An understanding of groundwater flow is essential in many aspects of mining. This is especially true for the sandstones of the Manitou Falls Formation, which overlie uranium deposits in the Athabasca Basin of northern Saskatchewan. Experience has shown that the hydraulic conductivities of these sandstones can be relatively high, especially in zones containing natural fractures, thus leading to potentially problematic groundwater inflow rates. This thesis presents the results of a study of hydraulic conductivity of the Manitou Falls Formation, in which detailed core logging and laboratory testing were undertaken for samples from two boreholes at the McArthur River mine site. Results from the logging and laboratory testing were interpreted in context provided by multiple packer tests conducted in these boreholes. Through core logging, indicators of conductive zones were identified. These indicators include fracture orientation (sub-vertical fractures were found to have more of an impact on conductivity than horizontal fractures), infilling, and staining. The laboratory testing program involved the measurement of hydraulic conductivities of fractured core samples across a span of effective confining pressures representative of in-situ conditions. Changes in fracture aperture were simultaneously recorded at each confining pressure level. It was found that theoretical relationships between aperture change and fracture conductivity represent the observed behavior of the samples reasonably well when fracture roughness is accounted for. The laboratory testing also confirmed the effects of fracture staining and infilling on hydraulic conductivity inferred from core logging and packer testing results. The results provide insights into the mechanisms underlying flow in fractured intervals of the Manitou Falls Formation, and provide guidance for selecting intervals to investigate during future packer testing in this formation.

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Pump and treat remediation is the most commonly used method to remediate contaminated aquifers, but the effectiveness decreases when heterogeneities are introduced. Fractures within the matrix cause large differences in hydraulic conductivity. The low hydraulic conductivity of the matrix acts as an area of storage for contaminant, allowing for attenuation of the plume. The attenuation of the plume causes the effectiveness of the system to decrease and cost of remediation to increase. In order to understand what parameters enhance contaminant storage in the matrix, rapid transport in fractures, and both of their influences on the efficiency of the pumping system, a hypothetical model was developed to simulate the release and remediation of a plume using pumping. The code used was HydroGeoSphere, which allowed for the interpretation of parameters influencing contaminant storage during the withdrawal phase of the pump and treat remediation by allowing transport of contaminant within both the matrix and the fractures. Matrix parameters of porosity and hydraulic conductivity influenced the effectiveness of the withdrawal system most. For instance, the difference in percent mass extracted between porosity values of 0.01 and 0.4 was 23.75%, while the difference between fracture lengths of 200 and 400 m was 5.59%. Fracture pattern influenced where the stored contaminant was located within the matrix. Downgradient of the source, six different fracture patterns resulted in a difference in relative concentration of 0.4 at the start of the withdrawal phase. Evaluation of remediation included both percent extraction of contaminant and finer scale remediation of the contaminant specifically within the matrix. Multiple length-scale observations helped determine how fracture and matrix parameters influence remediation in dual permeability media. / Geology

Hydrothermal systems change in response to volcanic activity, and in turn may be sensitive indicators of volcanic activity. Fumaroles are a surface manifestation of this interaction. We use time series of soil temperature data and numerical models of the hydrothermal system to investigate volcanic, hydrologic and geologic controls on this diffuse degassing. Soil temperatures were measured in a low-temperature fumarole field located 3.5 km from the summit of Masaya volcano, Nicaragua. They respond rapidly, on a time scale of minutes, to changes in volcanic activity also manifested at the summit vent. The soil temperature response is repetitive and complex, and is characterized by a broad frequency signal allowing it to be distinguished from meteorologic trends. Geophysical data reveal subsurface faults that affect the transport of fumarole gases. Numerical modeling shows that these relatively impermeable faults enhance flow through the footwall. On a larger scale, modeling suggests that uniform injection of fluid at depth causes groundwater convection in a permeable 3-4 km radial fracture zone transecting the entire flank of the volcano. This focuses heat and fluid flux and can explain the three distinct fumarole zones located along the fracture. We hypothesize that the rapid response of fumarole temperature to volcanic activity is due to increased flow of gas through the vadose zone, possibly caused by changes in the subsurface pressure distribution. Numerical models show that an abrupt injection of hot gas, at approximately 100 times background rates, can cause the rapid increase in temperature observed at the fumaroles during volcanic activity. A decrease in hot fluid injection rate can explain the gradual decrease in temperature afterwards. Mixing with surrounding vadose-zone fluids can result in the consistent and abrupt decreases in temperature to background level following hot gas injection. Fumaroles result from complex interaction of the volcanic-hydrologic-geologic systems, and can therefore provide insight into these systems. Increases in fumarole temperature correspond to increased gas flux related to changes in volcanic activity, suggesting that monitoring of distal fumaroles has potential as a volcano monitoring tool, and that fumarole temperatures can provide insight into the response of shallow gas systems to volcanic activity.

