2012 Průběh projektu

Dílčí zpráva č.: IV.a

Sled a řízení laboratorních prací

J. Kasíková, P. Novák, P. Bílý a kolektiv (2012) – ISATech, s.r.o

Sled a řízení terénních prací zahrnovalo v tomto roce zejména projednávání prací na pravidelných kontrolních dnech. Na kontrolních dnech se projednávaly dosažené výsledky, koordinovaly postupy a plánování terénních a laboratorních prací.

V rámci terénních prací provedla společnost ISATech do 31. 12. 2012 čerpací a stoupací zkoušky na lokalitách Melechov – Zadní les, Příbram (Milín – Buk), Tis u Blatna a Lesná. Z vyhodnocení čerpacích a stoupacích zkoušek byly stanoveny koeficienty průtočnosti charakterizující hydrogeologické vlastnosti kolektoru granitů ve vrtech.

Ve vybraných vrtech (MEV-1 a MEL-2, MEV-2 a MEL-4, PTV-1 a PTP-4a, PBV-1, LEV-1, PDV-1) probíhá od listopadu loňského roku monitoring hladiny podzemní vody. Data jsou vyhodnocena v etapové zprávě.

Pokračovala instrumentace a provedení tzv. simple ink testů na zbývajících vzorcích, kdy se do granitových válečků vtláčelo barvivo. V roce 2012 se vylepšila aparatura původně se sestávající z potravinářských hadic a nepropustných membrán. Ty se vyměnily za plynové trubky, které uvnitř držely stabilní tlak během celého experimentu. Ten se už od loňského roku stanovil na 100 kPa. Hlavním cílem SIT bylo zjistit, zda barvivo, inkoust, vzorkem pronikne či nikoli. Jelikož je tento jev mnohdy nepozorovatelný lidským okem ani kamerami, nelze vyhodnotit přesný čas průniku. Charakter průniku inkoustu byl studován také mikroskopicky. Vyhodnocoval se charakteru šíření barviva uvnitř i na povrchu pomocí optického mikroskopu na podélně rozštípnutých vzorcích.

V tomto pololetí pokračovaly i paralelní stopovací zkoušky za použití spektrometru a fluoresceinu jako stopovacího barviva. Na rozdíl od loňského roku se přešlo na hromadné sycení pomocí speciálně vyvinuté aparatury se sérií bodových odběrů. Výhodou této úpravy metody je zajištění stejných podmínek testu (např. tlak, teplota, doba měření) u všech vzorků z jednoho vrtu a optimalizace procesu vyhodnocování. Navíc tato instrumentace mnohonásobně snížila dobu potřebnou k měření absorbancí.

Souběžně byly všechny vzorky určené k inkoustovým i fluoresceinovým testům změřeny pomocí ultrazvuku, a to ve třech směrech – vertikálním a dvakrát v horizontálním a pro měření s-vln vzhledem k anizotropii vzorku navíc ve dvou dalších polohách. Tato data jsou připojena k datům získaným společností Arcadis Geotechnika a.s. a tato databáze se společně zpracovává a vyhodnocuje.

Dílčí zpráva č.: IV.b

Aplikace geomechanického a hydrochemického výzkumu

L. Rukavičková, J. Holeček a kolektiv (2012) – Česká geologická služba

Výzkum byl v roce 2012 zaměřen na poznání hydrochemických, geochemických, hydraulických, strukturně geologických a petrofyzikálních vlastností hornin na výzkumných lokalitách. V rámci terénního hydrogeologického výzkumu jsme se věnovali zejména studiu hydraulických vlastností horninové matrice in situ, probíhala terénní měření na lokalitách Melechov-Kostelní Les, Panské Dubénky a Tis u Blatna.

Hydrochemický výzkum se zaměřil na zhodnocení chemizmu podzemních vod, jeho variability a jeho možného vlivu na propustnost horninové matrice. Na výzkumných lokalitách probíhaly odběry vzorků podzemní vody z vrtů, jednotlivých puklin i mělkých drenáží podzemních vod. V laboratořích ČGS byly provedeny chemické analýzy a následovalo jejich vyhodnocení.

