Erforschung der thermo-hydro-mechanisch-chemischen (THMC) gekoppelten Prozesse während der Quellung von Ton-Sulfat-Gestein

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Butscher
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ; Geologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530391639

Trotz ihrer Bedeutung in der Geotechnik und bei geologischen Prozessen ist Gesteinsquellen noch immer unzureichend erforscht, während die Folgen für Ingenieurprojekte erheblich sind. Diese Forschung wird die experimentellen und modelltechnischen Fähigkeiten der französischen und deutschen Partner zusammenführen, um die makroskopischen Auswirkungen des Gesteinsquellens durch mikroskalige Prozesse zu charakterisieren, zu verstehen und zu modellieren. Die Arbeiten werden sich auf Ton-Sulfat-Gestein konzentrieren, bei dem Tonquellen und chemisches Quellen zusammen auftreten und sich gegenseitig beeinflussen. Das Ziel ist, experimentelle Ergebnisse zu erzielen, die das thermische, hydraulische, mechanische und chemische (THMC) gekoppelte Quellverhalten von Gesteinen charakterisieren, und die Ergebnisse in konstitutive Gleichungen für numerische Simulationen umzusetzen. Der Forschungsplan gliedert sich in vier Arbeitspakete (Tasks). Tasks 1 bis 3 sind experimentell und dienen als Grundlage für die in Task 4 entwickelten Modelle. Task 1 umfasst die Herstellung und Charakterisierung der Proben. Es werden sowohl mineralogische (XRD, Dünnschliffanalyse) als auch chemische Analysen (XRF) durchgeführt. Die während der Experimente entnommenen Fluidproben werden ebenfalls analysiert (AES, Titration). In Task 2 werden wir Durchfluss-Quellexperimente durchführen, um zu beobachten, wie die Proben quellen und wie sich ihre Durchlässigkeit während des Quellens entwickelt. Um das in Task 2 beobachtete makroskopische Quellverhalten zu verstehen und zu interpretieren, wird in Task 3 eine erweiterte Bildgebung der Proben in kleinerem Maßstab durchgeführt. Wir setzen Röntgen-Computermikrotomographie und Magnetresonanztomographie ein, um die Porenstruktur und den Fluidfluss sowie ihre Veränderungen während des Quellens direkt zu beobachten. Darüber hinaus können chemische Reaktionen in Raum und Zeit zeitgleich mit dem Quellen verfolgt werden, indem Veränderungen des Porenraums, der Dichte und des Wassergehalts beobachtet werden. Diese Experimente werden durch Rasterelektronenmikroskopie, Quecksilber-Intrusionsporosimetrie und NMR-Kryoporometrie ergänzt. Anhand der Ergebnisse können wir feststellen, wo und wann sowohl der Fluidfluss (Gesteinsmatrix, Diskontinuitäten) als auch das chemische Quellen (Ort, Zeitpunkt der Umwandlung) auftreten und wie sie mit mechanischen (Dichte/Volumen) und hydraulischen (Porosität, Durchfluss) Parametern zusammenhängen. Die in den Tasks 1 bis 3 gesammelten Daten werden für die Modellentwicklung, Kalibrierung und Validierung in Task 4 eingesetzt. Die THMC-gekoppelten Gesetze werden auf der Grundlage der in den Tasks 2 und 3 gewonnenen Daten und mittels Fast Fourier Transformation aus den in Task 3 durchgeführten mikrostrukturellen Beobachtungen hergeleitet. Sie werden in zwei Open-Source Finite-Elemente-Codes (Bil und OpenGeoSys) implementiert und anhand der Experimente validiert. Die beiden numerischen Ansätze werden miteinander verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Matthieu Vandamme