BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

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Tongestein-Mikrostrukturen und deren Veränderungen in Endlagersystemen

Land / Region: Weltweit, Schwerpunkte Schweiz, Frankreich, Nordatlantik

Projektanfang: 01.02.2004

Projektende: 30.04.2008

Projektstand: 30.04.2008

Abb. 1: Tonstein-Mikrostrukturen des Opalinustons (oben) und Callovo-Oxfordium Tonsteins (unten), RasterelektronenmikroskopieAbb. 1: Tonstein-Mikrostrukturen des Opalinustons (oben) und Callovo-Oxfordium Tonsteins (unten), Rasterelektronenmikroskopie Quelle: BGR

Tone werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt. Es ist bekannt, dass ihre Eigenschaften stark schwanken. Ein wichtiges Ziel der Tonforschung ist es, die Beziehungen zwischen Eigenschaften und Verhalten von Tonen zu verstehen. Dies ist jedoch nur in einigen Fällen möglich. Daraus muss geschlossen werden, dass der Einfluss bestimmter Eigenschaften bisher noch nicht verstanden wurde. Eine dieser Eigenschaften ist die Anordnung der im Ton enthaltenen Minerale zueinander (Mikrogefüge). Der Einfluss des Mikrogefüges von Tongesteinen auf die petrophysikalischen Eigenschaften wird oft vermutet, ist jedoch noch nicht eindeutig erwiesen. Ziel dieser Arbeit war herauszufinden, ob und in welchem Maße das Mikrogefüge von Tonsteinen und Bentoniten deren petrophysikalische Eigenschaften beeinflusst.

Tonsteine werden derzeit als potentielle Wirtsgesteine in Endlagern von radioaktiven Abfällen untersucht. Für diese Anwendung sind Eigenschaften wie hydraulische Leitfähigkeit, Quellvermögen, Wasseraufnahmekapazität, Rheologie und mechanische Stabilität wichtig. Der Opalinuston und der Callovo-Oxfordium Tonstein werden dabei am intensivsten untersucht. Eines der Ziele ist die Entwicklung eines Modells, das in der Lage ist, das mechanische Verhalten von Tonsteinen unter Endlagerbedingungen vorherzusagen.

Ein maßgebliches Ergebnis des abgeschlossenen Projekts ist, dass sich die beiden Tonsteine in ihrem mechanischen Verhalten mit variierendem Karbonatgehalt unterscheiden. Die Festigkeit des Opalinustons nimmt mit steigendem Karbonatgehalt ab, während die Festigkeit des Callovo-Oxfordium Tonsteins steigt. Die Erklärung für dieses konträre Verhalten liegt in der Mikrostruktur (Abb. 1). Der Opalinuston (Abb. 1 oben) enthält grobkörnige karbonatische Schalenbruchstücke (Bioklasten), während der Callovo-Oxfordium Tonstein (Abb. 1 unten) feinkörnige, homogen verteilte Karbonate aufweist. In Abb. 1 links ist eine Übersichtsaufnahme zu erkennen. Auf der rechten Seite ist die Verzahnung der hellen Karbonate erkennbar. Das wichtigste Ergebnis dieser Gefügeuntersuchungen ist, dass nicht nur der Karbonatgehalt, sondern auch die Korngröße, Ausbildung und räumliche Verteilung der Karbonate einen Einfluss auf die Festigkeit der Gesteine haben. Es kann weiterhin geschlossen werden, dass kein für Tonstein allgemein gültiges Stoffgesetz (Modell zur Berechnung des mechanischen Verhaltens) erstellt werden kann, das nicht solche Anisotropien einschließt.

Die Dissertation von Dr. Klinkenberg wurde 2009 mit dem Karl-Jasmund Preis der DTTG (Deutsche Ton- und Tonmineralgruppe) geehrt.

Literatur:

  • Martina Klinkenberg (2008): Einfluss des Mikrogefüges auf ausgewählte petrophysikalische Eigenschaften von Tongesteinen und Bentoniten. 144 S., Diss. Univ. Göttingen
  • Klinkenberg, M., Kaufhold, S., Dohrmann, R., Siegesmund, S. (2009): Influence of carbonate microfabrics on the failure strength of claystones. Engineering Geology, 107, 42–54

Partner:

Prof. Dr. Siegesmund, Univ. Göttingen

Kontakt 1:

    
Dr. Stephan Kaufhold
Tel.: +49-(0)511-643-2765
Fax: +49-(0)511-643-3664

Kontakt 2:

    
Dr. Reiner Dohrmann
Tel.: +49-(0)511-643-2557
Fax: +49-(0)511-643-532557

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