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 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.
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 und entsprechender Permeabilitätseigenschaften im Bereich von Störungszonen. Auf der Mikroskala betrachten wir Deformationstrukturen und Bruchmuster auf einem cm-nm-Maßstab sowie Zementation und andere diagenetische 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. Für Prognosen von Permeabilitäten in Störungszonen wird deren Entwicklung in Labor- und numerischen Modellen simuliert. Zudem werden Permeabilitäten von Einzelklüften und Kluftnetzwerken aus Daten synthetischer und realer Bruchnetzwerke bestimmt. In Modellen werden Rauigkeiten der Kluftflächen sowie der Einfluss des lokalen Spannungsfelds auf Klüfte und deren Öffnungsweite berücksichtigt. Die Variation der Spannungen in den Modellen ermöglicht die Abschätzung tiefenabhängiger Permeabilitätsänderungen. Das Verfahren wird durch die Untersuchung von physischen Labormodellen getestet und validiert; die skalenübergreifende Interpretation wird an einem Realdatenbeispiel erprobt. Das igem führt numerische Simulationen mit einem DEM-Ansatz zur Mechanik der Bruch- und Bruchnetzwerkentwicklung, photogrammetrische Messungen und Analysen von Bruchstrukturen im Aufschluss sowie Durchflussmessungen an analogen Kluftmodellen durch. Die in den DEM-Simulationen erzeugten Bruchgeometrien werden statistisch ausgewertet, mit den Messungen im Aufschluss verglichen und in den Arbeitspaketen zur Simulation des Fluidflusses weiterverwendet.
Roots are currently discussed to store considerable amounts of carbon in the subsoil. Although it is well known that roots can penetrate the subsoil and deep subsoil (greater than 2 m) several meters deep, it remains unclear, how much carbon they contribute, if they lead to net carbon sequestration in the long-term and under which conditions they lead to carbon accumulation. Rhizoliths and biopores are root-related features that frequently occur in soil and underlying soil parent material. Recent studies in unconsolidated sediments show that they enable investigating the long-term effects of root penetration even after the lifetime of the source plant and thus the assessment of sustainable impacts of roots on subsoil organic matter (OM). While other research groups deal with the subsoil less than 2 m, (eg German Research Foundation (DFG) Research Group SUBSOM the current project focuses on the deep subsoil (greater than 2 m), where a significant overprint of OM is expected. In fact, this part of the subsurface is usually not regarded by soil scientists, but of large interest for paleoenvironmental researchers as valid e.g. for loess-paleosol sequences. So far, the effect of roots on subsoil OM was only studied on a single site in SW Germany during a precursor project, DFG (WI2810/10). Based on that project, the current proposal aims at the investigation of the transferability of the results to other sedimentary settings and ecological contexts. At several sites along a NE-SW transect across Europe (from The Netherlands across Germany, Switzerland, Austria, Hungary towards Serbia), unconsolidated material like dune and fluvial sands, as well as loess-paleosol sequences will be investigated with respect to OM quantity and quality as influenced by root penetration. Preliminary investigations of six potential sites in Germany, Hungary and Serbia showed that biopores and other root-related features can reach similar abundances in different settings. Nevertheless, consequences for OM sequestration and turnover may be different, depending not only on the respective source vegetation but also sedimentary properties. The target of the current project is to identify carbon losses or sequestration related to root penetration, which will be assessed by bulk organic and inorganic carbon contents as well as a variety of lipid biomarkers including alkanes, fatty acids, alcohols, glycerol dialkyl glycerol tetraethers and suberin markers. The combination of these biomarkers enables the assessment of root-related overprint, if transects from root features to surrounding material free of them are investigated. The data will be fed into the VERHIB model for source apportionment of sedimentary and root-related OM. (abridged text)