SQuaRe

Spannungsprognosen – Quantifizierung und Reduzierung von Ungewissheiten mit geomechanisch-numerischen Untergrundmodellen

Ziel des Projektes ist eine verbesserte Abschätzung von Ungewissheiten in den Materialparametern, Rand- und initialen Spannungsbedingungen sowie dem Einfluss der Rechengitterauflösung im Kontext geomechanischer Untergrundmodelle. Kooperationspartner im Rahmen des Projektes SQuaRe sind das GFZ Potsdam und die RWTH Aachen.

Fakten zum Projekt

Projektbearbeiter: Dr. Karsten Reiter +++ Laufzeit: 1.1.2023 bis 31.12.2025 +++ Projektfinanzierung: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) Projektträger Karlsruhe (PTKA)

Robuste Prognosen zum Spannungszustand in der Erdkruste sind zur Charakterisierung potenzieller Standorte für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle von zentraler Bedeutung. Zur Einschätzung des Vertrauensbereiches geomechanisch-numerischer Modelle ist auch eine Angabe der Ungewissheiten in den prognostizierten Spannungsmagnituden und -orientierungen erforderlich. Dies setzt eine systematische Quantifizierung der Ungewissheiten der in die Modellierung eingehenden Parameter voraus. Ziel ist eine umfassende quantitative Betrachtung der Ungewissheiten von Spannungsprognosen, die sowohl für eine Standortcharakterisierung als auch für einen Standortvergleich verwandt werden können.

Eine systematische Quantifizierung der Ungewissheiten der in die Modellierung eingehenden Parameter wie Untergrundgeometrie, Materialkennwerte, Randbedingungen und der zur Kalibrierung verwandten Spannungsdaten soll erfolgen. Vor allem die Ungewissheiten der verwendeten Materialparameter, der Rand- und initialen Spannungsbedingungen, sowie der Einfluss der Rechengitterauflösung werden untersucht. Dazu werden generische Modelle erstellt, mittels derer der jeweilige Einfluss der Parameter separat untersucht wird.

Bezüglich der Basisgeometrie identisches 2-D Modell mit einer unterschiedlichen Mesh-Diskretisierungen, sehr grob (links) und fein (rechts).
Bezüglich der Basisgeometrie identisches 2-D Modell mit einer unterschiedlichen Mesh-Diskretisierungen, sehr grob (links) und fein (rechts).

Geomechanisch-numerische Modellgeometrien werden bei der Diskretisierung zu einem Rechengitter umgewandelt. Dieses besteht aus vielen Elementen, was die kleinsten homogenen Einheiten eines solchen Modells sind. Vereinfacht kann angenommen werden, dass mit mehr Elementen eine bessere Auflösung, also eine bessere Repräsentation erfolgen kann. Aber es muss eine Balance zwischen Auflösung und der notwendigen Rechenzeit gewählt werden. Einfluss auf die Ergebnisse haben neben der rein quantitativen Anzahl andere Faktoren, wie Elementtyp, Seitenverhältnis von Elementen, die räumliche Verteilung der Diskretisierung usw. Mittels generischer Modelle werden diese Faktoren separat untersucht, um anschließend Handlungsempfehlungen zu erstellten, um eine optimale Diskretisierung eines Modelles zu ermöglichen.

  • Reiter, K., Ziegler, M., Heidbach, O., Desroches, J., Fjær, E., and Giger, S.: Calibration of geomechanical models – Examples from the site selection process for a nuclear waste repository in northern Switzerland, The Geological Society – Tectonic Stress: from the lithosphere to the wellbore, London, United Kingdom, 21–22 May 2024, 2024.
  • Ziegler, M. O., Seithel, R., Niederhuber, T., Heidbach, O., Kohl, T., Müller, B., Rajabi, M., Reiter, K., and Röckel, L.: The effect of stiffness contrasts at faults on stress orientation, EGUsphere [preprint], https://doi.org/10.5194/egusphere-2024-1109, 2024.
  • Reiter, K., Degen, D., Ziegler, M., Heidbach, O., Wellmann, F., Henk, A., Projekt SQuaRe, Projektstatusgespräche 2023 zu BMUV-geförderten FuE-Projekten zur Entsorgung radioaktiver Abfälle, 2023

Status Quo & Ausblick

Der Projektbeginn im Frühjahr 2023 startete mit einer intensiven Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen. Nach der Definition der Geometrie als auch der zu verwendeten Materialeigenschaften für ein generisches Modell zum Test der Methode der reduzierten Basis konnten erste Tests erfolgreich von den Projektpartner durchgeführt werden. Da klassische Tests der Unsicherheitsanalyse bei komplexen Modellen aufgrund zu großer Rechenzeiten unmöglich sind, wurde eine Methode entwickelt, um auf der Basis der Verteilungsfunktion von Materialkennwerten mittels weniger Modellläufe eine Abschätzung der Unsicherheit von Modellergebnissen abzuschätzen. Auf der Basis von Modellen der Standortauswahl in der Schweiz wurde eine Modellgeometrie erstellt, die für das komplexe Referenzmodell zum finalen Test der im Projekt entwickelten Methoden im letzten Drittel des Projektzeitraumes genutzt werden soll. Zudem wurde eine 2-D Modellgeometrie davon abgeleitet, um verschiedene Methoden der Diskretisierung eines Rechengitters zu vergleichen. Weiterhin wird dieses Modell genutzt werden, variable Materialeigenschaften, den Einfluss von Auflösung, Elementtyp und Elementart zu untersuchen.