2011 Průběh projektu
1) PROGEO - Matematický model hydrogeochemických a geomechanických vlastností – simulace proudění a difuze v horninové matrici
Při řešení úkolu jsou modelové simulace zaměřeny hlavně na analýzu výsledků získaných při laboratorních a terénních testech. Zaměření výzkumného úkolu na mikroměřítko prostředí granitových hornin klade specifické nároky na aplikaci obvyklých postupů matematického modelování proudění a transportu. Validované programy pro modelování v oblasti hydrogeologie (MODFLOW, FEFLOW, NAPSAC) jsou primárně navrženy a téměř výhradně používány pro makroměřítko odpovídající velikosti základního elementárního objemu (REV) v řádu jednotek až desítek metrů. Přechod do mikroměřítka (úlohy s diskretizací v řádu jednotek milimetrů a menší) je v podstatě experimentální záležitostí. Použití standardních modelových nástrojů pro simulace úloh proudění a transportu v mikroměřítku vyžaduje rozsáhlé testování možných postupů a provedení citlivostních analýz na různé modelové parametry.
Pro geometrický model horninové matrice jsou zvoleny 4 konceptuální přístupy, které pomocí diskrétních puklin (s nutnou mírou zjednodušení) simulují jednotlivé mikrotrhliny. Vstupními daty modelových simulací jsou informace o velikosti, rozevření a množství mikrotrhlin a údaje o konfiguraci testu (okrajové a počáteční podmínky, velikost vzorku). K ověření modelových výstupů proudění a transportu jsou použity měřené hodnoty pórovitosti, hydraulické vodivosti a difuzního koeficientu.
Vzhledem k tomu, že jsou výsledky modelových simulací přímo závislé na kvalitě měřených dat, byla provedena analýza měřených parametrů pro různé metody měření. Ukazuje se, že rozdílné metodiky měření poskytují kromě rozdílných hodnot parametrů také nejednoznačnou interpretaci výsledků (např. měření pórovitosti). Nezanedbatelný vliv na velikost proudění a velikost difuze má pravděpodobně také velikost laboratorního vzorku a porušená zóna při povrchu vzorku (vzniká při přípravě vzorku).
Kalibrované modely hydraulických a difuzních testů byly provedeny v programu NAPSAC, který umožňuje simulovat velmi detailní a komplexní síť mikrotrhlin. Simulace difuzních procesů je ale v případě programu NAPSAC omezena pouze na ustálený transport stopovače. Pro simulaci transientního transportu difuzí musel být vyvinut speciální program.
Modely vzorků z archivních a nových vrtů byli kalibrovány pro zvolenou konektivitu sítě mikrotrhlin KON_4. Pomocí dostupných dat není možné simulovat „reálný“ model matrice granitu, ale na základě kalibrace modelu lze vysvětlit vzájemný vztah mezi pórovitostí, propustností a difuzí u jednotlivých vzorků. Model nevyjadřuje skutečnou geometrii pórů, ale ukazuje, že např. u dvou vzorků se stejnou pórovitostí by měl mít vzorek s větší difuzí a menší propustností hustější síť mikrotrhlin, mikrotrhliny by měly mít menší velikost apod. Pro detailnější geometrický model je potřeba dostatek vstupních dat týkajících se rozměrů, množství a propojení mikrotrhlin ve skutečné horninové matrici.
Simulace terénního barvícího testu byla provedena v programu MODFLOW. Variantní simulace umožnily porovnat výsledky transportu pro laboratorní a terénní charakteristiky prostředí. Výsledky modelu velmi dobře odpovídají měřenému průniku barviva a poukázaly (pro realizovaný experiment s tlakovým rozdílem mezi zapakrovaným úsekem vrtu a okolní horninou) na významný vliv advektivního proudění při transportu barvící látky horninovou matricí.
2) UJV
V předkládané zprávě za rok 2011 jsou zpracovány výsledky experimentálních stanovení pórovitosti a difúzních koeficientů jak pro vzorky archivní (VP5, MV4), tak pro vzorky z nových vrtů (PDV1, PZV1, CTV1, MEV1, MEV2, K1, CIV1). Pro archivní vzorky z vrtů CS1, KŽ25, MEL2 a MEL4, jejichž porozita a difúzní koeficienty byly stanoveny v roce 2010, byly provedeny první elektromigrační experimenty s jodidovým aniontem jako stopovačem.
