SpannEnD

Geomechanisch-numerische Modellierungen zur Charakterisierung des tektonischen Spannungszustandes für die Entsorgung hochradioaktiver Abfälle in Deutschland.

Ein wesentliches Ziel des Projektes ist der Aufbau eines geomechanisch-numerischen Modells zur Charakterisierung des tektonischen Spannungszustandes in Deutschland. Darüber hinaus werden Konzepte zur Aufskalierung mechanischer Materialparameter und zur Verknüpfung verschiedener Modellskalen untersucht.

Modellgeometrie
Bild: Fachgebiet Ingenieurgeologie

Fakten zum Projekt

Promotionsprojekt: Dr. Steffen Ahlers +++ Laufzeit: 15.05.2018 bis 31.12.2021 +++ Projektfinanzierung: BMWi Projektträger Karlsruhe +++

Offizielle Website zum SpannEnd Projekt

Screenshot der Modellgeometrie mit allen Grenzflächen die im aktuellen Modell integriert sind. Die Topographie ist ausgeblendet um den Blick in das Innere des Modells zu erleichtern
Screenshot der Modellgeometrie mit allen Grenzflächen die im aktuellen Modell integriert sind. Die Topographie ist ausgeblendet um den Blick in das Innere des Modells zu erleichtern

Das tektonische Spannungsfeld in der Erdkruste wirkt sich auf eine Vielzahl der Kriterien zur Standortauswahlsuche für die Entsorgung hochradioaktiver Abfälle aus. Eine verlässliche Prognose im Vorfeld von Erkundungsmaßnahmen wird allerdings dadurch erschwert, dass das Spannungsfeld in seiner Orientierung und Magnitude nicht einheitlich ist. Vielmehr können in Abhängigkeit vom Untergrundaufbau (Lithologien, Störungen) lokal deutliche Abweichungen von der überregional bekannten Spannungsverteilung auftreten. Um ein prozessbasiertes Verständnis dieser räumlichen Variabilität zu erreichen, wird ein numerisch-geomechanisches 3D Spannungsmodell für Deutschland (Dimensionen ca. 1250 x 1000 x 100 km³) erstellt. Dieses Modell wird an punktuell gemessenen Spannungsdaten kalibriert und ermöglicht auf Basis kontinuumsmechanischer Ansätze Prognosen für Bereiche ohne Spannungsdaten und die Ableitung aller sechs Komponenten des Spannungstensors.

Diskretisiertes Modell inklusive der verwendeten Verschiebungsrandbedingungen. Extension in E-W Richtung, Kompression in N-S Richtung.
Diskretisiertes Modell inklusive der verwendeten Verschiebungsrandbedingungen. Extension in E-W Richtung, Kompression in N-S Richtung.

Die Modellerstellung erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird ein geologisches Modell erstellt, dass den Untergrundaufbau im Modellgebiet abbildet. Dieses geologische Modell wird auf Grundlage bereits existierender Teilmodelle des Arbeitsgebietes und seismischen Schnitten erstellt. Im zweiten Schritt wird dieses Modell diskretisiert. Das aktuelle Modell umfasst insgesamt 21 geologische Einheiten, wobei die Sedimente nur im zentralen Modellgebiet untergliedert sind: 15 sedimentäre Einheiten, 4 Einheiten der Oberkruste, die Unterkruste und den lithosphärischen Mantel. Die Berechnung des Spannungsfeldes erfolgt mit Hilfe eines impliziten FEM-Solvers. Dafür wird das diskretisierte Modell zunächst parametrisiert und anschließend Randbedingungen definiert. Die Ergebnisse werden ausgewertet und die Randbedingungen angepasst, bis ein Best-Fit erreicht ist. Als Kalibrierungsdaten werden Spannungsmagnituden der größten und kleinsten Horizontalspannung verwendet.

