Modeling hydrothermal system: deriving observables and hydrothermal instability in volcanic and non-volcanic setting

Hydrothermal fluids are a fundamental resource for understanding and monitoring volcanic and non-volcanic systems. This thesis is focused on the study of hydrothermal system through numerical modeling with the geothermal simulator TOUGH2. Several simulations are presented, and geophysical and geochemical observables, arising from fluids circulation, are analyzed in detail throughout the thesis. In a volcanic setting, fluids feeding fumaroles and hot spring may play a key role in the hazard evaluation. The evolution of the fluids circulation is caused by a strong interaction between magmatic and hydrothermal systems. A simultaneous analysis of different geophysical and geochemical observables is a sound approach for interpreting monitored data and to infer a consistent conceptual model. Analyzed observables are ground displacement, gravity changes, electrical conductivity, amount, composition and temperature of the emitted gases at surface, and extent of degassing area. Results highlight the different temporal response of the considered observables, as well as the different radial pattern of variation. However, magnitude, temporal response and radial pattern of these signals depend not only on the evolution of fluid circulation, but a main role is played by the considered rock properties. Numerical simulations highlight differences that arise from the assumption of different permeabilities, for both homogeneous and heterogeneous systems. Rock properties affect hydrothermal fluid circulation, controlling both the range of variation and the temporal evolution of the observable signals. Low temperature fumaroles and low discharge rate may be affected by atmospheric conditions. Detailed parametric simulations were performed, aimed to understand the effects of system properties, such as permeability and gas reservoir overpressure, on diffuse degassing when air temperature and barometric pressure changes are applied to the ground surface. Hydrothermal circulation, however, is not only a characteristic of volcanic system. Hot fluids may be involved in several mankind problems, such as studies on geothermal engineering, nuclear waste propagation in porous medium, and Geological Carbon Sequestration (GCS). The current concept for large-scale GCS is the direct injection of supercritical carbon dioxide into deep geological formations which typically contain brine. Upward displacement of such brine from deep reservoirs driven by pressure increases resulting from carbon dioxide injection may occur through abandoned wells, permeable faults or permeable channels. Brine intrusion into aquifers may degrade groundwater resources. Numerical results show that pressure rise drives dense water up to the conduits, and does not necessarily result in continuous flow. Rather, overpressure leads to new hydrostatic equilibrium if fluids are initially density stratified. If warm and salty fluid does not cool passing through the conduit, an oscillatory solution is then possible. Parameter studies delineate steady-state (static) and oscillatory solutions.

Speziation von Neptunium bei der Migration in Tongestein

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines Stipendiums des interdisziplinärenrnGraduiertenkollegs 826 „Spurenanalytik von Elementspezies: Methodenentwicklung und Anwendungen“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und das Land Rheinland-Pfalz, angefertigt. Dabei sollten neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Neptunium und natürlichem Tongestein mit Hinblick auf die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in einem geologischen Tiefenlager gewonnen werden. Auf Grund seiner langen Halbwertszeit von mehr als zwei Millionen Jahren wird Np-237 einen signifikanten Anteil an der Radiotoxizität dieser Abfälle nach Lagerzeiten von mehr als 1000 Jahren haben. Np tritt in Lösung unter umweltrelevanten Bedingungen in den Oxidationsstufen +IV und +V auf. Auf Grund der guten Löslichkeit und daher höheren Mobilität ist Np(V) als die gefährlichere Spezies einzustufen. In den Migrationsstudien wurdernOpalinuston (OPA) aus Mont Terri, Schweiz, als natürliches Referenzmaterial verwendet. Der Fokus dieser Arbeit lag dabei auf der Speziation von Np an der Mineraloberfläche mittels synchrotronbasierter Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS/XANES).rnDie Wechselwirkung zwischen Np(V) und OPA wurde zunächst in Batch- und Diffusionsexperimenten in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter (u.a. pH, Temperatur, Hintergrundelektrolyt, Einfluss von Huminsäure, Konkurrenz mit U(VI), aerobe/anaerobe Bedingungen) untersucht. Die Untersuchung der Np-Speziation erfolgt zum einen an Pulverproben aus Batch-Experimenten unter aeroben und anaeroben Bedingungen, welche mittels EXAFS-Spektroskopie untersucht wurden. Zum anderen wurden ortsaufgelöste μ-XANES-Messungen an Np-Anreicherungen auf OPA-Dünnschliffen und in Diffusionsproben durchgeführt. Durch Kombination der Spektroskopie mit μ-Rötngenfluoreszenzmapping (XRF) und μ-Röntgenbeugung (XRD) konnten zudem Erkenntnisse über die Elementverteilung von Np und anderen im Opalinuston enthaltenen Elementen sowie über kristalline Mineralphasen im Umfeld von Bereichen erhöhter Np-Konzentration erhalten werden.rnSowohl Sorptionsexperimente als auch die spektroskopischen Untersuchungen zeigten eine teilweise Reduktion von Np(V) zu Np(IV) bei der Wechselwirkung mit OPA. Dabei konnte Pyrit als eine der redoxaktiven Phasen identifiziert werden. In diesem Zusammenhang ist die Bildung schwerlöslicher Np(IV)-Spezies mit Hinblick auf die Endlagerung positiv zu bewerten.

