Multidimensional modeling of the thermal and flow regime in the western part of the Molasse Basin, Southern Germany

Rühaak, Wolfram; Clauser, Christoph

doi:29051

Multidimensional modeling of the thermal and flow regime in the western part of the Molasse Basin, Southern Germany = Mehrdimensionale Modellrechnungen zum thermischen und hydraulischen Regime im westlichen Molassebecken

Rühaak, Wolfram

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wolfram Rühaak

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangVIII, 88 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zusammenfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Clauser, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-01-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-27195
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50712/files/Ruehaak_Wolfram.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Numerisches Verfahren (Genormte SW) ; Computerphysik (Genormte SW) ; Molasse (Genormte SW) ; Finite-Volumen-Methode (Genormte SW) ; Krummlinige Koordinaten (Genormte SW) ; Geothermik (Genormte SW) ; Hydrogeothermik (Genormte SW) ; Angewandte Geophysik (Genormte SW) ; Hydrogeologie (Genormte SW) ; Temperatur (Genormte SW) ; Mehrdimensionale Interpolation (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Numerische Modellierung (frei) ; Koordinatentransformation (frei) ; Inverse Distanzen Methode (frei) ; Numerical modeling (frei) ; coordinate transformation (frei) ; hydrogeology (frei) ; geothermics (frei) ; temperature data (frei) ; inverse distance method (frei) ; multidimensional interpolation (frei) ; Molasse (frei) ; finite volume method (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit ist die Gewinnung von Informationen über das Grundwasserregime in großen Tiefen innerhalb des südwestdeutschen Molassebeckens. Hierzu wurden verschiedene numerische Programme eingesetzt. Da eine optimale geometrische Darstellung der Beckengeometrie von großer Bedeutung sein kann, wurde ein Koordinaten-Transformations-Verfahren entwickelt. Diese Arbeit wird in dem ersten Teil dieses Textes präsentiert. Viele gängige Grundwassermodellierungs-Programme basieren auf der Finite-Differenzen- bzw. Finite-Volumen-Methode. Diese numerischen Verfahren setzen im Allgemeinen orthogonale Gitter voraus. Im Fall von komplexen Geometrien des Untergrundes führen diese Gitter entweder zu einer groben Repräsentation oder zu einer extrem großen Anzahl von Gitterknoten. Die Koordinatentransformations-Methode wurde entwickelt, um diese Einschränkung zu überwinden. Im Bereich der Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) wird diese Methode bereits seit langem erfolgreich für freie (Navier-Stokes) Strömung eingesetzt. Sie basiert auf der Tensor-Analysis, zur Transformation des schiefen Gitters auf ein rechtwinkliges Einheitsgitter. Auf diesem transformierten Gitter können dann mit Hilfe von Transformationstermen die üblichen Differentialgleichungen berechnet werden. Dadurch ist es nicht nötig, bestehenden Programmcode vollständig neu zu schreiben. Das Koordinatentransformations-Verfahren wurde in das 3D-Programm SHEMAT zur Berechnung von Strömung und Wärmetransport in porösen Medien integriert. Das Finite-Volumen-Diskretisierungsschema für ein nicht-orthogonales strukturiertes Hexaeder-Gitter ergibt einen 19-Punkt-Differenzenstern und ein entsprechendes Matrix-Vektor-Produkt. Die Implementierung ist verhältnismäßig einfach, eine Vielzahl von Programmroutinen können ohne Modifikation weiterverwendet werden. Die Genauigkeit des modifizierten Programms wird für Einphasen-Strömung bei verschiedenen 2D-Verifikationsrechnungen und 2D- bzw. 3D-Benchmarks demonstriert. Unter anderem wird eine 2D-Lösung für erzwungenen Wärmetransport auf einem schiefen Gitter gezeigt. Weiterhin wird ein Problem mit freier thermischer Konvektion zu Vergleichszwecken einmal auf einem schiefwinkligen und einmal auf einem orthogonalen Gitter berechnet. Zusätzlich wird für ein einfaches 2D-Potentialfeldproblem gezeigt, dass der Fehler bei zunehmender Gitterschiefe nur geringfügig zunimmt. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Strömungsregime im westlichen Molassebecken analysiert, wobei der Schwerpunkt auf dem mit der Strömung assoziierten Wärmetransport liegt. Daten für ein Strömungsmodell in Tiefen von 600 m bis 1600 m unterhalb der Oberfläche sind hier, ebenso wie in anderen Bereichen Deutschlands, kaum vorhanden. Es existiert jedoch eine Vielzahl von Temperaturmessungen, die weite Bereiche abdecken und auch für größere Tiefen vorliegen. Daher wurde ein quasi-stationäres konduktives 3D-Modell aufgebaut, mit dem Ziel, modellierte Temperaturen mit gemessenen zu vergleichen. Zusätzlich zu den Temperaturmessungen liegen einige Messwerte der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeproduktion der anstehenden Gesteine vor. Andere Daten sind in zu geringem Umfang vorhanden, um sinnvoll einbezogen werden zu können. Das rein konduktive Modell zeigt einige Bereiche mit starken thermischen Anomalien, insbesondere in der Nähe von Störungszonen und innerhalb von Schichten mit großer Permeabilität. Die Temperaturverteilung in der oberen Erdkruste wird dominiert durch konduktiven Wärmetransport. Advektiver Wärmetransport kann dieses konduktive Temperaturfeld jedoch stark verändern. Die festgestellten thermischen Anomalien können über verschiedene advektive Prozesse erklärt werden, wobei die meisten Erklärungen aber nach näherer Untersuchung ausgeschlossen werden können. Die einzige Erklärung für die nachgewiesenen Temperaturanomalien von 10 K und mehr basiert auf der Anordnung der Störungszonen zum Strömungsfeld: die Störungen werden von verschiedenen Grundwasserleitern parallel durchströmt. Dass diese Anordnung die Temperaturanomalien erklären kann, wird mit einem Prinzipmodell nachgewiesen. Trotz der eingeschränkten Aussagekraft der vorgestellten Analysen ist die hier vorgestellte Methode ein geeigneter Weg, um Temperaturanomalien nachzuweisen und um in einem zweiten Schritt mögliche Gründe zu identifizieren.

