background image

www.geologicacarpathica.sk

GEOLOGICA CARPATHICA, AUGUST 2009, 60, 4, 271—281                                             doi: 10.2478/v10096-009-0019-y

Stochastic hydrogeological modelling of fractured rocks:

a generic case study in the Mórágy Granite Formation

(South Hungary)

KÁLMÁN BENEDEK and GYULA DANKÓ

Golder Associates (Hungary) Ltd., Hűvösvölgyi út. 54, H-1021 Budapest, Hungary;  kbenedek@golder.hu;  gdanko@golder.hu

(Manuscript received June 3, 2008; accepted in revised form December 18, 2008)

Abstract: In connection with the Hungarian radioactive waste disposal program a detailed study of the mass properties of
the potential host rock (granite) has been carried out. Using the results of this study the various parameters (orientation,
length, intensity, transmissivity, etc.) describing a fracture set were estimated on the basis of statistical considerations.
These estimates served as basic input parameters for stochastic hydrogeological modelling of discrete fracture networks
(DFN), which is a strongly developing area of hydrology, providing geologically realistic geometry for site investigations.
The synthetic fracture systems generated were tested against some (but not all) field observations. The models built up on
the basis of the statistical descriptions showed the same equivalent hydraulic conductivity for the modelled region as the
field measurements. In addition, the models reproduce the observed hydraulic head-scattering along vertical boreholes. On
the basis of the stochastic simulations of the fracture system some input parameters for the performance assessment of the
planned repository were investigated. Calculation of flows into a planned disposal tunnel indicated that if the hydraulic
conductivity of the material in the tunnel is the only variable parameter then there are two thresholds: under 1

×10

—9 

m/s

and above 1

×10

—5 

m/s further change of the hydraulic conductivity does not dramatically affect the inflow.

Key words: Mecsek Mts, uncertainty, stochastic simulations, hydrogeological conditions, fractured rocks, granite.

Introduction

Fractured rock investigation often focuses mostly on discon-
tinuities. One reason, from a hydrogeological point of view,
is  that  fractures  are  usually  more  permeable  than  the  sur-
rounding  rock.  Consequently  flow  and  transport  processes
are concentrated mainly in the fracture systems in the inves-
tigated rock mass. Fractures are also important in ore depos-
its,  and  petroleum,  gas  and  geothermal  reservoirs  are
frequently located in fractured rocks (Van Golf-Racht 1982).

After  the  publication  of  the  pioneering  study  by  Snow

(1965), the hydrogeological approach to fractured rocks un-
derwent a gradual change. Researchers realized that fractures
behave as conducting features and often have a special role
in flow and transport processes.

The development of discrete fracture network (DFN) mod-

elling technologies was accelerated by underground research
laboratories  (URL)  for  radioactive  waste  (Sweden,  Canada,
United  States,  Japan,  etc.).  The  aim  was  to  characterize  the
fractures  and  to  develop  tools  able  to  reproduce  measured
field data and to handle parameter uncertainties. These stud-
ies highlighted the need for proper integration of geological,
hydrogeological,  geochemical  and  geophysical  data  (Neu-
man 2005). In addition, the hydrogeological studies in URLs
were able to provide some important input parameters for re-
pository performance assessments.

In most cases fractured rocks must be characterized in situ.

An  advantage  of  in  situ  measurements  is  that  the  data  in-
clude the effect of field stress conditions and of fracture con-
nectivity.  The  most  widely  used  method  is  the  single
borehole packer test and multi-borehole interference tests are

also  used  (Neuman  2005)  in  order  to  gain  information  about
the flow system on a larger scale. High-resolution flow-meters
(Rouhiainen & Pöllanen 1999) can provide detailed informa-
tion about the conductive fractures intersecting a borehole.

A key finding was that at some sites the fracture network

is  not  continuous  (Uchida  et  al.  1998;  Sawada  et  al.  2000).
This means that fractures or fracture clusters are not connect-
ed with each other, and thus that there is not hydraulic conti-
nuity  between  all  points  in  a  studied  region.  This  feature  is
known as compartmentalization.

Almost all the studies in URLs have concluded that all frac-

ture parameters (transmissivity, size, etc.) have a strong scale
dependence  (La  Pointe  &  Outters  2000;  Andersson  et  al.
2002). For example, cm-scale fractures cannot be investigated
in regional scale mapping and, conversely, large tectonic lin-
eations cannot be observed in thin sections, although both of
them may belong to the same fracture system. These consider-
ations  emphasize  the  need  for  mathematical  techniques  that
are able to integrate data measured at different scales.

Most  approaches  consider  discontinuities  in  a  fractured

rock mass as a two or three dimensional network of polygons
(Neuman  2005).  These  polygons  are  usually  described  by
stochastic  parameters  for  location,  size,  orientation,  trans-
missivity,  etc.,  since  these  data  cannot  be  determined  for
each  fracture  deterministically  (Dershowitz  et  al.  1998;  M.
Tóth  et  al.  2004).  The  results  from  field  measurements  and
observations  need  some  interpretation  (conceptualization)
and statistical processing before becoming input parameters
for  DFN  modelling.  The  concept  must  be  compatible  with
the general geological and hydrogeological conditions of the
studied site.

background image

272

BENEDEK and DANKÓ

The investigation of potential disposal sites for radioactive

waste in Hungary started in 1992 (Balla 2000). After a screen-
ing  process  the  interest  has  been  focused  on  Mississippian
granite (Mórágy Granite Formation) in the vicinity of the vil-
lage  of  Bátaapáti  (Fig. 1).  The  geological  exploration  of  the
area  has  been  organized  and  financed  by  the  Public  Agency
for Radioactive Waste Management (PURAM). Several bore-
holes have been drilled (Balla et al. 2003) in the studied area
in order to obtain information about fracture orientation, frac-
ture  density,  rock  stability  etc.  and  to  assess  the  geological/
hydrogeological suitability of the site (Balla et al. 2004). It is
important to note that this study is mainly generic and utilized
only data available from surface based investigations (Balla et
al. 2003) and did not consider data from access tunnel excava-
tions.  The  basis  of  this  paper  was  originally  presented  by
Benedek & Mező (2005).

The structural evolution of the granite and the mechanisms

of different deformation phases are discussed by Maros et al.
(2004).  The  authors  suggested  that  the  pluton  underwent  a
complex tectonic evolution starting from the magmatic stage
and  then  subsequently  the  Variscan  and  the  Alpine  oroge-
nies.  Two  alternative  theories  were  proposed  to  explain  the
present structural pattern of the site: 1) folding related evolu-
tion; and 2) strike-slip faulting.

In the first section of this study we intend to reproduce the

geometry  (orientation,  length,  density,  etc.)  of  the  fracture
system observed in the Mississippian granite formation and
additionally to estimate flow parameters of fractures (trans-
missivity).  It  is  noteworthy  that  the  up  to  date  conceptual
model developed for the site will not be presented, since the
main  aim  of  this  paper  is  to  demonstrate  the  capabilities  of
the  DFN  approach.  In  the  second  step  fracture  systems  are

built up stochastically (50 realizations) and we show differ-
ent, but not all aspects of the model’s applicability.

Site geology

The site discussed in this paper is located in the Mecsek Mts

in southern Hungary (Fig. 1). On the basis of geological inter-
pretations the system can be divided into two main segments:
1) overlying sediments and 2) the granite system (Balla et al.
2003). It is important to note that the granite can also be divid-
ed into subsystems: 1) weathered granite and 2) fresh granite.
This paper focuses on the latter one.

Buda et al. (2000) distinguished four different types of crys-

talline rocks at the investigated site: 1) microcline granitoids
containing megacrysts, 2) amphibole-rich enclaves, 3) micro-
granites, 4) pegmatites. They suggested, based on whole-rock
major and trace element geochemistry, that partial melts were
formed  in  a  continental  collision  zone  during  the  Variscan
orogeny. In addition, basaltic melts could have been generated
as  a  consequence  of  partial  fusion  of  a  mantle  wedge  above
the  subduction  zone.  The  granite  body  underwent  numerous
secondary  processes:  K-metasomatism,  mylonitization,  cata-
clasis, hydrothermal alteration and mineralization. In addition,
the  granite  was  affected  by  multiphase  metamorphic  events
(Koroknai 2003) which resulted in the formation of slate, my-
lonite, etc. The age of the granite formation is the subject of
debate:  Balogh  et  al.  (1983)  suggest  a  Carboniferous  forma-
tion age, however Chernysev et al. (2002) argues for a meta-
morphic event at that time.

The  granite  was  penetrated  by  swarms  of  Cretaceous  ba-

saltic  (bostonite,  trachyandesite)  dykes  (Harangi  2003).  At

Fig. 1. Generalized map of the study area.

background image

273

STOCHASTIC HYDROGEOLOGICAL MODELLING OF FRACTURED ROCKS (SOUTH HUNGARY)

the interface between the granite and dykes a cooling margin
can  frequently  be  observed  and  this  is  usually  associated
with fractures. The dykes are strongly weathered and hydro-
thermally altered.

Hydrogeological conditions

At the site of the planned repository very detailed investi-

gations  have  been  carried  out  using  various  methods.  The
hydrogeological conditions of the entire investigated area is
presented in the basic paper of Balla et al. (2004).

Among the features of the fresh granite, one of the most im-

portant is its strongly fractured and argillized character in local
zones of tectonic displacements. It is also heterogeneous (Ma-
ros et al. 2003). Extensive single-hole packer testing, with an
average test interval length of 10 m, found that packer interval
transmissivities vary over six orders of magnitude without any
spatial trends (Balla et al. 2004). The calculated transmissivity
of the fresh granite is in the range between 10

—12

 and 10

—6 

m

2

/s.

The transmissivity of the main water conductive features var-
ies between 8

×10

—6

 and 2

×10

—5 

m

2

/s (Balla et al. 2004).

A  typical  hydraulic  head  profile  along  a  borehole  is  dis-

played  in  Fig. 2.  The  variability  of  hydraulic  head  results
from two different phenomena: 1) small scale (1 to 5 m) hy-
draulic  head  scattering  and  2)  large  (5  to  20 m)  hydraulic

head  jumps.  The  first  is  caused  by  the  natural  variability
(fracture  orientation,  size,  transmissivity  and  connectivity)
and clustering of fracture systems. Balla et al. (2004) suggest
that  the  large  hydraulic  head  jumps  are  associated  with  the
strongly  altered,  argillized  fault  core  zones  observed  in  the
granite. It is frequently concluded that the boundary between
compartments  with  different  hydraulic  heads  must  have  a
very  low  permeability  (Dershowitz  et  al.  1998).  In  the  case
of the studied area Tóth et al. (2003) estimated the hydraulic
conductivity of these zones to be 10

—12 

to 10

—10 

m/s by using

inverse  modelling  technique.  Cross-hole  interference  tests
clearly  demonstrated  that  borehole  sections  displaying  only
small  scale  hydraulic  head-scattering  are  within  a  single
compartment (Benedek et al. 2003a). At site scale the strong-
ly  compartmented  character  causes  high  complexity  of  the
flow pattern. In this paper the effects of compartment bound-
aries  and  the  general  conceptualization  of  the  site  are  not
considered  further.  This  paper  studies  conditions  within  a
single compartment.

The chemistry of groundwater at the site has been studied

in detail by Horváth et al. (2003). They suggested that in the
northern area the vertical flow velocity component is larger
than in the South. This is presumed to reflect differences in
the  compartmentalization  of  the  granite.  In  this  paper  only
boreholes located in the southern section were considered. In
this  part  of  the  site  6  boreholes  (Üh-3,  Üh-4,  Üh-5,  Üh-22,
Üh-26, Üh-28) have been drilled (Fig. 1).

