Die Entsorgung nuklearer Abfälle in geologischen Tiefenlagern muss in Gebieten erfolgen, die vom Grundwasserstrom ausreichend isoliert bleiben. Andernfalls können Fluidströmungsprozesse bei einer gestörten Entwicklung des Endlagers die Migration von Radionukliden in die Biosphäre begünstigen. Nur wenige Studien befassen sich mit den Folgen des weiträumigen Radionuklidtransports in solchen Worst-Case-Szenarien. Die hydrogeologischen Bedingungen des Gesamtsystems in der Nachbetriebsphase werden sich jedoch letztendlich von denen zum Zeitpunkt des Endlagerbaus unterscheiden und werden sowohl von äußeren Faktoren (z.B. Klimawandel) als auch von intrinsischen Beckeneigenschaften stark beeinflusst. Dieses Vorhaben im Bereich der Umweltrisiken zielt darauf ab, die Auswirkungen von (i) Vereisung, (ii) Permafrost und (iii) tektonischen Ereignissen auf die hydrologischen und hydromechanischen Grenzen zu untersuchen, die den großräumigen Grundwasserfluss in der Nähe von hypothetischen Abfalldeponien bestimmen. Zu diesem Zweck dient der Yeniseisky-Standort (YS) in Russland, ein potenzielles geologisches Tiefenlager für radioaktive Abfälle in kristallinem Gestein, als Fallstudie, der auf einzigartige Weise alle drei oben genannten Merkmale der geologischen Umgebung umfasst. Multiphysikalische Simulationen von thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemisch gekoppelten Prozessen (THM-C) werden angewendet, um Szenarien der Fernfeld-Radionuklidentwicklung im Extremfall eines Endlagerstörfalls zu liefern. Die Neuartigkeit der THM-C-Modelle und der Zugang zu einer einzigartigen Datenbank der YS werden das klassische Verständnis von anomaler Fluid-, Wärme- und Massentransportvorgänge innerhalb tektonisch aktiver Becken erweitern. Während sich das vorgeschlagene Vorhaben auf die Thematik der nuklearen Entsorgungsforschung bezieht, können die den entwickelten Modellen zugrunde liegenden physikalischen und numerischen Konzepte auf eine Vielzahl von Nutzungsszenarien der Geosphäre (z.B. CO2-Speicherung, Abfallentsorgung, Entstehung seismischer Ereignisse) angewendet werden. Darüber hinaus sind entsprechende Benchmarkstudien in ähnlichen kristallinen geologischen Formationen geplant.
Enhanced Geothermal Systems (EGS) zielen darauf ab, die in der Erdkruste gespeicherte Wärme durch zirkulierende Flüssigkeiten zwischen Injektions- und Produktionsbohrlöchern zu extrahieren. Ideale Bedingungen finden sich typischerweise in Formationen in einer Tiefe von 2 bis 5 km, in denen die Durchflussrate für kommerzielle geothermische Anlagen nicht ausreicht und in denen die Temperaturen hoch sind (d. H. >> 100 ° C). Daher ist die Hochdruck-Flüssigkeitsinjektion, die als hydraulische Stimulation bekannt ist, eine allgemein angewandte Technik, um ein verbundenes Bruchnetzwerk zu erzeugen, das die Flüssigkeitszirkulation erleichtert. Die hydraulische Stimulation geht typischerweise mit einer induzierten Seismizität einher, die von der Öffentlichkeit wahrgenommen werden kann und sogar Schäden verursacht. Das Ziel dieses Projekts ist es, ein grundlegendes Verständnis der induzierten Seismizität in gebrochenen Gesteinen zu vermitteln, das die Fähigkeit verbessert, das seismische Risiko vorherzusagen und zu kontrollieren. Dieses Projekt geht von der Hypothese aus, dass die Seismizität gemeinsam durch die Bruchnetzgeometrie und die aktivierten thermo-hydromechanischen (THM) Prozesse in geologischen Systemen gesteuert