GeomInt 2

GeomInt2: Geomechanische Integrität von Wirts- und Barrieregesteinen – Experiment, Modellierung und Analyse von Diskontinuitäten

Kurze Projektbeschreibung:

Eingriffe in den geologischen Untergrund, z. B. zur Gewinnung und Speicherung von Energie oder zur sicheren Verwahrung toxischer und radioaktiver Abfälle, erfordern im Verbund verschiedener Disziplinen sorgfältige geowissenschaftliche Zustandsanalysen und Prognosestudien, um nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt zu vermeiden. Insbesondere Deformationsprozesse und physikalisch-chemische Alterationen können zu einer tiefgreifenden Schädigung von Gesteinen führen und damit die Integrität geologischer Reservoire und Barrieren ungünstig beeinflussen. Die dabei auftretenden vielfältigen mikro- und makromechanischen Strukturen (Fissuren, Risse, Klüfte etc.) schwächen das Gestein aus mechanischer Sicht und können in ungewollten Wegsamkeiten für fluide Phasen resultieren. Sie können unter dem Oberbegriff Diskontinuitäten zusammengefasst werden, deren Entstehung zumeist nur unzureichend verstanden und mit den derzeit verfügbaren kommerziellen Simulationssystemen nicht adäquat modellierbar ist.

Ziel des Verbundprojekts GeomInt ist die realitätsnahe experimentell-numerische Analyse der Entstehung und Entwicklung von Diskontinuitäten in untertägigen Gesteinen am Beispiel von Salz-, Ton- und Kristallingesteinen. Als Forschungsschwerpunkte sollen typische Prozesse betrachtet werden, die zur Entstehung spezifischer Diskontinuitäten führen. Hierzu gehören Quell- und Schrumpfungsprozesse, druckgetriebene Perkolation und Spannungsumlagerungen.

GeomInt2 wird von dem aus dem Vorgängervorhaben bewährten interdisziplinären Konsortium aus Partnern von Universitäten, staatlichen und privatwirtschaftlichen Forschungseinrichtungen mit sich ergänzenden, langjährigen Erfahrungen in der Analyse von Geosystemen weitergeführt. Neue Erkenntnisse sind insbesondere zum Systemverständnis der Auswirkungen von Diskontinuitäten auf untertägige Geosysteme zu erwarten. Der Schwerpunkt experimenteller Untersuchungen verschiebt sich in diesem Zusammenhang wesentlich auf die Durchführung und Auswertung von In-situ-Experimenten in verschiedenen Untertagelaboren (URLs). Für die effiziente numerische Simulation gekoppelter mechanischer, thermischer und hydraulischer Prozesse bei der Bildung und Entwicklung von Diskontinuitäten auf der betrachteten Skala kommt die Anpassung von in GeomInt untersuchten und weiterentwickelten Modellen und Algorithmen auf Verfahren des Höchstleistungsrechnens (HPC) als neuer Aspekt hinzu. Die anschauliche Darstellung von Struktur-, Versuchs- und Modellergebnissen im realen Kontext (z.B. der URLs) soll im Rahmen einer integrierten visuellen Datenanalyse erfolgen (Virtualisierung). In der Abbildung oben ist eine graphische Illustration des geplanten Vorhabens dargestellt.

Projektzeitraum:

10/2020 - 09/2022

Projektförderung:

Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektpartner:

GeomInt2: Geomechanical integrity of host and barrier rocks - experiment, modeling and analysis of discontinuities

Short summary of the project:

Interventions in the geological subsurface, such as the extraction and storage of energy or the safe storage of toxic and radioactive waste, requires careful geoscientific investigations and prognostic studies in the context of different disciplines in order to avoid adverse effects on the environment. In particular, deformation processes and physicochemical alterations can lead to a profound damage to rocks and thus adversely affect the integrity of geological barriers. The various micro- and macro-mechanical structures (fissures, cracks, fractures, etc.) weaken the rock from a mechanical point of view and can lead to unintentional pathways for the migration of pollutants. They can be generalized as discontinuities. Their development is usually inadequately understood and cannot be adequately modeled with currently available simulation systems.

The aim of the collaborative project is to provide a realistic, experimental-numerical analysis of the formation and development of discontinuities in geological barriers using the example of salt, clay and crystalline rocks. The focus is on typical processes that lead to the development of specific discontinuities. These include swelling and shrinkage processes, pressure-driven percolation and stress redistributions

GeomInt2 will continue the research concerning the geomechanical integrity of host and barrier rocks by combining experimental and modelling works into an analysis platform. It is continued by the interdisciplinary consortium of partners from universities, governmental and private research institutions with complementary, long-standing experience in the analysis of geosystems, which has proven itself in the previous project. New insights are expected, in particular, into the system understanding of the effects of discontinuities on subsurface geosystems. In this context, the focus of experimental investigations shifts significantly to the execution and evaluation of in-situ experiments in different underground laboratories (URLs). For the efficient numerical simulation of coupled mechanical, thermal and hydraulic processes during the formation and evolution of discontinuities on the considered scale, the adaptation of models and algorithms investigated and further developed in GeomInt to high performance computing (HPC) methods is added as a new aspect. The illustrative presentation of structural, experimental and model results in a real context (e.g. the URLs) is to take place within the framework of an integrated visual data analysis (virtualization). The figure above shows a graphical illustration of the project.

The project results allow an improved understanding of the processes, the methods used and the application-oriented systems for realistic time and length scales in order to make the planning and realization of geotechnical uses of the subsurface safer, more reliable and more efficient. A weighty advantage also of GeomInt2 is the transferability of the experimental-numerical concepts and methods to other geotechnical applications (e.g. deep geothermal energy, energy storage, repository problems, methods for hydraulic stimulation, conventional and unconventional resource extraction, or even tunneling). GeomInt2 aims to intensify the internationalization started in the previous project in cooperation with complementary research projects (e.g. DECOVALEX 2023, Mt. Terri project).

Project period: