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

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GeomInt 2

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

01.10.2020 bis 30.09.2022


Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ) Leipzig, Department Umweltinformatik
Permoserstr. 15
04318 Leipzig

Universität Kiel, Institut für Geowissenschaften (Geomechanik & Geotechnik)
IfG Institut für Gebirgsmechanik GmbH Leipzig
Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik
Universität Stuttgart, Institut für Mechanik (im Bauwesen)
Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) Hannover

Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)

Nutzung unterirdischer Geosysteme

Eingriffe in den geologischen Untergrund werden häufig von Deformationsprozessen oder physikalisch-chemischen Alterationen begleitet. In einzelnen Fällen können diese zu tiefgreifenden Schädigungen im Gestein führen und damit die Integrität geologischer Reservoire und Barrieren ungünstig beeinflussen. Dabei auftretende mikro- und makromechanische Strukturen im geologischen Untergrund (z. B. Störungen, Verwerfungen, Brüche, Klüfte) werden unter dem Oberbegriff »Diskontinuitäten« zusammengefasst. Die Entstehung solcher Diskontinuitäten ist zumeist nur unzureichend verstanden und mit den verfügbaren kommerziellen Simulationssystemen nicht adäquat modellierbar. Aus diesem Grund ist es das Ziel des Projekts GeomInt, experimentell-numerische Methoden für die realitätsnahe Analyse und Prognose von Diskontinuitäten in wichtigen Reservoir- und Barrieregesteinen (Salz, Ton und Kristallin) zu entwickeln.

Hauptergebnis des vorrangig methodisch orientierten Projekts GeomInt ist die Entwicklung breit gefächerter experimenteller und numerischer Grundlagen für die realitätsnahe Analyse und Prognose von Diskontinuitäten in wichtigen Reservoir- und Barrieregesteinen. Die spezialisierten experimentellen Analysen an diversen Materialien wurden vorrangig auf der Laborskala mit Probenmaterial aus verschiedenen Untertagelaboren durchgeführt. Erste Experimente auf der Feldskala ergänzten das Analyseportfolio und waren Grundlage für die Entwicklung von Ansätzen zur Modellierung von Skalenübergängen. Im Rahmen der numerischen Untersuchungen wurden unterschiedliche Modellierungskonzepte weiterentwickelt und verifiziert, welche die Evolution von Diskontinuitäten auf verschiedenen Raum-Zeit-Skalen abbilden können. Modellvergleiche von Schädigungs- und Bruchvorgänge geben Hinweise auf die optimalen Einsatzgebiete der untersuchten numerischen Methoden. Als Synthese-Instrument wurde eine Vielzahl sog. Modell-Experimente (MEX) definiert, in denen experimentelle und Modellierungsarbeiten zusammengeführt worden sind. Dabei handelt es sich von Beginn an um eine systematische, umfassende Untersuchung der zu Diskontinuitäten führenden Prozesse Quellung/Schrumpfung, Perkolation/Verheilung und Spannungsumlagerungen. Die Projektergebnisse, die in einer Buchpublikation umfassend dargestellt sind, gestatten ein verbessertes Verständnis der untersuchten Prozesse, der verwendeten Methoden und der anwendungsorientierten Systeme für relevante Zeit- und Längenskalen, um die Planung und Realisierung geotechnischer Nutzungen des Untergrundes sicherer, zuverlässiger und effizienter zu gestalten.

Mit dem Anschlussprojekt GeomInt 2 soll die praktische Einsatzfähigkeit der neu entwickelten, experimentell-numerischen Instrumentarien unter realen Bedingungen auf der Standortskala nachgewiesen werden. Hierfür sind entsprechende Experimente in den Untertagelaboren Mont Terri (Tongestein), Springen (Steinsalz) und Reiche Zeche (Kristallingestein) sowie in Kooperation mit weiteren Projekten vorgesehen. Im Mittelpunkt der Arbeiten stehen Untersuchungen zu den Auswirkungen von Anisotropien auf das Quell- und Schrumpfungsverhalten von Tongesteinen, zur druckgetriebenen Perkolation und Kluftreaktivierung von Flüssigkeiten und Gasen in Salz- und Tongesteinen sowie zum hydromechanisch gekoppelten Verhalten bei der Bildung und Entwicklung von Diskontinuitäten durch Spannungsumlagerungen im Kristallin. Sämtliche Arbeiten werden von umfangreichen numerischen Simulationen begleitet und münden in einer digitalen Synthese der Projektergebnisse. Um die notwendige Skalierung der Modelle für anwendungsbezogene Untersuchungen zu erreichen und Modellergebnisse im realen Kontext der Untertagelabore darstellen zu können, werden auch neue Entwicklungen in den Computerwissenschaften, wie das Höchstleistungsrechnen und die visuelle Datenanalyse Eingang in die Projektarbeiten finden. Zusammen mit den Ergebnissen des Vorgängerprojekts soll mit GeomInt 2 eine experimentelle und eine numerische Plattform entwickelt werden, die als Werkzeuge zur Prognose und Überwachung geotechnischer Eingriffe in den tiefen Untergrund zur Verfügung stehen.

Weitere Informationen finden sich auf der GeomInt Projektwebseite sowie in der GeomInt Buchpublikation.