Collaborative Research: Coupled Thermal-Hydrological-Mechanical-Chemical-Biological Experimental Facility at DUSEL Homestake

合作研究:DUSEL Homestake 的热-水文-机械-化学-生物耦合实验设施

基本信息

项目摘要

This project will develop a preliminary design and work-breakdown-structure for a large-scale subsurface experimental facility to investigate coupled thermal-hydrological-mechanical-chemical-biological processes in fractured rock at depth. The experiment will be part of the proposed Deep Underground Science and Engineering Laboratory (DUSEL) in the Homestake Mine, South Dakota. Many natural and engineered earth systems involve coupling of multiple processes in rocks that vary across a wide range of scales. The most pervasive process in the Earth?s crust that gives rise to strongly coupled phenomena is the flow of fluids (water, CO2, hydrocarbons, magmas) through fractured heated rock under stress. Understanding changes in the reactivity, deformability, life-supporting and transport properties of rocks that fluids infiltrate is important in a broad range of geological engineering and geological science endeavors. Despite this fundamental importance, the interactions remain poorly understood.The project will: (1) Determine properties of Homestake rocks: geological, geochemical, mechanical, thermal, isotopic, and reactivity. (2) Upscale these data to elucidate transport mechanisms (conductive versus convective), natural reaction rates in fractures, and microbial community evolution. (3) Evaluate monitoring strategies, in-situ probes and sampling methods, and necessary measurements. (4) Select a candidate site for the evaluating coupled processes. (5) Develop a work-breakdown-structure. (6) Develop a coupled numerical model to evaluate potential effects on the rock mass and optimal heater configuration, power, and monitoring borehole orientations.The models and insight from these experiments will have broad applicability to engineered systems, e.g., enhanced geothermal systems, CO2 sequestration and subsurface contaminant transport. Educational outreach will involve facility tours and a traveling benchscale ?mock-up? demonstration experiment.
该项目将开发出大规模地下实验设施的初步设计和工作破裂结构,以研究深度断裂的岩石中耦合的热溶质机械化学生物学过程。该实验将是南达科他州霍姆斯塔克矿的拟议深层科学和工程实验室(Dusel)的一部分。许多天然和工程的地球系统涉及在各个尺度上各种岩石中多个过程的耦合。地壳中最普遍的过程产生了强烈耦合现象,这是流体(水,二氧化碳,碳氢化合物,岩浆)通过压力下的加热岩石的流动。在广泛的地质工程和地质科学努力中,了解流体浸润的岩石的反应性,可变形性,支持生命力和运输特性的变化很重要。尽管具有如此重要的重要性,但相互作用仍然很少理解。项目将:(1)确定寄宿岩石的特性:地质,地球化学,机械,热,同位素和反应性。 (2)高档这些数据以阐明运输机制(导电与对流),裂缝中的自然反应速率以及微生物群落进化。 (3)评估监视策略,原位探针和采样方法以及必要的测量。 (4)选择一个评估耦合过程的候选站点。 (5)开发一个工作破裂的结构。 (6)开发一个耦合的数值模型,以评估对岩石质量和最佳加热器配置,功率和监视钻孔方向的潜在影响。这些实验的模型和见解将对工程系统具有广泛的适用性,例如增强的地热系统,CO2,CO2,CO2隔离和地下污染物运输。教育外展活动是否涉及设施之旅和旅行的台式?演示实验。

项目成果

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