Pozornost byla věnována také puklinovým sítím, jakožto preferenčním cestám proudění podzemních vod. Jejich studium probíhalo jednak v makroměřítku, kdy byly pro vybrané lokality dokumentovány a hodnoceny křehké struktury různých měřítek a srovnávána jejich převažující orientace a vztah k orientaci propustných puklin indikovaných karotáží ve vrtech. V mikroměřítku (horninová matrice) se jednalo o vizualizaci mikropuklinových sítí na výbrusech z orientovaných vrtných jader nasycených epoxidem s fluorescenčním barvivem. Výsledky byly statisticky zpracovány a byl zhodnocen podíl mikropuklin různého typu v puklinových sítích a jejich přednostní orientace.

Studium migračních cest a rychlosti migrace látek horninovou matricí zahrnovalo vyhodnocení laboratorních barvícíh experimentů prováděných v dosavadních etapách výzkumu.

Podstatná část této etapové zprávy je věnována komplexnímu zhodnocení všech petrofyzikálních měření realizovaných v rámci projektu FR-TI1/367. Je zde hodnocen vztah jednotlivých měřených parametrů a jejich význam pro indikaci míry propustnosti horninové matrice.

Dílčí zpráva č.: IV.c

Měření datových souborů

J. Kasíková, P. Novák, P. Bílý a kolektiv (2012) – ISATech, s.r.o

Zpráva obsahuje:

- Popis pozměněné aparatury s přiloženými fotografiemi. V aparatuře byly vyměněny potravinářské hadice za plynové trubky, které lépe těsní a udržují stálý tlak uvnitř celého systému.

- Metodiku vyhodnocování – sledování průniku barviva (inkoustu) ve vzorcích (ano/ne) a přibližný čas průniku. Vzorky byly snímány kamerami v intervalech 5 min a automaticky ukládány. Přibližný čas průniku byl zaznamenáván v průběhu měření 2-3x denně vizuálně, následovalo přesnější určení průniku pomocí nasnímaných fotografií. Po ukončení zkoušky se vzorky nafotily pomocí profesionálního fotografického vybavení.

- Makroskopický a mikroskopický popis obarvených vzorků po rozštípnutí v laboratoři ARCADIS Geotechnika. Makroskopicky byl sledován charakter šíření barviva vzorky a místa koncentrace barviva. U většiny vzorků bylo pozorováno sférické šíření barviva vzorkem s následným zakoncentrováním barviva při okrajích vnějších vzorku. Lineární šíření vzorkem již nebylo pozorováno, jinak než sféricky se barvivo šířilo pouze u usměrněných vzorků (část vrtů K-1 a LEV-1) a to po usměrněných plochách. Uvnitř vzorků se barvivo sorbovalo v živcích, v případě vrtu CIV-1 pravděpodobně navíc ještě v kaolinitu. U vrtu CIV-1 došlo ke stejnému chování barviva v matrici jako u archivního vrtu CS-1 a nepotvrdil se tak efekt výraznější vlivu stáří (a s tím spojeného zvětrávání) na sorpci barviva v matrici. Takto usuzovat lze i podle ostatních párových vrtů.

Mikroskopicky byly potvrzeny 4 základní typy pórových prostor, kterými se barvivo šířilo.Barvivo procházelo nejčastěji a u všech vzorků živci (solution pores) a jejich mikrotrhlinami (microfractures), zároveň docházelo k sorpci barviva v živcích. Často byl pozorovatelný prostup barviva podél zrn křemene a živců (grain boundary pores) a zároveň prostup barviva mikrotrhlinami křemene. O něco hůře byl detekovatelný průnik barviva skrze štěpné plochy biotitu a to díky tmavé barvě jak biotitu, tak barviva. I přesto však tento typ průniku detekován u několika vzorků byl.

Výsledky získané pomocí simple ink testů a fluoresceinového experimentu se dobře doplňují, některé nejednoznačné výsledky jsou způsobeny jedinečností každého vzorku

Dílčí zpráva č.: IV.d

Laboratorní výzkum srovnávacích horninových vzorků

J. Najser, K. Sosna, J. Záruba a kolektiv (2012) – Arcadis Geotechnika a.s.

V roce 2012 bylo dokončeno systematické testování vzorků naplánované na II.-IV. etapu řešení projektu (2010-2012). Zkoušky zahrnovaly měření otevřené pórovitosti, hydraulické vodivosti, specifické hmotnosti a objemové hmotnosti v suchém a nasyceném stavu. Plánovaný postup laboratorních zkoušek v rámci projektu počítal v první fázi s testováním archivních vzorků a následným zkoušením vzorků ze srovnávacích vrtů. Vzhledem k rychlejšímu postupu prováděných vrtných prací byly vzorky ze srovnávacích vrtů zařazovány do programu zkoušení přednostně v nejkratším možném termínu po odvrtání, aby došlo ve shodě s cíly projektu k minimálnímu ovlivnění po jejich vyjmutí z původního prostředí. Zbývající archivní vzorky byly do programu zkoušek zařazovány průběžně na základě volné kapacity laboratoře.

V roce 2012 byly provedeny zkoušky na srovnávacích vzorcích z lokalit Potůčky-Podlesí (PTV-1), Lesná (LEV-1), Příbram (PBV-1) a Tis u Blatna (TIV-1). Dále byly doplněny zkoušky na archivních vzorcích z lokality Lesná (K1). Celkem bylo v roce 2012 zkoušeno 52 vzorků. V rámci celého programu zkoušek bylo v letech 2010-2012 provedeno 165 zkoušek na vzorcích z 8 archivních a 11 srovnávacích vrtů.

Předkládaná zpráva navazuje na zprávy z let 2010 (Najser et al., 2010a; Najser et al., 2010b) a 2011 (Najser et al., 2011). Kromě výsledků z roku 2012 nabízí přímé srovnání se vzorky testovanými v uplynulých letech. Výsledky zkoušek jsou zpracovány obdobným způsobem jako v předcházejících citovaných zprávách. Kapitola 2 rekapituluje zkušební postupy použité při laboratorních zkouškách. V kapitole 3 jsou uvedeny výsledky zkoušek provedených na archivních vzorcích a v kapitole 4 výsledky zkoušek na vzorcích ze srovnávacích vrtů. Kapitola 5 porovnává výsledky na těch lokalitách, na kterých byly v letošním roce zkompletovány zkoušky na archivních i srovnávacích vrtech.

Vzorky z archivního vrtu Lesná (K1) vykazovaly nízkou variabilitu hodnot pórovitosti a hydraulické vodivosti. Nebylo proto možné spolehlivě stanovit trend závislosti hydraulické vodivosti na pórovitosti. Vzorky ze všech čtyř testovaných srovnávacích vrtů vykazovaly poměrně konzistentní hodnoty měřených veličin a zaznamenatelný pokles koeficientu hydraulické vodivosti s hloubkou. Hydraulickou vodivost se nepodařilo stanovit u jednoho vzorku z archivního vrtu K1 a u jednoho vzorku ze srovnávacího vrtu PBV-1.

Na třech lokalitách (Potůčky, Lesná, Příbram) byly v letošním roce zkompletovány zkoušky na archivních i srovnávacích vzorcích. Ze vzájemného porovnání obou vrtů na jednotlivých lokalitách vyplývá, že vertikální profily pórovitostí i hydraulických vodivostí jsou vždy velmi podobné. Ze stanovených hodnot tak není možné obecně dokumentovat rozdíl mezi archivními a srovnávacími vzorky. Je možné konstatovat, že rozptyl jednotlivých hodnot v rámci stejného vrtu je výrazně větší, než případná změna pórovitosti (hydraulické vodivosti) v důsledku delšího uskladnění archivních vzorků. Jedinou výjimku z uvedeného závěru představují pórovitosti stanovené na vzorcích z lokality Příbram. Zde byla zjištěna u archivních vzorků vyšší pórovitost než u vzorků ze srovnávacího vrtu. Zvýšená pórovitost se však překvapivě žádným způsobem neprojevila na hydraulické vodivosti, takže i u lokality Příbram je možné konstatovat, že doba skladování se neprojevila na hydraulických vlastnostech studovaných vzorků. Malý dopad archivace vzorků na jejich migrační vlastnosti byl zaznamenán i u lokalit porovnávaných v minulém roce, všechny studované lokality tak umožňují v tomto směru konzistentní interpretaci.

V roce 2012 byla dále stanovena detailní anizotropie rychlosti podélných vln v závislosti na hydrostatickém tlaku od 0 do 400 MPa. Kulová zkušební tělíska byla odvrtána z orientovaných jader vrtů: PTV1, MEV1, PDV1, PBV1. Změny rychlostní anizotropie se vzrůstajícím hydrostatickým tlakem jsou interpretovány s ohledem na existující systémy mikrotrhlin a přednostní orientaci horninové matrice.

