In the presence of water, uncontrolled leaching can occur, endangering subsurface mining operations. In the present study, the influence of insoluble inclusions and intersecting layers on leaching zone evolution was examined by means of a reactive transport model. For that purpose, a scenario analysis was carried out, considering different rock distributions within a carnallite-bearing potash seam. The results show that reaction-dominated systems are not affected by heterogeneities at all, whereas transport-dominated systems exhibit a faster advance in homogeneous rock compositions. In return, the ratio of permeated rock in vertical direction is higher in heterogeneous systems. Literature data indicate that most natural potash systems are transport-dominated. Accordingly, insoluble inclusions and intersecting layers can usually be seen as beneficial with regard to reducing hazard potential as long as the mechanical stability of leaching zones is maintained. Thereby, the distribution of insoluble areas is of minor impact unless an inclined, intersecting layer occurs that accelerates leaching zone growth in one direction. Moreover, it is found that the saturation dependency of dissolution rates increases the growth rate in the long term, and therefore must be considered in risk assessments. KW - salt dissolution KW - reactive transport KW - heterogeneity KW - density-driven KW - convection KW - PHREEQC KW - porous media Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/app11199314 SN - 2076-3417 VL - 11 IS - 19 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Tranter, Morgan Alan A1 - De Lucia, Marco A1 - Kühn, Michael T1 - Numerical investigation of barite scaling kinetics in fractures JF - Geothermics : an international journal of geothermal research and its applications N2 - Barite stands out as one of the most ubiquitous scaling agents in deep geothermal systems, responsible for irreversible efficiency loss. Due to complex parameter interplay, it is imperative to utilise numerical simulations to investigate temporal and spatial precipitation effects. A one-dimensional reactive transport model is set up with heterogeneous nucleation and crystal growth kinetics. In line with geothermal systems in the North German Basin, the following parameters are considered in a sensitivity analysis: temperature (25 to 150 degrees C), pore pressure (10 to 50 MPa), fracture aperture (10(-4) to 10(-2) m), flow velocity (10(-3) to 10(0) m s(-1)), molar volume (50.3 to 55.6 cm(3) mol(-1)), contact angle for heterogeneous nucleation (0 degrees to 180 degrees), interfacial tension (0.07 to 0.134 J m(-2)), salinity (0.1 to 1.5 mol kgw(-1) NaCl), pH (5 to 7), and supersaturation ratio (1 to 30). Nucleation and consequently crystal growth can only begin if the threshold supersaturation is exceeded, therefore contact angle and interfacial tension are the most sensitive in terms of precipitation kinetics. If nucleation has occurred, crystal growth becomes the dominant process, which is mainly controlled by fracture aperture. Results show that fracture sealing takes place within months (median 33 days) and the affected range can be on the order of tens of metres (median 10 m). The presented models suggest that barite scaling must be recognised as a serious threat if the supersaturation threshold is exceeded, in which case, large fracture apertures could help to minimise kinetic rates. The models further are of use for adjusting the fluid injection temperature. KW - Geothermal KW - Fracture sealing KW - Reactive transport KW - Geochemical modelling KW - Crystal nucleation KW - PHREEQC Y1 - 2021 SN - 0375-6505 SN - 1879-3576 VL - 91 PB - Elsevier CY - Amsterdam [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Hennig, Theresa A1 - Kühn, Michael T1 - Surrogate model for multi-component diffusion of Uranium through Opalinus Clay on the host rock scale JF - Applied Sciences : open access journal N2 - Multi-component (MC) diffusion simulations enable a process based and more precise approach to calculate transport and sorption compared to the commonly used single-component (SC) models following Fick's law. The MC approach takes into account the interaction of chemical species in the porewater with the diffuse double layer (DDL) adhering clay mineral surfaces. We studied the shaly, sandy and carbonate-rich facies of the Opalinus Clay. High clay contents dominate diffusion and sorption of uranium. The MC simulations show shorter diffusion lengths than the SC models due to anion exclusion from the DDL. This hampers diffusion of the predominant species CaUO2(CO3)32-. On the one side, species concentrations and ionic strengths of the porewater and on the other side surface charge of the clay minerals control the composition and behaviour of the DDL. For some instances, it amplifies the diffusion of uranium. We developed a workflow to transfer computationally intensive MC simulations to SC models via calibrated effective diffusion and distribution coefficients. Simulations for one million