Laboruntersuchungen zum Verformungsverhalten saalekaltzeitlicher Geschiebemergel

Das Verformungsverhalten saalekaltzeitlicher Geschiebemergel aus dem Raum Halle-Leipzig-Bitterfeld ist bestimmt durch die ehemalige Eisauflast und deren Rückgang, also den heute noch überkonsolidierten Zustand dieser überwiegend feinkörnigen Sedimente (nach DIN 18196: TL oder ST*), die in weicher bis halbfester Konsistenz großflächig vorkommen und als Baugrund genutzt werden. Das Ergebnis von Setzungsprognosen in diesem Baugrund hängt maßgeblich von den spannungsabhängig anzunehmenden Steifemodulen ab. Kompressions- und Triaxialversuche wurden zur Bestimmung von Erst- und Wiederbelastungsmodulen und zur Charakterisierung des Verformungsverhaltens eingesetzt. Daraus ist abzuleiten, dass die Vorkonsolidierungsspannung zwar überwiegend >800 kN/m2 betragen haben muss, dass aber bis heute im hier betrachteten oberflächennahen Bereich (bis ca. 1,5 m u. G.) eine sehr weitgehende Entspannung stattgefunden hat. Die enge Korrelation zwischen Porosität und aktuellem Wassergehalt bei zugleich hohem Sättigungsgrad der Geschiebemergel weist auf einen gleichmäßigen Prozess der Dekonsolidierung hin, der auch durch hohe Verhältniswerte zwischen Wieder- und Erstbelastungsmodulen von drei bis fünf sowie durch wenig ausgeprägte Kurvenknicke im Druck-Setzungsdiagramm bei Erstbelastung zum Ausdruck kommt. Die spannungsunabhängigen Parameter Steifebeiwert ν und Steifeexponent ω, die mittels Potenzfunktion zur Berechnung der Steifemodulen nutzbar sind, korrelieren wiederum gut mit Wassergehalt und Porosität der Proben. Ein ermittelter Zähigkeitsindex Iv um 0,031 als Ausdruck des geschwindigkeitsabhängigen Verformungsverhaltens weist auf die Wirksamkeit des Tonanteils für das heutige Verformungsverhalten dieser eiszeitlichen Ablagerungen hin.Deformation behavior of till sediments from Saaleian ice age in the region of Halle-Leipzig-Bitterfeld may be controlled by the former ice load and their reduction, i.e. the today even overconsolidated state of this dominantly fine grained sediment (according to DIN 18196: TL or ST*) that appears in wide areas in firm to very stiff consistency and is used as foundation ground. The results of settlement prognoses in this ground depend primarily on the modules of stiffness which have to be assumed as stress dependent. Compressionas well as Triaxialtests were executed to determine deformation modules during first and repeated loading in order to characterize the deformation behavior. From these tests a preconsolidation stress of mostly > 800 kN/m2 is deduced. Nevertheless, in the investigated area and near the surface (up to 1,5 m b. g.) a very well developed deloading process took place. The strong correlation between porosity and recent water content at always high saturation grades in all till samples indicates a regular deconsolidation process, which is also referred to a high proportional number between the modules at reloading and loading of three to five as well as weakly developed buckling in the stress-strain curve at first loading. The stress independent parameters of stiffness coefficient ν and stiffness exponent ω, which are suited to calculate the modules of stiffness, are again well correlated with water content and porosity of the till samples. The determined viscosity index Iv at about 0,031 represents the rate dependence of the deformation behavior and gives hint to the effectiveness of the clay content as important for the actual deformation behavior of this ice age sediment

Sediment Characterization from the Saale 2013 Flooding Event

Die Sedimentablagerungen des Saale-Hochwassers im Frühjahr 2013 werden charakterisiert auf der Basis von Probenahmen aus den überfluteten Uferbereichen im Stadtgebiet von Halle. Diese Ablagerungen werden zum einen klassifiziert nach Art des Sediments (Sedimenteigenschaften: Mächtigkeit, Grobkorn-Anteil, Anteil an organischer Substanz, Trockenfestigkeit) und zum anderen nach Art ihres Ablagerungsraumes  (Lokationseigenschaften: Abstand vom Saale-Flussbett, Bedeckung durch Vegetation, Relief, Untergrundbeschaffenheit). Diese Sediment- und Lokationskriterien werden hinsichtlich der Häufigkeit ihres Auftretens und eines möglichen  Zusammenhangs zwischen Sediment- und Lokationseigenschaften untersucht. Es wird gezeigt, dass sich die Zusammensetzung der Sedimente im Laufe ihres Transports von Süd nach Nord durch das Stadtgebiet von Halle verändert.  Es kommt bis in das Gebiet von Throta/Lettin zu einer  Verringerung der mittleren Korngröße und zugleich zu einer Veränderung der Kornverteilung der abgelagerten Hochwasser-Sedimente. Die Dominanz feinkörniger Sedimentanteile wird zunehmend deutlich, je weiter nördlich die Ablagerung  stattgefunden hat. Außerdem begünstigen weiche  Untergrundbedingungen (wie Wiesen, Kieswege oder  unbefestigte Straßen) die Ablagerung von relativ mächtigeren Sedimenten > 1mm. Im Gegensatz dazu dominieren auf festem Untergrund (wie befestigten Straßen und Wegen) Sedimentablagerungen von < 1 mm Mächtigkeit. Aus der durchschnittlichen Mächtigkeit der beprobten, feinkörnigen Hochwasserablagerungen mit Korndurchmessern < 2 mm lässt sich ein transportiertes Sedimentvolumen von 5 bis 15 l/m2 ableiten. Im gesamten Überflutungsgebiet von ca. 32,8 km2 in Halle ergibt sich ein geschätztes Sedimentvolumen von 3x105 m3 an feinkörnigen Ablagerungen durch das Frühjahrs-Hochwasser 2013.Sediment deposition, after the Saale river flooding event of 2013, is characterized here based on samples taken along the river banks in the flooded region. Based on classifications having to do with both sediment (thickness of sediment; percentage of coarse material; organic material presence; dry strength of the sediment) as well as location (distance to the Saale river; vegetation cover; relief; firmness of the basal layer beneath the flood sediments) it is shown that the transport of fine-grained sediment along the Saale had its direction changed by the flooding in the region between Halle-Trotha and Lettin. There was a sorting of the grain sizes that, on the one hand, lowered the medium grain sizes and, on the other hand, altered the grain size distribution at the same time. The preponderance of fine-grained sediment is more noticeable the further north one progresses along the Saale river. In addition, soft basal  materials such as meadows, gravel paths or dirt roads are associated with relatively thick sediment that is almost always more than 1 mm. In contrast on firm grounds, such as paved roads and sidewalks, the dominance is one of thicknesses smaller than 1 mm. The average thickness of the fine-grained material indicates a transported sediment volume of between about 5 to 15 l/m2. In the total flooded region in Halle of around 32.8 km2 one can estimate some 3x105 m3 of fine-grained material was deposited

Untersuchungen zur Effizienz von Erdwärmesondenanlagen in Sachsen-Anhalt in Abhängigkeit von der Geologie des Untergrundes

Die vorliegenden Ergebnisse und Auswertungen sollen einen Beitrag zum Verständnis der Dimensionierungsgrundlagen für Erdwärmesondenanlagen darstellen und am Beispiel von Sachsen-Anhalt zeigen, dass es systematische Wechselwirkungen zwischen geologischer Untergrundsituation und den bundesweit eingeführten Richtwerten nach VDI 4640 gibt. Die gesamte Thematik bietet aufgrund der Varianz in den Berechnungsgrundlagen bei einer Anlagendimensionierung, auch bedingt durch die am Markt vorhandenen, verschiedenentechnischen Anlagensysteme, sowie wegen der Vielzahl maßgeblicher interner und externer Eingabeparameter einen großen Diskussionsbedarf und erhebliche Spielräume bei der Bearbeitung. Dennoch konnte durch die eingesetzte Arbeitsmethodik ein Ansatz geboten werden, mit dessen Hilfe Berechnungen zu Dimensionierungen von Erdwärmesondenanlagen mit einfachen Mitteln durchgeführt werden können. Diesem Ansatz folgend wurde eine Auswertung auf statistischer Grundlage versucht, um die Einwirkungen aus der geologischen Untergrundsituation abzuleiten und Schlussfolgerungen für die Praxis ziehen zu können. Die in die Berechnung einbezogenen 110 Anlagenstandorte wurden, zugeordnet zu regionalen Flächeneinheiten, mit ähnlichen geologischen Bedingungen, in einer Übersichtskarte dargestellt. Diese verdeutlicht, welche Gebiete eher unkomplizierte Planungs- und Dimensionierungsbedingungen aufweisen und in welchen Regionen erschwerte Planungsbedingungen in Sachsen-Anhalt herrschen. Es können somit für die Gebiete, die durch eine hohe Varianz der spezifischen Wärmeentzugsleistung gekennzeichnet sind, Einschätzungen und Empfehlungen gegeben werden, wie dort mit erhöhtem Erkundungsaufwand die Eignung für eine geothermischen Nutzung zu prüfen ist. Bei kritischen Standortbedingungen sollte die bestehende geologische Situation in der Planung und der technischen Umsetzung auf jeden Fall sorgfältig berücksichtigt werden

Depletion-induced seismicity in NW-Germany: lessons from comprehensive investigations

