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Induzierte Seismiziät in Abhängigkeit von Lithologie, Struktur und Spannung, Teilvorhaben: Petrophysikalische Messungen und Permeabilität von Störungszonen

Im Verbundprojekt 'Restless' soll die Frage geklärt werden, ob und in wieweit das Risiko induzierter Seismizität von der Lithologie des erschlossenen geothermischen Reservoirs abhängt. Gesamtziel des Projekts ist es, mit einer Kombination von Gelände-, Labor- und numerischen Methoden die notwendigen Bedingungen zur Reaktivierung von Störungen und die resultierende Seismizität in Abhängigkeit von deren geometrischen und lithologischen Eigenschaften genauer zu untersuchen. Das Teilvorhaben untersucht die hydraulischen Eigenschaften des Kluftnetzwerkes im Nahbereich von Störungszonen im Granit. Im GranitLab des GZN können die hydraulischen, petrophysikalischen und geomechanischen Eigenschaften von spröden Störungszonen in Graniten untersucht werden. Das Granitlab verfügt über 15 hydraulisch und bohrlochgeophysikalisch untersuchte Bohrungen mit einer Tiefe von ca. 25 m. Diese sollen im Zuge von RESTLESS durch drei Schrägbohrungen mit einer Tiefe von 100 m erweitert werden. Die Kernbohrungen werden bohrlochgeophysikalisch vermessen. Produktions- und Injektionsversuche dienen der Bestimmung der Permeabilität des Kluftnetzwerkes, des Rissöffnungsdruckes und der Richtung der minimalen Hauptspannung. Geometrie und Vernetzung des Kluftnetzwerkes werden mit Bohrlochradar und Bohrlochtomographie bestimmt. Hierzu sind wiederholte Messungen vorgesehen, u.a. auch vor und nach der Injektion eines Salzwassertracers, der dazu dient, die Fließwege und -geschwindigkeiten im Kluftnetz nachvollziehen zu können. Die analytischen Auswertungen der Messdaten sollen zu einem besseren Verständnis Fließbedingungen, der Druckausbreitung und den hydraulisch relevanten Reservoirbedingungen führen. Daneben werden im Labor Gesteinsproben aus Analogaufschlüssen petrophysikalisch untersucht, um mit den Messergebnissen die Modellierungen zu parametrisieren. Darüber hinaus werden mit XRD-Analyse der Tonmineralgehalt und die Art der Tonminerale ermittelt.

Modellierung der Sorption von Radionukliden an organophilen Tonmineralen

Als Füllmaterial oder als Bestandteil technischer Barrieren in Endlagern von chemisch-toxischen oder radioaktiven Abfällen werden bestimmte Tonminerale verwendet bzw. in den Designstudien vorgeschlagen. Dabei sind vor allem drei Eigenschaften dieser Tone ausschlaggebend: Die geringe Wasserleitfähigkeit, das Quellvermögen bei Wasserzutritt und das Rückhaltevermögen für Kationen. Das wünschenswerte Rückhaltevermögen auch für Anionen fehlt bei naturbelassenen Tonen, kann aber durch Behandlung erzeugt werden, bei der die Zwischenschicht-Kationen der Tone durch bestimmte organische Kationen ersetzt werden. Dadurch entstehen sogenannte organophile Tone, die so eingestellt werden können, daß sie beide Ionenarten sorbieren können. Die entscheidenden Mechanismen dieser Sorptionsprozesse an organophilen Tonmineralen und die sich dabei ergebenden Strukturen des Tonminerals sind noch nicht vollständig bekannt. Ihre umfassende Kenntnis ist jedoch wichtig für die gezielte Optimierung ihrer Sorptionseigenschaften und ihrer Eignung zum Einsatz unter Endlagerungsbedingungen. Das Optimierungspotential liegt in der chemischen Struktur, Größe und Ladungsverteilung des organischen Kations sowie in der Wahl des Tonminerals. Zur Erlangung bisher fehlender Detailkenntnisse und zur Unterstützung der Optimierung soll daher in diesem Forschungsvorhaben eine Computersimulation des Organo-Ton-Systems auf der Basis der bisher gesammelten experimentellen Informationen entwickelt werden. Mit diesem Modell soll die Konsistenz des bisherigen Verständnisses der beteiligten Phänomene überprüft, geeignete Fragestellungen an das Experiment entwickelt und Optimierungsschritte durch Simulation ausgewählt werden.