Publikationen

  • Ahlers, S. (2023): Geomechanical-numerical modeling of the crustal stress state of Germany. (Verlagsversion), Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.26083/tuprints-00023029.
  • Reiter, K., Ahlers, S., Röckel, L., Morawietz, S., Henk, A., Hertgert, T., Heidbach, O., Müller, B., Schilling, F. (2022): SpannEnD Abschlussbericht.
  • Röckel, L., Ahlers, S., Müller, B., Reiter, K., Heidbach, O., Henk, A., Hergert, T., Schilling, F. (2022): The analysis of slip tendency of major tectonic faults in Germany, Solid Earth, 13, 1087-1105, https://doi.org/10.5194/se-13-1087-2022.
  • Ahlers, S., Röckel, L., Hergert, T., Reiter, K., Heidbach, O., Henk, A., Müller, B., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., Anikiev, D. (2022): The crustal stress field of Germany: a refined prediction, Geothermal Energy 10, 10, https://doi.org/10.1186/s40517-022-00222-6.
  • Heidbach, O., Ziegler, M. O., Morawietz, S., Reiter, K., Röckel, L., Cotton, F., und GFZ, D. G. (2021): Standortsuche im Spannungsfeld. System Erde, 11(2), 12–17. https://doi.org/10.48440/GFZ.syserde.11.02.2.
  • Ahlers, Steffen ; Henk, Andreas ; Hergert, Tobias ; Reiter, Karsten ; Müller, Birgit ; Röckel, Luisa ; Heidbach, Oliver ; Morawietz, Sophia ; Scheck-Wenderoth, Magdalena ; Anikiev, Denis (2021), 3D crustal stress state of Germany according to a data-calibrated geomechanical model, Solid Earth, 12 (8), DOI:: 10.5194/se-12-1777-2021.
  • Reiter, K (2021): Stress rotation – impact and interaction of rock stiffness and faults, Solid Earth, 12, 1287–1307, https://doi.org/10.5194/se-12-1287-2021.
  • Morawietz, S., Heidbach, O., Reiter, K., Ziegler, M. Rajabi, M., Zimmermann, G., Müller, B., Tingay, M. (2020): An open-access stress magnitude database for Germany and adjacent regions, Geothermal Energy 8, 25 https://doi.org/10.1186/s40517-020-00178-5.
  • Ahlers, S., Henk, A. Hergert, T., Reiter, K., Müller, L., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., Anikiev, D. (2020), 3D crustal stress state of Western Central Europe according to a data-calibrated geomechanical model — first results, Solid Earth Discussions, EGU, DOI: 10.5194/se-2020-199.
  • Ahlers, S., Hergert, T., Henk, A., 2019. Numerical Modelling of Salt-Related Stress Decoupling in Sedimentary Basins–Motivated by Observational Data from the North German Basin. Special issue on Stress Quantification in Sedimentary Basins, Geosciences, 9, 19, https://doi.org/10.3390/geosciences9010019.

Datenpublikationen

  • Röckel, L., Müller, B., Ahlers, S., Reiter, K., Hergert, T., Henk, A., Heidbach, O., Schilling, F. (2022): 3D fault selts of Germany and adjacent areas, https://doi.org/10.5445/IR/1000143465.
  • Ahlers, S., Henk, A., Hergert, T., Reiter, K., Müller, B., Röckel, L., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., Anikiev, D. (2021): The Crustal stress state of Germany – Results of a 3D geomechnical model v2.0. https://tudatalib.ulb.tu-darmstadt.de/handle/tudatalib/2624.5.
  • Ahlers, S., Henk, A., Hergert, T., Reiter, K., Müller, B., Röckel, L., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., und Anikiev, D.: The Crustal stress state of Germany – Results of a 3D geomechnical model. https://doi.org/10.48328/tudatalib-437, 2021.
  • Morawietz, S.; Reiter, K. (2020): Stress Magnitude Database Germany. V. 1. GFZ German Research Centre for Geosciences. https://doi.org/10.5880/wsm.2020.004.

