Contribution of matrix hydraulic conductivity to groundwater flow in highly fractured high-porosity rock with low swelling properties and minimal fracture infill

Resumen Técnico: Contribución de la Conductividad Hidráulica de la Matriz al Flujo de Agua Subterránea en Rocas Altamente Fracturadas y de Alta Porosidad

Planteamiento del Problema
El modelado numérico fiable y el escalamiento espaciotemporal del flujo de agua subterránea en rocas fracturadas son críticos para la evaluación de la seguridad de los repositorios geológicos profundos para desechos radiactivos de alta actividad. En las lutitas típicas con bajas propiedades de hinchamiento y un mínimo relleno de fracturas, el flujo está generalmente controlado por la conectividad hidráulica de las fracturas, la cual depende del estado de esfuerzo mecánico (específicamente, el esfuerzo normal efectivo). Sin embargo, la Formación Koetoi en el Laboratorio de Investigación Subterránea (URL) de Horonobe presenta un caso único: es una lutita altamente fracturada y de alta porosidad que exhibe una alta conectividad hidráulica de fracturas independientemente del estado de esfuerzo, a pesar de tener índices de ductilidad (DI > 2, DIu > 0.15) que típicamente sugieren una conectividad limitada.

Si bien la alta densidad de fracturas y los espacios vacíos en las intersecciones de fracturas son contribuyentes conocidos al flujo, la Formación Koetoi también posee una matriz de roca con una conductividad hidráulica inusualmente alta (10⁻¹¹ a 10⁻⁹ m/s) debido a su alta porosidad. No está claro si esta alta conductividad hidráulica de la matriz contribuye significamente al flujo de agua subterránea junto con las fracturas, o si el flujo está dominado únicamente por las redes de fracturas. Clarificar el papel de la matriz de la roca es esencial para seleccionar enfoques de modelado apropiados y para guiar los esfuerzos de escalamiento de modelos.

Metodología
Para abordar esta incertidumbre, los autores realizaron pruebas de inyección hidráulica de tasa constante paso a paso in situ en la Formación Koetoi en el URL de Horonobe.

• Diseño Experimental: Se perforaron cuatro pozos de 20 metros (250-MIG1-1 a 4) y un quinto pozo cercano (250-MIG1-5). Las secciones de monitoreo se particionaron según la densidad de fracturas, variando desde una sección sin fracturas hasta secciones que contienen hasta cinco fracturas.
• Pruebas Hidráulicas: Se realizaron pruebas de inyección escalonadas de tasa de flujo constante para aislar las respuestas hidráulicas del acoplamiento hidromecánico (HM). Las tasas de inyección se incrementaron de forma escalonada (5 a 40 mL/min) para verificar que la conductividad hidráulica permaneciera constante (respuesta de presión lineal), asegurando que las aperturas de las fracturas no fueran alteradas por la prueba.
• Análisis de Datos: Los autores emplearon un modelo de Flujo Radial Generalizado (GRF), que unifica los regímenes de flujo desde lineal hasta esférico utilizando un parámetro de dimensión de flujo ($n$).
• Análisis Inverso: Se aplicó un análisis inverso estocástico utilizando métodos de Monte Carlo por cadenas de Markov (específicamente, el muestreador de Evolución Diferencial de Metropolis) para la estimación simultánea de la conductividad hidráulica ($K_f$), el almacenamiento específico ($S_{sf}$), la compresibilidad de la zona de prueba y la dimensión de flujo ($n$), cuantificando al mismo tiempo las incertidumbres y correlaciones de los parámetros. Se aplicaron distribuciones a priori fuertes a la capacidad de almacenamiento específica basándose en mediciones teóricas e in situ para asegurar resultados físicamente significativos.

Result mayoría de Resultados Clave

• Dimensión de Flujo: Las dimensiones de flujo estimadas en todas las secciones de monitoreo, incluyendo la sección libre de fracturas, fueron consistentemente altas, oscilando entre 2.2 y 3.0. Una dimensión de flujo cercana a 3 indica un flujo esférico, lo que sugiere que el flujo no está restringido a canales de fractura lineales.
• Sección Libre de Fracturas: En una sección de monitoreo que no contenía fracturas (Sección 4 de 250-MIG1-2), se observaron respuestas de presión hidráulica. El análisis identificó de manera única una dimensión de flujo de aproximadamente 3 y una conductividad hidráulica de ~10⁻⁹.⁵ m/s. Esto confirma que el flujo de agua subterránea ocurrió a través de la matriz de la roca por sí sola en ausencia de fracturas.
• Conductividad Hidráulica: Las conductividades hidráulicas estimadas en las secciones fracturadas fueron mayores que en la matriz intacta, pero se mantuvieron dentro del mismo orden de magnitud (10⁻¹⁰ a 10⁻⁸ m/s) que la matriz.
• Acoplamiento Hidromecánico: La relación lineal entre la tasa de inyección y la presión hidráulica confirmó que el acoplamiento HM fue insignificante durante las pruebas; las aperturas de las fracturas no cambiaron significativamente bajo las condiciones de esfuerzo aplicadas.
• Volumen Elemental Representativo (REV): La variación en la conductividad hidráulica estimada convergió dentro de unos pocos metros, lo que sugiere que el REV para la conductividad hidráulica en esta formación es de la escala de unos pocos metros.

Contribuciones Clave

1. Cuantificación de la Contribución de la Matriz: El estudio proporciona evidencia directa in situ de que la alta conductividad hidráulica de la matriz contribuye significativamente al flujo de agua subterránea en la Formación Koetoi, incluso en roca altamente fracturada. El flujo no está dominado únicamente por las redes de fracturas o las intersecciones de fracturas.
2. Validación del Enfoque de Modelado: La aplicación exitosa del modelo GRF combinado con el análisis inverso estocástico demostró que las dimensiones de flujo >2 pueden identificarse de manera fiable incluso en entornos complejos y altamente fracturados, siempre que las incertidumbres de los parámetros se cuantifiquen rigurosamente.
3. Guía de Escalamiento: El hallazgo de que el REV converge a una escala de pocos metros respalda el uso de propiedades físicas efectivas para el modelado del flujo de agua subterránea en este sitio, facilitando el escalamiento de modelos para evaluaciones de seguridad a mayor escala.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el supuesto tradicional —que el flujo en lutitas de bajo hinchamiento está controlado exclusivamente por la conectividad de fracturas dependiente del esfuerzo— no se aplica plenamente a la Formación Koetoi. En su lugar, la alta porosidad de la matriz de la roca crea una vía de alta conductividad que opera concurrentemente con las fracturas.

Los autores enfatizan que clarificar el papel de la matriz de la roca es esencial para la selección de modelos numéricos apropiados. Los resultados sugieren que los modelos que asumen que el flujo está restringido a redes de fracturas discretas pueden ser insuficientes para esta formación. En cambio, un enfoque de doble porosidad o de medio continuo que utilice parámetros efectivos derivados de la alta conductividad de la matriz y las altas dimensiones de flujo es más apropiado.

El estudio concluye que, si bien tanto las fracturas como la matriz de la roca contribuyen al flujo, las funciones específicas de estas características en el transporte de solutos aún deben determinarse. Los autores señalan que se planean pruebas de trazadores posteriores y muestreos detallados de núcleos para dilucidar más a fondo las contribuciones individuales de las fracturas y la matriz al transporte de solutos, pero las pruebas hidráulicas actuales confirman el papel de la matriz en el flujo de fluidos.