Bachelor thesis topics 2015
Note: As the Bachelor programme is offered in German, some of the following thesis descriptions are also in German.
Grundwasserbeeinflussung des "Thermischen Response-Tests"
Der "Thermische Response Test" (TRT) ist ein etabliertes Verfahren in der untiefen Geothermie: In Erdwärmesonden wird ein Wärmeträger zirkuliert, der Untergrund aufgeheizt und über Auswertung der gemessenen Temperatur werden Rückschlüsse auf die Eignung eines Standorts für die geothermische Nutzung gezogen. Bisher gibt es kaum Ansätze, um die Wirkung von fliessendem Grundwasser zu bewerten. Dabei spielt Grundwasser für die Wärmeübertragung und damit Performance von Erdwärmesonden eine zentrale Rolle. Ziel der vorgeschlagenen BSc Arbeit ist es nun, ein neues und bereits validiertes Auswerteverfahren an mehreren Messungen anzuwenden, und die allgemeine Eignung bzw. Grenzen der Anwendbarkeit zu erörtern. Die TRT Messungen sind umfassend und werden von einer in der untiefen Geothermie tätigen Firma zur Verfügung gestellt. Das Auswerteverfahren ist bereits implementiert, basiert auf einfachen MATLAB codes und wird nach einer Einführung in die Methodik im Rahmen dieser BSc. Arbeit noch verfeinert.
Betreuer: Dr. Peter Bayer
Finden wir Klimawandel im Grundwasser?
Die Auswirkungen der deutlichen Klimaveränderungen während der letzten Jahrzehnte auf das Grundwasser wurden bisher kaum untersucht. Ein Hauptaugenwerk lag bisher auf den Folgen auf Grundwasser als Resource, also der Quantität. Hinsichtlich der Qualität weiss man wenig, und erst jüngere Studien zeigen, dass sich zum Beispiel die Temperatur des oberflächennahen Grundwassers verändert. So sieht man, dass der Temperaturanstieg in der Atmosphäre sich auch in Aquiferen beobachten lässt. Mit einer standardisierten Zeitreihenanalyse kann aus jahrelangen Temperaturmessungen der Anstieg und gegebenenfalls die zeitliche Verzögerung des Temperatursignals von der Atmosphäre in den Untergund bewertet werden. Machbar sind solche Untersuchungen nur, wenn langfristige Temperaturmessungen, idealerweise über Jahrzehnte, zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser BSc Thesis ist nun vorgesehen, solche Messungen bei Wasserversorgern, Brunnenbetreibern, etc. zu recherchieren. Oft wurde Temperatur zum Monitoring von Trinkwasserqualität kontinuierlich erhoben, ohne aber weiter ausgewertet zu werden. Das heisst, viele Messreihen finden sich in Archiven, sind kaum bekannt oder nicht unmittelbar einsehbar. Die Arbeit wird am besten von einem/r Studenten/in durchgeführt mit guter Kommunikationsfähigkeit, motiviert, selbständig Ansprechpartner herauszufinden und zu kontaktieren, um solche wertvollen Daten zu recherchieren. Hier besteht kein regionaler Bezug, und gerne werden international diverse Quellen kontaktiert. Zu den Messreihen sollte das jeweilige Grundwasserregime bekannt sein, und auf diese Weise in der BSc. Arbeit eine einfache hydrogeologische Interpretation für ausgewählte Standorte sowie die übliche Zeitreihenanalyse durchgeführt werden.
Betreuer: Dr. Peter Bayer
Detailed geological model for the stimulation experiment at the Grimsel Test Site
To improve the understanding of processes during hydraulic stimulation (permeability enhancement, induced seismicity) in deep geothermal reservoirs, a small-scale injection experiment is planned to be performed at the Grimsel Test Site run by NAGRA. Prior to the experiment, the geological conditions at the site have to be known in great detail. For this, structural data, rock types and rock mass properties observed in boreholes and tunnels and documented in NAGRA reports have to be reviewed and combined in a comprehensive geological model. Additional in-situ information (tunnel mapping) and measurements performed in the next months will help to refine the model. The goal of this thesis would be to gather all information and build a geological model in a 3D visualization software (GOCAD).
