Verbundene Mikroporosität in Kristallingesteinen

Abstract

Die Notwendigkeit radioaktive und andere toxische Substanzen abgeschlossen von der Biosphäre zu deponieren, führte zu der Idee unterirdische Deponien in geeigneten geologischen Formationen wie z.B. Granit- und Gneiskomplexen anzulegen. Kritisch für die Sicherheitsprognose eines geologischen Endlagers sind insbesondere die hydraulischen Wegsamkeiten, die eine Verbindung zur Biosphäre ermöglichen können. Hierzu zählen großräumige Störungen ebenso wie die Matrixporosität, die sich in kristallinen Gesteinen überwiegend aus Mikrorissen zusammensetzt. Die verbundenen in situ-Mikrorisse haben darüber hinaus großen Einfluss auf die Retardationseigenschaften des Wirtsgesteins. Insbesondere die Diffusion von Radionukliden aus einer wasserführenden Störung in den verbundenen Porenraum der umgebenen Gesteinsmatrix führt zu einer Verzögerung des Nuklidtransports sowie zur Erniedrigung der Höchstkonzentration der Schadstoffe in der Störung. Untersucht wurden Proben aus dem Felslabor Grimsel (Aarmassiv, Schweiz). Ziel der Untersuchung war die Erfassung der in situ-Mikroporosität kristalliner Gesteine in Abhängigkeit vom Gesteinsgefüge sowie in Annäherung an eine Scherzone mittels mikroanalytischer und petrophysikalischer Verfahren und darauf basierend die Entwicklung eines Mikrokluft-Modells. Einige Proben wurden vor ihrer Entnahme mit einem fluoreszierenden Harz getränkt, sodass die in situ-Mikrorisse von den durch die Bohrkernrelaxation geöffneten Rissen unterscheidbar waren. Die Proben weisen unterschiedliche Deformationsgrade, erkennbar an der verschieden stark ausgeprägten Foliation und Feldspatkataklase, auf, die sich auch in dem komplex aufgebauten Porenraum widerspiegeln. Der in situ-Porenraum wird dominiert durch intragranulare Spaltflächen-parallele Glimmerrisse, die bevorzugt parallel zur Foliation orientiert sind, intragranulare Risse in den Feldspäten, die häufig senkrecht zur Lineation verlaufen, sowie intergranulare Quarzrisse, die nur eine schwache Vorzugsorientierung aufweisen. Die mittels der mikroanalytischen Methoden bestimmten Vorzugsorientierungen der Mikrorisse konnten mithilfe der petrophysikalischen Untersuchungen bestätigt werden. Dabei haben sich die richtungsabhängigen Bestimmungen der p- und s-Wellengeschwindigkeiten als besonders sensitiv gegenüber den Glimmervorzugsorientierungen erwiesen. Basierend auf den Ergebnissen der direkten und indirekten Untersuchungen wurde ein stochastisches Kluft-Modell der in situ-Mikrorisse entwickelt und mithilfe der richtungsabhängigen Permeabilitätsmessungen bei 20 MPa Umschließungsdruck verifiziert. Die Transmissivitäten, die sich aus der Modellierung für die verschiedenen Rissscharen ergeben haben, spiegeln den maßgeblichen Einfluss der Glimmerrisse auf die Strömungs- und Transporteigenschaften der granitoiden Gesteine wider. Zusammenfassend haben die Untersuchungen gezeigt, dass unabhängig von der Variation des Gefüges und der Entfernung der Proben zu einer großräumigen Störung ein weiträumiges Mikrorissnetzwerk in den granitoiden Gesteinen ausgebildet ist, das die Grundlage für die Matrixdiffusion bildet. Lediglich die Vorzugsorientierungen der Mikrorisse und damit die bevorzugten Fließrichtungen, sind in starkem Maße vom Gefüge der Proben und ihrer mineralogischen Zusammensetzung abhängig.