Integrated modeling workflows for characterizing offshore freshened groundwater : a New Jersey shelf case study

Thomas, Ariel Tremayne; Clauser, Christoph (Thesis advisor); Micallef, Aaron (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Der Kontinentalschelf ist ein wichtiges Gebiet für natürliche Ressourcen. Er beherbergt typischerweise Lagerstätten, die die Menschheit seit langem mit lebenswichtigen Ressourcen wie Erdöl, Erdgas und Mineralien versorgen. Eine vergleichsweise neue Entdeckung ist die Existenz von frischem Grundwasser, das weltweit auf dem Kontinentalschelf nachgewiesen wurde. Der Begriff Offshore-Grundwasser (Offshore freshened groundwater) wurde geprägt, um alle Porenwasserspeicher in den Sedimenten unter dem Meeresboden zu bezeichnen, die einen geringeren Salzgehalt als das Meerwasser haben. Der Schelf von New Jersey am Atlantikrand Nordamerikas beherbergt ein gut dokumentiertes Vorkommen dieses Phänomens. Das ausgedehnte System wurde im Rahmen wissenschaftlicher Bohrkampagnen beprobt, die die schichtweise Verteilung des Reservoirs aufzeigten. Die Forschung über die Entstehung dieses Systems hat zwei konkurrierende Hypothesen hervorgebracht. In der Wissenschaft wird derzeit diskutiert, ob das System aus modernem Grundwasser besteht, das über eine aktive Verbindung an Land gespeist wird, oder aus Paläogrundwasser, das während des pleistozänen Meeresspiegel-Tiefstandes durch meteorische Anreicherung abgelagert wurde. Bei früheren Versuchen, den Schelf von New Jersey zu modellieren, wurden einfache konzeptionelle Modelle verwendet. In dieser Arbeit soll ermittelt werden, welche der beiden Hypothesen am ehesten mit den Feldbeobachtungen übereinstimmt, und das Süßwassersystem des Schelfs von New Jersey charakterisiert werden. Mit einem integrierten Modellierungsansatz wurden seismische Daten und Bohrlochdaten in das geologisch repräsentativste Schelfmodell integriert. Stochastische Modellierungstechniken wurden eingesetzt, um die Herausforderung der begrenzten Bohrlochdaten zu adressieren. Numerische Simulationen, die mit Hilfe von Hochleistungsrechnern durchgeführt wurden, zeigten den Einfluss der geologischen Heterogenität mit einer Auflösung von zehn Metern vertikal und hundert Metern horizontal. Die numerische Studie zeigt, wie die Bedingungen auf dem Schelf in den letzten 70\thinspace000 Jahren zu einer komplexen Zone von Süß- bis Brackwasser führen konnten, die sich über 100 km von der heutigen Küstenlinie erstreckt. Die simulierten Ergebnisse stimmen gut mit den beobachteten Salzgehaltsprofilen an vier Bohrlochstandorten auf einem 2D-Schelf-Transekt überein. Es wurde festgestellt, dass der primäre Mechanismus der Süßwassereinlagerung die meteorische Anreicherung während des Meeresspiegeltiefstandes ist. Mit dem Meeresboden verbundene Pfade und zementierte Schichten haben einen großen Einfluss auf die Geometrie und Verteilung der überlebenden Süßwasserintervalle. Obwohl sich das System weit ins Meer hinein erstreckt, ist es seitlich durch nach unten gerichtete salzhaltige Porenflüssigkeit abgeschottet. Darüber hinaus wird eine dreidimensionale Parametrisierung der Strömungseigenschaften auf dem Schelf vorgestellt, die durch Bohrlochprotokoll- und seismische Attributdaten eingeschränkt wird. Das Modell skaliert die Porosität erfolgreich von der Kernproben-Skala auf die Schelf-Skala hoch mit den Maßen 134 km x 69 km x 1,7 km. Das als Open-Source veröffentlichte Modell kann für numerische Studien zum Süß- und Salzwassertransport oder zu geomorphologischen Prozessen auf dem Schelf von New Jersey verwendet werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Arbeitsabläufe quantifizieren Trends in der Fazies und Porositätskompaktierung, die die Ablagerungsumgebung und die Strömungsbedingungen auf dem Schelf widerspiegeln. Die Einbeziehung dieser Details verbessert unser Verständnis der Ablagerungsmechanismen, der Überlebensraten und der lateralen Konnektivität der küstennahen, Offshore-ower Grundwassersysteme. Diese potenziellen Ressourcen sind noch nicht sehr gut verstanden, und in vielen Fällen führt der Mangel an Daten zu großen Unsicherheiten in Bezug auf das Süßwasservolumen und die laterale Konnektivität der Reservoire. In dieser Arbeit wird ein interdisziplinärer Ansatz vorgestellt, der zu einem standardisierten Arbeitsablauf für die Charakterisierung von Offshore-Grundwassersystemen im Allgemeinen weiterentwickelt werden kann.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Numerische Geowissenschaften, Geothermie und Reservoirgeophysik [532610]