Pro zkoumané horninové vzorky byla stanovena porozita v rozpětí hodnot 0,23 – 3,39 %. Vyšší hodnoty porozity vykazují opět vzorky z nového vrtu z lokality Cínovec, i když o procento nižší než v případě archivních vzorků. Porozita pro vzorky z čerstvých vrtů se s hloubkou více méně nemění na rozdíl od archivních vrtů, kde lze pozorovat určitý náznak trendu snížené porozity ve větší hloubce. Obecně lze také říci, že hodnoty porozity pro vzorky z nových vrtů (samozřejmě kromě vzorků z extrémní lokality Cínovec) inklinují k nižším hodnotám porozity. Tento fakt je velmi důležitý, neboť nalezení hraničních hodnot z různých poloh granitových masivů je velmi podstatné pro případné využití dat pro hodnocení bezpečnosti pro ukládání různých typů odpadů.
Pro hodnoty efektivního difúzního koeficientu De je důležité, že 78% všech hodnot z 58 vzorků padá do rozmezí 0,4-3,0x10-12 m2.s-1. I toto rozmezí lze považovat za významné pro potenciální využití dat pro charakterizaci horninového prostředí v rámci hodnocení bezpečnosti. Určitý trend nižší hodnot De lze pozorovat pro „čerstvé“ vzorky, ale k posouzení možných změn v míře difúze v závislosti na stáří vzorku je nutno počkat na detailnější vyhodnocení hodnot pro dvojice vrtů. Další posuzování získaných hodnot difúzního koeficientu by mělo směřovat ke srovnání mineralogického složení a petrografického charakteru zpracovávaných vzorků.
Omezené množství dat zatím neumožnilo větší uplatnění výsledků elektromigračních experimentů (tzv. formační faktor Ff) pro vyhodnocení charakteristik horninové matrice. První náznaky ukazují na vliv aniontové exkluze na průchod I- , tj. potenciální vliv menších záporně nabitých pórů na průchod aniontu. Další závěry bude možné vytvořit až po zpracování dalších vzorků.
V roce 2012 budou práce pokračovat obdobným způsobem. Budou pokračovat stanovení hodnot porozity a difúzních koeficientů a současně budou provedeny i elektromigrační stanovení migračních parametrů (De, Ff). Důraz bude kladen také na srovnání dvojic vrtů, zhotovených na stejných lokalitách.
3) ČGS
Předkládaná zpráva shrnuje výsledky výzkumu chemických a fyzikálních vlastností horninové matrice (mezizrnná propustnost) i horninového prostředí jako celku na výzkumných lokalitách provedených v převážné míře Českou geologickou službou v roce 2011.
Výzkum byl zaměřen na poznání hydrochemických, geochemických, hydraulických a petrofyzikálních vlastností horninového prostředí a na získání informací o geologických poměrech na lokalitách, petrologickém a chemickém složení testovaných hornin a charakteru puklinové sítě, což jsou nezbytné podklady pro zpracování a vyhodnocení různých typů terénních a laboratorních testů prováděných v rámci celého řešitelského týmu.
Výzkumné práce zahrnovaly studium puklinových sítí v mikroměřítku na horninových výbrusech i v makroměřítku na vrtných jádrech, výzkum cest a rychlostí šíření stopovačů (barviv) horninovou matricí v laboratoři i in situ na výzkumné lokalitě, terénní výzkum hydraulických vlastností hornin a chemických vlastností podzemních vod a studium petrofyzikálních vlastností hornin. Byly jednotně zpracovány geologické charakteristiky výzkumných lokalit, vyvinuta petrologická databáze umožňující systematické hodnocení vlivu petrologických vlastností hornin na její fyzikální vlastnosti.
Byl zrealizován unikátní in situ barvící experiment v hloubce100 mpod zemským povrchem zaměřený na studium šíření látek neporušeným horninovým prostředím. Úspěšně odvrtané a vytěžené horninové jádro poskytlo cenné informace o rychlosti šíření stopovací látky v přirozeném tlakovém poli, v následných etapách bude detailní studium zaměřeno na charakteristiku cest pronikání látek do horninové matrice.
Terénní a laboratorní výzkum chemických a fyzikálních vlastností horninové matrice granitoidů i horninového prostředí jako celku a vzájemné srovnání výsledků různých metod pro jednotlivé vzorky i vrty přineslo řadu poznatků o zákonitostech výskytu a formě mezizrnné propustnosti (propustnosti horninové matrice).
Výsledky úvodního vyhodnocení například indikují analogii mezi propustností horninového prostředí jako celku a propustností horninové matrice. Důvodem může být obdobný charakter puklinové sítě v mikro (horninová matrice) i makro měřítku (hornina jako celek) u jednotlivých typů granitu. Je-li u konkrétního typu granitu tendence ke vzniku otevřených vodivých puklin a jeho celková propustnost je vysoká, budou se pravděpodobně otevřené mikrotrhliny vyskytovat i v horninové matrici. To vše zřejmě závisí na obsahu křemene v granitoidu a mnoha dalších faktorech, které budou předmětem studia v dalších etapách výzkumu.
V makro i mikro měřítku také u jednotlivých typů granitoidů není prokazatelná závislost mezi četností puklin respektive pórovitostí a hydraulickou vodivostí. V rámci jednoho typu granitoidu pak je už tento vztah znatelný, zejména u horninové matrice. Hydraulická vodivost závisí převážně na typu puklinové, respektive mikro puklinové a pórové sítě, tedy na průběžnosti puklin, na míře jejich vzájemného propojení a rozevření průběžných puklin, v mnohem menší míře pak na celkovém objemu (četnosti) puklin a pórů. V různých typech granitů vznikají různé puklinové sítě v závislosti na jejich fyzikálních, chemických vlastnostem a působícímu tlakovému poli.
Nedílnou součástí výzkumných prací byl vývoj nové metodiky a přístrojového vybavení pro terénní i laboratorní měření. Jednalo se zejména o vývoj zařízení pro terénní měření propustnosti horninové matrice, barvící experiment in situ, inovaci zařízení pro standardní VTZ a vývoj metodiky petrofyzikálních měření. V roce 2011 byla podána na úřad průmyslového vlastnictví přihláška vynálezu a užitného vzoru na nově vyvinutá zařízení. Poznatky získané v průběhu dosavadních etap řešení projektu byly publikovány v recenzovaném periodiku a prezentovány na mezinárodní konferenci.¨
4) AGT
Laboratorní vzorky byly podrobeny souboru deformačních testů, na základě jejichž výsledků byly stanoveny základní geomechanické vlastnosti jmenovitě pevnost v prostém tlaku a příčném tahu, modul pružnosti a přetvárnosti a Poissonovo číslo. Dále se na laboratorních vzorcích měřila rychlost seismických vln a její výsledky byly porovnány s jejich objemovou hmotností, pórovitostí a koeficientem hydraulické vodivosti. Poté se porovnaly 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.
5) ISATECH - Laboratorní výzkum srovnávacích horninových vzorků – barvící a stopovací zkoušky
Dílčí zpráva Laboratorní výzkum srovnávacích horninových vzorků – barvící a stopovací zkoušky byla vypracována v rámci projektu FR-TI1/367, který studuje mezizrnnou propustnost v granitech. Popisuje práce provedené v laboratoři společností Isatech, s.r.o. Ostatní jsou pak dokumentovány v dílčích zprávách společností ARCADIS-Geotechnika a.s., Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR v.v.i. a Ústav jaderného výzkumu Řež a.s.
Zpráva v úvodu shrnuje koordinační činnost při řízení a sledu prací (laboratorních i terénních) na kontrolních dnech. Práce probíhaly podle naplánovaného rozvrhu a kolektiv řešitelů se pravidelně seznamoval s výsledky ostatních spoluřešitelů.
Hlavní náplní laboratorních prací byly v roce 2011 dva typy experimentů: tzv. Simple ink testy a fluoresceinové testy (měřené na spektrometru.
Simple ink testy probíhaly obdobně jako minulý rok. Používala se speciální aparatura, k níž byl pomocí pakru připojen granitový vzorek, do kterého bylo pod tlakem vtláčeno barvivo (inkoust). Zaznamenával se čas průniku barviva na povrch a po oschnutí byl vzorek rozštípnut. Následně byl makroskopicky a mikroskopicky popsán charakter šíření inkoustu uvnitř vzorku. Výsledky byly zdokumentovány fotograficky a mikro kamerou.
