Tonstein im gesteinsmechanischen Labor
Land / Region: Deutschland
Projektanfang: 01.07.2009
Projektende: 31.12.2024
Projektstand: 16.11.2023
Tonstein als Wirtsgesteinsformation muss detailliert charakterisiert werden
Fotos (und Zeichnung) von Störungsletten (engl. „gouge“) in stark deformiertem Opalinuston
Quelle: BGR
Tonstein ist nicht Tonstein. Kaum ein Material ist so vielfältig in seinen Eigenschaften und gerade diese machen ihn zu einem guten Kandidaten als Wirtsgestein. Jedoch muss er in jeder Ausprägung gut charakterisiert sein, um explizite Prognosen bzgl. des jeweiligen Langzeitverhaltens zu ermöglichen.
Insbesondere müssen die physikalischen Eigenschaften des Tonsteins detailliert bestimmt werden. Was hat er beispielsweise für Festigkeits-, Durchlässigkeits- und Wärmeleitungseigenschaften? Wird er über lange Zeiträume ggf. auch kriechen und damit entsprechend langfristig auch die untertägigen Ausbauten belasten, die die Hohlräume stützen? Und wie verhält er sich weit darüber hinaus in den kommenden mehreren hunderttausend Jahren?
Das Arbeitspaket „Tonstein im gesteinsmechanischen Labor“ untersucht mit modernen, akkreditierten und hochpräzisen Methoden die Materialeigenschaften und das Deformationsverhalten von verschiedenen Tonsteinen. Im Fokus stehen derzeit der schweizerische Opalinuston (Mont Terri) und der französische Callovo-Oxfordian Tonstein (Bure, Meuse/Haute-Marne).
Tonstein ist ein komplexes Material. Seine vielen Mineralphasen, seine Schichtungsanisotropie und seine starke mechanisch-hydraulische Kopplung bedingen, dass viele konventionelle gesteinsmechanische Versuche modifiziert und weiterentwickelt werden müssen. Ein Schwerpunkt liegt beispielsweise auf der Entwicklung von zerstörungsfreien Testverfahren, die mechanische und hydraulische Regelungen nutzt, um mehrere Testläufe an einem Prüfkörper zu ermöglichen. Dadurch lässt sich ein und dieselbe Probe unter verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen prüfen. Dieser Vorteil ermöglicht es, Veränderungen im Materialverhalten einer einzelnen Kontrollgröße zuzuordnen und umgeht probenspezifische Materialunterschiede, die eine Messreihe an mehreren Proben mit sich bringen würde. Die gesteinsmechanischen Versuche laufen mitunter mehrere Jahre, was einen hohen Anspruch an die Zuverlässigkeit der Labortechnik stellt.
Welche Parameter können ermittelt werden?
Porosität, Permeabilität, Dichte, Sättigung, Kompaktierbarkeit, Homogenität, Anisotropie, Steifigkeit (dynamisches und statisches E-Modul), Druck-, Zug- und Restfestigkeit, Reibungswinkel, Kohäsion, Auflockerung (Dilatanz), Ermüdung, plastische Verformung, mechanisch-hydraulische Kopplungsparameter (Biot-α, Skempton A und B) und Druckdiffusionskoeffizienten.
Welche Prozesse werden untersucht?
Durch die kontrollierte Veränderung von Umgebungsparametern, z. B. Druck/mechanische Spannung, Porenwasserdruck, Temperatur oder Verformungsgeschwindigkeit, ermitteln wir deren Einfluss auf das Materialverhalten. Dadurch können Stoffgesetze abgeleitet werden, die das Materialverhalten beschreiben. Beispielsweise: Dilatanzgrenze, Kriechprozesse und Deformationsmechanismen.
Mit dem hier gewonnenen Wissen werden an anderer Stelle Langzeitmodelle geschaffen, die Parameter und Prozesse aus dem Labor berücksichtigen. Durch die Einbindung in internationale Forschungsstandorte (Mont Terri in der Schweiz sowie Bure und Tournemire in Frankreich) ist dieses Arbeitspaket mit Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen eng vernetzt. Zudem werden die Methoden und Ergebnisse der Laborversuche mit natürlichen Prozessen verglichen.