Abflusslose Senken – Instrumente in der Landschaftsanalyse und Indikatoren rezenter Krustenbewegungen

Innerhalb des Untersuchungsgebiets Schleswig-Holstein wurden 39.712 topographische Hohlformen detektiert. Genutzt wurden dazu ESRI ArcMap 9.3 und 10.0. Der Datenaufbereitung folgten weitere Kalkulationen in MATLAB R2010b. Jedes Objekt wurde räumlich mit seinen individuellen Eigenschaften verschnitten. Dazu gehörten Fläche, Umfang, Koordinaten (Zentroide), Tiefe und maximale Tiefe der Hohlform und Formfaktoren wie Rundheit, Konvexität und Elongation. Ziel der vorgestellten Methoden war die Beantwortung von drei Fragestellungen: Sind negative Landformen dazu geeignet Landschaftseinheiten und Eisvorstöße zu unterscheiden und zu bestimmen? Existiert eine Kopplung von Depressionen an der rezenten Topographie zu geologischen Tiefenstrukturen? Können Senken unterschiedlicher Entstehung anhand ihrer Formcharakteristik unterteilt werden? Die vorgenommene Klassifikation der großen Landschaftseinheiten basiert auf der Annahme, dass sowohl Jungmoränengebiete, ihre Vorflächen als auch Altmoränengebiete durch charakteristische, abflusslose Hohlformen, wie Toteislöcher, Seen, etc. abgegrenzt werden können. Normalerweise sind solche Depressionen in der Natur eher selten, werden jedoch für ehemalige Glaziallandschaften als typisch erachtet. Ziel war es, die geologischen Haupteinheiten, Eisvorstöße und Moränengebiete der letzten Vereisungen zu differenzieren. Zur Bearbeitung wurde ein Detektionsnetz verwendet, das auf quadratischen Zellen beruht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die alleinige Nutzung von Depressionen zur Klassifizierung von Landschaftseinheiten Gesamtgenauigkeiten von bis zu 71,4% erreicht werden können. Das bedeutet, dass drei von vier Detektionszellen korrekt zugeordnet werden können. Jungmoränen, Altmoränen, periglazialeVorflächen und holozäne Bereiche können mit Hilfe der Hohlformen mit großer Sicherheit voneinander unterschieden und korrekt zugeordnet werden. Dies zeigt, dass für die jeweiligen Einheiten tatsächlich bestimmte Senkenformen typisch sind. Die im ersten Schritt detektierten Senken wurden räumlich mit weiterreichenden geologischen Informationen verschnitten, um zu untersuchen, inwieweit natürliche Depressionen nur glazial entstanden sind oder ob ihre Ausprägung auch mit tiefengeologischen Strukturen in Zusammenhang steht. 25.349 (63,88%) aller Senken sind kleiner als 10.000 m² und liegen in Jungmoränengebieten und können vermutlich auf glaziale und periglaziale Einflüsse zurückgeführt werden. 2.424 Depressionen liegen innerhalb der Gebiete subglazialer Rinnen. 1.529 detektierte Hohlformen liegen innerhalb von Subsidenzgebieten, von denen 1.033 innerhalb der Marschländer im Westen verortet sind. 919 große Strukturen über 1 km Größe entlang der Nordsee sind unter anderem besonders gut mit Kompaktionsbereichen elsterzeitlicher Rinnen zu homologisieren.344 dieser Hohlformen sind zudem mit Tunneltälern im Untergrund assoziiert. Diese Parallelität von Depressionen und den teils über 100 m tiefen Tunneltälern kann auf Sedimentkompaktion zurückgeführt werden. Ein Zusammenhang mit der Zersetzung postglazialen, organischen Materials ist ebenfalls denkbar. Darüber hinaus wurden in einer Distanz von 10 km um die miozän aktiven Flanken des Glückstadt-Grabens negative Landformen detektiert, die Verbindungen zu oberflächennahen Störungsstrukturen zeigen. Dies ist ein Anzeichen für Grabenaktivität während und gegen Ende der Vereisung und während des Holozäns. Viele dieser störungsbezogenen Senken sind auch mit Tunneltälern assoziiert. Entsprechend werden drei zusammenspielende Prozesse identifiziert, die mit der Entstehung der Hohlformen in Verbindung gebracht werden können. Eine mögliche Interpretation ist, dass die östliche Flanke des Glückstadt-Grabens auf die Auflast des elsterzeitlichen Eisschilds reagierte, während sich subglazial zeitgleich Entwässerungsrinnen entlang der Schwächezonen ausbildeten. Diese wurden in den Warmzeiten größtenteils durch Torf und unverfestigte Sedimente verfüllt. Die Gletschervorstöße der späten Weichselzeit aktivierten erneut die Flanken und zusätzlich wurde das Lockermaterial exariert, wodurch große Seen, wie z. B. der Große Plöner See entstanden sind. Insgesamt konnten 29 große Depressionen größer oder gleich 5 km in Schleswig-Holstein identifiziert werden, die zumindest teilweise mit Beckensubsidenz und Aktivität der Grabenflanken verbunden sind, bzw. sogar auf diese zurückgehen.Die letzte Teilstudie befasste sich mit der Differenzierung von Senken nach deren potentieller Genese sowie der Unterscheidung natürlicher von künstlichen Hohlformen. Dazu wurde ein DEM für einen Bereich im Norden Niedersachsens verwendet, das eine Gesamtgröße von 252 km² abdeckt. Die Ergebnisse zeigen, dass glazial entstandene Depressionen gute Rundheitswerte aufweisen und auch Elongation und Exzentrizität eher kompakte Formen anzeigen. Lineare negative Strukturen sind oft Flüsse oder Altarme. Sie können als holozäne Strukturen identifiziert werden. Im Gegensatz zu den potentiell natürlichen Senkenformen sind künstlich geschaffene Depressionen eher eckig oder ungleichmäßig und tendieren meist nicht zu kompakten Formen. Drei Hauptklassen topographischer Depressionen konnten identifiziert und voneinander abgegrenzt werden: Potentiell glaziale Senken (Toteisformen), Flüsse, Seiten- und Altarme sowie künstliche Senken. Die Methode der Senkenklassifikation nach Formparametern ist ein sinnvolles Instrument, um verschiedene Typen unterscheiden zu können und um bei geologischen Fragestellungen künstliche Senken bereits vor der Verarbeitung auszuschließen. Jedoch zeigte sich, dass die Ergebnisse im Wesentlichen von der Auflösung des entsprechenden Höhenmodells abhängen.

