Tietopankki

Työraportti 2016-8

Takaisin

Nimi:

Geomechanical Coupled Flow in Fractures during Temperate and Glacial Conditions

Raportin kirjoittaja:

Hartley, L., Baxter, S., Williams, T.

Kieli:

Englanti

Sivumäärä:

150

Tiivistelmä:

Tämä tutkimus pitää sisällään alustavan hydromekaanisten konseptien tarkastelun sovellettuna Olkiluodon rakosysteemiin sekä kallioperän hydrogeologiaan yleisesti. Tutkimus kvantifioi erityisesti erilaisten pitkän ajan ilmastojaksojen aiheuttamien in situ jännitystilojen vaikutuksia hydromekaanisiin kytkentöihin. Tutkimuksen tavoitteena oli arvioida yleisesti hyväksyttyjen hydromekaanisten konseptien soveltuvuutta ja tätä kautta johtaa mekanistisia kuvauksia Olkiluodon rakojen ja siirrosvyöhykkeiden hydraulisista ominaisuuksista linkitettynä jännitystilaan. Konseptien soveltuvuutta Olkiluodon hydraulisten trendien ennustamiseen testattiin suhteessa hydraulisiin ja rakenteellisiin mittauksiin. Tämän kaltaisten mekanististen mallien yksi hyödyllinen ominaisuus on siinä, että malleja voidaan käyttää hydraulisten ominaisuuksien ennustamisen luotettavuuden lisäämiseen paikoissa, joissa mittaukset ovat vähäisempiä tai joissa jännitystila on erilainen, toisin kuin aikaisemmin on ollut mahdollista empiiristen hydrogeologisten DFN-mallien avulla.

Tutkimuksessa testatut konseptit ovat, että rakojen avauma kasvaa elastisesti efektiivisin normaalijännityksen seurauksena ja että raoilla on potentiaalia siirrostua hiertojännityksen ja Barton-Bandis-kriteerin mukaisesti, jonka seurauksena rakoihin muodostuu nonkoformiteettejä ja tätä kautta raon efektiivinen hydraulinen avauma kasvaa. Tarkastelemalla saatavissa olevaa rakenteellista aineistoa, Posivan virtausmittausaineistoa (PFL) sekä kalliomekaanisia mittauksia, vaikuttaisi siltä, että kriittisessä jännitystilassa olevilla raoilla olisi suurempi todennäköisyys suurempiin vedenjohtavuuksiin. Lisäksi Barton-Bandiksen malli, jonka mukaan raot ovat herkempiä hiertojännityksille, jos raot ovat suuria ja suuren normaalijännityksen vaikutuksen alaisina, näyttäisi olevan toimiva konsepti. Samanlaisten hierto- ja normaalijännitysten vaikutuksen alaisina olevilla raoilla on suurta vaihtelua mitatuissa transmissiviteettiarvoissa, jonka perusteella hydromekaanisia kytkentäkonsepteja ei voida sellaisenaan hyödyntää yksittäisten rakojen vedenjohtavuuksien ennustamiseen vallitsevan jännitystilan ja raon suunnan perusteella. Rakoja täytyy käsitellä kontekstissa, jossa huomioidaan myös harvan rakoverkon yhteydet sekä vedenjohtavuudet ja arvioida mikäli kyseinen rakoverkko pystyy johtamaan riittävän määrän vettä suhteessa raon kairareiästä mitattuun ominaiskapasiteettiin.