years depict maximum uranium diffusion lengths between 10 m and 35 m. With respect to the minimum requirement of a thickness of 100 m, the Opalinus Clay seems to be a suitable host rock for nuclear waste repositories. KW - facies KW - uranium speciation KW - sorption KW - reactive transport KW - heterogeneity KW - PHREEQC KW - Mont Terri KW - repository far-field Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/app11020786 SN - 2076-3417 VL - 11 IS - 2 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Hennig, Theresa T1 - Uranium migration in the Opalinus Clay quantified on the host rock scale with reactive transport simulations T1 - Uranmigration im Opalinuston quantifiziert für die Wirtsgesteinsskala mit reaktiven Transportsimulationen N2 - Humankind and their environment need to be protected from the harmful effects of spent nuclear fuel, and therefore disposal in deep geological formations is favoured worldwide. Suitability of potential host rocks is evaluated, among others, by the retention capacity with respect to radionuclides. Safety assessments are based on the quantification of radionuclide migration lengths with numerical simulations as experiments cannot cover the required temporal (1 Ma) and spatial scales (>100 m). Aim of the present thesis is to assess the migration of uranium, a geochemically complex radionuclide, in the potential host rock Opalinus Clay. Radionuclide migration in clay formations is governed by diffusion due to their low permeability and retarded by sorption. Both processes highly depend on pore water geochemistry and mineralogy that vary between different facies. Diffusion is quantified with the single-component (SC) approach using one diffusion coefficient for all species and the process-based multi-component (MC) option. With this, each species is assigned its own diffusion coefficient and the interaction with the diffuse double layer is taken into account. Sorption is integrated via a bottom-up approach using mechanistic surface complexation models and cation exchange. Therefore, reactive transport simulations are conducted with the geochemical code PHREEQC to quantify uranium migration, i.e. diffusion and sorption, as a function of mineralogical and geochemical heterogeneities on the host rock scale. Sorption processes are facies dependent. Migration lengths vary between the Opalinus Clay facies by up to 10 m. Thereby, the geochemistry of the pore water, in particular the partial pressure of carbon dioxide (pCO2), is more decisive for the sorption capacity than the amount of clay minerals. Nevertheless, higher clay mineral quantities compensate geochemical variations. Consequently, sorption processes must be quantified as a function of pore water geochemistry in contact with the mineral assemblage. Uranium diffusion in the Opalinus Clay is facies independent. Speciation is dominated by aqueous ternary complexes of U(VI) with calcium and carbonate. Differences in the migration lengths between SC and MC diffusion are with +/-5 m negligible. Further, the application of the MC approach highly depends on the quality and availability of the underlying data. Therefore, diffusion processes can be adequately quantified with the SC approach using experimentally determined diffusion coefficients. The hydrogeological system governs pore water geochemistry within the formation rather than the mineralogy. Diffusive exchange with the adjacent aquifers established geochemical gradients over geological time scales that can enhance migration by up to 25 m. Consequently, uranium sorption processes must be quantified following the identified priority: pCO2 > hydrogeology > mineralogy. The presented research provides a workflow and orientation for other potential disposal sites with similar pore water geochemistry due to the identified mechanisms and dependencies. With a maximum migration length of 70 m, the retention capacity of the Opalinus Clay with respect to uranium is sufficient to fulfill the German legal minimum requirement of a thickness of at least 100 m. N2 - Zum Schutz von Mensch und Umwelt vor den schädlichen Auswirkungen abgebrannter Brennelemente, wird weltweit die Endlagerung in tiefen geologischen Formationen favorisiert. Daher ist das Rückhaltevermögen potenzieller Wirtsgesteine gegenüber Radionukliden ein wichtiges Kriterium. Sicherheitsbewertungen basieren auf der Quantifizierung der Migration mit numerischen Simulationen, da Experimente die erforderlichen zeitlichen (1 Ma) und räumlichen Skalen (>100 m) nicht abdecken können. Ziel der Dissertation ist es, die Migration des geochemisch komplexen Radionuklids Uran im potenziellen Wirtsgestein Opalinuston zu bewerten. In Tonformationen wird die Radionuklidmigration aufgrund der geringen Durchlässigkeit von Diffusion bestimmt und durch Sorption verzögert. Beide Prozesse hängen stark von der Porenwassergeochemie und Mineralogie ab, die zwischen verschiedenen Fazies variieren. Die Diffusion wird mit dem Einkomponenten- (SC) und Mehrkomponentenansatz (MC) quantifiziert. Nach