Optical permeability characterization and evolution of a natural single fracture

Die Permeabilität des Untergrunds ist eine entscheidende Größe für die Machbarkeit vieler geowissenschaftlicher Anwendungen wie der oberflächennahen und tiefen Geothermie, der sicheren Endlagerung radioaktiver Abfälle, der Speicherung von Energieträgern (z.B. Wasser-stoff) und CO2 oder des Tunnelbaus. Die meisten dieser Anwendungen befinden sich in Tiefen-bereichen, in denen die Gesteine eine geringe Matrixpermeabilität aufweisen. Folglich findet der unterirdische Fluidfluss besonders in sekundären Strukturen wie Karst, Störungszonen oder Klüften statt. Letztere spielen vor allem in den zunehmend an Relevanz gewinnenden, oben aufgeführten, energierpolitischen Fragestellungen eine wichtige Rolle. Diese Arbeit fokussiert sich deshalb auf die Entwicklung neuartiger Ansätze und die Weiterentwicklung bestehender Methoden zur Charakterisierung der Permeabilität und Erforschung der zugrunde liegenden hydro-mechanischen Prozesse in natürlichen Einzelklüften. Der erste Teil dieser Thesis beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von methodischen Ansätzen zur Permeabilitätsbestimmung einer Einzelkluft. Die erste Studie behandelt die digitale Abbildung von Kluftflächen, die die Grundlage für viele permeabilitätsbestimmende Methoden bildet. Hierzu werden ein tragbarer 3D-Laserscanner, ein kombiniertes System aus hochauf-lösendem 3D-Laserscanner und robotischem Arm sowie die photogrammetrische „Structure from Motion“-Methode verglichen und für ihren weiteren Einsatz in der Permeabilitätsbestimmung von Einzelklüften evaluiert. Mit der jeweils erzeugten Geometrie werden Durchflusssi-mulationen durchgeführt und mit experimentell ermittelten Luftpermeametermessungen kalibriert. Die Studie wie auch die gesamte Arbeit wurden an einer Schichtfuge in Flechtinger Sandstein, einem bekannten deutschen Reservoirgestein, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der tragbare Laserscanner die Kluftfläche nicht akkurat abbilden kann, was aufgrund seiner geringen Auflösung und Genaugkeit erklärt werden kann und somit für die Permeabilitätsbestimmung ungeeignet ist. Die beiden anderen Methoden können die Kluftfläche zwar hinrei-chend gut abbilden, weisen aber erhöhte Permeabilitätswerte verglichen mit den Kalibrationsdaten auf. Folglich wurde die initiale Kontaktfläche der Klüfte erhöht. Bei relativen Kontaktflächen von 5 – 7 % der Gesamtkluftfläche weist die Kluft eine übereinstimmende Permeabilität zu den Luftpermeametermessungen auf. Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Studie wurde in der zweiten Studie die Kluftgeomet-rie als Grundlage dafür verwendet, eine topologische Methode zu entwickeln, die die Permeabilität ohne den Einsatz einer experimentellen Messung oder eines numerischen Modells abschätzen kann. Dafür wurde die Methode der persistenten Homologie ausgewählt, die zuvor schon für poröse Medien und Kluftnetzwerke eingesetzt worden war und mit Luftpermeametermessungen sowie numerischen Simulationen validiert wurde. Die persistente Homologie wurde an drei Datensätzen derselben Kluft mit unterschiedlicher Auflösung angewendet (200 μm, 100 μm und 50 μm). Die Ergebnisse zeigen zum einen, dass die ermittelten Permeabilitäten in der Größenordnung der Validierungsdaten liegen. Zum anderen kann gezeigt werden, dass mit zunehmender Auflösung der relative Fehler zu den Validierungsdaten abnimmt. Bei Betrachtung der Qualität und der Zeitbeanspruchung zeigt sich jedoch, dass die Qualitätsteigerung bei einer Erhöhung der Auflösung von 100 μm zu 50 μm marginal ist, wohingegen sich die aufzubringende Analysezeit um 75 % verlängert. Der zweite Teil der Thesis, der die dritte Studie umfasst, konzentriert sich auf die Änderung der Permeabilität durch Scherung der Kluft unter verschiedenen Normalspannungen. Hierzu wird eine neuartige Methode entwickelt, bei der ein mechanisches Diskrete-Elemente-Methoden (DEM)-Modell mit einem hydraulischen Finite-Elemente-Methoden (FEM)-Modell kombiniert wird. Dies ermöglicht eine realistische Abbildung des mechanischen Verhaltens der Einzelkluft in Simulationen von Scherversuchen sowie die Rekonstruktion der abgescherten Kluftflächen zu jedem Zeitpunkt des Scherversuchs. Die kombinierten Scherversuche wurden unter sechs Normalspannungsbedingungen simuliert (1,5 MPa – 15,0 MPa). Die Ergebnisse zeigen, dass drei hydraulische Regime unterschieden werden können: (1) Bei geringen Normalspannungen (< 4,0 MPa) öffnet sich die Kluft durch die Scherung mechanisch und die Permeabilität nimmt zu. (2) Bei Normalspannungen zwischen 4,0 MPa und 4,5 MPa kommt es zu einem Wechsel der Permeabilitätsentwicklung und die Permeabilität nimmt durch die Scherung nicht mehr zu, sondern bleibt über den Verlauf des Scherversuchs konstant. Zudem ist eine ausgeprägte Aniso-tropie der Permeabilität zu beobachten. (3) Bei Normalspannungen > 4,5 MPa schließt sich die Kluft durch die Scherung hydraulisch, was vor allem mit der mechanischen Deformation der Kluft sowie der Bildung von Abriebmaterial erklärt werden kann. Es wird beobachtet, dass der Wechsel bei etwa 4,0 MPa genau der schwächsten mechanischen Gesteinseigenschaft, der maximalen Zugfestigkeit, die ebenfalls 4,0 MPa für Flechtinger Sandstein beträgt, eintritt.