Modelling tool applied

The  modelling  tool  (FracMan  software  package)  applied

was developed by Golder Associates Inc. (Seattle) to model
the geometry of discrete features, including faults, fractures,
paleochannels,  karstic  elements  and  stratigraphic  contacts
(Dershowitz et al. 1998). This software is frequently used in
nuclear projects and in the oil industry. The oil industry ap-
plies  the  software  in  up-scaling  information  from  fractured
rock  reservoirs  to  equivalent  continuum  models,  to  predict
well production and to provide information about the neces-
sary well spacing.

FracMan simulates fractures as 3-D networks of triangular

finite elements. The software represents individual fractures
as 2-D elements defined stochastically based on probability
distributions for orientation, length, transmissivity, aperture,
storativity, etc. In addition, deterministic features can also be
involved  in  the  models.  The  solver  for  FracMan  (MAFIC)
uses  a  Galerkin  finite  element  solution  scheme  to  approxi-
mate  the  solution  for  the  diffusivity  equation  (Bear  1972).
FracMan  is  also  able  to  model  coexisting  matrix  (generic
matrix block or fully discretized matrix elements) and frac-
ture (DFN elements) systems. Solute transport modelling un-
der  steady-state  or  transient  flow  conditions,  and  stochastic
emulation of convective dispersion, matrix diffusion, radio-
active  decay  and  mineral  specific  retardation  are  also  sup-
ported.  Boundary  conditions  are  assigned  in  the  traditional
way (constant or transient hydraulic head and flux).

FracMan provides an integrated environment for the entire

process  of  discrete  feature  data  analysis  and  modelling.  In

Fig. 2. Head profile along a borehole (Üh-28) at the site. Small scale
head-scattering and larger jumps in head are indicated with arrows.

background image

274

BENEDEK and DANKÓ

the  first  step  the  user  can  analyse  and  transform  raw  field
data  (fracture  orientation,  packer  interval  transmissivity,
fracture  density,  etc.)  into  the  format  required  for  discrete
fracture modelling. In the next step, stochastic simulations of
fracture patterns can be made. If the generated fracture sys-
tems meet the selection criteria they can be converted into a fi-
nite element mesh with the appropriate hydraulic parameters.

The software is also able to model fractures generated un-

der  specific  geological  and  geodynamic  conditions.  For  ex-
ample, the software has the capability to reproduce fractures
generated due to folding, faulting, hydrofracturing or result-
ing from a specific in situ stress field.

Model size, boundary conditions

The  size  and  boundary  conditions  for  the  model  were

highly  simplified,  recognizing  that  for  a  specific  location
compartment  boundaries  may  need  to  be  considered.  The
model  was  a  generic  cube  with  200 m  sides.  The  boundary
conditions were defined to result in a one directional flow of
1% gradient, from S to N. The other faces of the cube were
defined as no-flow boundaries.

The  model  contained  stochastic  and  deterministic  ele-

ments. The stochastic elements represent the fractures in the
granite and the deterministic elements the planned waste dis-
posal tunnel.

Stochastic elements

Fracture orientation

The total set of fracture orientation data was measured in

individual boreholes by BHTV (acoustic borehole teleview-
er; Zilahi-Sebess et al. 2003). For this study only the hydrau-
lically  active  fractures  have  been  considered,  as  other  ones
have  only  a  limited  role  in  the  flow  system.  The  selection
was made using the results of high-sensitivity flow measure-
ments  (Heat-Pulse  Flowmetry  (HPF);  Szongoth  &  Galsa
2003). These were carried out at 1 m scale, and provide data
on inflow intensity and location. The combination of the two
data sets (BHTV and HPF) allows the estimation of orienta-
tions  and  of  the  one-dimensional  (along  boreholes)  fracture
intensities of the hydraulically active fractures.

Visually two (or three) sets of fractures can be distinguished:

1) NE-SW strike, SE dip; 2) E-W strike, N dip; 3) N-S, NW-SE
strike, W, SW dip (Fig. 3). For this study the probability dis-
tributions of the fracture orientation data were approximated
using  the  univariate  Fisher  distribution  (Mardia  1972).  The
probability distribution is defined as follows:

where 

κ  is  the  distribution  parameter  and  ϕ’,  Θ’  are  the

variations about the mean direction. The goodness of fit was
demonstrated by Kolmogorov-Smirnov statistics. To reduce
the overestimation of horizontal and sub-horizontal fractures
due to the vertical orientation of the boreholes the Terzaghi
(1965) correction was applied.

For the study described in this paper only two sets of frac-

tures (NE-SW and N-S, NW-SE strike) were defined in order
to simplify the system and to reduce computation time. The
results are presented in Table 1.

Fracture size distribution

The 3-D size distribution of the fractures in the rock mass

can be estimated by different methods: 1) size-number scal-
ing plots at regional, outcrop, etc. scales; 2) censoring statis-
tics; 3) trace length matching; 4) pressure transient analysis.
In this study the size-number scaling plot approach was used.

At the site and in the vicinity of the site there are three in-

dependent trace length data sets: 1) artificial outcrops (Balla
et al. 2003; Gyalog et al. 2003); 2) vertical seismic profiling
(VSP) in boreholes (Prónay 2003); 3) seismic reflection sur-
veys (Prónay et al. 2003).

Fig. 3. Stereographic projection (lower hemisphere) of hydraulical-
ly active fractures in the boreholes investigated.

Fisher parameters 

Fracture system 

Strength (%) 

Main dip direction (

°

Main dip angle (

°

Fisher K 

Kolmogorov-Smirnov 

statistics (%) 

Set1 78.6 

341.6 82.5 

5.71  95.6 

Set2 21.4 

126.1 59.5 

27.32  93.6 

 

Table 1: The statistical parameters (Fisher distribution) for the orientation of the two hydraulically active fracture sets.

 

(

)

π

π

ϕ

κ

ϕ

κ

ϕ

κ

2

'

0

,

)

1

(

2

'

sin

'

,'

'

cos

Θ

=

Θ

e

e

f

background image

275

STOCHASTIC HYDROGEOLOGICAL MODELLING OF FRACTURED ROCKS (SOUTH HUNGARY)

These data sets are representative of different scales: out-

crops  provided  information  about  the  trace  length  up  to
~ 6 m, VSP in the range of 2 to 40 m, and seismic surveys in
the  range  of  50  to  380 m.  Trace  length  distributions  at  any
scale are truncated in two ways: 1) the lower one is selected
by the operator; 2) the upper one results from the size of the
sampling window.