Experimental characterization of cement–bentonite interaction using core infiltration techniques and 4D computed tomography

Deep geological storage of radioactive waste foresees cementitious materials as reinforcement of tunnels and as backfill. Bentonite is proposed to enclose spent fuel drums, and as drift seals. The emplacement of cementitious material next to clay material generates an enormous chemical gradient in pore water composition that drives diffusive solute transport. Laboratory studies and reactive transport modeling predict significant mineral alteration at and near interfaces, mainly resulting in a decrease of porosity in bentonite. The goal of this project is to characterize and quantify the cement/bentonite skin effects spatially and temporally in laboratory experiments. A newly developed mobile X-ray transparent core infiltration device was used, which allows performing X-ray computed tomography (CT) periodically without interrupting a running experiment. A pre-saturated cylindrical MX-80 bentonite sample (1920 kg/m3 average wet density) is subjected to a confining pressure as a constant total pressure boundary condition. The infiltration of a hyperalkaline (pH 13.4), artificial OPC (ordinary Portland cement) pore water into the bentonite plug alters the mineral assemblage over time as an advancing reaction front. The related changes in X-ray attenuation values are related to changes in phase densities, porosity and local bulk density and are tracked over time periodically by non-destructive CT scans.

Paleozoic-aged brine and authigenic helium preserved in an Ordovician shale aquiclude

Consideration of the geosphere for isolation of nuclear waste has generated substantial interest in the origin, age, and movement of fl uids and gases in low-permeability rock formations. Here, we present profi les of isotopes, solutes, and helium in porewaters recovered from 860 m of Cambrian to Devonian strata on the eastern fl ank of the Michigan Basin. Of particular interest is a 240-m-thick, halite-mineralized, Ordovician shale and carbonate aquiclude, which hosts Br–-enriched, post-dolomitic brine (5.8 molal Cl) originating as evaporated Silurian seawater. Authigenic helium that has been accumulating in the aquiclude for more than 260 m.y. is found to be isolated from underlying allochthonous, 3He-enriched helium that originated from the rifted base of the Michigan Basin and the Canadian Shield. The Paleozoic age and immobility of the pore fl uids in this Ordovician aquiclude considerably strengthen the safety case for deep geological repositories, but also provide new insights into the origin of deep crustal brines and opportunities for research on other components of a preserved Paleozoic porewater system.

El análogo natural de almacenamiento y escape de Co2 de la cuenca de Gañuelas-Mazarrón : implicaciones para el comportamiento y la seguridad de un almacenamiento de Co2 en estaso supercrítico