dem SC-Ansatz wird ein Diffusionskoeffizient für alle Spezies verwendet, wohingegen mit der MC-Option individuelle Werte zugewiesen und die Interaktion mit der diffusen Doppelschicht berücksichtigt wird. Die Sorption ist mit Hilfe mechanistischer Oberflächenkomplexierungsmodelle und Kationenaustausch integriert. Die Durchführung reaktiver Transportsimulationen mit dem Code PHREEQC ermöglicht die Quantifizierung der Uranmigration, d. h. Diffusion und Sorption, in Abhängigkeit der Mineralogie und Porenwassergeochemie für die Wirtsgesteinsskala. Sorptionsprozesse sind faziesabhängig. Die Migrationslängen variieren um bis zu 10 m zwischen den Fazies aufgrund von Unterschieden in der Porenwassergeochemie. Dabei ist insbesondere der Partialdruck des Kohlendioxids (pCO2) entscheidender für die Sorptionskapazität als die Menge an Tonmineralen. Allerdings kompensieren höhere Tonmineralmengen geochemische Schwankungen. Folglich müssen Sorptionsprozesse in Abhängigkeit der Porenwassergeochemie quantifiziert werden. Urandiffusion ist faziesunabhängig. Die Speziation wird durch aquatische ternäre Komplexe von U(VI) mit Kalzium und Karbonat dominiert. Die Unterschiede in den Migrationslängen zwischen SC- und MC-Diffusion sind mit +/-5 m vernachlässigbar. Die Anwendung des MC-Ansatzes hängt stark von der Qualität und Verfügbarkeit der zugrunde liegenden Daten ab. Diffusionsprozesse können also mit dem SC-Ansatz unter Verwendung experimentell ermittelter Diffusionskoeffizienten quantifiziert werden. Haupteinflussfaktor auf die Porenwassergeochemie ist das hydrogeologische System und nicht die Mineralogie. Der diffusive Austausch mit den angrenzenden Aquiferen hat über geologische Zeiträume geochemische Gradienten geschaffen, die die Migration um bis zu 25 m verlängern können. Folglich müssen Sorptionsprozesse nach der identifizierten Priorität quantifiziert werden: pCO2 > Hydrogeologie > Mineralogie. Die ermittelten Abhängigkeiten dienen als Orientierung für andere potenzielle Endlagerstandorte mit ähnlicher Porenwassergeochemie. Mit einer maximalen Migration von 70 m reicht das Rückhaltevermögen des Opalinustons gegenüber Uran aus, um die deutsche gesetzliche Mindestanforderung von 100 m Mächtigkeit zu erfüllen. KW - uranium KW - Opalinus Clay KW - PHREEQC KW - diffusion KW - sorption KW - nuclear waste disposal KW - reactive transport simulation KW - host rock scale KW - Opalinuston KW - PHREEQC KW - Diffusion KW - Wirtsgesteinsskala KW - Endlagerung nuklearer Abfälle KW - reaktive Transportsimulation KW - Sorption KW - Uran Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552700 ER - TY - THES A1 - Steding, Svenja T1 - Geochemical and Hydraulic Modeling of Cavernous Structures in Potash Seams T1 - Geochemische und hydraulische Modellierung kavernöser Strukturen in Kaliflözen N2 - Salt deposits offer a variety of usage types. These include the mining of rock salt and potash salt as important raw materials, the storage of energy in man-made underground caverns, and the disposal of hazardous substances in former mines. The most serious risk with any of these usage types comes from the contact with groundwater or surface water. It causes an uncontrolled dissolution of salt rock, which in the worst case can result in the flooding or collapse of underground facilities. Especially along potash seams, cavernous structures can spread quickly, because potash salts show a much higher solubility than rock salt. However, as their chemical behavior is quite complex, previous models do not account for these highly soluble interlayers. Therefore, the objective of the present thesis is to describe the evolution of cavernous structures along potash seams in space and time in order to improve hazard mitigation during the utilization of salt deposits. The formation of cavernous structures represents an interplay of chemical and hydraulic processes. Hence, the first step is to systematically investigate the dissolution and precipitation reactions that occur when water and potash salt come into contact. For this purpose, a geochemical reaction model is used. The results show that the minerals are only partially dissolved, resulting in a porous sponge like structure. With the saturation of the solution increasing, various secondary minerals are formed, whose number and type depend on the original rock composition. Field data confirm a correlation between the degree of saturation and the distance from the center of the cavern, where solution is entering. Subsequently, the reaction model is coupled with a flow and transport code and supplemented by a novel approach called ‘interchange’. The latter enables the exchange of solution and rock between areas of different porosity and mineralogy, and thus ultimately the growth of the cavernous structure. By means of several scenario analyses, cavern shape, growth rate and mineralogy are systematically investigated, taking also heterogeneous potash seams into account. The results show that basically four different cases can be distinguished, with