The scaling properties of trace length have been estimated

using  the  complementary  cumulative  density  function
(CCDF;  Fig. 4)  for  each  scale.  Due  to  the  truncations  only
the linear segments of these functions can be applied in the
estimation  of  fracture  size  distributions  (Andersson  et  al.
2002).  At  any  scale  the  best-fit  to  the  measured  data  was  a
power law function (Fig. 4). The data for different scales are
very consistent, which suggests that the fractures at all scales
belong to the same system.

Direct  simulation  of  fractures  in  3-D  based  on  2-D  data

sets is not reliable. For example, the probability that a large
fracture  intersects  an  outcrop  is  higher  than  is  the  case  for
small  fractures,  and  consequently  trace  length  is  biased.  In
addition,  the  orientation  of  fractures  and  outcrops  can  also
influence  the  trace  length  distribution.  La  Pointe  &  Outters
(2000) argued for a relationship between the size distribution
of trace length (2-D) and that of fractures (3-D) intersecting a
trace  plane  (outcrop).  The  following  equations  can  be  ap-
plied to link the parameters of fracture size distribution and
trace length distribution:

D

3-D, fractures

 = D

2-D, traces

 + 1,

x

3-D, fractures

  =  x

2-D, traces

where D

3-D, fractures

 and x

3-D, fractures

 are the parameters of the

power law function in 3-D and D

2-D, traces

 and x

2-D, traces

 are the

parameters of a power law function in 2-D. D and x represent
the  exponent  and  minimum  value  of  power  law  distribution,

respectively. In this study D was calculated as an average of D
values  at  different  scales  (D = 3.26)  but  x  was  determined  as
the smallest value among the different scales (x = 0.145).

The  size  distribution  of  fractures  with  different  orientation

was also compared. This complex data set (orientation, size) is
only available for artificial outcrops (Balla et al. 2003; Gyalog
et al. 2003). CCDF calculations suggested that there is no fun-
damental  difference  between  the  trace  lengths  of  differently
oriented fractures (Benedek & Mező 2005).

Fracture intensity

The intensity of fractures in 3-D can be described as a vol-

umetric value, as fracture area per unit volume of rock (P

32

,

m

2

/m

3

). However this parameter cannot be estimated direct-

ly from field measurements and must be derived indirectly.

The number of fractures intersecting individual boreholes

(linear intensity, fractures per meter, P

10

) is only a function

of the orientation of boreholes, fractures and the size of frac-
tures  (La  Pointe  et  al.  1993).  Dershowitz  et  al.  (1998)  sug-
gested  that  volumetric  and  linear  intensity  can  be  linked
through the following equation:

P

32

= P

10, obs 

× (P

32, sim

/P

10, sim

) = C

31 

× P

10, obs

C

31

= P

32, sim

/P

10, sim

where P

32, sim

 is the volumetric intensity in the simulation,

P

10,  obs

  is  the  linear  intensity  measured  in  the  boreholes  (in

this  study  BHTV  data  are  used;  Zilahi-Sebess  et  al.  2003)
and P

10, sim

 is the linear intensity in the simulation. C

31

 is a

proportional constant, which can be determined by using in-
verse  modelling.  Since  the  size  distribution  of  the  fractures
and  the  orientation  of  the  boreholes  and  the  fractures  are
known,  all  the  data  required  to  calculate  P

32

  are  available.

P

32, sim

 was changed gradually until an acceptable fit between

Fig. 4. The complementary cumulative density function (CCDF) of trace length for different scales.

background image

276

BENEDEK and DANKÓ

P

10,  obs

  and  P

10,  sim

  was  found.  In  the  stochastic  simulations

with 50 realizations the average value of C

31

 in the individu-

al realizations stabilized at around 1.35 for both fracture ori-
entation sets (Benedek & Mező 2005).

In  general  only  a  portion  of  the  entire  fracture  system  is

active hydraulically, since the majority are very small (back-
ground  fracturing)  or  not  connected  to  other  fractures.  For
this reason, and to save computational time, the size distribu-
tion  was  truncated.  The  upper  limit  was  determined  on  the
basis of the cross-hole interference tests, which indicate that
the  largest  distance  between  packer  intervals  in  hydraulic
connection  is  about  ~ 400 m  (Benedek  et  al.  2003b).  The
lower limit was estimated using inverse modelling: the lower
limit for fracture size was changed until the modelled linear
intensity  of  hydraulically  active  fractures  was  consistent
with field measurements in boreholes (HPF measurements in
Szongoth & Galsa 2003). Based on this the lower limit value
was set to 10 m. The comparison of linear intensity indicated
by  HPF  measurements  and  the  simulated  values  in  50  indi-
vidual realizations is shown in Fig. 5.

Spatial model

The  spatial  model  is  basically  the  definition  of  the  rela-

tionship of the individual fracture centres in space, for which
many  models  are  available  (Dershowitz  et  al.  1998).  Bene-
dek  et  al.  (2003b)  carried  out  a  series  of  fractal  dimension
calculations for each borehole in order to evaluate the spatial
relationships. On the basis of the location and the frequency
of fracture-borehole intersections, box-fractal and mass-frac-
tal  dimensions  were  calculated.  These  calculations  showed
fractal dimensions (Mandelbrot 1985) in the range of 0.88 to
0.99,  very  close  to  one.  A  fractal  dimension  of  1  in  a  1-D
data  source  (borehole)  represents  a  random  fracture  pattern
in space. Therefore a Baecher model (Baecher et al. 1977), a
randomly,  but  uniformly  distributed  fracture  centre  model
was applied.

