Geologische und hydrogeologische 3D-Modelle als Planungsgrundlage für geowissenschaftliche Fragestellungen im Rahmen des Projektes zur Nutzung von Anlagen des Steinkohlebergbaus als untertägige Pumpspeicherwerke am Bergwerk Prosper-Haniel

Ewert, Thomas GND

In den heutigen Geowissenschaften bilden geologische Modellierungen eine wichtige Grundlage für praxisorientierte Fragestellungen. Das Einsatzgebiet der Modelle liegt dabei vor allem in der Rohstoffindustrie, der Geothermie und der Hydrogeologie. Eine fachübergreifende Nutzung von dreidimensionalen Modellierungen nimmt an Bedeutung zu und macht Modellkopplungen über entsprechende Schnittstellen notwendig. Für die Konstruktion von geologischen Modellen stehen derzeit eine Reihe von Softwarelösungen zur Verfügung, die je nach Aufgabenfeld der Modellierung ihre jeweiligen Vor- und Nachteile bieten. In dieser Arbeit wurde mit der Software Leapfrog Geo gearbeitet, welche im deutschen Raum weitestgehend unbekannt ist. Ursprünglich wurde das Programm in Zusammenhang mit Lagerstättenmodellierungen eingesetzt. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Software und Implementierung zusätzlicher Erweiterungen ermöglicht den Einsatz dieses Werkzeugs auch für andere Fachgebiete. Die Modellierungen mit der Software Leapfrog Geo erfolgten im Rahmen der Machbarkeitsstudie UPSW, in der die Realisierung eines unterirdischen Pumpspeicherwerkes untersucht wurde. Das Betrachtungsgebiet dieser Studie umfasste den Betriebsbereich des Bergwerks Prosper-Haniel. Der tiefe Untergrund dieses Standortes ist Teil des variszisch und postvariszisch überprägten Ruhrkarbons. Die strukturgeologischen Verhältnisse sind komplex und bestehen aus einer intensiven Falten- und Bruchtektonik. Mit Hilfe der Software wurden drei Modelle erarbeitet, welche als Planungsgrundlage zur Beantwortung geologischer und bautechnischer Fragestellungen dienen. So wurde zur Ausrichtung und Trassierung des unterirdischen Speicherbeckens ein großtektonisches Untergrundmodell entwickelt, mit dessen Hilfe die Kreuzungspunkte mit tektonischen Elementen und stratigraphischen Grenzhorizonten prognostiziert werden können. Eine besondere Herausforderung dieser Modellierung lag in der Umsetzung der strukturgeologischen Bauformen unter Berücksichtigung der modelltechnischen Möglichkeiten der verwendeten Software. Des Weiteren wurden zwei kleinräumige Modelle aufgebaut, die die geologischen Bedingungen am favorisierten Kavernenstandort beschreiben. Diese Modelle zeigen die Lagerungsverhältnisse der Schichten sowie die anzutreffenden Lithologien auf. Basierend auf diesen Modellierungen konnte ein potenzieller Standort zur Verortung der notwendigen Kavernenbauwerke lokalisiert werden. Neben den strukturgeologischen Modellierungen wurden die Schnittstellen des Werkzeugs zum Aufbau eines hydrogeologischen Modells genutzt. Im Fokus des Modellaufbaus standen die Möglichkeiten zur Überführung der geologischen Körper und deren Diskretisierung im Modellierungsprogramm FEFLOW. Das resultierende Modell stellt den zuletzt aktiven Bergwerksbereich dar, wo die infrastrukturellen Komponenten sowie die hydrogeologischen Bedingungen mit Hilfe eines unstrukturierten Netzes diskretisiert sind. Im Allgemeinen zeigen die Erfahrungen mit der verwendeten Software Leapfrog Geo, dass Modelle schnell und unkompliziert aufgestellt werden können, sofern die räumliche Ausdehnung des Modellgebietes eine gewisse Komplexität nicht überschreitet und das integrierte Raster an Bohrungsdaten hoch ist. Während eines automatisierten Arbeitsprozesses können Modelle durch Einbinden neuer Daten dynamisch aktualisiert werden, was in Bezug von Lagerstätten bezogenen Anwendungen viele Vorteile bietet. Die Konstruktion von großräumigen Untergrundmodellen ist hingegen über einen manuell gesteuerten Modellierungsprozess unumgänglich, insbesondere wenn das Betrachtungsgebiet anspruchsvolle geologische Bauformen aufzeigt. An dieser Stelle werden einige Schwachpunkte des Werkzeugs erkennbar. Am vorgestellten Aufbau des hydrogeologischen Modells wird deutlich, dass die Schnittstellen der Software für einfache Modelle eine interessante Erweiterung darstellen. Die Überführung von komplexen Geokörpern in FEFLOW ist jedoch problembehaftet und bedarf einer Nachbearbeitung der entsprechenden Geometrien. Insgesamt betrachtet kann die Softwarelösung Leapfrog Geo als hilfreiches und praktisches Werkzeug für die Beantwortung geowissenschaftlicher Fragen dienen, sofern die Aufgabenstellung der Modellierung und die modelltechnischen Anforderungen der Software nicht in Widerspruch stehen.

