Gekoppelte thermo-akustisch-mechanische Felseigenschaften unter in-situ Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Wuttke
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448842566

Das Ziel des Projekts ist die Quantifizierung des gekoppelten thermo-akustisch-mechanischen Verhaltens von Gesteinen und deren mikrostrukturelle Effekte zwischen Mineralien, Körnern und durch Mikrorissen aufgrund mechanischer und thermischer Belastungsbedingungen unter simulierten in-situ-Druckbedingungen im Labor. Ziel ist ein tiefes Verständnis der Änderung von thermo-mechanischen und akustischen Gesteinsparameter durch die Änderung der Gesteinsstruktur aufgrund thermischer und mechanischer Belastung. Die Untersuchung dieses Einflusses ist derzeit nur indirekt durch Ultraschallwellen möglich, welche auf entnommenes, umgebungsdruckfreies Gesteinsmaterial kalibriert sind. Diese Art von thermo-akustischen Korrelationen wurde oft in Analysen zur Geothermie, Öl- und Gasspeicherung, Erdbebenstudien und nuklearer Abfallentsorgung verwendet, jedoch ist diese Identifikation empirisch und aus mikrostruktureller Sicht nur schlecht geklärt. P-, S-Wellen, S-Wellenaufspaltung oder seismische Doppelbrechung ist ein Phänomen, das auftritt, wenn P- und S-Wellen und die polarisierte Scherwelle durch ein anisotropes oder induziert anisotropes Medium wandern. Diese Anisotropie, bedeutet, dass die Materialeigenschaften richtungsabhängig sind. Zur Erreichung der Ziele, wird eine neue Entwicklung an einer bestehenden triaxialen thermo-akustisch-mechanischen Würfelpresse für stationäre Wärmeleitfähigkeits- und Wärmekapazitätsmessungen unter in-situ-Belastungen angestrebt. Diese Messungen sind in der wissenschaftlichen Gemeinschaft bislang nicht möglich. Durch berücksichtigte in-situ Druckbedingungen, wird die tatsächliche Gesteinsstruktur und dadurch die ermittelten thermisch-akustisch-mechanischen Gesteinsparameter, unterschiedlich zu den bisherigen Analysen bzw. Konstitutivbeziehungen sein. Um die experimentellen Ergebnisse in eine theoretische und numerische Simulationsaussage zu überführen, sind weitere Entwicklungen in der thermodynamischen Modellierung der metamorphen Evolution und der mikro- und mesoskaligen konstitutiven Modellierung des heterogenen und anisotropen Gesteins unter thermomechanischen Belastungen zur Bestimmung des effektiven Parameters der geänderten Gesteinsstruktur geplant.Die Neuheit der vorgeschlagenen Arbeit betrifft: (a) Entwicklung neuer konstitutiver Modelle zum thermisch-akustisch-mechanischen Materialverhalten basierend auf mikroskaligen Simulationen; (b) Validierung des abgeleiteten Modelle mit neuen Messungen zur Wärmeleitfähigkeit unter in-situ Druck und Temperaturbedingungen; (c) Einfluss der Mineralkorngröße, Korngrößenverteilung, Mineralzusammensetzung, Mikrorissbildung auf die thermo-akustisch-mechanischen Eigenschaften unter Belastung und Erwärmung und (d) Auswirkungen der Mikrostruktur von Mineralien auf die thermisch-akustisch-mechanischen Eigenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen