3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen

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1 4. Fachgespräch Geophysik und Barrieresysteme am 7. / 8. März 2007 in Leipzig 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen Entwicklung eines Grundkonzeptes für langzeitstabile Abschlußbauwerke (Streckendämme) im leichtlöslichen Salzgestein (Carnallitit) in UTD und UTV (BMBF 02C1204) GRUBE TEUTSCHENTHAL Sicherungs GmbH & Co. KG Thomas Fliß & Thomas Schicht Kali-Umwelttechnik GmbH Sondershausen, Am Petersenschacht 7, Sondershausen Phone: , Mail: thomas.fliss@kutec.de TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERGAKADEMIE FREIBERG Fakultät für Geowissenschaften, Geotechnik und Bergbau Institut für Bergbau Fakultä t für Che mie und Physik Institut für Anorga nisc he Che mie 1

2 Einleitung Einleitung Injektionsversuche zur Untersuchung von Lösungsbewegungen Ortstabiles Depot zur Lösungsaufsättigung mit Barriereeigenschaften Resümee und Ausblick 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

3 Einleitung Geologisch/ mineralogischer Hintergrund 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

4 Einleitung Maßnahmen zur Vermeidung von Korrosionserscheinungen in dauerplastischen Baustoff eingebetteter Bohrkern tachhydritübersättigte Lösung mit Tachhydritkristallen praxiserprobtes Baustoffsystem modifiziert mit dem Tachhydritdepot Schutzfluid, Injektionslösung und ortsstabiles Depot mit Barriereeigenschaften zur Lösungsaufsättigung Das Grundkonzept des durch die K-UTEC konzipierten Dammvorbauelementes beinhaltet eine gezielte Aufsättigung der Zutrittslösungen über ein ortsstabiles Depot zur Vermeidung von Lösevorgängen im Nahfeld des Dichtungssystems. Durch die K-UTEC wird hierzu ein spezieller Depotstoff entwickelt und in situ getestet durch den die Auflösung des Tachhydrits, als sensibelstes Mineral, wirksam verhindert werden soll. 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

5 Injektionsversuche zur Untersuchung von Lösungsbewegungen Versuchsanordnung Zur Untersuchung dieser Migrationsmechanismen wurde in Zusammenarbeit mit der Fa. IbeWa aus Freiberg eine Versuchsanordnung zum Einbau in Großbohrlöcher konzipiert. Es handelt sich dabei um 1,0 m lange Bohrlöcher mit einem Betonpacker und einer Injektionskammer im Bohrlochtiefsten über die eine spezielle Prüflösung in das Wirtsgestein injiziert werden kann. Zur Überwachung dieser Versuche wurde eine 3D-Geoelektrikanordnung bestehend aus 3 Einzelprofilen. Das Versuchsgebiet wurde mit den Geoelektrikanordnungen mehrmals zu verschiedenen Versuchstadien vermessen. Neben den GE-Messungen erfolgten Gasund Lösungspermeabilitätsmessungen durch IbeWa. Die Messungen wurden im Versuchsverlauf mehrfach wiederholt. Für die Fluidinjektionen wurden 3 Prüflösungen verwendet: R-Lösung und zwei CaCl2-Lösungen. 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

6 Injektionsversuche zur Untersuchung von Lösungsbewegungen Versuchsverlauf Die Verarbeitung der gesamten Messdaten der Geoelektrikmessungen erfolgte über eine 3D-Inversion mit dem Programm DC 3D Invres von Thomas Günther und Carsten Rücker. Von jedem Messzyklus wurde so ein 3 dimensionales Modell der Widerstandsverteilung erzeugt. A B C D Schnittebene BL-I 03 Prüflösung: Tachhydrit-gesättigt 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

7 Injektionsversuche zur Untersuchung von Lösungsbewegungen A 0 m B 1,0 2,0 Injektionsmenge pro Zyklus in cm 3 90,0 80,0 BL-I 03 70,0 60,0 50,0 40,0 1,0 30,0 20,0 10,0 0, C D 0 Die Darstellung zeigt eine Messung am nach Herstellung des Bohrloches. Sie sehen den durchfeuchteten Konturbereich mit Widerständen bis etwa 600 Ωm in 20 bis 30 cm Tiefe reichend. Deutlich sichtbar ist direkt unterhalb des Bohrloches eine beeinflusste Zone als Folge des Bohrprozesses mit Widerständen bis 600 Ωm. 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

8 Injektionsversuche zur Untersuchung von Lösungsbewegungen A 0 m B 1,0 2,0 Injektionsmenge pro Zyklus in cm 3 90,0 80,0 BL-I 03 70,0 60,0 50,0 40,0 1,0 30,0 20,0 10,0 C , D Am erfolgte eine erste Messung nach einem Injektionszyklus. Es wurden 20 ml Prüflösung verpresst. Sie sehen deutlich eine Anomalie unterhalb der Druckkammer mit Widerstandswerten bis etwa 300 Om. In dieser Darstellung wird als weiterer Prozess die die jahreszeitenzyklische Abtrocknung der Stoßoberfläche bis in etwa 25 cm Tiefe mit Widerstandswerten bis zu 1800 Om sichtbar. 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

9 Injektionsversuche zur Untersuchung von Lösungsbewegungen A 0 m B 1,0 2,0 Injektionsmenge pro Zyklus in cm 3 90,0 80,0 BL-I 03 70,0 60,0 50,0 40,0 1,0 30,0 20,0 10,0 0, C D 0 Diese Widerstandverteilung wurde am gemessen, der Injektionszyklus umfasste etwa 80 ml Lösung. Die Anomalie hat sich nicht mehr wesentlich vergrößert. Die Konturoberfläche wurde als Folge von Betonierarbeiten am Versuchsort wieder stärker durchfeuchtet. 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