El aumento de la temperatura media de la Tierra durante el pasado siglo en casi 1 ºC; la subida del nivel medio del mar; la disminución del volumen de hielo y nieve terrestres; la fuerte variabilidad del clima y los episodios climáticos extremos que se vienen sucediendo durante las ultimas décadas; y el aumento de las epidemias y enfermedades infecciosas son solo algunas de las evidencias del cambio climático actual, causado, principalmente, por la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera por actividades antropogénicas. La problemática y preocupación creciente surgida a raíz de estos fenómenos, motivo que, en 1997, se adoptara el denominado “Protocolo de Kyoto” (Japón), por el que los países firmantes adoptaron diferentes medidas destinadas a controlar y reducir las emisiones de los citados gases. Entre estas medidas cabe destacar las tecnologías CAC, enfocadas a la captura, transporte y almacenamiento de CO2. En este contexto se aprobó, en octubre de 2008, el Proyecto Singular Estratégico “Tecnologías avanzadas de generación, captura y almacenamiento de CO2” (PSE-120000-2008-6), cofinanciado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y el FEDER, el cual abordaba, en su Subproyecto “Almacenamiento Geológico de CO2” (PSS-120000-2008-31), el estudio detallado, entre otros, del Análogo Natural de Almacenamiento y Escape de CO2 de la cuenca de Ganuelas-Mazarrón (Murcia). Es precisamente en el marco de dicho Proyecto en el que se ha realizado este trabajo, cuyo objetivo final ha sido el de predecir el comportamiento y evaluar la seguridad, a corto, medio y largo plazo, de un Almacenamiento Geológico Profundo de CO2 (AGP-CO2), mediante el estudio integral del citado análogo natural. Este estudio ha comprendido: i) la contextualización geológica e hidrogeológica de la cuenca, así como la investigación geofísica de la misma; ii) la toma de muestras de aguas de algunos acuíferos seleccionados con el fin de realizar su estudio hidrogeoquímico e isotópico; iii) la caracterización mineralógica, petrográfica, geoquímica e isotópica de los travertinos precipitados a partir de las aguas de algunos de los sondeos de la cuenca; y iv) la medida y caracterización química e isotópica de los gases libres y disueltos detectados en la cuenca, con especial atención al CO2 y 222Rn. Esta información, desarrollada en capítulos independientes, ha permitido realizar un modelo conceptual de funcionamiento del sistema natural que constituye la cuenca de Ganuelas-Mazarrón, así como establecer las analogías entre este y un AGP-CO2, con posibles escapes naturales y/o antropogénicos. La aplicación de toda esta información ha servido, por un lado, para predecir el comportamiento y evaluar la seguridad, a corto, medio y largo plazo, de un AGP-CO2 y, por otro, proponer una metodología general aplicable al estudio de posibles emplazamientos de AGP-CO2 desde la perspectiva de los reservorios naturales de CO2. Los resultados más importantes indican que la cuenca de Ganuelas-Mazarrón se trata de una cubeta o fosa tectónica delimitada por fallas normales, con importantes saltos verticales, que hunden al substrato rocoso (Complejo Nevado-Filabride), y rellenas, generalmente, por materiales volcánicos-subvolcánicos ácidos. Además, esta cuenca se encuentra rellena por formaciones menos resistivas que son, de muro a techo, las margas miocenas, predominantes y casi exclusivas de la cuenca, y los conglomerados y gravas pliocuaternarias. El acuífero salino profundo y enriquecido en CO2, puesto de manifiesto por la xx exploración geotérmica realizada en dicha cuenca durante la década de los 80 y objeto principal de este estudio, se encuentra a techo de los materiales del Complejo Nevado-Filabride, a una profundidad que podría superar los 800 m, según los datos de la investigación mediante sondeos y geofísica. Por ello, no se descarta la posibilidad de que el CO2 se encuentre en estado supe critico, por lo que la citada cuenca reuniría las características principales de un almacenamiento geológico natural y profundo de CO2, o análogo natural de un AGP-CO2 en un acuífero salino profundo. La sobreexplotación de los acuíferos mas someros de la cuenca, con fines agrícolas, origino, por el descenso de sus niveles piezométricos y de la presión hidrostática, el ascenso de las aguas profundas, salinas y enriquecidas en CO2, las cuales son las responsables de la contaminación de dichos acuíferos. El estudio hidrogeoquímico de las aguas de los acuíferos investigados muestra una gran variedad de hidrofacies, incluso en aquellos de litología similar. La alta salinidad de estas aguas las hace inservibles tanto para el consumo humano como para fines agrícolas. Además, el carácter ligeramente ácido de la mayoría de estas aguas determina que tengan gran capacidad para disolver y transportar, hacia la superficie, elementos pesados y/o tóxicos, entre los que destaca el U, elemento abundante en las rocas volcánicas ácidas de la cuenca, con contenidos de hasta 14 ppm, y en forma de uraninita submicroscópica. El estudio isotópico ha permitido discernir el origen, entre otros, del C del DIC de las aguas (δ13C-DIC), explicándose como una mezcla de dos componentes principales: uno, procedente de la descomposición térmica de las calizas y mármoles del substrato y, otro, de origen edáfico, sin descartar una aportación menor de C de origen mantélico. El estudio de los travertinos que se están formando a la salida de las aguas de algunos sondeos, por la desgasificación rápida de CO2 y el consiguiente aumento de pH, ha permitido destacar este fenómeno, por analogía, como alerta de escapes de CO2 desde un AGP-CO2. El análisis de los gases disueltos y libres, con especial atención al CO2 y al 222Rn asociado, indican que el C del CO2, tanto disuelto como en fase libre, tiene un origen similar al del DIC, confirmándose la menor contribución de CO2 de origen mantélico, dada la relación R/Ra del He existente en estos gases. El 222Rn sería el generado por el decaimiento radiactivo del U, particularmente abundante en las rocas volcánicas de la cuenca, y/o por el 226Ra procedente del U o del existente en los yesos mesinienses de la cuenca. Además, el CO2 actúa como carrier del 222Rn, hecho evidenciado en las anomalías positivas de ambos gases a ~ 1 m de profundidad y relacionadas principalmente con perturbaciones naturales (fallas y contactos) y antropogénicas (sondeos). La signatura isotópica del C a partir del DIC, de los carbonatos (travertinos), y del CO2 disuelto y libre, sugiere que esta señal puede usarse como un excelente trazador de los escapes de CO2 desde un AGPCO2, en el cual se inyectara un CO2 procedente, generalmente, de la combustión de combustibles fósiles, con un δ13C(V-PDB) de ~ -30 ‰. Estos resultados han permitido construir un modelo conceptual de funcionamiento del sistema natural de la cuenca de Ganuelas-Mazarrón como análogo natural de un AGP-CO2, y establecer las relaciones entre ambos. Así, las analogías mas importantes, en cuanto a los elementos del sistema, serian la existencia de: i) un acuífero salino profundo enriquecido en CO2, que seria análoga a la formación almacén de un AGPxxi CO2; ii) una formación sedimentaria margosa que, con una potencia superior a 500 m, se correspondería con la formación sello de un AGP-CO2; y iii) acuíferos mas someros con aguas dulces y aptas para el consumo humano, rocas volcánicas ricas en U y fallas que se encuentran selladas por yesos y/o margas; elementos que también podrían concurrir en un emplazamiento de un AGP-CO2. Por otro lado, los procesos análogos mas importantes identificados serian: i) la inyección ascendente del CO2, que seria análoga a la inyección de CO2 de origen antropogénico, pero este con una signatura isotópica δ13C(V-PDB) de ~ -30 ‰; ii) la disolución de CO2 y 222Rn en las aguas del acuífero profundo, lo que seria análogo a la disolución de dichos gases en la formación almacén de un AGP-CO2; iii) la contaminación de los acuíferos mas someros por el ascenso de las aguas sobresaturadas en CO2, proceso que seria análogo a la contaminación que se produciría en los acuíferos existentes por encima de un AGP-CO2, siempre que este se perturbara natural (reactivación de fallas) o artificialmente (sondeos); iv) la desgasificación (CO2 y gases asociados, entre los que destaca el 222Rn) del acuífero salino profundo a través de sondeos, proceso análogo al que pudiera ocurrir en un AGP-CO2 perturbado; y v) la formación rápida de travertinos, proceso análogo indicativo de que el AGP-CO2 ha perdido su estanqueidad. La identificación de las analogías más importantes ha permitido, además, analizar y evaluar, de manera aproximada, el comportamiento y la seguridad, a corto, medio y largo plazo, de un AGP-CO2 emplazado en un contexto geológico similar al sistema natural estudiado. Para ello se ha seguido la metodología basada en el análisis e identificación de los FEPs (Features, Events and Processes), los cuales se han combinado entre sí para generar y analizar diferentes escenarios de evolución del sistema (scenario analysis). Estos escenarios de evolución identificados en el sistema natural perturbado, relacionados con la perforación de sondeos, sobreexplotación de acuíferos, precipitación rápida de travertinos, etc., serian análogos a los que podrían ocurrir en un AGP-CO2 que también fuera perturbado antropogénicamente, por lo que resulta totalmente necesario evitar la perturbación artificial de la formación sello del AGPCO2. Por último, con toda la información obtenida se ha propuesto una metodología de estudio que pueda aplicarse al estudio de posibles emplazamientos de un AGP-CO2 desde la perspectiva de los reservorios naturales de CO2, sean estancos o no. Esta metodología comprende varias fases de estudio, que comprendería la caracterización geológico-estructural del sitio y de sus componentes (agua, roca y gases), la identificación de las analogías entre un sistema natural de almacenamiento de CO2 y un modelo conceptual de un AGP-CO2, y el establecimiento de las implicaciones para el comportamiento y la seguridad de un AGP-CO2. ABSTRACT The accumulation of the anthropogenic greenhouse gases in the atmosphere is the main responsible for: i) the increase in the average temperature of the Earth over the past century by almost 1 °C; ii) the rise in the mean sea level; iii) the drop of the ice volume and terrestrial snow; iv) the strong climate variability and extreme weather events that have been happening over the last decades; and v) the spread of epidemics and infectious diseases. All of these events are just some of the evidence of current climate change. The problems and growing concern related to these phenomena, prompted the adoption of the so-called "Kyoto Protocol" (Japan) in 1997, in which the signatory countries established different measurements to control and reduce the emissions of the greenhouse gases. These measurements include the CCS technologies, focused on the capture, transport and storage of CO2. Within this context, it was approved, in October 2008, the Strategic Singular Project "Tecnologías avanzadas de generación, captura y almacenamiento de CO2" (PSE-120000-2008-6), supported by the Ministry of Science and Innovation and the FEDER funds. This Project, by means of the Subproject "Geological Storage of CO2" (PSS- 120000-2008-31), was focused on the detailed study of the Natural Analogue of CO2 Storage and Leakage located in the Ganuelas-Mazarron Tertiary basin (Murcia), among other Spanish Natural Analogues. This research work has been performed in the framework of this Subproject, being its final objective to predict the behaviour and evaluate the safety, at short, medium and long-term, of a CO2 Deep Geological Storage (CO2-DGS) by means of a comprehensive study of the abovementioned Natural Analogue. This study comprises: i) the geological and hydrogeological context of the basin and its geophysical research; ii) the water sampling of the selected aquifers to establish their hydrogeochemical and isotopic features; iii) the mineralogical, petrographic, geochemical and isotopic characterisation of the travertines formed from upwelling groundwater of several hydrogeological and geothermal wells; and iv) the measurement of the free and dissolved gases detected in the basin, as well as their chemical and isotopic characterisation, mainly regarding CO2 and 222Rn. This information, summarised in separate chapters in the text, has enabled to build a conceptual model of the studied natural system and to establish the analogies between both the studied natural system and a CO2-DGS, with possible natural and/or anthropogenic escapes. All this information has served, firstly, to predict the behaviour and to evaluate the safety, at short, medium and long-term, of a CO2-DGS and, secondly, to propose a general methodology to study suitable sites for a CO2-DGS, taking into account the lessons learned from this CO2 natural reservoir. The main results indicate that the Ganuelas-Mazarron basin is a graben bounded by normal faults with significant vertical movements, which move down the metamorphic substrate (Nevado-Filabride Complex), and filled with acid volcanic-subvolcanic rocks. Furthermore, this basin is filled with two sedimentary formations: i) the Miocene marls, which are predominant and almost exclusive in the basin; xxiv and ii) the Plio-Quaternary conglomerates and gravels. A deep saline CO2-rich aquifer was evidenced in this basin as a result of the geothermal exploration wells performed during the 80s, located just at the top of the Nevado-Filabride Complex and at a depth that could exceed 800 m, according to the geophysical exploration performed. This saline CO2-rich aquifer is precisely the main object of this study. Therefore, it is not discarded the possibility that the CO2 in this aquifer be in supercritical state. Consequently, the aforementioned basin gathers the main characteristics of a natural and deep CO2 geological storage, or natural analogue of a CO2-DGS in a deep saline aquifer. The overexploitation of the shallow aquifers in this basin for agriculture purposes caused the drop of the groundwater levels and hydrostatic pressures, and, as a result, the ascent of the deep saline and CO2-rich groundwater, which is the responsible for the contamination of the shallow and fresh aquifers. The hydrogeochemical features of groundwater from the investigated aquifers show the presence of very different hydrofacies, even in those with similar lithology. The high salinity of this groundwater prevents the human and agricultural uses. In addition, the slightly acidic character of most of these waters determines their capacity to dissolve and transport towards the surface heavy and/or toxic elements, among which U is highlighted. This element is abundant in the acidic volcanic rocks of the basin, with concentrations up to 14 ppm, mainly as sub-microscopic uraninite crystals. The isotopic study of this groundwater, particularly the isotopic signature of C from DIC (δ13C-DIC), suggests that dissolved C can be explained considering a mixture of C from two main different sources: i) from the thermal decomposition of limestones and marbles forming the substrate; and ii) from edaphic origin. However, a minor contribution of C from mantle degassing cannot be discarded. The study of travertines being formed from upwelling groundwater of several hydrogeological and geothermal wells, as a result of the fast CO2 degassing and the pH increase, has allowed highlighting this phenomenon, by analogy, as an alert for the CO2 leakages from a CO2-DGS. The analysis of the dissolved and free gases, with special attention to CO2 and 222Rn, indicates that the C from the dissolved and free CO2 has a similar origin to that of the DIC. The R/Ra ratio of He corroborates the minor contribution of CO2 from the mantle degassing. Furthermore, 222Rn is generated by the radioactive decay of U, particularly abundant in the volcanic rocks of the basin, and/or by 226Ra from the U or from the Messinian gypsum in the basin. Moreover, CO2 acts as a carrier of the 222Rn, a fact evidenced by the positive anomalies of both gases at ~ 1 m depth and mainly related to natural (faults and contacts) and anthropogenic (wells) perturbations. The isotopic signature of C from DIC, carbonates (travertines), and dissolved and free CO2, suggests that this parameter can be used as an excellent tracer of CO2 escapes from a CO2-DGS, in which CO2 usually from the combustion of fossil fuels, with δ13C(V-PDB) of ~ -30 ‰, will be injected. All of these results have allowed to build a conceptual model of the behaviour of the natural system studied as a natural analogue of a CO2-DGS, as well as to establish the relationships between both natural xxv and artificial systems. Thus, the most important analogies, regarding the elements of the system, would be the presence of: i) a deep saline CO2-rich aquifer, which would be analogous to the storage formation of a CO2-DGS; ii) a marly sedimentary formation with a thickness greater than 500 m, which would correspond to the sealing formation of a CO2-DGS; and iii) shallow aquifers with fresh waters suitable for human consumption, U-rich volcanic rocks, and faults that are sealed by gypsums and/or marls; geological elements that could also be present in a CO2-DGS. On the other hand, the most important analogous processes identified are: i) the upward injection of CO2, which would be analogous to the downward injection of the anthropogenic CO2, this last with a δ13C(V-PDB) of ~ -30 ‰; ii) the dissolution of CO2 and 222Rn in groundwater of the deep aquifer, which would be analogous to the dissolution of these gases in the storage formation of a CO2-DGS; iii) the contamination of the shallow aquifers by the uprising of CO2-oversaturated groundwater, an analogous process to the contamination that would occur in shallow aquifers located above a CO2-DGS, whenever it was naturally (reactivation of faults) or artificially (wells) perturbed; iv) the degassing (CO2 and associated gases, among which 222Rn is remarkable) of the deep saline aquifer through wells, process which could be similar in a perturbed CO2- DGS; v) the rapid formation of travertines, indicating that the CO2-DGS has lost its seal capacity. The identification of the most important analogies has also allowed analysing and evaluating, approximately, the behaviour and safety in the short, medium and long term, of a CO2-DGS hosted in a similar geological context of the natural system studied. For that, it has been followed the methodology based on the analysis and identification of FEPs (Features, Events and Processes) that have been combined together in order to generate and analyse different scenarios of the system evolution (scenario analysis). These identified scenarios in the perturbed natural system, related to boreholes, overexploitation of aquifers, rapid precipitation of travertines, etc., would be similar to those that might occur in a CO2-DGS anthropogenically perturbed, so that it is absolutely necessary to avoid the artificial perturbation of the seal formation of a CO2-DGS. Finally, a useful methodology for the study of possible sites for a CO2-DGS is suggested based on the information obtained from this investigation, taking into account the lessons learned from this CO2 natural reservoir. This methodology comprises several phases of study, including the geological and structural characterisation of the site and its components (water, rock and gases), the identification of the analogies between a CO2 storage natural system and a conceptual model of a CO2-DGS, and the implications regarding the behaviour and safety of a CO2-DGS.