Supervisors: Dr. Valentin Gischig, Dr. Mohammadreza Jalali
Quartz Dust Generation during Underground Excavation in Mafic and Magmatic Rocks
During underground construction dust becomes air born through a variety of processes; including excavation, mucking, transport, and support installation. The dust can potentially include quartz particles which can damage lung tissues when inhaled. A new method has recently been developed to estimate the potential for a rock to generate quartz dust. This work focused on sedimentary and crystalline rocks. In this thesis the quartz dust potential of mafic and magmatic rocks will be investigated. This will include; laboratory dust analysis, evaluating dust particle geometries and indexing these results to compressive strength tests. Underground excavation site visits will be arranged to develop an understanding of the different sources of and the mechanisms of dust generation with the potential to qualitatively compare in-situ mechanisms and laboratory dust particle geometries.
Supervisors: Dr. Matthew Perras & Dr. John Singer
Long-term rock mass strength: Learning from stable mountain slopes
Long-term strength of intact rock can be investigated in the laboratory using several methods; including static loading or load cycling (fatigue). Scaling laboratory results to in-situ rock mass properties is a challenging aspect for underground construction and slope stability assessment. In this thesis, the aspects of what makes a steep slope stable will be examined to understand the long-term strength of such rock masses. This will be accomplished by reviewing literature, analyzing morphological and geological data within a GIS framework, ground-truthing these findings with field investigations and comparing the field observations to laboratory tests to understand pathways leading to instability. The goal of this thesis is to develop a database of stable slopes within Switzerland that are suitable for long-term rock mass assessment and to understand the characteristics of stable versus unstable slopes. These results will feed into a larger study of geomechanical mechanisms controlling stability of slopes in the long-term.
Supervisors: Dr. Matthew Perras, Dr. Andrea Wolter
Petrological and photogrammetric analysis of the Flims Slide sliding zone
The prehistoric Flims Slide, the largest landslide in Europe, has been studied for centuries, yet it still holds many mysteries related to its failure mechanisms and processes. The slide debris is characteristically fractured and fragmented, and has been classified into different deposit zones. However, the material in the sliding zone has not been thoroughly investigated. In this thesis, the student will analyse thin sections and three-dimensional photogrammetry models taken from the sliding zone to better characterize the processes occurring at the bedrock-sliding mass interface.
Supervisors: Dr. Andrea Wolter, Prof. Simon Löw
Rapid-evolution shallow landslides: An inventory of the troublesome phenomenon
Rapid-evolution shallow landslides are some of the most troubling slope stability phenomena in Switzerland. As evidenced by the events that caused property damage and loss of life in Ticino in the autumn of 2014, they seemingly occur without warning and have devastating consequences. The proposed thesis project will examine these shallow landslides. Specifically, an inventory of international hazard and risk assessments, such as those in Canada, China, Italy, and USA, will be compiled, and possible improvements to the Swiss system investigated. The larger goal of this thesis is to contribute to the improvement of prediction of these small but catastrophic events.
Supervisor: Dr. Andrea Wolter
3D modeling of brittle fracture geometry
Brittle fractures are very important rock mass features. Depending on their geometric properties, such as lengths, orientations, or frequency, and their connectivity they can play a crucial role, for example, in the stability of slopes or in the stimulation and production behaviour of geothermal reservoirs. Fracture propagation, which is usually associated with the reduction of rock mass strength, leaves specific markings on the fractures’ surfaces. These markings often indicate that there exists a main direction of fracture propagation. Within your thesis you will apply three-dimensional numerical modelling to understand the impact of stress and strength heterogeneity on fracture geometry.
Supervisors: Dr. Martin Ziegler, Dr. Mohammadreza Jalali
Untersuchung von Kluft- und Störungssystemen in ausgesuchten Steinbrüchen des Südschwarzwaldes: Analogien zum kristallinen Untergrund des Geothermie-Standortes Basel ?