Konferenzbeiträge

  • Morawietz, S., Ziegler, M., Reiter, K., Heidbach, O., Moeck, I., Budach, I., von Hartmann, H., and Ziesch, J., 2023, A stress field model for the Unterhaching geothermal plant: Challenges and solutions in local model calibration, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-5935, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-5935, Abstract Poster.
  • Röckel, L., Ahlers, S., Morawietz, S., Müller, B., Reiter, K., Heidbach, O., Hergert, T., Ziegler, M., Henk, A., and Schilling, F., 2023, Slip tendency analysis of 3D faults in Germany, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-12847, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-12847, Abstract Poster.
  • Ahlers, S., Reiter, K., Hergert, T., Henk, A., Röckel, L., Morawietz, S., Heidbach, O., Ziegler, M., and Müller, B., 2023, SpannEnD – Prediction of the recent crustal stress state of Germany using a 3D geomechnical-numerical model, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-10150, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-10150, Abstract.
  • Reiter, K., Heidbach, O., Ziegler, M., Giger, S., Garrard, R., and Desroches, J., 2023, If you get the stress data, you've always asked for, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-13718, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-13718, Abstract.
  • Ahlers, S., Röckel, L., Henk, A., Reiter, K., Hergert, T., Müller, B., Schilling, F., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., Anikiev, D.: Projekt SpannEnD – 3D Modellierung des tektonischen Spannungsfeldes von Deutschland, Tage der Standortauswahl – 3. Fachworkshop der Bundesgesellschaft für Endlagerung, 12.-14. Dezember 2019, Braunschweig, Germany Poster.
  • The SpannEnD project – Prediction of the recent crustal stress field of Germany, 2022, Ahlers, S., Morawietz, S., Röckel, L., Henk, A., Reiter, K., Hergert, T., Müller, B., Heidbach, O., TSK 2019 Halle (Saale), 9-11. März 2022, Halle (Saale), Germany Poster.
  • An Open-Access Stress Magnitude Database for Germany, 2021, Morawietz, S., Ziegler, M., Reiter, K., and the SpannEnD Project Team, SafeND, 9-12. Dezember 2021, Berlin, Germany Abstract Poster.
  • Slip tendency analysis of major faults in Germany, 2021, Röckel, L., Ahlers, S., Morawietz, S., Müller, B., Reiter, K., Heidbach, O., Henk, A., Hergert, T., and Schilling, F., SafeND, 9-12. Dezember 2021, Berlin, Germany Abstract Poster.
  • The recent stress state of Germany – results of a geomechanical–numerical 3D model, 2021, Ahlers, S., Henk, A., Hergert, T., Reiter, K., Müller, B., Röckel, L., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., and Anikiev, D., SafeND, 9-12. Dezember 2021, Berlin, Germany Abstract
  • The SpannEnD project: 3-D stress prediction in the upper crust of Germany, 2021, Reiter, K., Ahlers, S., Morawietz, S., Röckel, L., Hergert, T., Henk, A., Müller, B., and Heidbach, O., SafeND, 9-12. Dezember 2021, Berlin, Germany Abstract.
  • Slip tendency analysis for 60 3D faults in Germany and adjacent areas, Röckel, L., Ahlers, S., Müller, B., Reiter, K., Heidbach, O., Hergert, T., Henk, A., Schilling, F., GeoKarlsruhe 2021, 19-24. September 2021, Karlsruhe, Germany.
  • SpannEnD – The crustal stress state of Germany, 2021, Ahlers, S., Röckel, L., Henk, A., Reiter, K., Hergert, T., Müller, B., Schilling, F., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., Anikiev, D., GeoKarlsruhe 2021, 19-24. September 2021, Karlsruhe, Germany.
  • The SpannEnD project – Towards a robust prediction of the 3D stress state in the upper crust of Germany, Reiter, K., Ahlers, S., Morawietz, S., Röckel, L., Hergert, H., Henk, A., Müller, B., Heidbach, O., GeoKarlsruhe 2021, 19-24. September 2021, Karlsruhe, Germany.
  • Datenbank zu Magnituden von Gebirgsspannungen in Deutschland, 2019, Morawietz, S., Heidbach, O., Reiter, K., Ziegler, M., Team SpannEnD, Tage der Standortauswahl – 3. Fachworkshop der Bundesgesellschaft für Endlagerung, 12.-14. Dezember 2019, Braunschweig, Germany Poster.
  • Projekt SpannEnD – Spannungsmodell Endlagerung Deutschland, 2019, Reiter, K., Ahlers, S., Heidbach, O., Henk, A., Hergert, T., Morawietz, S., Müller, B., Röckel, L.,Schilling, F., Tage der Standortauswahl – 3. Fachworkshop der Bundesgesellschaft für Endlagerung, 12.-14. Dezember 2019, Braunschweig, Germany.
  • SpannEnD – Modelling the 3D stress state of Germany, 2019, Röckel, L., Ahlers, S., Morawietz, S., Müller, B., Schilling, F., Reiter, K., Henk, A., Hergert, T., Heidbach, O., Anikiev, D., Scheck-Wenderoth, M., Student Technical Congress (STC 2019), 14.-15. November 2019 Aachen, Germany Poster.
  • SpannEnD – Modelling the 3D stress state of Germany , 2019, Ahlers, S., Röckel, L., Henk, A., Reiter, K., Hergert, T., Müller, B., Schilling, F., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., Anikiev, D., GeoMünster2019, 22-25. September 2019, Münster, Germany.

Status Quo

Das Projekt ist seit dem 31.12.2021 abgeschlossen. Im Folgeprojekt SpannEnD 2.0 wird das geomechanische Modell fortlaufend verfeinert und verbessert.

Abschlussbericht (wird in neuem Tab geöffnet)

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