10 Injektionsversuche zur Untersuchung von Lösungsbewegungen A 0 m B 1,0 2,0 Injektionsmenge pro Zyklus in cm 3 90,0 80,0 BL-I 03 70,0 60,0 50,0 40,0 1,0 30,0 20,0 10,0 0, C DAm stellt sich die Situation wie folgt dar: die Streckenkontur befindet sich in einem Trocknungsprozess, die induzierte Anomalie nimmt in ihrer Größe nicht zu, in ihren Widerständen ist eine leicht zunehmende Tendenz zu beobachten. Hierbei sind ähnliche Prozesse und Mechanismen ursächlich, wie sie im Konturbereich beobachtet werden können. 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

11 Injektionsversuche zur Untersuchung von Lösungsbewegungen A 0 m B 1,0 2,0 Injektionsmenge pro Zyklus in cm 3 90,0 80,0 BL-I 03 70,0 60,0 50,0 40,0 1,0 30,0 20,0 10,0 0, C DAm sehen wir eine deutliche Veränderung im Packerbereich und eine Erweiterung der Anomalie. Es wird ein größerer Bereich auch oberhalb der Injektionskammer beeinflusst. Hierzu ist anzumerken, dass die Messung sehr zeitnah nach den Injektionen erfolgte, und so eventuell auftretende Mechanismen, welche zu einer Widerstandserhöhung führen können, gerade wirksam waren. 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

12 Injektionsversuche zur Untersuchung von Lösungsbewegungen A 0 m B 1,0 2,0 Injektionsmenge pro Zyklus in cm 3 90,0 80,0 BL-I 03 70,0 60,0 50,0 40,0 1,0 30,0 20,0 10,0 0, C Die 0abschließende Messung am ergab dieses Bild. Die Anomalie hat sich im Kernbereich nicht verändert, die Kontur trocknet verstärkt ab bis in 20 cm Tiefe mit Widerstandswerten bis 2000 Om. Die gemessene integrale Permeabilität der Druckkammer nahm gegenüber den vorangegangen Messung deutlich ab. 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

13 Versuchsanordnung Die Zielstellung bei diesem Versuch bestand in der Untersuchung der Interaktionen zwischen dem Depotstoff (beim Einbau) bzw. der Depotlösung (nach dem Einbau) und einer Tachhydrituntersättigten Testlösungen mit dem Wirtsgestein. Druck in [bar] 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Geber 1 Geber 2 Druckverlauf vs. Zeit 0,0 GBL P03 IT 5 45,0 0 5 Temperatur vs. Zeit Zeit in [Tagen] Temperatur in [ C] Zeit in [Tagen] 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 Die Versuchsanordnung wurde in einem 300 mm Großbohrloch mit 2 m Länge installiert. Die Versuchsinstallation besteht prinzipiell aus einem MgO-Packer, der eigentlichen Testkomponente, der Druckkammer und verschiedenen Sensoren (Druck und Temperatur). 10,0 5,0 0, Zeit in [sec] 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

14 Versuchsverlauf 1400 GBL-P03 Injektionsversuche Injektionsvolumen in [cm3] Injektionvolumen pro Phase Injektionsvolumen gesamt Versuchsdauer 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

15 Begleitend zum Versuch wurden geophysikalische Messungen in Form einer 3D-Geoelektrikanordnung durchgeführt. Es erfolgte dabei ein Monitoring über 3 einzelne Geoelektrikprofile mit 2 Messbohrlöchern von jeweils 4 m Tiefe und mit 20 Elektroden. Die folgenden Darstellungen zeigen die Situation kurz nach dem Einbau des Packers, die weiteren Widerstandsmodelle sind gegenwärtig in der Bearbeitung. 3D-Geoelektrikanordnungen zum Versuchsmonitoring in sensiblen Salzformationen, Leipzig

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31 Aus dem gezeigten Fallbeispiel erhalten wir Informationen zum Einfluss der MBL, zur Beeinflussung infolge des Packereinbaus bzw. generell zur Beeinflussung des Versuchsortes durch die Wetterfeuchte. Die weiteren Messungen zeigen uns Verhalten des Depotstoffes beim Einbau und beim weiteren Test dieser Komponente. Wir können die Fluidausbreitung bei den Injektionsversuchen überwachen und bestimmte Druckverläufe interpretieren. Wir können weiterhin aktiv eingreifen in die Versuchsdurchführung, wir können Abbruchkriterien formulieren oder gezielte Überlastungen realisieren. Nach Abschluss der Injektionsmaßnahmen kann ein gezielter Rückbau der Versuchsanordnung mit entsprechenden Probeentnahmen geplant und durchgeführt werden. Das alles geschieht ohne Beeinflussung des direkten Versuchsgebietes, nicht invasiv. 31

32 Resümee und Ausblick Das sensible Wirtsgestein Carnallitit reagiert auf Feuchtigkeitseinflüsse mit deutlichen Widerstandsveränderungen, welche messbar sind und uns die Anwendung des vorgestellten Verfahrens ermöglichen. Das eingesetzte Verfahren der 3D-Geoelektrik konnte sich für Monitoringmaßnahmen bzw. Erkundungsarbeiten zur Standortcharakterisierung bewähren und ist insbesondere aufgrund des sehr begrenzten Eingriffs ins Wirtsgestein geeignet für den Einsatz in sehr sensiblen Systemen. Gegenwärtig arbeiten wir an der Verifizierung der gemessenen Widerstandsverteilungen über weitere Messverfahren bzw. Probenentnahmen. Weiterhin besteht ein großes Entwicklungspotenzial bei der Anpassung der Messanordnungen, bspw. um Messintervalle zu verkürzen oder die Überwachung bestimmter Detailbereiche besser aufzulösen. 32