Fracture-Lab

Die Durchlässigkeit in der Erdkruste wird vielerorts durch Kluftnetzwerke bestimmt, da sie die effektive Permeabilität von Gesteinen um mehrere Größenordnungen erhöhen. Der Fluidfluss in Einzelklüften wird dabei durch Schlüsselparameter wie die Kluftöffnungsweite sowie die Kluftrauigkeit kontrolliert. Für viele geotechnische Anwendungen ist der Transport von Fluiden und Gasen in Klüften von großem Interesse: Zum einen im Zusammenhang mit der Nutzbarkeit und Kapazität von Speichergesteinen (Reservoirgeologie und Geothermie), zu anderen im Hinblick auf sicherheitsrelevante Aspekte (Tunnelbau, Georisiken, Endlagerforschung). Ein zentraler Fokus der Abteilung Ingenieurgeologie liegt daher auf der Methodenentwicklung zur praktikablen, quantitativen und präzisen Bestimmung von Kluftparametern.

Aktuelle Forschungsprojekte:

• Surface roughness and anisotropy of natural rock joints, Anschubförderung durch KIT-Zentrum MathSEE (Mathematics in Sciences, Engineering, and Economics)

• Numerical modelling of hydromechanical processes in rock fractures, Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF), Portfolio Geoenergie

Unsere Methoden zur Bestimmung relevanter Klufteigenschaften eignen sich für verschiedenste Klufttypen, sowohl für die Anwendung im Gelände als auch für Bohrkernanalysen in Labor:

• Für die Bestimmung von mechanischen Kluftöffnungsweiten arbeiten wir mit einer digitalen Mikroskopkamera, welche Detailaufnahmen mit Vergrößerungsfaktor bis 500x liefert. Auf Basis des definierten Vergrößerungsfaktors kann das abgebildete Kluftsegment anschließend mit einer Auflösung von bis zu 10 µm digital vermessen und statistisch analysiert werden. Die mechanische Öffnungsweite beschreibt dabei die mittlere Distanz der beiden Kluftflächen zueinander.
• Mithilfe eines tragbaren Luftpermeameters („TinyPerm 3“) können hydraulische Kluftöffnungsweiten im Bereich zwischen 20 und 1000 µm direkt bestimmt werden. Die hydraulische Kluftöffnungsweite stellt eine virtuelle Größe dar, welche die für den Fluidfluss effektiv nutzbare Öffnungsweite einer Kluft beschreibt. Da die hydraulische Öffnungsweite in direktem Zusammenhang mit der Kluftpermeabilität steht, stellt sie einen wesentlichen Schlüsselparameter für viele geowissenschaftliche Fragestellungen dar.
• Für die Analyse der Kluftrauigkeit stehen kontaktlose bildgebende Methoden wie 3D Laserscanning und Dense Image Matching (DIM) zur Verfügung. Die daraus erzeugten dreidimensionalen Abbilder der Kluftflächen (Punktwolken) bilden die Basis für numerische Strömungssimulationen. Die Oberflächenrauigkeit bestimmt dabei im Wesentlichen die Ausbildung präferentieller Fließpfade sowie die Strömungs-bedingungen in der Kluft. DIM kombiniert Photogrammetrie und Computer Vision und benötigt lediglich Fotos eines Objektes aus verschiedenen Blickwinkeln. Während mit 3D Laserscanning Gesteinsproben variabler Größe im Labor präzise vermessen werden können, eignet sich DIM durch geeignete Normen für die Geländeanwendung auch für die Charakterisierung größerer Diskontinuitäten im Meter-Maßstab.