Coupled hydraulic-mechanical-chemical processes in porous and fractured rocks
Creators: name: Hale, Sina Katrin
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022

description: Gekoppelte hydraulische, mechanische und chemische Prozesse sind bei zahlreichen Anwendungen im Untergrund zu berücksichtigen und entscheidend für die Analyse des Potenzials, der Sicherheit und Risiken sowie der zukünftigen Entwicklung eines Geosystems. Einige solcher Untergrundnutzungen wie die Endlagerung radioaktiver Abfälle, die Speicherung von Energieträgern oder die Geothermie haben darüber hinaus einen hohen Stellenwert bei der Energiewende im Rahmen der weltweiten Klimaschutzaktivitäten. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Entwicklung von methodisch-analytischen Ansätzen und Werkzeugen, welche zur Charakterisierung von gekoppelten Prozessen in porösen und geklüfteten Gesteinen herangezogen werden können. Durch Betrachtung zweier unterschiedlicher Lithologien sowie Beobachtungsmaßstäben vom µm- bis in den m-Bereich trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis gekoppelter Prozesse in Reservoir- und Wirtsgesteinen bei. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit hydraulisch-mechanischen (HM) Prozessen und Eigenschaften in geklüfteten Gesteinen. Klüfte stellen wichtige Fließpfade im Gestein dar, sind jedoch auch hochsensibel gegenüber mechanischen Einflüssen. In der ersten Studie wird ein systematischer Methodenvergleich für eine nicht-invasive Quantifizierung von hydraulischen Öffnungsweiten präsentiert. Drei verschiedene Messinstrumente, ein tragbarer Luftpermeameter, eine Mikroskopkamera und ein 3D-Laserscanner, werden an einer natürlichen Einzelkluft in einem bekannten deutschen Reservoiranalogon (Flechtinger Sandstein) angewandt und bewertet. Dieses Fallbeispiel zeigt, dass der Luftpermeameter die robustesten Ergebnisse liefert, die größte Eindringtiefe besitzt und erhebliche Vorteile in Bezug auf Mobilität, Zeitaufwand und Datenauswertung bietet. Bei den Ansätzen zur optischen Kluftcharakterisierung erfolgt die Bestimmung der hydraulischen Öffnungsweite indirekt mittels verschiedener Modellannahmen auf Basis der mechanischen Öffnungsweite und der Kluftrauigkeit. Dabei ergeben sich Abweichungen von bis zu 27 % (Mikroskopkamera) und bis zu 260 % (3D-Laserscanner) verglichen mit den Ergebnissen des Luftpermeameters. Aufbauend auf der Einzelkluftanalyse wird die präsentierte Methodik auf den Feldmaßstab transferiert sowie für die Anwendung an einer Wirtsgesteinsformation für die nukleare Endlagerung optimiert. In der zweiten Studie wird eine HM Charakterisierung einer Auflockerungszone im Opalinuston des Felslabors Mont Terri in der Schweiz vorgenommen. Die Analyse des diskreten Kluftnetzwerks in der untersuchten EZ-B Nische, bestehend aus tektonischen und künstlichen Diskontinuitäten, zeigt, dass die offenliegende Auflockerungszone durch hydraulische Öffnungsweiten von bis zu 112 µm gekennzeichnet ist. Durch fortschreitende Austrocknung der Tunnelwände über einen Zeitraum von etwa 15 Jahren wurden Selbstheilungsprozesse größtenteils unterbunden. Auch die mithilfe von Nadelpenetrometertests vor Ort ermittelten physikalisch-mechanischen Gesteinsparameter verdeutlichen die Sensitivität des Opalinustons gegenüber der Tunnelbelüftung und bilden eine negative Korrelation von Gesteinsfestigkeit bzw. -steifigkeit und Wassergehalt aufgrund eines ausgeprägten hydromechanischen Kopplungsverhaltens ab. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf hydraulisch-chemische (HC) Prozesse im porösen Medium und adressiert den reaktiven Transport in einem Reservoirgestein. Insbesondere durch Lösungs- oder Fällungsreaktionen hervorgerufene Porositäts- und Permeabilitätsänderungen können die Reservoireigenschaften signifikant verändern. Die dritte Studie untersucht die Auflösung von Calcit-Zement im Flechtinger Sandstein sowie die Übertragbarkeit der experimentellen Calcitlösungsraten von der µm-mm-Skala (Mineraloberfläche) auf die cm-Skala (Kernproben). Anhand von Durchflussexperimenten an vier Sandsteinkernen wird die Bandbreite der Lösungsraten auf der cm-Skala für unterschiedliche Reaktionszeiträume sowie variierende hydraulische Randbedingungen ermittelt. Dem gegenübergestellt werden zeitlich und räumlich aufgelöste Calcitlösungsraten auf der µm-mm-Skala aus Oberflächenanalysen mittels vertikal scannender Interferometrie. Auf Grundlage segmentierter Röntgen-Mikrocomputertomografie Scans der Kernproben wird ein geometrischer Ansatz etabliert, um die fluidzugängliche Oberfläche des heterogen verteilten Calcitzements im niedrigpermeablen und komplexen Sandstein abzuschätzen. Auf Grundlage dieses eingeführten Oberflächenparameters wird die Rateninformation der µm-mm-Skala auf die Kernskala übertragen, wobei die Abweichungen zwischen den aufskalierten und den gemessenen Lösungsraten für alle untersuchten Proben weniger als eine Größenordnung betragen. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Messmethoden und Herangehensweisen identifiziert, entwickelt, optimiert und validiert, die zur Beschreibung und Interpretation von gekoppelten hydraulisch-mechanisch-chemischen Prozessen und zur Bestimmung damit zusammenhängender Schlüsselparameter in geklüfteten und porösen Gesteinen genutzt werden können. Der Untersuchungsansatz und die erzielten Ergebnisse bilden daher eine wertvolle Grundlage für die Vorhersage des Verhaltens natürlicher Systeme auf höheren Längen- und Zeitskalen.