Nově byl v roce 2011 spuštěn experiment s fluoresceinem. Jeho hlavním cílem bylo potvrdit propustnosti vzorků zjištěných v průběhu Simple ink tesů. Vedle informace o průniku barviva vzorkem byla získána u každého vzorku také koncentrační křivka udávající nárůst koncentrace fluoresceinu projitého vzorkem. Instrumentace testu byla identická se simle ink testy, navíc však byla připojena na spektrometr, který každých deset sekund zaznamenal absorbanci roztoku v okolí vzorku.
Vzhledem k menšímu množství získaných dat ze spektrometru nelze zatím výsledky podrobněji srovnávat. U vzorků z lokality Melechov - Kouty potvrdily testy trend poklesu propustnosti s hloubkou, u lokality Ctětín zase nepropustnost některých vzorků.
V příštím roce budou pokračovat Simple ink testy i experimenty s fluoresceinem. Dále bude proveden detailní makro a mikro popis vzorků a porovnány výsledky získané oběma metodami.
6) ISATECH – Sled a řízení terénních prací
Dílčí etapová zpráva 3.a podrobně popisuje procesy řízení terénních prací v roce 2011 v rámci projektu FR-TI1/367. Řízení probíhalo pravidelně v rámci kontrolních dnů, kde jednotlivé instituce prezentovaly dosažené výsledky, které byly následně v kolektivu řešitelů diskutovány. Dále byly v rámci kontrolních dnů plánovány další postupy. Součástí zprávy je zkrácený a upravený přepis obsahu kontrolních dnů a stručný popis provedených terénních prací. Výsledky terénních prací lze najít v dílčí zprávě 3.d.
Důležitou součást plánování prací tvoří proces povolování a ohlašování vrtů, které nutně předchází všem výzkumným pracím. Ve zprávě jsou předloženy podklady používané v komunikaci s dotčenými orgány a institucemi – projekty geologických prací, kopie katastrálních map a mapy širších vztahů. Další kapitoly se zaměřují na jednotlivé skupiny dotčených orgánů a institucí, které vyřizují povolení ke vstupu na pozemek, vyjadřují se k existenci podzemních sítí a povolují geologické práce podle platných zákonů.
Terénní práce proběhly v roce 2011 na šesti lokalitách. K plánovaným pěti byla přidána jedna navíc kvůli navrtání starých důlních chodeb na lokalitě Cínovec. Ostatní práce proběhly podle předpokladu a poskytly řadu důležitých dat.
7) ISATECH – Měření prvotních terénních dat
Dílčí etapová zpráva navazuje na dílčí etapovou zprávu 3.a, která se zabývá sledem a řízením terénních prací a popisuje základní metody použité v rámci výzkumného projektu FR-TI1/367. Obsahuje výsledky terénních měření vykonaných společnostmi ARCADIS-Geotechnika a ISATech.
V roce 2011 proběhly terénní práce na šesti lokalitách. Kvůli navrtání starých důlních chodeb na lokalitě Cínovec byla oproti plánovaným pěti lokalitám přidána jedna navíc. Šestici vrtů tvořily: Melechov – Zadní les, Cínovec, Potůčky, Lesná, Příbram a Tis u Blatna. Terénní práce zahrnovaly vrtné práce, dokumentaci vrtného jádra a karotáž. Česká geologická služba provedla sérii tlakových vodních zkoušek (výsledky jsou v etapové zprávě 3.b).
Vedle klasického vrtání byl v roce 2011 odvrtán minivrt do dna stávajícího100 mvrtu na lokalitě Tis u Blatna pro realizaci další barvicí zkoušky in-situ a úspěšně převrtán minivrt na lokalitě Melechov – Kouty, realizovaný v roce 2010, na němž v roce 2011 Česká geologická služba barvící experiment in-situ provedla.
Na všech šesti nových vrtech a jednom archivním (Potůčky) proběhla komplexní karotážní měření zahrnující gama, gama gama a neutron karotáž, kavernometrii, termometrii, rezistivimetrii, fotometrii, magnetickou a elektrickou karotáž, akustickou karotáž a kameru, akustickou kameru s plným vlnovým záznamem a optickou kameru. Velmi užitečnou metodou bylo použití akustické televize ABI40, pomocí níž lze měřit směr a sklon puklin. Porovnání těchto údajů a výsledků z optické kamery a popisu jádra poskytlo hodnotné informace o puklinové síti v okolí vrtů. Celý soubor všech karotážních metod byl následně využit při plánování navazujících vodních tlakových zkoušek.