Universelles integriertes geophysikalisches Mess- und Auswerteinstrumentarium zur Charakterisierung von Problemzonen im Salinar

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1 Universelles integriertes geophysikalisches Mess- und Auswerteinstrumentarium zur Charakterisierung von Problemzonen im Salinar

2 S L I N R GEOPHYSIK AS Forschungsvorhaben 02 C C C 1325 Institut für Geophysik und Geologie der Universität Leipzig Leibniz-Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben (GGA), Hannover Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP), Dresden K-UTEC AG, Sondershausen Büro Dr. Schwandt, Erfurt

3 BMBF-Verbund-Projekt SALINARGEOPHYSIK III Universelles integriertes geophysikalisches Mess- und Auswerteinstrumentarium zur Charakterisierung von Problemzonen im Salinar Universität Leipzig, Institut für Geophysik und Geologie: - Projektkoordination - DC-Geoelektrik - Seismik (mit K-UTEC AG Sondershausen) - Geologie (mit Büro Dr. Schwandt, Erfurt) Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren Dresden: - Sonarverfahren GGA-Institut Hannover: - Elektromagnetik - Georadar - Komplexauswertung der Verfahren; Quantitative Charakterisierung ajust@uni-leipzig.de, schuetze@uni-leipzig.de

4 Salinargestein: Motivation geeignetes Wirtsgestein System geologische Barriere in UTD wirksam für chemo-toxische Abfälle Lagerung von Abfällen in tiefen geologischen Formationen: erfordert fundiertes Systemverständnis zur Beurteilung der Langzeitsicherheit Bewertung der Integrität Quantitative Aussagen zu Gefährdungspotential: Erkundung möglicher Problemzonen durch Einsatz nichtinvasiver geophysikalischer Verfahren Ziel: Wasserzutritt in eine UTD ist bedeutsam für Langzeitsicherheitsnachweis (Quelle: GRS Jahresbericht 2003) Belastbare Analyse und Bewertung der geologischen Barriere in der UTD

5 Schema einer Untertagedeponie (UTD) Erdoberfläche geologische Barriere (Wirtsgestein) technische Barriere UTD Problemzone Zwingend erforderlich: zerstörungsfreie Erkundung und Charakterisierung der geologischen Barriere

6 Problemzonen im Salinar Klüfte Subrosion Verwerfungszone Kluftzone Anwendung geophysikalischer Messmethoden zur Untersuchung und Charakterisierung der verschiedenen Problemzonen Kombinierter Einsatz von Wellen und Potentialverfahren Feuchtezonen mit Salzlösungsvorkommen - Geoelektrik Schichtgrenzen Radar, Seismik Subrosion Feuchtigkeit Bergbaulich bedingte Auflockerungszonen Sonar, Radar, Geoelektrik %

7 Projektaufgabe Komplexe geophysikalische Erkundung zur Charakterisierung der Barrierewirksamkeit des Salinargesteins Vorerkundung für die Planung von Untertagedeponien und Überwachung der Langzeitsicherheit Bewertung der Sicherheit der geologischen Barriere als Teil des Multibarrieresystems räumliche Erkundung ins Unverritzte mit zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden kombinierte Anwendung und Interpretation geophysikalischer Messverfahren

8 Kali- und Salzbergbau chemo-toxische UTD Referenzmessorte Universelles integriertes geophysikalisches Mess- und Auswerteinstrumentarium Messkampagnen Geologie Geoelektrik Seismik Georadar Geosonar Gesteinsparameter im Labor und in situ FEM-Modellierungen?! Quantitative Charakterisierung von anomalen Bereichen (Anomaliekriterien) Problemzonen Problemzonenfreie Entsorgungsbereiche Szenarienmodellierung für verschiedene Standorttypen

9 SALINAR I ehemaliges Kali-Bergwerk Südharz flache Lagerung Problemzone im Hangenden einer Abbaustrecke

10 SALINAR II in Betrieb befindliches Bergwerk Niedersachsen Salzstock, Problemzone in 50 m horizontaler Entfernung von der Strecke

11 SALINAR I ehemaliges Kali-Bergwerk Südharz flache Lagerung Problemzone im Hangenden einer Abbaustrecke SALINAR II in Betrieb befindliches Bergwerk Niedersachsen Salzstock Problemzone in 50 m horizontaler Entfernung von der Strecke SALINAR III ehemalige Kali-Bergwerke Sachsen-Anhalt beide in flacher Lagerung, Problemzonen im Liegenden

12 Referenzstandort 1 Sollstedt / Südharzrevier Basalanhydrit-Aufsattelung, Salzlösungsvorkommen im darunter liegenden Hauptdolomit?? m

13 Referenzstandort 2 Grube Teutschenthal Übersicht permeable Auflockerungsbereiche im Hauptanhydrit durch Gebirgsschlag 1996? Lokation II: Verbindungsstrecke, Westliche Bruchfeldgrenze Lokation I: Verbindungsstrecke Wetterschleuse

14 Arbeitsschwerpunkte Institut für Geophysik und Geologie Universität Leipzig 1) Seismik (H. Zöllner, Th. Schicht, C. Schütze) methodische Entwicklung, Suche nach Schichtgrenzen, strukturellen Einheiten und Heterogenitäten