Monitorización de emisiones de CO2 en análogos naturales de almacenamientos geológicos a través de la vegetación mediante técnicas de teledetección multiespectral

Uno de los problemas más importantes a los que se enfrenta nuestra sociedad es el de la degradación del medioambiente por la emisión de gases de efecto invernadero. La captura de CO2 en los puntos de emisión y su enterramiento mediante inyección en reservorios geológicos profundos se plantea como una solución hasta que a medio o largo plazo pueda ser mitigada la actual dependencia de la quema de combustibles fósiles. Pero la estabilidad de esos reservorios debe ser monitorizada adecuadamente. En esta tesis se ha estudiado el problema de la detección de fugas de CO2 en un análogo natural de un emplazamiento de almacenamiento profundo a través del análisis de imágenes de satélite multiespectrales. El análogo utilizado ha sido la zona de Campo de Calatrava (Ciudad Real, España), donde, por efecto de la actividad volcánica remanente, aún se pueden encontrar numerosos puntos de emisión de CO2. Se han caracterizado los puntos de emisión de CO2 identificándose dos tipologías con características y manifestaciones claramente diferenciadas: puntos de emisión húmeda o hervideros, y puntos de emisión seca o fumarolas. Para el estudio se han utilizado índices de vegetación y su relación de éstos con los contenidos atmosféricos de CO2. Se han utilizado imágenes multiespectrales de los satélites QuickBird y WorldView‐2. Se ha realizado una preselección de doce índices de vegetación especialmente adecuados para la detección de puntos de emisión de CO2. Mediante análisis y comparación de imágenes de índices de vegetación sobre puntos de emisión conocidos se ha seleccionado los cinco índices con mayor sensibilidad frente al fenómeno. Atendiendo a los principales factores condicionantes de la aparición de nuevos puntos de emisión de CO2 se ha realizado sobre las imágenes de índices de vegetación una predicción de nuevos puntos de emisión. Entre los puntos candidato se han encontrado tres nuevos puntos de emisión de CO2 no descritos previamente en la bibliografía. ABSTRACT One of the most important issues facing our society is the degradation of the environment caused by the emission of greenhouse gases. Capturing CO2 emissions, injection and burial in deep geological reservoirs is presented as a solution until the medium or long term, when the problem of the current dependence on fossil fuels burning can be mitigated. But the stability of these reservoirs should be properly monitored. In this work we study the problem of detecting CO2 leakage in a natural analogue of a deep storage site through analysis of multispectral satellite imagery. The analogue used is in the Campo de Calatrava (Ciudad Real, Spain) where, due to the remaining volcanic activity, it can still be found numerous CO2 emission points. CO2 emission points have been characterized identifying two types having distinct characteristics and effects: wet emission points or hotbeds, and dry emission points or fumaroles. For this study it has been used vegetation indices and its relationship with atmospheric CO2 contents. It has been used multispectral images from QuickBird and WorldView‐2 satellites. It has been done a preselection of twelve vegetation indices especially suitable for the detection of CO2 emission points. Using analysis and comparison of vegetation index images on real emission points it has been selected the five indexes with greater sensitivity to this phenomenon. Based upon the main factors of the emergence of new CO2 emission points it has been made a prediction of new emission points over the vegetation index images. Among the candidate points it has been found three new CO2 emission points not previously described in the literature.

Dissolved CO2 and Alkane Gas in Clay Formations

Characterization of dissolved CO2 and alkane gas in clayrocks may help assessing the confinement properties of geological barriers considered as potential host rocks for a deep geological disposal as well as for caprocks of gas storages. A monitoring of alkanes with CO2, combined with carbon isotopes was performed on core samples coming from Underground Research Laboratories (Bure, Mont Terri, Tournemire) and the Schlattingen borehole in France and Switzerland. Composition of hydrocarbon gas and delta C-13 of methane strongly suggest a dominant thermogenic origin of methane which is mixed with a bacterial origin for the Toarcian shales, Pliensbachien and Callovian-Oxfordian clayrocks. Results also evidence the contrasted behavior of CO2, which is controlled by chemical equilibrium between pore water and carbonate mineralogy, compared to the alkanes which are present in the porosity as a stock of dissolved gases which can be depleted during degassing experiments. (C) 2015 The Authors. Published by Elsevier B.V.

Table 1. pH, Temperature, conductivity and hydrochemistry of samples

Carbon dioxide deep geological storage, especially in deep saline aquifers, is one of the preferred technological options to mitigate the effects of greenhouse gases emissions. Thus, in the last decade, studies characterising the behaviour of potential CO2 deep geological storage sites along with thorough safety assessments have been considered essential in order to minimise the risks associated with these sites. The study of natural analogues represents the best source of reliable information about the expected hydrogeochemical processes involved in the CO2 storage in such deep saline aquifers. In this work, a comprehensive study of the hydrogeochemical features and processes taking place at the natural analogue of the Alicún de las Torres thermal system (Betic Cordillera) has been conducted. Thus, the main water/CO2/rock interaction processes occurring at the thermal system have been identified, quantified and modelled, and a principle conclusion is that the hydrogeochemical evolution of the thermal system is controlled by a global dedolomitization process triggered by gypsum dissolution. This geochemical process generates a different geochemical environment to that which would result from the exclusive dissolution of carbonates from the deep aquifer, which is generally considered as the direct result of CO2 injection in a deep carbonate aquifer. Therefore, discounting of the dedolomitization process in any CO2 deep geological storage may lead to erroneous conclusions. This process will also influence the porosity evolution of the CO2 storage formation, which is a very relevant parameter when evaluating a reservoir for CO2 storage. The geothermometric calculation performed in this work leads to estimate that the thermal water reservoir is located between 650 and 800 m depth, which is very close to the minimum required to inject CO2 in a deep geological storage. It is clear that the proper characterisation of the features and hydrogeochemical processes taking place at a natural system analogous to a man-made deep geological storage will provide useful conceptual, semi-quantitative and even quantitative information about the processes and consequences that may occur at the artificial storage system.

