Porenwasserbewegung und Stofftransport ,bei der Konsolidation klastischer Sedimente:
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Freiburg im Breisgau
Geolog. Inst.
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Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Abbildungen.IV
Verzeichnis verwendeter Symbole.VII
Zusammenfassung.IX
Resum.XI
Resumen.XIII
Summary.XVI
Resume.IIXX
1 Einleitung.1
1.1 Aufbau und Ziel der Arbeit.3
1.2 Geschichte der Kompaktionsforschung.4
2 Konsolidation klastischer Sedimente.8
2.1 Prozesse und Begriffe.8
2.1.1 Konsolidation in Sedimentbeckcn als Folge von Sedimentation.13
2.1.1.1 Überhydrostatischc Drücke.14
2.1.1.2 Sedimentstrukturcn im Zusammenhang mit
überhydrostatischen Drücken.17
2.1.1.3 Porcnwasserbcwegung in Sedimentbecken.18
2.1.1.4 Entstehung von 'buried hill' Strukturen.23
2.1.2 Entwässerung als spontaner Vorgang.23
2.1.2.1 Entwässerung als Folge von Erdbeben.24
2.1.2.2 Sedimentstrukturen als Folge spontaner Entwässerung.25
2.1.2.3 Sandgänge.27
2.1.3 Beschleunigte Konsolidation als Folge anthropogener Eingriffe.32
2.2 Physikalische Grundlagen.35
2.2.1 Terzaghis Konsolidationstheorie: Grundlagen und Annahmen.35
2.2.2 Kompressibilität und spezifischer SpeicherkoelTizient.37
2.2.3 Zustandsgieichung für die Porosität.39
2.2.4 Potential-Gleichung.41
2.2.5 Gültigkeit des Darcy-Gesetzes.43
2.2.6 Strömungsgleichung .46
2.2.7 Konsolidationsgleichung.47
2.2.8 Nichtlineare Form der Gibson-Glcichung.51
2.2.9 Athy-Gleichung vs. Zustandsgieichung für die Porosität.52
2.2.10 Hydraulische Durchlässigkeit und Porosität.55
2.2.11 Kompressibilität und Porosität.58
2.2.12 Erweiterungen der Konsolidationstheorie.61
2.3 Numerische Lösung der Konsolidationsgleichung.62
2.3.1 Verwendung eines Finite-Elemente-Modells.63
2.3.2 Anisotropie der hydraulischen Durchlässigkeit.68
2.3.3 Numerische Lösung der Zustandsgieichung für die Porosität
bei veränderlichem spezifischem Speicherkoeffizienten.69
2.4 Vergleich zwischen analytischer und numerischer Lösung.69
2.4.1 Instationäres Strömungsmodell ohne Deformation.70
2.4.2 Druckentwicklung mit beweglichem Rand und ohne
Deformation der Modellelemente.73
2.4.3 Diskretisierungsfehler bei Lösungen für beweglichen Rand
und Deformation der Modellelemente.75
2.4.4 Fehlerverhalten.76
2.4.5 Druckentwicklung für unterschiedliche Anfangsbedingungen.78
2.5 Ältere Ansätze numerischer Kompaktionsmodellierung.81
3 Stofftransport.83
3.1 Physikalische Grundlagen.84
3.1.1 Hydrodynamische Dispersion.87
3.1.2 Diffusion.90
3.1.3 Transport chemisch reaktiver Stoffe.92
3.2 Numerische Lösungen der Transportgleichung.94
3.2.1 Finite-Elcmente-Verfahren zur Lösung der Transportgleichung.94
3.2.2 Stabilitätskriterien.95
3.2.3 Courant-Kriterium.97
3.2.4 Vergleich zwischen analytischer und numerischer Lösung.98
4 Eindimensionale Modelle für konsolidationsbedingte
Porenwasserbewegung und Stofftransport.100
4.1 Beispiel 1 : Konsolidationsbedingtes Druckgefalle. 101
4.1.1 Zustand der Sedimentsäule am Ende des Experiments.101
4.1.2 Beispiel 1: Zeitliche Änderungen in der entstehenden Sedimentsäule.105
4.2 Beispiel2: Umkehrung des Druckgefälles.108
4.2.1 Zustand am Ende des Experiments. HO
4.2.2 Beispiel 2: Zeitliche Änderungen in der entstehenden Sedimentsäule.| ] 3
4.2.3 Einhaltung der Stabilitätskriterien. .H5
5 Zweidimensionale Modelle.118
5.1 Porenwasserbewegung in Sedimentbecken.118
5.1.1 Vergleich der Fließf'cldcr.120
5.1.2 Vergleich der Druck verteil ungen.122
5.1.3 Vergleich der Porositätsverteilungen.124
5.1.4 Vergleich der kumulativen Porcnwasserwandcrung.126
5.2 Konsolidationsbedingte Porenwasserbewegung
an hydraulisch leitenden Störungen. 128
5.2.1 Hydraulisch leitende Störung: Beispiel 1 .128
5.2.2 Hydraulisch leitende Störung: Beispiel 2.137
5.2.3 Diskussion.142
6 Modellierung von konsolidationsbedingter
Porenwasserbewegung und Stofftransport bei sub-seabed
disposal.144
6.1 Konzept des sub-seabed disposal. 144
6.1.1 Radiologische Beurteilung durch die Nuclear Energy Agency (NEA).146
6.1.2 Annahmen der NEA-Studie zur Porenwasserslrömung.149
6.1.3 Eigenschaften technischer und natürlicher Barrieren.151
6.2 Geologie des Great Meteor East (GME).152
6.2.1 Sedimentation, Topographie und Tiefenstruktur.154
6.2.2 Störungen.157
6.2.3 Hinweise auf advektive Porenwasserbewegung.158
6.3 Modellierung von Porenwasserdrücken im Great Meteor East (GME). 163
6.3.1 Eingabedaten.164
6.3.2 Diskretisierung.165
6.3.3 Berechnete überhydrostalischc Porenwasserdrücke.167
6.4 Konsolidationsbedingte Porenwasserbewegung und Stofftransport im
Kanisternahfeld.171
6.4.1 Vergleich mit analytischen Lösungen.173
6.4.2 Diskretisierung, Anfangs- und Randbedingungen.179
6.4.3 Ergebnisse der Modellrechnungen.183
6.4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse.190
7 Schlußbemerkung und Ausblick.196
8 Literaturverzeichnis.199 |
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