mixed forms being a frequent occurrence in nature. The classification scheme is based on the dimensionless numbers Péclet and Damköhler, and allows for a first assessment of the hazard potential. In future, the model can be applied to any field case, using measurement data for calibration. The presented research work provides a reactive transport model that is able to spatially and temporally characterize the propagation of cavernous structures along potash seams for the first time. Furthermore, it allows to determine thickness and composition of transition zones between cavern center and unaffected salt rock. The latter is particularly important in potash mining, so that natural cavernous structures can be located at an early stage and the risk of mine flooding can thus be reduced. The models may also contribute to an improved hazard prevention in the construction of storage caverns and the disposal of hazardous waste in salt deposits. Predictions regarding the characteristics and evolution of cavernous structures enable a better assessment of potential hazards, such as integrity or stability loss, as well as of suitable mitigation measures. N2 - Salzlagerstätten bieten eine Vielzahl an Nutzungsmöglichkeiten. Diese umfassen den Abbau von Steinsalz und Kalisalz als wichtige Rohstoffe, die Speicherung von Energie in künstlich erzeugten Hohlräumen, sowie die Entsorgung gefährlicher Substanzen in stillgelegten Bergwerken. Die größte Gefahr bei jeder dieser Nutzungsarten ist der Kontakt mit Grund- oder Oberflächenwasser. Er bewirkt eine unkontrollierte Lösung des Salzgesteins, was im schlimmsten Fall zur Flutung oder zum Einsturz unterirdischer Infrastrukturen führt. Insbesondere entlang von Kaliflözen können sich kavernöse Strukturen schnell ausbreiten, da Kalisalze eine wesentlich höhere Löslichkeit besitzen als Steinsalz. Ihr chemisches Verhalten ist jedoch komplex, weshalb bisherige Modelle diese hochlöslichen Zwischenschichten vernachlässigen. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es daher, die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen räumlich und zeitlich zu beschreiben und damit die Möglichkeiten zur Gefahrenprävention bei der Nutzung von Salzlagerstätten zu verbessern. Die Bildung kavernöser Strukturen ist ein Zusammenspiel chemischer und hydraulischer Prozesse. Zunächst wird daher mithilfe eines geochemischen Reaktionsmodells systematisch untersucht, welche Lösungs- und Fällungsreaktionen beim Kontakt von Wasser und Kalisalz auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass nur ein Teil der Minerale gelöst wird, wodurch sich eine poröse, schwammartige Struktur bildet. Mit zunehmender Aufsättigung der Lösung treten verschiedene Sekundärminerale auf, deren Anzahl und Art vom Ausgangsgestein abhängen. Felddaten belegen dabei eine Korrelation zwischen Sättigungsgrad und Abstand vom Kavernenzentrum, wo die Lösung ein- und austritt. Anschließend wird das Reaktionsmodell mit einem Strömungs- und Transportcode gekoppelt und um einen neuartigen Ansatz namens "interchange" ergänzt. Dieser ermöglicht den Austausch von Lösung und Gestein zwischen Bereichen unterschiedlicher Porosität und Mineralogie, und damit letztlich das Wachstum der kavernösen Struktur. In mehreren Szenarienanalysen werden Kavernenform, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Mineralogie systematisch untersucht und dabei auch heterogene Kaliflöze betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich vier Fälle zu unterscheiden sind, wobei in der Natur häufig Mischformen auftreten. Die Klassifizierung erfolgt auf Basis der dimensionslosen Kennzahlen Péclet und Damköhler und ermöglicht eine erste Abschätzung des Gefahrenpotentials. In Zukunft kann das Modell auf beliebige Feldbeispiele angewandt und mithilfe von Messdaten kalibriert werden. Die vorliegende Arbeit liefert ein reaktives Transportmodell, mit dem die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen erstmals räumlich und zeitlich beschrieben werden kann. Auch Mächtigkeit und Zusammensetzung der Übergangszone zwischen Kavernenzentrum und unberührtem Salzgestein können damit bestimmt werden. Letzteres ist insbesondere im Kalibergbau von Bedeutung, um natürliche kavernöse Strukturen rechtzeitig zu lokalisieren und damit das Risiko für eine Flutung von Bergwerken zu verringern. Auch bei der Herstellung von Speicherkavernen und der Einlagerung gefährlicher Substanzen im Salzgestein können die Modelle zu einer besseren Gefahrenprävention beitragen. Sie ermöglichen Prognosen über Beschaffenheit und Ausbreitungsverhalten kavernöser Strukturen, wodurch sowohl potentielle Gefahren, wie der Verlust von Dichtigkeit oder Stabilität, als auch geeignete Gegenmaßnahmen besser abschätzbar werden. KW - reactive transport KW - reaktiver Transport KW - salt rock KW - Salzgestein KW - water rock interactions KW - Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen KW - density-driven flow KW - dichtegetriebene Strömung KW - PHREEQC Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548182 ER -