wird. Wir werden Discrete Fracture Networks (DFN) anwenden, um die strukturellen Diskontinuitäten darzustellen und die THM-Prozesse mit hoher Auflösung zu modellieren. Dieses Projekt verwendet die Datensätze aus kleinen (Dekameter-) Stimulationsexperimenten am Grimsel-Teststandort in der Schweiz und modernste numerische Modelle, um Folgendes zu erreichen: 1) Testen Sie die Wirksamkeit hochauflösender Modelle zur Erfassung der seismische, hydraulische und mechanische Prozesse, die mit kleinen Experimenten beobachtet wurden; 2) Verknüpfung der geometrischen Attribute eines Bruchnetzwerks (wie Intensität, Konnektivität, Länge und räumliche Verteilung) mit der räumlichen, zeitlichen und Größenverteilung der induzierten Seismizität; 3) ein neuartiges Prognosemodell für die maximal mögliche Größe vorschlagen und testen, das die gemeinsamen Auswirkungen von Multiphysikprozessen berücksichtigt, die unter standortspezifischen geologischen Bedingungen und Betriebsbedingungen dominieren; 4) Bewertung der Hochskalierung der hochauflösenden DFN-Modelle im kleinen Maßstab (Dekameter), um die Experimente im Reservoir-Maßstab (Kilometer) zu simulieren. Dieses Forschungsprojekt ist neu in der Behandlung der durch Injektion induzierten Seismizität durch hochauflösende physikbasierte Modelle und hochwertige Datensätze, die aus einzigartigen In-situ-Experimenten abgeleitet wurden. Die vorgeschlagene Forschung hat erhebliche Auswirkungen auf die Förderung der Übergangspolitik hin zu einer Versorgung mit erneuerbaren Energien und trägt dazu bei, unser Wissen über die Auslösemechanismen induzierter Erdbeben zu erweitern.
Die Abschätzung hydraulischer Durchlässigkeiten im Untergrund unter besonderer Berücksichtigung von Störungszonen ist unerlässlich für die Bewertung geologischer Strukturen hinsichtlich ihrer Reservoir- oder Barriereeigenschaften. Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Modellen zur verbesserten Vorhersage der Kluftverteilung entsprechender Permeabilitätseigenschaften im Bereich von Störungszonen. Auf Mikroskala betrachten wir insbesondere Deformationstrukturen und Bruchmuster auf dem cm-nm Maßstab, sowie Zementation und andere diagenetischen Veränderungen. Die Mesoskala umfasst die Betrachtung einzelner Brüche unter Berücksichtigung ihrer Oberflächenstruktur und Geometrie. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden auf die Makroskala übertragen, um dort den Fluidfluss innerhalb komplexer Bruchnetzwerke zu bestimmen. Die neuen Verfahren und Methoden erlauben eine umfassende Interpretation und Analyse von Permeabilitäten in Bruchnetzwerken und daraus resultierend eine Prognose für Gebirgsdurchlässigkeiten in geklüfteten Gesteinen. Genaue Kenntnisse der Verteilung von Durchlässigkeiten und Barrieren sind wichtige Informationen im Bereich der Wasserwirtschaft und Speichertechnologie, im Tunnelbau und bei der Festlegung von Bohrzielen in der geothermischen und Kohlenwasserstoffexploration. Die Teilprojekte die an der RWTH durchgeführt werden umfassen Arbeiten zur strukturgeologischen Erfassung von Geländedaten sowie der mikrostrukturellen Analyse der im Gelände gewonnen Proben. Zudem werden Analogmodelle durchgeführt, die die Durchflusseigenschaften von Störungszonen auf der Makroskala simulieren. Die Analyse der Bruchgeometrien und mikrostrukturellen Eigenschaften in beiden Teilprojekten dient u.a. als Basis zur numerischen Simulation in den anderen Verbundprojekten.