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Die Rotliegend-Vulkanite aus dem Norddeutschen Becken (NDB) sind in jüngster Zeit stärker in den Fokus geothermischer Betrachtung gerückt. Ein wichtiger Meilenstein war das Forschungsprojekt Groß Schönebeck, bei dem wider Erwarten die Vulkanite als sekundärer Zielhorizont die besten Voraussetzungen für eine geothermische Erschließung boten. Über die hydraulisch/mechanischen Eigenschaften der Vulkanite im Untergrund ist jedoch kaum etwas bekannt und auch die Oberflächenäquivalente sind hinsichtlich geothermisch relevanter Parameter weitgehend unerforscht. Aus den positiven Erfahrungen des Standorts Schönebeck entstand die Motivation einer umfangreichen Analyse der Rotliegend-Vulkanite mit Blick auf eine tiefengeothermische Nutzung. Es wurden thermische, felsmechanische und petrophysikalische Untersuchungen von sieben Oberflächenäquivalenten durchgeführt; drei der Oberflächengesteine sowie zwei Tiefenbohrungen wurden ferner hinsichtlich auftretender Kluftmuster analysiert. Die Daten fungieren als Eingangsparameter für hydraulische sowie hydromechanische numerische Modellierungen zur Potenzialabschätzung und zum Prozessverständnis. Die thermische Analyse der Gesteine ergab eine hohe Wärmeleitfähigkeit für die quarzreichen und dichten Vulkanitvarietäten. Durch die Wärmekapazität und die Reservoirtemperatur wurde das technische Strompotenzial für die Eruptionsstadien ermittelt. Das größte Potenzial liegt im explosiven Ignimbritstadium und im Post-Ignimbritstadium und wird auf einen Wert geschätzt, der allein dem 20-fachen des deutschen Jahresstromverbrauchs entspricht. Regional betrachtet ist das größte Potenzial bei Standortwahl im zentralen östlichen NDB zu erwarten. Die untersuchten Vulkanite sind überwiegend dicht und erfordern Stimulationsmaßnahmen für eine erfolgreiche Erschließung. Auch die stärker porösen Tuffe erreichen nicht die erforderliche Matrixpermeabilität für einen Porenleiter. Triaxiale Druckversuche unter in-situ Spannungsbedingungen haben jedoch gezeigt, dass es nur bedingt möglich ist, Risse im intakten Gestein zu erzeugen. Man ist folglich auf eine gestörte Kruste, also Klüfte im Gestein angewiesen. Sowohl die Oberflächengesteine als auch die Vulkanite im Untergrund sind nachweislich geklüftet. Das tektonische Grundmuster beschreibt Klüfte, die NW-SE bis NNW-SSE sowie NE-SW bis NNE-SSW orientiert sind und dabei steil einfallen. Die Scherfestigkeitskriterien der Kluftflächen liegen deutlich unterhalb derer für das intakte Gestein, so dass die Bedingung für eine Aktivierung der Klüfte im Spannungsfeld des NDB positiv bewertet wird. Die Kluftdaten wurden zum Zwecke numerischer Modellierungen in diskrete Kluftnetzwerkmodelle überführt. Hydraulische Modellierungen ergaben eine bevorzugte Fließrichtung in NW-SE. Die mit der Tiefe zunehmende Kluftschließung führt zu einer Durchlässigkeit, die für eine geothermische Nutzung nicht ausreichend ist, das Gestein muss hydraulisch stimuliert werden. Eine Stimulation der Kluftflächen zur Steigerung der Fließrate wurde mittels hydromechanischer Modellierungen erfolgreich dargestellt. Die wichtigsten Kriterien für eine erfolgreiche Stimulation sind die Geometrie des Kluftsystems und die Orientierung des Spannungsfelds. Aufgrund der überwiegend vertikalen Kluftflächen im Vulkanit und der hohen Vertikalspannung im tiefengeothermischen Reservoir wird eine Erschließung über das Multiriss-Konzept empfohlen. Durch den in der vorliegenden Arbeit dargestellten methodischen Ansatz kann mittels repräsentativer Eingangsparameter für einen Standort entsprechend der notwendige Injektionsdruck sowie die Art und Intensität der Verformung der Kluftflächen für eine hydraulische Stimulation prognostiziert werden.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von partikelbasierenden Strömungs- und Transportmodellen zur Charakterisierung von kleinskaligen Strömungsprozessen in gesättigten und ungesättigten Poren- und Kluftsystemen. Aufgrund der unzureichenden Prozessbeschreibung von ungesättigter Strömung in Doppelkontinuummodellen mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern werden innovative Methoden präsentiert um die zugrunde liegenden hochdynamischen Strömungs- und Transportprozesse zu erfassen. Die Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten geklüfteten Aquiferen bildet immer noch ein höchst anspruchsvolles Aufgabenfeld aufgrund von skalenübergreifenden Diskontinuitäten, welche oftmals die Definition eines globalen repräsentativen Einheitsvolumens nicht zulassen. Des Weiteren können die hydraulischen Eigenschaften und potentiellen Parameterräume von geklüfteten Aquiferen oftmals nur durch integrale Ansätze, wie z.B. Pump- und Slugtests, Zeitreihenanalysen von Quellschüttungen und Tracertests ermittelt werden. Doppelkontinuummodelle bieten hierfür einen ausgewogenen Ansatz hinsichtlich der erforderlichen Felddaten und der resultierenden prädiktiven Modellqualität. Der erste Teil dieser Arbeit evaluiert den Doppelkontinuumansatz, welcher die Simulation von Strömung mittels der Richardsgleichung und van Genuchten Parametern in zwei, durch einen linearen Austauschterm gekoppelten, Kontinua ermöglicht. Ganglinien von Karstquellen weisen eine charakteristischen steilen Abfall nach Niederschlagsereignissen auf, der durch das Modell erfolgreich reproduziert werden kann. Das Röhrensystem bildet die hydraulische Brücke zur Karstquelle und nimmt potentialabhängige Wassermengen des geklüfteten Matrixsystems auf. Um die Simulation von schneller Grundwasserinfiltration durch das Röhrenkontinuum innerhalb der ungesättigten Zone zu vermeiden wurde die entsprechende Randbedingung an die untere Grenze des Kontinuums gesetzt. Ein genereller Nachteil des Doppelkontinuumsansatz ist die potentielle Mehrdeutigkeit von Modellergebnissen. Der duale Parameterraum in Kombination mit schwierig zu ermittelnden Parametern, führt zur Existenz von mehr als einem kalibrierten Modell, wie durch mehrdimensionale Sensitivitätsanalysen aufgezeigt wird.  Insbesondere in Karstaquiferen bilden Diskontinuitäten, wie z.B. Lösungsdolinen, Klüfte und Störungssysteme, bevorzugte hydraulische Elemente für schnelle vertikale Grundwasserneubildungsprozesse, die oftmals nicht durch volumeneffektive Modellansätze erfasst werden können. Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung von zwei Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Modellen um ein adäquates numerisches Werkzeug zur partikelbasierenden Simulation von kleinskaligen Strömungen mit freien Oberflächen und Transportprozessen bereitzustellen. SPH Modelle ermöglichen eine Eulersche Beschreibung eines Strömungsfelds auf Basis der Navier-Stokes Gleichung und Partikelbewegung mittels klassischer Newtonscher Mechanik. Der gitterlose Modellansatz ermöglicht flexible Simulationen von hochdynamischen Phasengrenzen in ungesättigten Klüften und Porenräumen. Das erste SPH Modell wird eingesetzt um durch Oberflächenspannung dominierte Tropfen- und Filmströmungen auf glatten und rauhen Kluftoberflächen zu simulieren. Charakteristische dimensionslose Kennzahlen werden über einen weiten Bereich von Benetzungswinkeln und Reynoldszahlen bestimmt. Modellergebnisse weisen einen hervorragende Übereinstimmung mit dimensionslosen Skalierungsfunktionen auf und kritische Kontaktwinkel folgen der zu erwartenden Entnetzungsdynamik. Die Entstehung von adsorbierten Filmen auf trockenen Oberflächen wird für einen breiten Parameterraum bestimmt. Des Weiteren wird der Einfluss von befeuchteten Oberflächen auf die Geschwindigkeitszunahme von Tropfenströmung aufgezeigt und so die Bedeutung der Koexistenz verschiedener Strömungsmodi gezeigt. Der Effekt von Oberflächenrauhigkeit auf Tropfenströmung wird für verschiedene Rauhigkeiten ermittelt und eine deutliche Geschwindigkeitsabnahme demonstriert. Um die makroskopische Kontinuumsbeschreibung der Navier-Stokes Gleichung und atomistische Effekte eines klassischen Partikelsystems der statistischen Mechanik zu kombinieren wurde ein zweites mesoskopisches SPH Modell entwickelt. Diese neue Diskretisation der vollständig gekoppelten Landau-Lifshitz-Navier-Stokes und Advektions- Diffusionsgleichung ermöglicht die Simulation von Strömung und Transport bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Fluktuationsdynamiken, welche sich korrekt der Systemskala anpassen. Die Verbindung von klassischer Fickscher Diffusion und thermodynamischen Fluktuationen wird hierbei durch einen effektiven Diffusionskoeffizienten beschrieben. Numerische Experimente zeigen die Präzision des Modells. Grenzflächen zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Konzentration weisen eine korrekte Wellenzahldivergenz entsprechend aktuellen Laborergebnissen auf.

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