SpannEnD

Geomechanisch-numerische Modellierungen zur Charakterisierung des tektonischen Spannungszustandes für die Entsorgung radioaktiver 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: Steffen Ahlers +++ Laufzeit: 15.05.2018 bis 31.12.2021 +++ Projektfinanzierung: BMWi Prpjektträger Karlsruhe

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Modellgeometrie bestehend aus der Moho und Conrad Diskontinuität, der Kristallinoberfläche und der Topograhie
Bild: Fachgebiet Ingenieurgeologie
Screenshot der Modellgeometrie bestehend aus der Moho und Conrad Diskontinuität, der Kristallinoberfläche und der Topograhie, die im aktuellen Model integriert sind.

Das tektonische Spannungsfeld in der Erdkruste wirkt sich auf eine Vielzahl der Kriterien zur Standortauswahl für die Entsorgung radioaktiver 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 mit verwendeten Verschiebungsrandbedingungen
Bild: Fachgebiet Ingenieurgeologie
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 basiert auf 5 Flächen: Topographie, Top Kristallin, Conrad- und Moho-Diskontinuität sowie der Modellbasis. Daraus ergeben sich 4 Modelleinheiten: sedimentäre Bedeckung kristalline Grundgebirge der Oberkruste, Unterkruste und lithosphärischer Mantel. Die Berechnung des Spannungsfeldes erfolgt mit Hilfe eines impliziten FEM-Solvers. Dafür muss das diskretisierte Modell zunächst parametrisiert und Randbedingungen definiert werden. Die Ergebnisse werden ausgewertet und die Randbedingungen angepasst, bis ein Best-Fit erreicht ist. Als Kalibrierungsdaten werden die Orientierung der größten Horizontalspannung und Spannungsmagnituden der größten und kleinsten Horizontalspannung verwendet.

  • Ahlers, S., Henk, A., Hergert, T., Reiter, K., Müller, B., Röckel, L., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., and Anikiev, D. (2021): Crustal stress state of Germany – Results of a 3D geomechnical model, https://doi.org/10.48328/tudatalib-437.
  • 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., Röckel, L., Henk, A., Reiter, K., Hergert, T., Müller, B., Schilling, F., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., Anikiev, D., 2019. Projekt SpannEnD – 3D Modellierung des tektonischen Spannungsfeldes von Deutschland, 2019Tage der Standortauswahl – 3. Fachworkshop der Bundesgesellschaft für Endlagerung, 12.-14. Dezember 2019, Braunschweig, Germany.
  • 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.
  • Ahlers, S., Röckel, L., Henk, A., Reiter, K., Hergert, T., Müller, B., Schilling, F., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., Anikiev, D., 2019. SpannEnD – Modelling the 3D stress state of Germany, GeoMünster2019, 22-25 September 2019, Münster, Germany.
  • Ahlers, S., Hergert, T., Henk, A, 2018. Numerical modelling of salt-related stress decoupling in the North German Basin. GeoBonn 2018, 2-6 September 2018, Bonn, Germany.

Status Quo & Ausblick

Ein erstes, an in situ Spannungsmessungen kalibriertes geomechanisch-numerisches Modell für Deutschland wurde erstellt und die Ergebnisse publiziert. Aktuell wird an der Publikation eines neuen Modells mit einer deutlich erhöhten Auflösung und stratigraphisch verfeinerten Sedimenteinheit gearbeitet.

Logos im SpannENd Projekt