WIR! - RENAT.BAU - KALZTON - Ressourcenschonende Bindemittel und Betone auf Basis von selektiv zerkleinertem Altbeton, TP 1: Werkstoffuntersuchungen kalzinierter Ton

Mineralogy and cation exchange capacity obtained from Metzingen core

XRD patterns of whole rock material were recorded using a PANalytical X'Pert PRO MPD θ - θ diffractometer (Co-Kα radiation generated at 40 kV and 40 mA). The samples were investigated from 3° to 80° 2 θ with a step size of 0.03° 2 θ and a measuring time of 3 sec per step. Quantitative Rietveld refinements of the experimental XRD data were conducted using the software Profex/BGMN (Döbelin & Kleeberg, 2015; Bergmann et al., 1998). Determination of cation exchange capacity (CEC) was carried out using always two different samples masses (typically 400 and 600 mg) according to the method of Meier and Kahr (1999), based on a Cu(II)triethylentetramine complex ("Cu-trien method") and measurement using VIS spectroscopy. According to Dohrmann et al. (2012), the analytical error as determined for high-CEC bentonites is generally smaller than ±3.9 cmol(+)kg⁻¹.

Mineralogy and cation exchange capacity obtained from Röttingen core

XRD patterns of whole rock material were recorded using a PANalytical X'Pert PRO MPD θ - θ diffractometer (Co-Kα radiation generated at 40 kV and 40 mA). The samples were investigated from 3° to 80° 2 θ with a step size of 0.03° 2 θ and a measuring time of 3 sec per step. Quantitative Rietveld refinements of the experimental XRD data were conducted using the software Profex/BGMN (Döbelin & Kleeberg, 2015; Bergmann et al., 1998). Determination of cation exchange capacity (CEC) was carried out using always two different samples masses (typically 400 and 600 mg) according to the method of Meier and Kahr (1999), based on a Cu(II)triethylentetramine complex ("Cu-trien method") and measurement using VIS spectroscopy. According to Dohrmann et al. (2012), the analytical error as determined for high-CEC bentonites is generally smaller than ±3.9 cmol(+)kg⁻¹.

Organic parameters obtained from Metzingen core

The total carbon (TC), total organic carbon (TOC), and total sulfur (TS) were determined using a LECO CS-230 system (Laboratory Equipment Corporation). Samples were heated up to 2000 °C under an oxygen atmosphere and an infrared detector subsequently measured the amount of produced CO₂ and SO₂. TOC was measured the same way after removing inorganic carbonates using 10 % HCl solution at 80 °C. Rock-Eval Pyrolyses were performed on a Rock-Eval-6 analyser (Vinci Technologies) using up to 180 mg initial sample material and a standard program (Espitalié et al., 1977; Lafargue et al., 1998), starting isothermal with 300°C for 3 min, succeeded by a heating rate of 25°C/min up to 650°C. Standard deviations for hydrogen indices (HI) and Tmax values are ± 5 % and ± 2°C, respectively.

Organic parameters obtained from Röttingen core

The total carbon (TC), total organic carbon (TOC), and total sulfur (TS) were determined using a LECO CS-230 system (Laboratory Equipment Corporation). Samples were heated up to 2000 °C under an oxygen atmosphere and an infrared detector subsequently measured the amount of produced CO₂ and SO₂. TOC was measured the same way after removing inorganic carbonates using 10 % HCl solution at 80 °C. Rock-Eval Pyrolyses were performed on a Rock-Eval-6 analyser (Vinci Technologies) using up to 180 mg initial sample material and a standard program (Espitalié et al., 1977; Lafargue et al., 1998), starting isothermal with 300°C for 3 min, succeeded by a heating rate of 25°C/min up to 650°C. Standard deviations for hydrogen indices (HI) and Tmax values are ± 5 % and ± 2°C, respectively.

Whole rock mineralogy and organic parameters of Opalinus Clay: insights from sediment cores from the Swabian Alb (southern Germany)

The Middle Jurassic Opalinus Clay (OPA) in Switzerland and southern Germany is regarded as a potential host rock for the disposal of high-level radioactive waste. This study investigates sediment samples from drill cores taken from the Swabian Alb region (southern Germany) and employs a facies-based approach combined with mineralogical analyses, measurements of cation exchange capacity (CEC), LECO C/S analyses, and Rock-Eval pyrolysis. Results are based on analyses of two fully cored scientific drillings conducted by the Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR) in the framework of the research project "SEPIA" in the Swabian Alb in Baden-Württemberg, southern Germany. The drill sites are located in the vicinity of the villages Metzingen (48.51149° N, 9.26464° E) and Röttingen (48.89905° N, 10.29520° E). At the drilling sites, the OPA is between approx. 100 m – 150 m thick and overlain by 50 m – 70 m of overburden. In Germany, the OPA can be lithostratigraphically divided into two subunits: the Teufelsloch member and the overlying Zillhausen member. This division is based on a combined lithological and stratigraphic framework (Dietze et al., 2021). Regarding lithofacies, the OPA in Switzerland and southern Germany can be broadly divided into several distinct units ("facies associations" according to Zimmerli et al., 2024). For Germany, the following three lithological facies associations (FA) were identified based on a subfacies approach: (1) a lower part that is rich in clay (FA-1), (2) a middle part that is silty (FA-2) and (3) an upper part that is silty and interbedded with calcareous(-sandy) beds (FA-3). XRD patterns of whole rock material were recorded using a PANalytical X'Pert PRO MPD θ - θ diffractometer (Co-Kα radiation generated at 40 kV and 40 mA). The samples were investigated from 3° to 80° 2 θ with a step size of 0.03° 2 θ and a measuring time of 3 sec per step. Quantitative Rietveld refinements of the experimental XRD data were conducted using the software Profex/BGMN (Döbelin & Kleeberg, 2015; Bergmann et al., 1998). Determination of cation exchange capacity (CEC) was carried out using always two different samples masses (typically 400 and 600 mg) according to the method of Meier and Kahr (1999), based on a Cu(II)triethylentetramine complex ("Cu-trien method") and measurement using VIS spectroscopy. According to Dohrmann et al. (2012), the analytical error as determined for high-CEC bentonites is generally smaller than ±3.9 cmol(+)kg⁻¹. The total carbon (TC), total organic carbon (TOC), and total sulfur (TS) were determined using a LECO CS-230 system (Laboratory Equipment Corporation). Samples were heated up to 2000 °C under an oxygen atmosphere and an infrared detector subsequently measured the amount of produced CO₂ and SO₂. TOC was measured the same way after removing inorganic carbonates using 10 % HCl solution at 80 °C. Rock-Eval Pyrolyses were performed on a Rock-Eval-6 analyser (Vinci Technologies) using up to 180 mg initial sample material and a standard program (Espitalié et al., 1977; Lafargue et al., 1998), starting isothermal with 300°C for 3 min, succeeded by a heating rate of 25°C/min up to 650°C. Standard deviations for hydrogen indices (HI) and Tmax values are ± 5 % and ± 2°C, respectively. The findings of this study underscore the importance of integrating lithofacies studies with mineralogical investigations to effectively assess the variability and comparability of clay-rich host rocks suitable for radioactive waste disposal.

Untersuchung des physikalischen und chemischen Zustandes von Quellgewässern und Böden in den Vogesen und im Schwarzwald

Zwischen Herbst 2008 und Sommer 2010 wurden in den Vogesen und im Schwarzwald insgesamt 152 Quellen zu den verschiedenen Jahreszeiten beprobt. Neben den Quellgewässern sind auch die Böden der Quellgebiete Gegenstand der Untersuchung. Anhand verschiedener physikalischer und chemischer Parameter soll eine Aussage über den Versauerungsgrad der Quellen und der Böden in beiden Gebirgen getroffen werden. Zudem wird angestrebt, Korrelationen zwischen den Boden- und Quellwerten nachzuweisen. Diese Auswertungen dienen als Basis für die Analyse des Zustandes der Tonminerale in den Böden.

Untersuchung ueber die Wechselwirkung von Klaerschlaemmen auf unbelastete und belastete Boeden

Die Belastung von Boeden setzt eine Klaerung der geogenen und anthropogenen Herkunft von relevanten Schadstoffen voraus. Exakte Aussagen ueber die Herkunft solcher Schadstoffe lassen sich jedoch stets nur dann machen, wenn auch die lokalen geochemischen Verhaeltnisse bekannt sind und bei den Untersuchungen mit erfasst werden. Dieses ist besonders ausschlaggebend, wenn Klaerschlaemme aufgebracht werden. Hierbei sind die Tonmineralien als Schadstoffadsorber eine Loesung zur Vermeidung der staendig wachsenden Mengen, die insbesondere zur Deponierung oder Verbrennung fuehren. Desweiteren sind bisher nur wenige Untersuchungen ueber die Relevanz von Arsen und Thallium durchgefuehrt worden.

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