Dílčí zpráva č.: IV.e

Dlouhodobá měření geomechanických změn

M. Brož, J. Štrunc. Sosna a kolektiv (2012) – ÚSMH

Laboratorní vzorky jsou podrobeny souboru deformačních testů, na základě jejichž výsledků jsou stanoveny základní geomechanické vlastnosti jmenovitě pevnost v prostém tlaku a příčném tahu, modul pružnosti a přetvárnosti a Poissonovo číslo. Dále se na laboratorních vzorcích měří rychlost seismických vln a její výsledky jsou porovnány s jejich objemovou hmotností, pórovitostí a koeficientem hydraulické vodivosti. Poté se porovnávají hodnoty Youngova modulu pružnosti vyhodnocené z rychlosti šíření seismických vln (dynamicky) a stanovené v průběhu jednoosého stlačování (staticky). Zpráva rovněž obsahuje výsledky měření modulů pružnosti in situ ve vrtech.

Hlavními výsledky prací je:

Pevnost v prostém tlaku se pohybuje od 64 MPa (průměr Cínovec) do 162 MPa (průměr Příbram a Panské Dubenky).

Modul pružnosti se pohybuje od 26 GPa (průměr CIV-1) do 76 GPa (průměr MV-4). Poissonovo čísle je mezi 0,12 a 0,29 (průměr pro všechny granitoidy 0,2). Vzorky mající vysokou pevnost nají i vyšší modul pružnosti (poměr napětí a přetvoření) a vyšší Poissonovo číslo (poměr příčné a podélné deformace).

Nejvyšší pevnost v příčném tahu vykazují vzorky z vrtu Mel-2 (průměrně 7,2 MPa), nejnižší Cs-1 (průměrně 5,2 MPa).

Rychlosti P-vln ve vysušených vzorcích se většinou pohybovaly v rozmezí od 4,4 km.s-1 do 5,4 km.s-1. Rychlosti P-vln v nasycených vzorcích se většinou pohybovaly v rozmezí od 5,9 km.s-1 do 6,3 km.s-1. Rychlosti S-vln ve vysušených vzorcích byly většinou v rozmezí od 2,8 km.s-1 do 3,1 km.s-1. Rychlosti S-vln v nasycených vzorcích byly většinou v rozmezí od 3,1 km.s-1 do 3,4 km.s-1.

Většina vzorků vykazovala mírnou anizotropii rychlostí. Nejvyšší byla naměřena ve vzorcích z vrtu PZV-1. Rychlost P-vln v ose tohoto vrtu ve vysušených vzorcích byla až o 25% nižší než ve směru protažení zrn a o 15% nižší než ve směru kolmém na protažení zrn.

Seismická měření na vzorcích postihla i relativně malé nehomogenity fyzikálních parametrů v rámci monotónního profilu vrtu a indikovala pozvolné litologické přechody. Velmi dobře indikovala navětrání hornin.

Vzorky z lokalit Cínovec (CS-1) a (CIV-1), Krásno (Kž-25), Potůčky-Podlesí (PTP-4a) a částečně Panské Dubenky (PDV-1) vykazovaly nárůst rychlosti P-vln a S-vln společně z růstem objemové hmotnosti. Rychlost P-vln závisí na poměru elastických modulů a objemové hmotnosti. Trend růstu rychlostí s rostoucí objemovou hmotností se přikládá vyššímu růstu elastických modulů.

Vzorky z lokalit Cínovec (CS-1) a (CIV-1), Krásno (Kž-25), Potůčky-Podlesí (PTP-4a) měly trend poklesu rychlosti P-vln a S-vln společně s růstem otevřené pórovitosti.

Na vysušených vzorcích z lokalit Panské Dubenky (PDV-1), Melechov-Kostelní les (Mel-2) a (MEV-1), Melechov-Zadní les (Mel-4) a (MEV-2), Potůčky-Podlesí (PTP-4a), Krásno (Kž-25) a Cínovec (CS-1) a (CIV-1), Ctětín (CVT-1) a Příbram (MV-4) byl patrný trend snižujících se seismických rychlostí se zvyšujícím se koeficientem hydraulické vodivosti. Tento trend byl korelován.