Übergeordnetes Ziel des geplanten Vorhabens ist es, in wesentlichem Umfang vorhandene Lücken im Prozess-, Methoden- und Systemverständnis bei der Entstehung und Entwicklung struktureller Diskontinuitäten in Wirts- und Barrieregesteinen zu schließen. Auf der Basis systematischer experimentell-numerischer Analysen in für geotechnologische Anwendungen typischen Gesteinen sollen zeitliche und räumliche Auswirkungen von Diskontinuitäten auf die geomechanische Integrität und Dichtheit geologischer Formationen (z.B. in Form von Permeabilitäts- und Festigkeitsänderung) betrachtet werden. Damit werden Voraussetzungen für die Etablierung und Verbesserung verlässlicher Verfahren und Leitlinien zur prognostizierenden Gefährdungsanalyse und Überwachung vermeidbarer Umweltauswirkungen geschaffen. Im vorliegenden Teilprojekt werden hydro-mechanisch gekoppelte Laborexperimente und numerische Simulationen in Bezug auf kristallines Gestein durchgeführt. Die Laborversuche enthalten klassische und spezielle bruchmechanische Versuche an Matrixmaterial sowie Diskontinuitäten. Die numerischen Simulationen auf Basis der Diskreten-Elemente-Methode beinhalten die Simulation von Rissausbreitungsprozessen sowie Dislokationen entlang existierender Klüfte bzw. Störungszonen. Dabei wird auf Basis der Laborversuche ein neues Materialgesetz zur Beschreibung des hydro-mechanischen Verhaltens von Diskontinuitäten entwickelt, implementiert, getestet und angewendet. Der Arbeitsplan umfasst folgende Schritte: 1.) Analyse des aktuellen Standes von W+T 2.) HM-gekoppelte gesteinsmechanische Laborversuche am Kristallin 3.) Numerische Simulationen zur Rissausbreitung inkl. Entwicklung eines Kluftstoffgesetzes 4.) Einbeziehung von in-situ-Daten aus Frac-Experimenten in Simulationen.
Die strukturgeologische Situation schichtgebundener und gangförmiger Mineralisationen im Norddeutschen Becken wird anhand von Kernmaterial aus existierenden Bohrungen unserer Partner in der Kohlenwasserstoff-Industrie untersucht, um Modelle der bruchgesteuerten Fluidbewegung und Mineralisation zu entwickeln sowie neue Explorationsziele zu identifizieren. In reorientierten Bohrkernen mit Mineralisationen werden die Brüche analysiert, auf denen sich mineralisierende Fluide bewegt haben. Aus den Eigenschaften der Brüche und ihrer Orientierung lassen sich die Richtungen und relative Größe der Hauptnormalspannungen und damit tektonische Regimes (Abschiebungs-, Überschiebungs-, Seitenverschiebungsregime) zur Zeit der Fluidbewegung und Mineralisation ableiten. Strukturuntersuchungen der Gangmineralisationen können mehrphasige Entwicklung und relative Alter klären. Aus der generell bekannten regionalen Strukturentwicklung und aus Altersbeziehungen wird sich bereits eine grobe zeitliche Einordnung ergeben. Für eine genauere Analyse der lokalen tektonischen Entwicklung sind die Strukturen auf verschiedenen Maßstäben mit der Beckenentwicklung in Beziehung zu setzen. Größere Strukturen sind durch existierende Karten und z.T. durch seismische Daten eingegrenzt. Zur Neuinterpretation werden Strukturmodelle erstellt. Die Versenkungs- und Exhumierungsgeschichte verschiedener Beckenteile wird in 1D-Beckenmodellierungen analysiert, die durch Daten zur organischen Reife (Vitrinit- und Bitumenreflektivität) sowie durch Thermochronologie (Spaltspur- und Helium-Alter) kalibriert werden. Diese Daten liegen für die zu bearbeitenden Bohrungen z.T. vor und werden in anderen Fällen im Rahmen des Projekts erhoben. Druck- und Temperaturdaten aus Fluideinschlüssen erlauben die Zuordnung der Mineralisationen zu bestimmten Phasen der Beckenentwicklung und tektonischen Regimes. Verfahren zur Datierung von Fluorit und Dolomit werden erprobt und weiterentwickelt.