Gekoppelte thermo-hydro-mechanisch-chemische (THMC) Prozesse in quellenden Ton-Sulfat-Gesteinen

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Butscher
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258019622

Anhydrit-führende Tonsteine quellen bei Wasserzutritt. Das Quellen ist eine Gefährdung im Tunnelbau und bei Geothermiebohrungen. In Staufen wurden beispielsweise über 250 Häuser ernsthaft beschädigt, als es nach der Installation von Erdwärmesonden zu Hebungen der Erdoberfläche mit Raten von über 1 mm/Monat kam. Numerische Modelle zur Simulation der Quellerscheinungen erlauben Fachleuten, Gegenmaßnahmen zu testen und zu optimieren. Jedoch ist unser Wissen über die beim Quellen stattfindenden Prozesse beschränkt. Es gibt widersprüchliche Konzeptmodelle, und es fehlt an einem akzeptierten Quellgesetz zur Quantifizierung des Quellvorgangs. Obwohl verschiedene numerische Simulationsmodelle vorgeschlagen wurden, haben alle bestehenden Ansätze bisher Einschränkungen. Um diese zu umgehen, müssen numerische Modelle die Kopplung thermischer, hydraulischer mechanischer und chemischer (THMC) Prozesse berücksichtigen und gleichzeitig die Komplexität des geologischen Untergrunds und die Auswirkungen menschlicher Eingriffe (Bohrungen, Tunnelbau, Grundwasserentnahme) miteinschließen. Das geplante Forschungsvorhaben hat deshalb zwei übergeordnete Ziele: (1) unser derzeitiges Verständnis des Quellvorgangs und insbesondere der beteiligten THMC gekoppelten Prozesse zu vervollständigen, und (2) unsere Fähigkeit zur umfassenden Simulation der Quellprozesse zu verbessern.Die Projektziele sollen erreicht werden, indem verschiedene widersprüchliche konzeptionelle und mathematische Modelle in gekoppelte numerische Codes implementiert und anschließend an Feldbeobachtungen gemessen werden. Dazu bietet das Untersuchungsgebiet Staufen umfangreiche thermische, hydraulische, mechanische und chemische Daten. Die verschiedenen Modelle können durch die Beobachtungsdaten validiert oder verworfen, und durch eine Unsicherheitsanalyse überprüft werden. Im Projekt werden die Modelle schließlich für die Optimierung von Sanierungsmaßnahmen im Untersuchungsgebiet genutzt, um Ihre Anwendbarkeit zu zeigen.Ein weiteres Projektziel ist, die entwickelten Modellwerkzeuge allgemein zugänglich und nutzbar zu machen. Deshalb werden wir eine Open-Source-Software verwenden und die entwickelten Modellcodes öffentlich machen. Außerdem wollen wir eine Tagung mit Workshop durchführen, um Wissen und Erfahrung bei der Modellierung von Quellprozessen in Ton-Sulfat-Gesteinen auszutauschen.Das geplante Projekt knüpft an unsere bisherige Forschung an, indem mechanische Prozesse zu unserem bereits entwickelten hydraulisch-chemischen Ansatz hinzugefügt und gekoppelt werden. Dabei wollen wir die hydrogeologische und geochemische Komplexität des 3D geologischen und gebauten Untergrunds in unserem Ansatz erhalten. Das Projekt kann stark von unserem früheren Projekt profitieren, da ortsspezifische prozessierte Daten (3D Untergrundmodell, Zeitreihen von Beobachtungsdaten und Randbedingungen, hydraulische und geochemische Fluid- und Gesteinseigenschaften) bereits vorliegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Thomas Nagel