Transmissivity distribution of individual fractures

For a DFN flow simulation it is necessary to estimate the

transmissivity  distribution  of  individual  fractures.  For  this
study  an  approach  adapted  from  Osnes  et  al.  (1988)  was
used. This method assumes that the transmissivity of a pack-
er test interval can be regarded as the sum of the transmissiv-
ities of the conductive fractures intersecting the test interval:

j

n

1

j=

j

i,

i

T

=

T

where T

i

 is the transmissivity of the packer interval, n

j

 is

the number of conductive fractures intersecting the test inter-
val  and  T

i,j

  are  the  transmissivities  of  the  conductive  frac-

tures.  The  approach  used  was  the  following:  1)  conductive
fractures with an intensity approximated by a Poisson distri-
bution are generated stochastically for the test zone, 2) to the
conductive  fractures  transmissivities  are  assigned  stochasti-
cally by Monte-Carlo simulation based on an initial estimate
of the fracture transmissivity distribution (in this study a log-
normal distribution), and thus the interval transmissivity can
be  calculated,  3)  stochastic  simulation  terminates  when  a
good fit is found between observed packer interval transmis-
sivities  and  simulated  transmissivities.  The  goodness-of-fit
is tested using Kolmogorov-Smirnov statistics.

Test interval transmissivities are available from three inde-

pendent  sources:  short-term  single-hole  tests  (Molnár  et  al.
2000, 2003a,b), 2) long-term single-hole tests (Molnár et al.
2000, 2003a,b) and 3) cross-hole interference tests (Bradley
et al. 2000; Ács et al. 2003a,b,c). The relatively small num-
ber  of  interference  tests  precludes  a  reliable  estimate  of  the
transmissivities and therefore only the single-hole tests were
used. In the simulations the following assumptions were ap-
plied:  1)  the  P

10

  value  (linear  intensity)  of  conductive  frac-

tures is close to 0.08 based on HPF measurements (Szongoth
& Galsa 2003), 2) the detection limit of HPF measurements

Fig. 5.  Comparison  of  field
P

10

 measurements and simu-

lated  values  from  individual
realizations  with  fracture
length  distribution  truncated
below  10 m  and  above
400 m.  Average – stabili-
zation of average values with
realizations;  realization –
calculated value of individu-
al realizations; measured –
field measurements.

background image

277

STOCHASTIC HYDROGEOLOGICAL MODELLING OF FRACTURED ROCKS (SOUTH HUNGARY)

was  ~ 1

×10

—8 

m

2

/s and therefore test intervals with transmis-

sivity below this threshold were considered non-conductive.
The results of simulations for short-term and long-term tests
are  presented  in  Table 2.  In  the  further  modelling  we  used
lognormal transmissivity parameters derived from long-term
measurements.

Deterministic elements

For  this  study  some  deterministic  continuum  elements

were generated to represent a future waste disposal tunnel.

The tunnel was placed in the centre of the modelled block

so  that  groundwater  flows  in  the  direction  perpendicular  to
it. The longitudinal axis of the tunnel was 100 m long and its
cross-section  was  assumed  to  be  a  square  with  10 m  sides.
The hydraulic behaviour of the tunnel content was described
by  equivalent  porous  continuum  elements  (hydraulic  con-
ductivity varied from 1

×10

—12 

m/s to 1

×10

—3 

m/s) with a cell

size of 2.5 m

×2.5 m×2.5 m.

Results

On the basis of the geometric and flow parameter distribu-

tions 50 stochastic realizations were generated. The fracture
system  for  one  realization  is  presented  in  Fig. 6.  Different
aspects  of  the  50  realizations  are  discussed  by  Benedek  &
Mező  (2005),  in  this  paper  only  some  selected  results  are
presented.

Equivalent hydraulic conductivity of the modelled region

The equivalent hydraulic conductivity of the modelled re-

gion was calculated on the basis of the flow through the con-
stant hydraulic head boundaries. Since the hydraulic gradient
was set to be 1%, the application of Darcy’s law allows the
calculation of the equivalent hydraulic conductivity.

Balla et al. (2004) suggested that the hydraulic conductivi-

ty  of  the  fractured  granite  varies  between  1

×10

—12 

m/s  and

1

×10

—6 

m/s at the scale of 10 m packer intervals and that it

has a lognormal distribution with a mean of 3

×10

—9 

m/s. The

Table 2: Statistical parameters for individual fracture transmissivities derived using the method from Osnes et al. (1988).

 

Short-term tests 

Long-term tests 

Mean (m

2

/s), µ

logT

 

3.2×10

–7

 8.0×10

–7

 

Deviation (m

2

/s), σ

logT

 

4.2×10

–6

 3.4×10

–6

 

Fracture intensity (P

10

0.0881 0.0891 

The ratio of fractures with a transmissivity less than 1×10

–8 

m

2

/s 

52.6 % in the model; 47.4 % in field 

measurements 

16.1 % in the model; 9.68 % in field 

measurements 

Kolmogorov-Smirnov test 

98.4 95.9 

 

Fig. 6. Calculated head distribution in a single realization.

background image

278

BENEDEK and DANKÓ

median transmissivity value for the boreholes considered in
this study (southern section of the site, Fig. 1) is 1.4

×10

—9 

m/s.

The calculated results for the 50 stochastic realizations indicat-
ed  a  median  equivalent  hydraulic  conductivity  of  6

×10

—9 

m/s,

and thus it can be concluded that the model matches the field
measurements well.

Flow patterns calculated

Field studies (Ács et al. 2003d) indicated that one of the most

characteristic  hydrogeological  features  of  the  site  is  the  fre-
quently  observed  smaller-scale  hydraulic  head-scattering  and
the  larger  hydraulic  head  jumps  along  individual  boreholes
(Fig. 2). In this paper the larger hydraulic head jumps and their
conceptual origin (in compartmentalization) are not considered.