Näin ollen, hydromekaanisia konsepteja testattiin vuoden 2011 SDM:n DFN-malleilla, kalibroiden mallit PFL-mittausaineistojen avulla. Työssä todettiin mahdolliseksi tuottaa kalibroitu hydromekaaninen DFN-malli muunnoksineen ja saavuttaa hyväksyttävä yhteensopivuus PFL-aineiston kanssa suhteessa trendeihin, jakaumiin sekä vedenjohtavuuksien suuruuksiin kaikilla syvyyksillä ja kaikissa suunnissa, ilman turvautumista ylimääräisiin syvyys- tai suuntariippuvaisiin parametreihin. Sekä alhainen normaalijännitys että korkeat leikkaus/normaalijännityssuhteet ovat merkittävässä roolissa suhteessa rakojen hydrauliseen käyttäytymiseen. Normaalijäykkyys- ja leikkauslujuusparametrit, joita käytetään soveltuvuusmallissa ja joka on puolestaan johdettu kalibroimalla mallin virtausominaisuudet, ovat yhdenmukaisia kalliomekaanisten testien kanssa. Johdetut hydromekaaniset DFN-mallit osoittavat, että mitattujen ominaiskapasiteettien vaihtelevuus suhteessa hierto- ja normaalijännityksiin ovat yhdenmukaisia hydraulisen tukkeutumisen kanssa, joka johtuu Olkiluodon rakoverkon heikosta johtavuudesta.  Hydromekaanisten konseptien testaaminen rakenteen BFZ20 kanssa antaa myös viitteitä, että ko. konseptit voivat tuottaa hyödyllistä lisätietoa siirrosvyöhykkeiden ja lineamenttien hydraulisista ominaisuuksista.

Johdetuista hydromekaanisista malleista on useita seurauksia paikankuvauksella sekä turvallisuusperustelulle. Ensimmäisenä, pystyhköjen rakojen osalta on odotettavissa merkittävää alentumista transmissiviteetin osalta syvyyden funktiona, joka johtuu efektiivisen normaalijännityksen kasvusta ja hiertoliikuntojen pienenevästä todennäköisyydestä. Toisena, kriittisessä jännitystilassa olevien rakojen määrä vaakasuuntaisten rakojen populaatiossa on vähäinen yli 300 m syvyydellä, johtuen korkeasta normaalijännityksestä. Tämä on merkittävä havainto, koska hydromekaaniset periaatteet viittavaat erilaisiin hydraulisiin ympäristöihin 300 m syvyyden ylä- ja alapuolella. DFN-simulaatioiden perusteella yllä mainitut tekijät viittaavat siihen, että vertikaaliset vedenjohtavuudet vähentyvät merkittävästi harvaan rakoilleessa kivessä ja että vedenjohatuuvdet ovat yhtä kertaluokkaa pienemmät loppusijoitussyvyydellä kuin mitä on mallinnettu SDM 2011 tai TURVA 2012-raporteissa. Samankaltaisia vedenjohtavuuksien pienentymistä voidaan odottaa myös hydrogeologisten vyöhykkeisen osalta, edellä mainituista syistä. On myös huomioitavaa, että vaihettuminen hydromekaanisessa ympäristössä on myös yhtenevä hydrogeokemiallisesti erilaisten kalliotilavuuksien suhteen niin, että 300 m syvyyden yläpuolella pohjaveden geokemiassa on havaittavissa postglasiaalisia piirteitä kun taas ko. syvyyden alapuolella haviataan preglasiaalisia piirteitä. Vaikkakin lisätutkimukset ja mallinnukset itsenäisten aineistojen (esimerkiksi paineinterferenssi-  ja  hydrogeokemialliset  aineistot) avulla ovat tarpeen edellä mainitun todentamiseksi, tulokset viittaavat alentuneeseen pohjaveden kiertoon sekä stabiilimbaan hydrogeokemialliseen kehitykseen loppusijoitussyvyydellä. Tutkimuksessa myös osoitettiin hydromekaanisten mallien avulla, että pohjaveden liikkuminen ei kasva merkittävissä määrin suhteessa muutoksiin pinnan hydraulisessa gradientissa mannerjäätikön forebulge- tai reunan vetäytymisvaiheen aikana.

Avainsanat:

Hydrogeologia, Hydromekaniikka, Rakoverkkomalli, In situ jännitystila, Ilmaston kehitys.

Tiedosto(t):

Geomechanical Coupled Flow in Fractures during Temperate and Glacial Conditions (pdf) (57.1 MB)


Takaisin


Jaa artikkeli: