Methoden zur Bestimmung der hydraulischen Kluftöffnungsweite

Sina Hale1, Chaojie Cheng2, Christoph Naab3, Harald Milsch2, Christoph Butscher4, Philipp Blum1
1 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW)
2 Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), Geoenergie
3 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Geodätisches Institut (GIK)
4 TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik

4.5 in Sensorik und Messen im Grundwasser

27.03.2020, 16:30-16:45, Händel-Saal

Das Fließverhalten in geklüfteten Reservoiren wird vorrangig durch die Klufteigenschaften gesteuert, da aufgrund der häufig vernachlässigbar kleinen Matrixpermeabilität Klüfte die Hauptfließwege in Kristallin- und Sedimentgesteinen darstellen. Bei der Strömungs-, Stoff- und Wärmetransportmodellierung in Kluftaquiferen, z.B. im Zusammenhang mit der Geothermie oder der nuklearen Endlagerung, sind verlässliche Informationen über hydraulische Kluftöffnungsweiten unabdingbar, da diese in direktem Zusammenhang mit der Gesteinspermeabilität sowie der Durchflussrate innerhalb des Reservoirs stehen. Daher haben wir verschiedene Methoden zur Bestimmung von hydraulischen Kluftöffnungsweiten (ah) miteinander verglichen, indem diese sowohl an natürlichen als auch an künstlichen Sandsteinklüften getestet wurden. Im ersten Schritt wurde die hydraulische Öffnungsweite einer ausgewählten Schichtfuge ortsaufgelöst durch drei Messgeräte bestimmt: ein tragbares Luftpermeameter, eine Mikroskopkamera sowie ein 3D-Laserscanner.


Das Luftpermeameter ist in der Lage, hydraulische Kluftöffnungsweiten direkt zu messen und hat sich aufgrund seiner hohen Mobilität als praktisches Werkzeug für Labor- und Felduntersuchungen erwiesen. Die beiden anderen Methoden liefern mechanische Öffnungsweiten, weshalb zusätzliche Daten zur Kluftrauigkeit sowie Modellannahmen für die Abschätzung von ah erforderlich sind. Mithilfe des Laserscanners wurden für die Schichtfuge mittlere hydraulische Öffnungsweiten von 139–295 μm bestimmt; diese waren signifikant höher als die hydraulischen Kluftöffnungsweiten, die mithilfe der Mikroskopkamera (60–103 μm) und des Luftpermeameters (82 μm) ermittelt wurden. Dies lässt sich auf die Existenz einer Übergangszone zwischen Gesteinsoberfläche und dem tieferen Bereich der Kluft zurückführen; diese ist durch abgerundete Kanten gekennzeichnet und kann durch den Laserscanner nicht eindeutig erfasst werden. In Anbetracht der umfangreichen Verarbeitung der 3D-Laserscandaten ist diese Methode im vorliegenden Fall nicht empfehlenswert. Die Mikroskopkamera stellt eine gute und günstigere Alternative zum Luftpermeameter dar, da unter Verwendung einer gesteinsspezifischen empirischen Gleichung vergleichbare ah erzielt wurden.


Im zweiten Schritt wurde das Luftpermeameter mit stationären Durchflussexperimenten an künstlich geklüfteten Kernproben verglichen, um die gewonnenen Ergebnisse zu validieren. Die mittels Luftpermeameter unter atmosphärischen Bedingungen gemessene ah weist dabei eine hohe Übereinstimmung mit der wahren ah auf, die aus den durchgeführten Durchflussexperimenten unter minimalem effektivem Druck abgeleitet wurde. Da der Unterschied der hydraulischen Kluftöffnungsweite lediglich 0,87–5,15 µm betrug, können die mithilfe des Luftpermeameters bestimmten Werte als verlässlich angesehen werden.



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