Figure 6 shows results for a single realization. The calcu-

lated hydraulic head does not change gradually from the low
hydraulic head boundary to the high hydraulic head one, but
it is strongly affected by system heterogeneity. In order to in-
vestigate the hydraulic head heterogeneity nine virtual verti-
cal boreholes were inserted and hydraulic head profiles were
calculated  along  them  (Fig. 7).  The  hydraulic  head  profile
for  borehole  6  shows  a  very  high  head  difference  (from
~100 m to ~98 m), which covers almost the entire range be-
tween the boundary conditions. On the other hand, borehole
3  has  a  very  smooth  hydraulic  head  profile.  The  interpreta-
tion of different hydraulic head profile patterns is that a clus-

Fig. 7.  Head  profiles  along  some  vertical  boreholes.  The  numbers
refer to the boreholes inserted into the modelled region.

Fig. 8.  Average,  minimum  and  maximum  values  of  inflow  through
the walls of the disposal tunnel as a function of tunnel content con-
ductivity.

ter of fractures may be connected to the high hydraulic head
boundary  or  to  the  low  hydraulic  head  boundary,  and  that
different  fractures  or  fracture  clusters  are  not  necessarily
connected  directly,  but  only  through  the  rock  matrix.  This
observation  emphasizes  the  importance  of  connectivity  and
geometry  in  fractured  rocks.  This  conclusion  also  demon-
strates that a fractured rock mass cannot be characterized by
a  constant,  uniform  hydraulic  gradient,  as  the  actual  gradi-
ents are highly scale and location dependent.

Flow into the tunnel

One of the most important parameters for performance as-

sessment  obtainable  from  hydrogeological  models  is  the
flow through the disposal tunnels, as groundwater can trans-
port radionuclides to the geosphere and biosphere. The flow
is influenced by three engineering elements: 1) the material
in  the  tunnel,  2)  the  excavation  disturbed  zone,  3)  grouting
of transmissive fractures. In the study described here only the
effect of the material in the tunnel was investigated. The other
two elements were studied by Benedek & Mező (2005).

The  calculated  average,  minimum  and  maximum  inflow

values through the faces of the drift are displayed as a func-
tion  of  tunnel  content  conductivity  in  Fig. 8.  There  is  a
threshold under which the reduction of the hydraulic conduc-
tivity does not significantly reduce the flow. This threshold
is  ~ 1

×10

—9 

m/s.  There  is  also  an  upper  threshold,  above

which  increasing  the  hydraulic  conductivity  does  not  in-
crease the flow further. This threshold is  ~ 1

×10

—5 

m/s.

Flux inside a tunnel

The flux distribution within a disposal tunnel may be sig-

nificant  for  performance  assessment,  since  in  a  fractured
rock  mass  concentrated  inflow  and  outflow  could  occur
close to fracture-tunnel intersections and result in heteroge-
neous  conditions.  The  drift  was  divided  into  40  sections
along  the  longitudinal  axis  and  the  flux  through  each  drift
section was calculated.

The calculated flux distribution along the longitudinal axis

is shown in Fig. 9A,B for one of the 50 realizations. This fig-

background image

279

STOCHASTIC HYDROGEOLOGICAL MODELLING OF FRACTURED ROCKS (SOUTH HUNGARY)

Fig. 9. The x-direction flux in the 40 sections of the drift based on one of the 50 realizations in the cases of low (A – 1

×10

—12 

m/s) and

high (B – 1

×10

—3 

m/s) backfill conductivity. The negative or positive signs of the values calculated refer to the direction of flux.

background image

280

BENEDEK and DANKÓ

ure  clearly  demonstrates  that  the  flux  distribution  is  not  uni-
form if the tunnel content conductivity is low (1

×10

—12 

m/s):

flux  intensity  is  much  higher  close  to  fracture-drift  intersec-
tions than far away from intersections. In the case of low hy-
draulic  conductivity  (Fig. 9A)  some  abrupt  changes  between
neighbouring  sections  can  be  observed,  however,  in  the  case
of high hydraulic conductivity (Fig. 9B) the distribution along
the axis is more smoothed. In that case the tunnel content con-
nects  individual  fracture-tunnel  intersections  and  significant
longitudinal flux is generated. It may be noted that the small
flux values in Fig. 9A,B suggest that the most important trans-
port process inside the tunnel is expected to be diffusion.

Conclusions

To assess a repository for radioactive waste it is crucial to

have a good estimate of the flow of groundwater through the
waste,  since  groundwater  is  able  to  transport  radionuclides
into the geosphere and biosphere.

In the study described here, based on the available geolog-

ical  and  hydrogeological  data  sets,  the  most  important  pa-
rameters describing the hydraulically active fracture systems
in  the  host  rock  were  estimated  (orientation,  intensity,
length, transmissivity, etc.) on a statistical basis. The fracture
system  was  then  approximated  using  a  DFN  model.  In  the
model  the  waste  disposal  tunnel  was  represented  using
equivalent porous continuum elements.

In this paper only a few aspects of the DFN model and a

selection  of  results  have  been  displayed  in  order  to  demon-
strate the capabilities of this technology.

The most important conclusions of the work can be sum-

marized as follows:

 The  hydraulically  active  fractures  have  a  NE-SW  strike

and the orientation can be described very well with two Fisher
distributions. The directions coincide with the main tectonic
orientations observed in the granite.

 The  fracture  length  distribution  can  be  characterized

with  a  truncated  power-law  function  based  on  the  trace
length measurements at different scales.

 The  transmissivity  distribution  of  individual  fractures

can be defined by a lognormal distribution based on the re-
sults of short-term and long-term single-borehole tests.

 The  equivalent  hydraulic  conductivity  based  on  field

measurements was well reproduced by the model.

 The model displayed the observed small-scale stochastic

hydraulic head-scattering along boreholes.

 The  inflow  is  determined  mainly  by  the  content  of  the

emplacement  tunnel.  The  larger  its  hydraulic  conductivity,
the larger the flow into the tunnel.

 The  flux  distribution  inside  the  tunnel  is  heterogeneous

to  a  degree  depending  on  the  hydraulic  conductivity  of  the
tunnel  content.  The  smaller  the  hydraulic  conductivity  the
more pronounced the heterogeneity.

 The flux inside the tunnel is very low, which means that

diffusion is likely to be the most important transport process.

Acknowledgments:  The  authors  would  like  to  thank  Zoltán
Bőthi, Péter Molnár, Gyula Mező (Golder Associates Hungary

Ltd.) for their constructive comments in the preparation period
of the manuscript. We are also grateful to Martin Goldsworthy
(Golder Associates GmbH, Celle) for strong improvement of
the  manuscript’s  language  level.  This  paper  could  be  pub-
lished with the permission of the Public Agency for Radioac-
tive Waste Management (PURAM). We also wish to thank the
three reviewers and journal editors, whose comments and sug-
gestions substantially improved this manuscript.

References

Andersson J., Berglund J., Follin S., Hakami E., Halvarson J., Her-

manson  J.,  Laaksoharju  M.,  Rhén  I.  &  Wahlgren  C.  2002:
Testing the methodology for site descriptive modelling. Swed-
ish  Nuclear  Fuel  and  Waste  Management  Co.
,  Technical  Re-
port, TR-02—19.

Ács  V.,  Molnár  P.  &  Enachescu  C.  2003a:  Documentation  of  the

southern interference test. ManuscriptBátatom Ltd., Budapest,
BA-03—219 (in Hungarian).

Ács  V.,  Molnár  P.  &  Enachescu  C.  2003b:  Documentation  of  the

northern interference test. ManuscriptBátatom Ltd., Budapest,
BA-03—220 (in Hungarian).

Ács  V.,  Molnár  P.  &  Enachescu  C.  2003c:  Documentation  of  the

middle interference test. ManuscriptBátatom Ltd., Budapest,
BA-03—221 (in Hungarian).

Ács V., Benedek K., Mező Gy. & Molnár P. 2003d: Integrated hydro-

geological interpretation. Hydraulic potentials at the site. Manu-
script
Bátatom Ltd., Budapest, BA-03—216 (in Hungarian).

Baecher  G.B.,  Lanney  N.A.  &  Einstein  H.H.  1977:  Statistical  de-

scription  of  rock  properties  and  sampling.  Proceedings  of  the
18th U.S. Symposium on Rock Mechanics. Amer. Inst. Mining
Engineers
 5C1—8.

Balla Z. 2000: Exploration and characteristics of the Üveghuta site.

Ann. Report Geol. Inst. Hung., 59—77.

Balla Z., Albert G., Chikán G., Dudko A., Fodor L., Forián-Szabó

M., Földvári M., Gyalog L., Havas G., Horváth I., Jámbor Á.,
Kaiser M., Koloszár L., Koroknai B., Kovács-Pálffy P., Maros
Gy.,  Marsi  I.,  Palotás  K.,  Peregi  Zs.,  Rálisch  L.-né,  Rotárné
Szalkai Á., Szőcs T., Tóth Gy., Turczi G., Prónay Zs., Vértesy
L., Zilahy-Sebess L., Galsa A., Szongoth G., Mező Gy., Mol-
nár P., Székely F., Hámos G., Szűcs I., Turger Z., Balogh J.,
Jakab G. & Szalai Z. 2003: Final report of surface based inves-
tigation, Bátaapáti (Üveghuta), 2002—2003. ManuscriptBáta-
tom Ltd.
, Budapest, BA-03—156 (in Hungarian).

Balla Z., Horváth I., Tóth Gy., Benedek K., Mező Gy. & Molnár P.

2004:  Hydrogeological  pattern  of  the  Bátaapáti  (Üveghuta)
site. Ann. Report Geol. Inst. Hung., 449—472.

Balogh K., Árva-Sós E. & Buda Gy. 1983: Chronology of granitoid

and  metamorphic  rocks  of  Transdanubia  (Hungary).  An.  Inst.
Geol. Geofiz.
 61, 359—364.

Bear J. 1972: Dynamics of fluids in porous media. Amer. Elsevier

Publ. Co., New York, 1—764.

Benedek K. & Mező G. 2005: Hydrogeologic modelling. Flow cal-

culations through deterministic surfaces. ManuscriptBátatom
Ltd.
, Budapest, RHK-K—055/05 (in Hungarian).

Benedek  K.,  Ács  V.,  Andrássy  M.  &  Molnár  P.  2003a:  Integrated

hydrogeological  interpretation.  Hydraulic  connections  at  the
site. ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-03—218 (in Hun-
garian).

Benedek  K.,  Outters  N.  &  Hermanson  J.  2003b:  Hydrogeological

modelling for performance assesment. FracMan model. Manu-
script
Bátatom Ltd., Budapest, BA-03—178 (in Hungarian).

Bradley J.G., Enachescu C., Macdonald B. & Molnár P. 2000: Hy-

background image

281

STOCHASTIC HYDROGEOLOGICAL MODELLING OF FRACTURED ROCKS (SOUTH HUNGARY)

drogeological interference testing in the Carboniferous granite,
at  Üveghuta,  South-west  Hungary.  Ann.  Report.  Geol.  Inst.
Hung.,
 427—437.

Buda  Gy.,  Puskás  Z.,  Gál-Sólymos  K.,  Klötzli  U.  &  Cousens  B.L.

2000: Mineralogical, petrological and geochemical characteris-
tics  of  crystalline  rocks  of  the  Üveghuta  boreholes  (Mórágy
Hills, South Hungary). Ann. Report Geol. Inst. Hung., 231—242.

Chernysev I., Volkov V., Mohov V., Lapina A., Jakusev M., Dubiny-

in A., Kogan A., Lebegyev Sz., Arakeljanc V., Nyikisina M. &
Satagin K. 2002: K-Ar and Rb-Sr geochronology of the Mórágy
granite. ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-02—56.

Dershowitz  W.S.,  Lee  G.,  Geier  J.E.,  Foxford  T.,  La  Pointe  P.  &

Thomas  A.  1998:  FracMan.  Interactive  discrete  feature  data
analysis,  geometric  modelling,  and  exploration  simulation.
User documentation. Version 2.6. Golder Associates Inc., Se-
attle, Washington, 1—189.