Hodnoty dynamických modulů pružnosti stanovených na přirozeně vlhkých vzorcích byly vyšší než hodnoty modulů stanovených staticky.

Rychlosti P-vln a S-vln měřené napříč vzorky umístěnými v lisu se v průběhu stlačování zvyšovaly. Nárůst rychlostí seismických vln indikoval uzavírání pórového prostoru během zatěžování. Moduly pružnosti rostly se zvyšujícím se zatěžováním vzorků. Rozdíl hodnot dynamického a statického modulu pružnosti se v průběhu zatěžování snižoval.

Nasycené vzorky měly nižší pevnost v prostém tlaku a statický modul pružnosti než vzorky vysušené ze stejné hloubky. Naopak modul pružnosti stanovený ultrazvukovým prozařováním byl vyšší v nasycených vzorcích než ve vysušených vzorcích z téže hloubky. To bylo způsobeno tím, že se vlnění šířilo rychleji pórovým prostorem, který byl vyplněný vodou, než póry vyplněnými vzduchem. Dynamické moduly vysušených vzorků rostly s rostoucím napětím výrazněji než moduly nasycených vzorků. To bylo způsobeno menším nárůstem rychlosti P-vln a S-vln nasycenými vzorky než vzorky vysušenými, v kterých se při stlačení pórového prostoru měnila rychlost více.

Moduly pružnosti vyhodnocené z druhé odlehčovací větve Goodmanovi zkoušky v rozsahu napětí 40→5 MPa ve vrtech TIV-1, LEV-1 a PTV-1 se pohybují od 11 GPa (TIV-1) do 24 GPa (LEV-1).

Dílčí zpráva č.: IV.f

Analýzy kvalitativních a kvantitativních parametrů jádra z výzkumné lokality

V. Havlová, P. Večerník a kolektiv (2012) – ÚJV Řež a.s.

Cílem prací v roce 2012 bylo především provést kvantitativní stanovení migračních parametrů na všech vybraných horninových vzorků granitoidů, které byly k dispozici, a to jak z archivních vzorků, tak z nových vrtů, zhotovených v rámci projektu. V tomto roce se podařilo dokončit stanovení porozity a efektivního difúzního koeficientu D_e pro nejméně 4 vzorky z každého vrtu, jež byly v rámci projektu sledovány.

V předkládané zprávě jsou prezentovány výsledky dosažené za rok 2012 spolupříjemcem. V rámci výzkumu byly použity metodiky laboratorního měření porozity, průnikových difúzních experimentů a elektromigračních experimentů. V samotném roce 2012 bylo zpracováno 31 horninových vzorků. V součtu bylo zpracováno 81 vzorků granitoidních hornin, což tvoří doposud největší soubor krystalických hornin českého původu, u kterých byly stanoveny migrační parametry, následně využitelné pro modelové výpočty bezpečnosti HÚ či další účely.

Pro stanovení pórovitosti byla použita metoda nasycení vodou, která definuje míru propojeného pórového prostoru, jenž je dostupný pro vodu (efektivní porozita e_t). Difúzní koeficienty byly stanoveny pomocí metodiky průnikových difúzních experimentů a vyhodnoceny jednak pomocí difúzního modulu Goldsim, jednak pomocí metody time-lag. Elektromigrační experimenty využily modifikovanou metodiku (Löfgren (2004)) zavedenou s pomocí autora v laboratořích oddělení Ukládání odpadů ÚJV Řež a.s.

Pokud ze statistického souboru vyloučíme extrémní vzorky z lokality Cínovec, pak hodnoty porozity padají do rozmezí 0,32 – 1,17 %. Porozita se s hloubkou odběru prakticky nemění, i když u některých lokalit je možno vysledovat trend poklesu (např. u lokality Melechov). Ani u porovnání „dvojiček“ vrtů, tj. vrtů, které byly zhotoveny v blízkosti starých vrtů, z nichž byla k dispozici vrtná jádra, neprokázala významnou změnu hodnot porozity v důsledku stárnutí vzorku. Pokud se změny projevovaly, pak nebyly konzistentní v celém profilu jádra a bylo by je možno přičíst spíše zachycení odlišného typu horniny nebo heterogeneitě vzorků.

Pro hodnoty D_e je podstatné, že 85% všech hodnot padá do intervalu hodnot D_e 0,16 - 3,0 m².s^-1. I v rozšířeném souboru dat je možno pozorovat trend nižších hodnot D_e pro vzorky z nově zhotovených vrtů. Pokud vyhodnocujeme vztah mezi hodnotami D_e a porozity a hydraulické konduktivity, pozitivní korelace pro všechny parametry se objevuje např. u horniny z lokalit Melechov (Zadní i Kostelní les) a Podlesí Potůčky (archivní).

Dílčí zpráva č.: IV.g

Matematický model hydrogeochemických a geomechanický vlastností vrtného jádra z výzkumné lokality

L. Gvoždík, M. Milický, M. Polák a kolektiv (2012) - PROGEO s.r.o.

V rámci 4. etapy řešení úkolu “Výzkum vlivu mezizrnné propustnosti granitů na bezpečnost hlubinného ukládání do geologických formací a vývoj metodiky a měřící aparatury“ byla v oblasti matematického hydrogeologického modelování provedena řada prací souvisejících s přípravou a realizací simulací laboratorních a terénních testů. Seznam provedených prací je uveden v následujícím přehledu:

zpracování a vyhodnocení výsledků měření pórovitosti z adsorpce dusíku a ze rtuťové porozimetrie:

- vyhodnocení distribuce pórů do poloměru 100 nm z adsorpce dusíku (měřeno na VŠCHT), statistické a grafické zpracování naměřených dat,

- vyhodnocení distribuce pórů do poloměru 50 mm ze rtuťové porozimetrie (měřeno na VŠCHT, ÚSMH), statistické a grafické zpracování naměřených dat,

- detailní analýza metodiky měření distribuce pórů rtuťovou porozimetrií - vyhodnocení zdrojových souborů, návrh na úpravu metodiky měření a vyhodnocení dat,

automatická digitalizace mikrotrhlin ze snímků z fluorescenčního mikroskopu:

- vypracování postupu a vývoj skriptu pro automatickou vektorizaci mikrotrhlin z rastrových snímků,

- vývoj skriptu pro automatickou analýzu vektorových dat - vyhodnocení délek a směrů mikrotrhlin a jejich propojení,

- grafické a statistické vyhodnocení digitalizovaných dat,

simulace proudění a difuze v mikroměřítku - koncept s 1 sadou mikrotrhlin:

- aktualizace a rozšíření koncepčního modelu mikroměřítka horninové matrice z předchozí etapy (3. etapy řešení úkolu),

- simulace nově proměřených vzorků (ve 4. etapě řešení úkolu), kalibrace modelů a porovnání modelových a měřených dat,

- porovnání modelové sítě mikrotrhlin a sítě na snímcích z fluorescenčního mikroskopu,

zpřesnění geometrického modelu mikrostruktury granitu:

- využití výsledků rtuťové porozimetrie - distribuce velikosti pórů (rozevření mikrotrhlin) - při generování sítě mikrotrhlin,

- využití výsledků digitalizace mikrotrhlin ze snímků z fluorescenčního mikroskopu - délek a směrů - při generování geometrického modelu,

- metodika simulací proudění a difuze na zpřesněném geometrickém modelu,

simulace proudění v makroměřítku v prostředí výzkumné lokality:

- příprava koncepce modelování v makroměřítku – sestavení geometrického modelu, okrajové podmínky, “scaling“ parametrů z mikroměřítka atd.,

- zpracování dat pro kalibraci modelu – výsledky vodních tlakových zkoušek (VTZ),

- stochastické simulace vodních tlakových zkoušek na vrtu PTV1

- porovnání modelových a měřených hodnot.

Všechny zpracované zprávy jsou uloženy u příjemce výzkumného úkolu ARCADIS Geotechnika a.s., Geologická 4 Praha 5- Barrandov u Ing. Záruby.

Práce prováděné v roce 2012 lze tématicky rozdělit do těchto částí:

1 – Laboratorní práce

2 – Terénní práce, mechanicko-fyzikální měření in situ

3 – Matematického modelování proudění a transportu v granitických horninách, matematické modelování mechanicko-fyzikálních vlastností granitických hornin

4 – Výzkum vývoj a odzkoušení laboratorních zkušebních metod