Die Nutzung von Erdwärme aus grösseren Tiefen von bis zu etwa 5 km in kristallinen Gesteinen wird in Zukunft eine immer grössere Rolle für unsere Energiegewinnung spielen. Gute Kenntnisse über die Beschaffenheit von Kluftsystemen und Störungszonen sind wichtig um die natürlich vorkommenden potentiellen Wasserwegsamkeiten im Untergrund abschätzen zu können. Darüber hinaus bestimmen die bestehenden Bruchstrukturen zu grossen Teilen darüber, wie sich ein Reservoir während der Stimulation entwickeln und wie produktiv und nachhaltig es sein wird. Daten über Bruchstrukturen des tiefen Untergrundes sind allerdings rar und stammen meist nur aus einer oder wenigen Bohrungen. Mit dieser Arbeit wollen wir verstehen lernen inwieweit oberflächennahe Aufschlüsse im Kristallin in der Umgebung von Basel, d.h. im Südschwarzwald, als Analogien benutzt werden könnten, um Sprödbrüche in grösseren Tiefen von Basel besser charakterisieren zu können. Dabei werden wir besonders die Variabilität von Klüften und Störungszonen hinsichtlich ihrer Orientierung, Abstände und Länge auf verschiedenen Skalen untersuchen.
Supervisors: Dr. Martin Ziegler (ETH), Prof. Benoît Valley (University of Neuchâtel)
Stochastic analyses of small scale fracture topography and its relation to hydraulic conductivity
A series of hydro-mechanical coupled laboratory tests on natural fractures was recently conducted to improve our understanding of shear induced fracture conductivity changes. Normal load cycles on mated and unmated fractures were utilized. The proposed project aims to develop a relationship between fracture topography and hydraulic conductivity of single natural fractures utilizing high-resolution lidar data (3D photogrammetric surface characterization) of fracture surfaces before and after testing. These data shall be analyzed using stochastic methods that provide a relationship that simplifies the complexity of the topography data. These simplified topography data shall be used to explain differences in hydraulic conductivity by investigating surface damage associated with cyclic loading (i.e. hysteresis effects and non-elastic normal displacements). The above analyses shall be combined with sieve analyses on gauge material that has formed in the fractures during cyclic loading. Basic analysis software such as MATLAB routines will be provided by the supervisors and improved with the candidate.
Supervisors: Dr. Florian Amann, Daniel Vogler
High resolution flow logging in horizontal boreholes
In order to improve the understanding of mechanisms underlying the permeability enhancement in EGS reservoirs a new small scale (10-50 m) Stimulation Experiment will be conducted in 2015 at the Grimsel Underground Research Laboratory. Pre- and post- stimulation hydraulic characterization of the field site is an important objective of the reservoir creation research. The single-borehole flowmeter method allows identifying the main flowing fractures in each borehole as well as their transmissivities in the near field around borehole from changes in the measured borehole flow under “ambient flow” (flow gradient induced by the underground excavation) conditions. In this thesis, the student will measure and analyze high resolution borehole flow profiles in sub-horizontal boreholes drilled into the test volume to characterize pre-stimulation transmissive fracture network.
Supervisors: Dr. Maria Klepikova, Prof. Simon Loew
Hydraulic characterization of interacting shear zones for the stimulation experiment at the Grimsel Test Site
In order to improve the understanding of mechanisms underlying the permeability enhancement in EGS reservoirs a new small scale (10-50 m) Stimulation Experiment will be conducted in 2015 at the Grimsel Underground Research Laboratory. In order to identify transmissive structures whose permeability could be enhanced by applying reservoir stimulation technology, a data set from previous studies describing hydrologically active fracture zones should be obtained prior to the experiment. For this, hydraulic tests conducted in boreholes and tunnels at our test site in the Grimsel Underground Research Laboratory should be gathered and analyzed. In this thesis, the student will review these hydraulic tests documented in unpublished reports and papers and will interpret these data by means of so-called diagnostic plots and analytical models.
Supervisors: Dr. Maria Klepikova, Prof. Simon Loew