Gyalog L., Jámbor Á., Kókai A., Maros Gy., Peregi Zs., Konrád Gy.,

Máthé Z. & Szebényi G. 2003: Geological description of A1 and
A2 outcrops. ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-03—78.

Harangi Sz. 2003: The petrography of rock samples from the Me-

csek  Mts.  and  their  comparison  with  E-Mecsek  Lower  Creta-
ceous volcanic rocks. ManuscriptHung. Geol. Inst., Budapest.

Horváth I., Marsó K., Muráti J., Nagy P., Rotárné Szalkai Á., Szőcs

T. & Tóth Gy. 2003: Integrated hydrogeological interpretation.
ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-03—123.

Koroknai  B.  2003:  Microtectonic  investigation  of  oriented  rock

samples. ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-03—84.

La Pointe P. & Outters N. 2000: Evaluation of the conservativeness

of  the  methodology  for  estimating  earthquake-induced  move-
ments of fractures intersecting canisters. Swedish Nuclear Fuel
and Waste Management Co.
Technical Report TR-00—08.

La Pointe P.R., Wallmann P.C. & Dershowitz W.S. 1993: Stochas-

tic estimation of fracture size from simulated sampling. Int. J.
Rock  Mechanics
,  Mining  Sci.,  Geomechanics  Abstr.,  Vol. 30,
1611—1617.

M. Tóth T., Szűcs É., Schubert F. & Hollós Cs. 2004: Conceptual

fracture network model of the crystalline basement of the Sze-
ghalom  Dome  (Pannonian  Basin,  SE  Hungary).  Acta  Geol.
Hung. 
47/1, 19—34.

Mandelbrot  B.B.  1985:  Self-affine  fractals  and  fractal  dimension.

Physica Scripta 32, 257—260.

Mardia  K.V.  1972:  Statistics  of  directional  data.  Academic  Press,

New York, 1—357.

Maros G., Balla Z., Dudkó A., Fodor L., Forián-Szabó M., Koroknai

B.,  Lantos  M.  &  Palotás  K.  2003:  Final  report:  Tectonics.
Kézirat,  MÁFI,  Budapest,  Tekt.  1046;  Manuscript,  Bátatom
Ltd.
, Budapest, BA-03—118.

Maros G., Koroknai B., Palotás K., Fodor L., Dudko A., Forián-

Szabó M., Zilahi-Sebess L. & Bán-György E. 2004: Tectonic
and  structural  evolution  of  the  north-eastern  Mórágy  Block.
Ann. Report Geol. Inst. Hung., 2003, 370—386.

Molnár P., Bradley J.G., Enachescu C. & Wozniewicz J. 2000: Sin-

gle-borehole hydrogeological testing in the Carboniferous gran-
ites,  at  Üveghuta,  in  South-west  Hungary.  Ann.  Report  Geol.
Inst. Hung.,
 407—417.

Molnár P., Ács V., Andrássy M., Rőczei N., Szűcs N. & Enachescu

C. 2003a: Final report on the hydraulic testing of well Üh—26.
ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-03—201.

Molnár P., Ács V., Andrássy M., Rőczei N., Szűcs N. & Enachescu

C. 2003b: Final report on the hydraulic testing of well Üh—28.
ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-03—83.

Neuman S.P. 2005: Trends, prospects and challenges in quantifying

flow and transport through fractured rocks. Hydrogeol. J.  13,
124—147.

Osnes J.D., Winberg A. & Andersson J. 1988: Analysis of well test

data  –  application  of  probabilistic  models  to  infer  hydraulic
properties  of  fractures.  Topical  Report  RSI-0338,  RE/SPEC
Inc.
, Rapid City, South Dakota.

Prónay  Zs.  2003:  Report  on  radar  measurements  in  boreholes.

ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-03—37A.

Prónay Zs., Neducza B. & Törös E. 2003: P- and S-wave seizmic re-

flexion studies. ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-03—06.

Rouhiainen P. & Pöllanen J. 1999: Difference flow measurements in

boreholes  KA2865A01,  KA3065A02  and  KTTX5  at  the  Aspo
HRL.  International  Technical  Document,  ITD-99-25,  Swedish
Nuclear  Fuel  and  Waste  Management  Company
,  Stockholm,
Sweden.

Sawada A., Uchida M., Shimo M., Yamamoto H., Takahara H.T. &

Doe T.W. 2000: Non-sorbing tracer migration experiments in
fractured  rock  at  the  Kamaishi  Mine,  Northeast  Japan.  Engi-
neering Geol
. 56, 75—96.

Snow D.T. 1965: A parallel plate model of fractured permeable me-

dia. Ph.D. ThesisUniv. California, Berkeley, 1—331.

Szongoth G. & Galsa A. 2003: Complex interpretation of flow and

temperature  measurements.  Manuscript,  Bátatom  Ltd.,  Buda-
pest, BA-03—82.

Terzaghi R. 1965: Sources of error in joint surveys. Geotechnique

15, 287—304.

Tóth Gy., Mező Gy., Benedek K. & Takács T. 2003: Hydrogeologi-

cal  characterisation  of  blocks  based  on  numerical  modelling.
ManuscriptBátatom Ltd., Budapest, BA-03—25.

Uchida M., Sawada A., Senba T., Miyoshi T., Shimo M., Yamamoto

H., Takahara H., Doe T.W. & Cladouhos T. 1999: Geological and
hydrological investigation and mass transport study in a fractured
system  at  the  Kamaishi  Mine.  Proceedings  of  an  International
Workshop  of  the  Kamaishi  in  situ  Experiments,  Japan  Nuclear
Cycel Development Institute
, JNC TN7400 99—007, 77—86.

Van Golf-Racht T.D. 1982: Fundamentals of fractured reservoir en-

gineering. Dev. Petrol. Sci., 12, Elsevier, Amsterdam, 1—710.

Zilahi-Sebess  L.,  Mészáros  F.  &  Szongoth  G.  2003:  Characterisa-

tion of fracture zones in granite, based on well-logging data at
the Üveghuta site. Ann. Report Geol. Inst. Hung., 253—266.