In today's geosciences, geological modeling forms an important basis for practice-oriented issues. Modeling is applied mainly in the extractive industry, the geothermal and the hydrogeological sector. The interdisciplinary use of models is becoming more important and requires model coupling via connecting interfaces. For the construction of geological 3D-models, a number of software solutions are available that offer advantages and disadvantages depending on the intension of the modeling. In this proposed thesis, the software Leapfrog Geo was used, which is so far largely unknown in the German area. Initially, the program has been applied in the context of reservoir modeling. Currently an interdisciplinary use of Leapfrog Geo is possible due to the continuing software development and the possibility to use additional extensions. Modeling with Leapfrog Geo was carried out as part of the feasibility study UPSW, where the realization of an underground pumped storage facility was investigated. The study area is located at the Prosper-Haniel mine in Bottrop. The deep underground of this location was intensively deformed during Variscan and post-Variscan tectonic processes. The structural geological conditions are complex and consist of folding and fault systems. With the tool Leapfrog Geo three models were developed, which serve as a basis for planning to answer geological and structural engineering issues. The first model is a large tectonic model that is used to predict crossing points of the underground reservoir with tectonic elements and stratigraphic boundaries. A special challenge of this modeling process was the implementation of the structural geological conditions of the investigation area, considering the methodical limitations of the used software. Furthermore, two small models were set up that describe the geological conditions at the favored cavern location. These models show the layering of the different formations. Based on the models, a potential location for the position of the caverns could be detected. In addition to the structural geological modeling, the interfaces of the tool were used to develop a hydrogeological model. The model building focused on the possibilities to transfer the geological bodies and to discretize them in FEFLOW. The resulting model represents a subarea of the Prosper-Haniel mine, where the infrastructural components are discretized in an unstructured network using the finite element method. In general, the experience with the modelling tool Leapfrog Geo shows that model building can be quickly and easily, if the spatial extent of the model area does not exceed a certain complexity and a dense data network is available. The automated workflow process allows models to be updated dynamically, which offers benefits in terms of reservoir related applications. On the contrary, for the construction of large models, a manually controlled modeling process is necessary, especially if the study area shows sophisticated geological conditions. Here some weaknesses of the tool become obvious. The hydrogeological model building process shows that the interfaces of the software are an interesting extension for simple models. The transfer of complex geological bodies into FEFLOW is problematic and requires postprocessing of the corresponding geometries. Overall, the software solution Leapfrog Geo can serve as a helpful and practical tool to build geological models, if the task of the modeling and the technical requirements of the software are not in contradiction.

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Ewert, Thomas: Geologische und hydrogeologische 3D-Modelle als Planungsgrundlage für geowissenschaftliche Fragestellungen im Rahmen des Projektes zur Nutzung von Anlagen des Steinkohlebergbaus als untertägige Pumpspeicherwerke am Bergwerk Prosper-Haniel. 2019.

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