The aim of this thesis is to obtain information on the groundwater flow regime at great depth within the Molasse Basin (SW Germany). For this purpose different numerical codes are applied. For an optimal geometrical representation of the basin geometry it was necessary to develop a coordinate transformation method. This work is presented in the first part of the thesis. Many popular groundwater modeling codes are based on the finite differences or finite volume method for orthogonal grids. In cases of complex subsurface geometries this type of grid either leads to coarse geometric representations or to extremely fine meshes. Therefore, a coordinate transformation method has been developed to circumvent this shortcoming. In computational fluid dynamics (CFD), this method has been applied successfully to the general Navier-Stokes equation. The method is based on tensor analysis and performs a transformation of a curvilinear into a rectangular unit grid, on which a modified formulation of the differential equations is applied. Due to this it is not necessary to reformulate existing simulation code in total. The coordinate transformation method was applied to the three-dimensional code SHEMAT, a simulator for flow and heat transport in porous media. The finite volume discretization scheme for the non-orthogonal, structured, hexahedral grid yields a 19-point stencil and a correspondingly banded system matrix. The implementation is straightforward and it is possible to use many existing routines without modification. The accuracy of the modified code is demonstrated for single-phase flow on a two-dimensional analytical solution for flow and heat transport and further on a thermal free-convection benchmark. Additionally, a simple two-dimensional case of potential flow is shown for a grid which is increasingly deformed. The result reveals that the error increases only slightly. In the second part the actual basin analysis is shown and discussed. Data relevant for a flow model at depth between 600 m to 1600 m below the surface are generally sparse in the western part of the Molasse Basin. However, a relatively large set of temperature measurements is available covering a large part of the area at a wide range of depths. Therefore, a thermal 3-D quasi steady-state model was set up with the aim of comparing modeled with measured subsurface temperatures. Additional to the temperature data, some values of rock thermal conductivity and heat production rate are available. Other data are too sparsely distributed to be useful. The purely conductive model reveals some strong thermal anomalies, especially along fault zones, and within stratigraphic layers with high hydraulic conductivity. While temperature in the upper crust is dominated by conductive heat transport, heat advection associated with groundwater flow may significantly alter the purely conductive regime. The thermal anomalies can be explained by various advective heat transport mechanisms - yet most of them can be eliminated: The only constellation explaining the major positive thermal anomalies of 10 K and more is a fault zone intersected by an aquifer with flow parallel to the fault zone. This was validated by using a simplified type model. In spite of some shortcomings, the method presented here can be used to identify temperature anomalies, and in a second step, to identify possible explanations.

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