Verbundprojekt GeomInt 2: Geomechanische Integrität von Wirts- und Barrieregesteinen - Experiment, Modellierung und Analyse von Diskontinuitäten

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.10.2020

Projektende: 30.09.2022

Projektstand: 10.03.2022

(Anschlussvorhaben zu GeomInt 01.07.2017 – 30.09.2020)

English Version

Die sichere Verwahrung toxischer und radioaktiver Abfälle erfordert im Verbund verschiedener Disziplinen sorgfältige geowissenschaftliche Zustandsanalysen und Prognosestudien, um nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt zu vermeiden. Eingriffe in den geologischen Untergrund führen zu Deformationsprozessen und physikalisch-chemischen Veränderungen der Gesteine. Damit kann die Integrität geologischer Reservoire und Barrieren ungünstig beeinflusst werden: Fissuren, Risse und Klüfte können entstehen oder aktiviert werden. Diese vielfältigen mikro- und makromechanischen Strukturen fassen wir unter dem Oberbegriff Diskontinuitäten zusammen, deren Entstehung zumeist nur unzureichend verstanden und mit den derzeit verfügbaren kommerziellen Simulationssystemen nicht adäquat modellierbar ist.

Prozesse wie Quellen/Schrumpfen, Perkolation/Heilung und Spannungsumlagerungen können zu Diskontinuitäten führen bzw. diese beeinflussen. Im Mittelpunkt der Arbeiten der BGR im Verbundprojekt GeomInt 2 stehen die Untersuchung und Modellierung der Quell- und Schrumpfungsprozesse, die im Mont Terri CD-A-Experiment beobachtet werden. Hier wurden im Herbst 2019 zwei 11 m lange Nischen aufgefahren und umfangreich instrumentiert. Während eine Nische belüftet und damit den saisonalen Schwankungen der Luftfeuchtigkeit ausgesetzt ist, wird die zweite Nische durch ein Schott verschlossen gehalten. Erste geophysikalische Messungen sowie Beobachtungen von Trocknungsrissen an den Wandungen lassen bereits den Einfluss der Entsättigung in der belüfteten Nische erkennen, während die abgeschlossene Nische, in der sich eine konstant hohe Luftfeuchtigkeit eingestellt hat, keine solche Risse aufweist. Die BGR wird In-situ-Probenahmen, geophysikalische Messungen im Labor und in-situ sowie numerische Analysen durchführen, um die hydraulisch-mechanischen Prozesse in den Nischen zu untersuchen (Abb. 1). Hierbei werden die in GeomInt entwickelten numerischen Methoden verwendet und ggf. weiter verfeinert, um die beobachteten Unterschiede zwischen den beiden Nischen modelltechnisch nachzubilden und zu analysieren. In einem ersten Schritt werden hierzu die verschiedenen Einflüsse auf das hydraulisch-mechanische Verhalten anhand eines zweidimensionalen Modells numerisch untersucht. Ferner wird die Möglichkeit der Modellierung von Schrumpfungsrissen im hydromechanischen Kontext auf der mechanischen Seite durch die Phasenfeldmethode und plastischer Modelle und auf der hydraulischen Seite mit Multikontinua-Modellen untersucht. Durch den Vergleich mit Messdaten wird eine quantitative Bewertung durchgeführt werden, sodass eine grundlegende Validierung des Modellansatzes im Feldmaßstab möglich ist.

Abb. 1: Tätigkeiten der BGR im Verbundprojekt GeomInt2 Quelle: BGR

Das Forschungsprojekt ist Teil des Fachprogramms „GEO:N – Geoforschung für Nachhaltigkeit“ des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Es zielt auf eine intensive, internationale Zusammenarbeit mit dem Felslabor Mont Terri sowie den Vorhaben DECOVALEX 2023 und STIMTEC2 ab. In der ersten GeomInt-Projektphase (Link) wurden diskontinuitätsführende Vorgänge mithilfe von numerischen und labortechnischen Methoden untersucht. Die wesentlichen Ergebnisse der ersten Projektphase sind in dem Open Access Buch Kolditz et al. (2021, https://doi.org/10.1007/978-3-030-61909-1) zusammengestellt. Basierend auf den Ergebnissen dieses Projektes wurde im Oktober 2020 das Projekt GeomInt 2 gestartet.

Die Schwerpunkte des GeomInt2-Verbundprojektes liegen auf der Auswertung von neuesten In-situ-Experimenten in den Felslaboren Mont Terri (Opalinus-Ton), Springen (Salz) und der Reichen Zeche (Kristallin). Ausgewählte Laborexperimente sind geplant, um gezielt noch vorhandene Wissenslücken weiter zu schließen, z. B. durch die Einbeziehung der mechanischen Anisotropie von Tongesteinen. Das Forschungsprojekt ist in drei Arbeitspakete gegliedert, welche sich mit den Wegsamkeiten durch (1) Quell- und Schrumpfungsprozesse, (2) druckgetriebene Perkolation und (3) Spannungsumlagerungen befassen. In allen Paketen sind vertiefende Labortests zum detaillierten Prozessverständnis und zur numerischen Prozessmodellierung geplant. Die BGR ist schwerpunktmäßig im Arbeitspaket 1 involviert und bringt hier ihre Expertise an der Schnittstelle zwischen geologischen und numerischen Fragestellungen ein.

In Bezug auf das Cyclic Deformation (CD-A) Experiment in Mont Terri wurden verschiedene numerische Modelle erstellt und mit der Open-Source Finite Elemente Software OpenGeoSys (OGS 6) berechnet. Schwerpunkt der Berechnungsmodelle liegt auf dem Verständnis von gekoppelten hydromechanischen Prozessen und der schrumpfungsinduzierten Rissbildung. Derzeit wird die Anwendbarkeit des entwickelten Ansatzes sowohl in der Labor- als auch in der In-Situ-Skala geprüft (Abb. 2).

Abb. 2: Numerische Modelle im Zusammenhang mit dem CD-A Experiment Quelle: BGR

Gefördert durch das
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Programm: Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)
Förderkennzeichen: 03G0866F

Projekthomepage: http://www.ufz.de/geomint

Die Resultate des GeomInt2-Projekts wurden als Open Access-Buch veröffentlicht.

Literatur:

• Kolditz, O.; Görke, U.-J.; Konietzky, H.; Maßmann, J.; Nest, M.; Steeb, H.; Wuttke, F.; Nagel, Th. (Eds.): GeomInt–Mechanical Integrity of Host Rocks. Series: Terrestrial Environmental Sciences. Springer, 2021. ISBN 978-3-030-61908-4, DOI: 10.1007/978-3-030-61909-1
  
  
• Olaf Kolditz, O.; Yoshioka, K.; Cajuhi, T.; Günther, R.-M.; Steeb, H.; Wuttke, F.; Nagel, T. (Eds.): GeomInt-Discontinuities in Geosystems From Lab to Field Scale. Springer, 2023. ISBN 978-3-031-26492-4, DOI: 10.1007/978-3-031-26493-1

Partner:

• Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) Leipzig, Department Umweltinformatik (Verbundprojektleitung)
• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Department of Geosciences, Geomechanics and Geotechnics
• Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik
• Universität Stuttgart, Institut für Mechanik, Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik
• Institut für Gebirgsmechanik GmbH (IfG), Leipzig