15 methodische Herausforderungen: o o o o Auswahl optimaler Anregungsquellen (untertägige Bedingungen, Kosten, Performance) Einsatz verschiedener Geophontypen (Messungen auf der Sohle, Messungen am Stoß, Dreikomponenten) Anpassung an variable Ankopplungsbedingungen Adaption der seismischen Bearbeitungsroutinen

16 Tests mit verschiedenen seismischen Quellen Metallhammer 5kg (optional mit Schlagplatte) Plastikhammer 4kg P-Wellen-Vibrator (GeoSym)

17 Tests mit verschiedenen seismischen Quellen Metallhammer 5kg (optional mit Schlagplatte) Plastikhammer 4kg P-Wellen-Vibrator (GeoSym) Energieanregung im Frequenzband Hz 17

18 Tests mit verschiedenen seismischen Quellen Metallhammer 5kg (optional mit Schlagplatte) Plastikhammer 4kg P-Wellen-Vibrator (GeoSym) 18

19 Ergebnis der Vergleichstest Spektrale Information 1 Optimale Schuss- Performance: Metallhammer 0,1 Vorteile: amplitude 0,01 1E-3 1E-4 p-wave vibrator sledgehammer on plate sledgehammer 5kg plastic hammer 4kg 1E-5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 frequency (khz) Hohe akustische Impedanz des Salzgesteins Fehlende Langsamschicht Geringer Noise Erkundungstiefen bis zu 100 m Auflösung im m-bereich

20 Seismik- Detektion von Problemzonen im Liegenden W Profil (m) O A3 R2 R3 Parameter der Messungen: Anregung: Aufnehmer: Hammer 5kg 100Hz-Geophone Bruchfeld Empfangspunktabstand: 1m Schusspunktabstand: 1m Auslage: 2 x 72 m CMP-Stapelgrad: Tiefe (m) Wellentyp: P-Welle (primäre Longitudinalwellen) Tiefenschnitt mit Reflexionshorizonten gefiltert, gestapelt mit Stapel-Geschwindigkeit 4700m/s

21 Arbeitsschwerpunkte Institut für Geophysik und Geologie Universität Leipzig 1) Seismik 2) Gleichstromgeoelektrik (A. Just, C. Rücker, U. Serfling, K. Matthes, C. Schütze) methodische Entwicklung, Erkundung geologischer Strukturen, Detektion von Bereichen mit erhöhtem Wassergehalt

22 methodische Herausforderungen: o o o o Geoelektrik-Apparaturen mit variablen Speiseströmen (Konstantspannungsquelle) Anpassung an die große Dynamik der galvanischen Ankopplungsbedingunen (Übergangswiderstände abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt im unmittelbaren Elektrodenbereich) Anpassung der Auswerteroutinen an Extremsituationen Adaption der geoelektrischen Inversionsprogramme (Datenanalyse, Filterung, Berücksichtigung der Vollraumsituation) RESECS - Multielektroden-Apparatur

23 Labormessungen an Gesteinsproben Dichte (Pyknometer) Wassergehalt (Karl-Fischer Titration) Spezifischer elektrischer Widerstand als Funktion des Wassergehalts trocken feucht Spezifischer elektrischer Widerstand - Verhalten im Dehydrationsprozess

24 DC-Geoelektrik: Modellinterpretation Sollstedt (1) depth (m) NW Erhöhte Wahrscheinlichkeit für Lösungsvorkommen profile (m) 0 Feuchtezonen SE Trockene Bereiche log (Rho) (Ohm*m) Messparameter: Profillänge 400m (3 x 200m, überlappend) Electrodenspacing 2m Wenner-α,-β; Dipol-Dipol Inversion code: DC2Dinvres

25 DC-Geoelektrik: Modellinterpretation Sollstedt (2) Modell der Widerstandsverteilung unter der Hauptförderstrecke, benachbartes Streckensystem ρ in Ωm

26 DC-Geoelektrik und Seismik: Gekoppelte Modellinterpretation Sollstedt (3) Geologischer Reflektor, Anhydritoberkante Reflektionen von benachbarten Strecken Widerstandsmodell und S-Wellen CMP -Stack Erhöhte Wahrscheinlichkeit für Lösungsvorkommen Komplexanalyse ρ in Ωm

27 DC-Geoelektrik und Seismik: Gekoppelte Modellinterpretation Teutschenthal

28 DC-Geoelektrik: Numerical post-inversion modeling Interpretationshilfe FEM-Modelle 400 m 75 m

29 Geoelektrik + Seismik in Kombination ein hilfreiches Werkzeug bei der Detektion verschiedener Problemzonen (Feuchtezonen, strukturelle Grenzen) bieten den zerstörungsfreien Einblick in das geologische Barrieregestein Methodik steht zur Adaption auf andere untertägige Standorte bereit, Potential für weiterführende Entwicklungen / Kombination vorhanden Für integrale Aussagen: Kombination mit weiteren geophysikalischen Verfahren zwingend notwendig!