Charakterisierung des hydromechanischen Verhaltens der Gesteine des Mittleren Buntsandsteins im Hinblick auf eine geothermische Nutzung: Strukturgeologische Geländeaufnahmen, gesteinsmechanische Untersuchungen und numerische Modellierungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, die Fließwege in den geklüfteten Gesteinen des Mittleren Buntsandsteins hinsichtlich einer geothermischen Nutzung zu untersuchen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Aufnahme von Eigenschaften, mit deren Hilfe ein geklüftetes Gestein charakterisiert werden kann. Um die Analysen möglichst realitätsnah durchführen zu können, wurden Kluftorientierungen, -abstände und -längen in Aufschlussanalogen aufgenommen. Die Untersuchungen zeigen, dass in allen untersuchten Aufschlüssen ein schichtgebundenes, orthogonales Kluftsystem zu erkennen ist. Beide Kluftscharen sind ungleichwertig entwickelt (Hauptklüfte und Nebenklüfte). Dieses Verhalten ist in allen beschriebenen Kluftparametern zu beobachten. Aus den gewonnenen Kluftparametern wurden mittels stochastischer Methoden diskrete 2D-Kluft-Modelle der Geländeoberflächen generiert, die eine hohe Ähnlichkeit mit real zu beobachtenden Kluftsystemen haben.Im zweiten Teil der Arbeit wurden hydraulische Modellierungen mit Hilfe der diskreten Modelle durchgeführt, um Aussagen über die richtungsabhängige Durchlässigkeit sowie die Größe des repräsentativen Elementarvolumens (REV) treffen zu können. Der ermittelte 2D-Durchlässigkeitstensor zeigt, dass die Ausbildung des Kluftsystems zu einer deutlichen Durchlässigkeitsanisotropie führt. Ein minimales REV konnte für Kluftnetzgrößen von 10m x 10m bestimmt werden.Ein zentraler Punkt des dritten Teils war die Kopplung mechanischer und hydraulischer Prozesse zur Beurteilung der Rolle des Spannungsfeldes auf die hydraulischen Eigenschaften sowie das Verhalten des Kluftsystems unter hydraulischer Stimulation. Die Spannungsbeträge und -richtungen wurden aus in der Literatur aufgeführten Daten abgeschätzt. Zur Berechnung der Kluftöffnungsweiten wurde das Barton-Bandis-Modell (BB-Modell) verwendet, welches die Kluftöffnungsweite unter einer bestimmten Belastung mittels charakteristischer Parameter automatisch ableitet. Mechanische Eingabeparameter des BB-Modells (u.a. Druckfestigkeit und Rauigkeit der Kluftoberflächen) sowie des intakten Gesteins (Kompressions- und Schermodul) wurden im Vorfeld der Modellierungen mittels eines umfangreichen Messprogramms im Labor oder in Aufschlüssen erhoben. Die Modellierungen zum Einfluss der Tiefe auf die Durchlässigkeit ergeben, dass die Ausbildung des Kluftsystems gegenüber dem angenommenen anisotropen Spannungsfeld einen wesentlich größeren Einfluss auf die Fließrichtung des Wassers hat. Die Abnahme der Kluftöffnungsweiten wird vorwiegend durch die Kluftnormalsteifigkeit gesteuert, weshalb die untersuchten steiferen Gesteine größere Öffnungsweiten zeigen. Eine Abschätzung der Permeabilitäten in 3000m Tiefe ergibt eine für die geothermische Nutzung zu geringe hydraulische Durchlässigkeit, weshalb eine Stimulation erforderlich wäre. In weiteren Modellierungen konnte unter Anwendung einer für geothermische Zwecke realistischen Injektionsrate der Vorgang einer massiven hydraulischen Stimulation, bei der die auf die Kluftflächen wirkenden effektiven Normalspannungen vollständig aufgehoben werden, erfolgreich simuliert werden. Kleinräumig betrachtet, sind "facettenförmige" Öffnungen entlang des Kluftsystems zu erkennen, die jedoch regional grundsätzlich der Ausrichtung der größten Horizontalspannung folgen. Der methodische Ansatz kann auf andere Regionen übertragen werden, um einen für den Standort charakteristischen Injektionsdruck zu prognostizieren.