Gold: its occurrence and extraction. Embracing the geographical and geological distribution and the mineralogical characters of gold-bearing rocks; the peculiar features and modes of working shallow placers, rivers, and deep leads; hydraulicing ... a bibliography of the subject; and a glossary of English and foreign technical terms.

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Geophysics and petrology of the deep crust and upper mantle : a workshop sponsored by the U.S. Geological Survey and Stanford University /

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Relationship between installation torque and uplift capacity of deep helical piles in sand

Le facteur empirique de correlation du torque K(T), qui represente la capacite de soulevement du torque d`installation de pieux helicoidaux, est generalement utilise comme instrument de controle de la qualite sur le terrain pour ce type de fondations. Dans cet article, une relation theorique entre la capacite de soulevement et le torque d`installation de pieux helicoidaux places profondement dans du sable est presentee. Un programme experimental, qui comprend des essais centrifuge et de cisaillement direct a l`interface, a ete effectue dans le but de valider cette relation theorique. Les resultats experimentaux ont ete compares aux resultats predits par l`approche suggeree, et les resultats montrent une bonne concordance. Puisque le modele developpe depend de l`angle de friction residuel a l`interface delta(r) entre la surface de l`helice du pieu et le sable, les resultats de delta(r) obtenus a partir de differents echantillons de sable sont presentes afin d`etre utilises lors de l`application sur le terrain de la relation theorique proposee. De plus, les valeurs de K(T) obtenues dans ces travaux ont ete comparees a celles reportees dans la litterature; celles-ci ayant ete obtenues lors d`essais sur le terrain et en laboratoire sur des pieux helicoidaux dans le sable. Cette analyse a permis de demontrer que les valeurs mesurees de K(T) diminuent lorsque la dimension des pieux augmente, ainsi qu`avec une augmentation de l`angle de friction du sable, dans la plupart des cas. Ces derniers resultats ont aussi ete demontres avec le modele presente.

Failure Mechanisms in Sand over a Deep Active Trapdoor

An experimental testing program was undertaken to investigate failure mechanisms induced by the active movement of a deep rectangular trapdoor underlying a granular soil. Reduced-scale models were tested under normal gravity as well as under an increased gravitational field using a centrifuge facility. Some models were used to evaluate the performance of both flexible and rigid pipes undergoing a localized loss of support. Failure mechanisms in the longitudinal direction of the models were characterized by a single, well-defined failure surface that developed within the limits of the trapdoor. However, failure mechanisms in the transverse direction of the models were characterized by multiple failure surfaces extending outside the limits of the trapdoor. Significant dilation of the soil located immediately above the trapdoor was identified in the failure of the models. The pattern of the failure mechanisms was found to be affected by the stress level and backfill density. Higher stress levels were found to lead to well-developed failure zones. The influence of backfill density was found to be more relevant in models involving flexible pipes. Pipes embedded within loose backfill were severely damaged after loss of support, while pipes embedded in dense backfill experienced negligible deformations. These results indicate that damage to pipelines caused by ground loss of support can be significantly minimized by controlling the compaction of the fill.

Thermo-hydro-mechanical analysis of CO2 injection into deep aquifers

One of the biggest challenges for humanity is global warming and consequently, climate changes. Even though there has been increasing public awareness and investments from numerous countries concerning renewable energies, fossil fuels are and will continue to be in the near future, the main source of energy. Carbon capture and storage (CCS) is believed to be a serious measure to mitigate CO2 concentration. CCS briefly consists of capturing CO2 from the atmosphere or stationary emission sources and transporting and storing it via mineral carbonation, in oceans or geological media. The latter is referred to as carbon capture and geological storage (CCGS) and is considered to be the most promising of all solutions. Generally it consists of a storage (e.g. depleted oil reservoirs and deep saline aquifers) and sealing (commonly termed caprock in the oil industry) formations. The present study concerns the injection of CO2 into deep aquifers and regardless injection conditions, temperature gradients between carbon dioxide and the storage formation are likely to occur. Should the CO2 temperature be lower than the storage formation, a contractive behaviour of the reservoir and caprock is expected. The latter can result in the opening of new paths or re-opening of fractures, favouring leakage and compromising the CCGS project. During CO2 injection, coupled thermo-hydro-mechanical phenomena occur, which due to their complexity, hamper the assessment of each relative influence. For this purpose, several analyses were carried out in order to evaluate their influences but focusing on the thermal contractive behaviour. It was finally concluded that depending on mechanical and thermal properties of the pair aquifer-seal, the sealing caprock can undergo significant decreases in effective stress.