Einfluss des Mikrogefüges auf ausgewählte petrophysikalische Eigenschaften von Tongesteinen und Bentoniten

Abstract

Tone werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt. Es ist bekannt, dass ihre Eigenschaften stark schwanken. Ein wichtiges Ziel der Tonforschung ist es, die Beziehungen zwischen Eigenschaften und Verhalten von Tonen zu verstehen. Dies ist jedoch nur in einigen Fällen möglich. Daraus muss geschlossen werden, dass der Einfluss bestimmter Eigenschaften bisher noch nicht verstanden wurde. Eine dieser Eigenschaften ist die Anordnung der im Ton enthaltenen Minerale zueinander (Mikrogefüge). Der Einfluss des Mikrogefüges von Tongesteinen auf die petrophysikalischen Eigenschaften wird oft vermutet (Decher & Friedrich, 1991; Pusch et al., 1995; Bauer-Plaindoux et al., 1998; Pusch & Schomburg, 1999), ist jedoch noch nicht eindeutig erwiesen. Ziel dieser Arbeit war herauszufinden, ob und in welchem Maße das Mikrogefüge von Tonsteinen und Bentoniten deren petrophysikalische Eigenschaften beeinflusst. Tonsteine werden derzeit als potentielle Wirtsgesteine in Endlagern von radioaktiven Abfällen untersucht. Für diese Anwendung sind Eigenschaften wie hydraulische Leitfähigkeit, Quellvermögen, Wasseraufnahmekapazität, Rheologie und mechanische Stabilität wichtig. Der Opalinuston und der Callovo-Oxfordium Tonstein werden dabei am intensivsten untersucht. Eines der Ziele ist die Entwicklung eines Modells, das in der Lage ist, das mechanische Verhalten von Tonsteinen unter Endlagerbedingungen vorherzusagen. Ein maßgebliches Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist, dass sich die beiden Tonsteine in ihrem mechanischen Verhalten mit variierendem Karbonatgehalt unterscheiden. Die Festigkeit des Opalinustons nimmt mit steigendem Karbonatgehalt ab, während die Festigkeit des Callovo-Oxfordium Tonstein steigt. Die Erklärung für dieses konträre Verhalten liegt in der Mikrostruktur. Der Opalinuston enthält grobkörnige karbonatische Schalenbruchstücke, während der Callovo-Oxfordium Tonstein feinkörnige homogen verteilte Karbonate aufzeigt. Das wichtigste Ergebnis dieser Gefügeuntersuchungen ist, dass nicht nur der Karbonatgehalt, sondern auch die Korngröße, Ausbildung und räumliche Verteilung der Karbonate einen Einfluss auf die Festigkeit der Gesteine haben. Es kann weiterhin geschlossen werden, dass kein für Tonstein allgemein gültiges Stoffgesetz (Modell zur Berechnung des mechanischen Verhaltens) erstellt werden kann, das nicht solche Anisotropien einschließt. Neben den Tonsteinen wurde auch das Mikrogefüge von 38 Bentoniten untersucht. Bentonite sind quellfähige Tone und werden daher in diversen industriellen Anwendungen eingesetzt, z.B. als Absorber. Zurzeit werden sie auch als geotechnische Barriere in Endlagern für radioaktive Abfalle untersucht. Während ihrer Genese durchlaufen sie eine kontinuierliche Alteration von vulkanischem Glas zu Smektit. Das Mikrogefüge der Bentonite und besonders die Verwachsung mit reliktischen vulkanischem Glas könnte einen weiteren Einfluss auf geotechnische Eigenschaften haben. Zur Klassifizierung des Gefüges von Bentoniten wurde zunächst ein Alterationsmodell bestehend aus fünf Alterations-Klassen entwickelt. Folgende petrophysikalischen Eigenschaften der Bentonite wurden mit den Gefügemerkmalen verglichen: Dichte, Porosität, BET-Oberfläche, Abrasivität von Bentonitsuspensionen, elektrische Leitfähigkeit und Wasseraufnahmekapazität. Die Ergebnisse der Messungen zeigen, dass alle diese Eigenschaften durch das Mikrogefüge beeinflusst werden, die Streuung der Ergebnisse ist jedoch teilweise sehr groß und die Zusammenhänge sind manchmal locker . Das wichtigste Ergebnis dieser Untersuchung ist: Eine Probe zeigt ein völlig unterschiedlich ausgebildetes Mikrogefüge. Diese Probe besitzt aufgrund ihrer sehr feinkörnig ausgebildeten Smektite, die voluminöse Netzwerke bilden, die höchste Porosität und Mesoporosität, die höchste elektrische Leitfähigkeit und die höchste Wasser-aufnahmekapazität. Im Gegensatz zur allgemeinen Annahme, handelt es sich hier um einen Ca2+ und Mg2+ dominierten Smektit mit geringen Anteilen an Na+.