Evaluating various investigations for north-German gas fields, we discuss past and actual evolutions of the rock fabric in the light of dilatant driven and spontaneous contractant critical phenomena. Features of the latter were discovered by multi-stage triaxial tests with water-saturated sandstone samples and were similarly observed around the gas fields. A Mohr–Coulomb condition with quasi-local stress components (${\hat{\sigma }}\u27_1$ and ${\hat{\sigma }}\u27_3$), and variable parameters ϕ’ and ${{\hat{c}}}\u27$, can capture successive critical states of the solid fabric. The implied driven dilatation up to a collapse with contraction is captured by a stress-dilatancy relation. Fractal patterns of shear bands (faults) dominate if the smallest principal stress ${\hat{\sigma }}\u27_3$ exceeds ${{\hat{c}}}\u27$, otherwise cracks dominate and can lead to a rockburst. Triaxial tests with X-ray attenuation, seismometry including the splitting of shear waves and/or neutron beam diffraction contribute to clarification and validation. Seismic early warning and calculation models for various geotechnical operations with dominating faults can thus be improved, but the task is more difficult for rockbursts

Geotechnical behavior of mudstones from the Shimanto and Boso accretionary complexes, and implications for the Nankai accretionary prism

Triaxial shear tests on mudstone samples from the Shimanto Belt and the Boso accretionary complexes (SW Japan and central Japan) were carried out. Pre-exhumation burial depths in the two paleo-accretionary prisms were up to 9,000 m and about 1,000 m for the Shimanto and the Boso samples, respectively. Three methods were applied: (1) pressure stepping tests at increasing confining pressures between 25 and 65 MPa and pore pressures between 20 and 52 MPa; (2) constant confining pressure tests at 55 and 65 MPa, with stepwise pore pressure decrease from 80% to 50% and 25%, and from 90% to 60% and 30% of the confining pressure; and (3) a cyclic loading test on one sample from Boso (19 cycles to 70-MPa differential stress). After some contraction due to pressurization in the first cycles, the sample showed tendencies to creep rather than to fracture. Effective shear parameters show that angles of internal friction between 30° and 50° are in part quite high in both sample subsets, and ranges of cohesion are between about 2 and 6 MPa (Boso) and 13 and >30 MPa (Shimanto). The mechanical results from these paleo-accretionary prisms are taken to constrain the shear parameters of rocks in the deeper parts of the present Nankai accretionary wedge and forearc. Static friction resembles results from experiments on a wide range of phyllosilicate-quartz-feldspar gouges and shows that the forearc is composed of relatively strong rock. Cohesion increase due to diagenesis and/or very low grade metamorphism is of overriding importance and probably permits stresses of up to 18 MPa to be transmitted to the updip end of the seismogenic zone at depth and 5 to 13 MPa to the backstop of the actively deforming frontal prism

Tectonic Critical Phenomena with Dilatancy in Lithosphere Sections

Observations in the lithosphere show that driven critical phenomena with dilatancy can lead to spontaneous phenomena with contractancy of the pore system like in lab tests. Their spatial and temporal fractality with variable exponents just below 1 is revealed by borehole loggings and tails of seismic spectra. Evaluations of seismograms, justified by means of a fractional wave equation with stress-dependent incremental stiffness, match nearly equal directions of stress and tectonic stretching rate tensors. Splitting of shear waves confirms that a driven stressing implies dilatancy and that seismogenic chain reactions, enhanced by shock waves and pore pressure increase, imply contractancy and a drop of deviatoric stress. Except rockbursts by excessive pore pressures, this holds true from ca 1 km depth down to the upper mantle in subduction zones. The randomness of such successive critical phenomena is captured by stable L ́evy processes, this is confirmed by data plots from a subduction zone and a pumping test in a graben. The employed field theory could be further developed with observations in the lab and in situ

Tectonic Critical Phenomena with Dilatancy in Analogue Models

The dilatancy of soil and rock eludes continuum mechanics, thermodynamics and materials science as it is localized in fractal patterns of shear bands (faults) and/or cracks. As far as shear bands dominate it is captured by a driven succession of saddle points of the specific elastic energy, which are equivalent to a Mohr-Coulomb condition with effective stress, growing friction and waning cohesion. A driven dilatation turns into a spontaneous contraction when the energy reaches a tipping point with regard to the pore volume, then the pore water pressure grows and the stress deviator drops. The implied state variables and rates are defined as quasi-local and -momentary by means of fractional derivatives. Energy-based constitutive  equations include a relation of stress and dilatancy with maximal dissipation, while rockburst with dominant cracks is excluded by a criterion. Successions of driven dilatation and  spontaneous contraction imply seismogenic mechanical chain reactions, which are enhanced by seismic waves and spreading of pore water. Such mechanisms are observed in sandbox and cell tests, which serve as analogue models beyond usual similarity rules. The scale-independence of features thus. obtained is validated in the companion paper on lithosphere sections

Carbonation of Natural Wollastonite at Non-Ambient Conditions Relevant for CCS—the Possible Use as Cementitious Material in Wellbores

The reaction of wollastonite with CO2 accompanied by SO2 and NO2 in the presence of a chloride-rich brine (230 g/L NaCl, 15 g/L CaCl2, 5 g/L MgCl2) at temperatures relevant to injection conditions (333 K) in carbon capture and storage (CCS) were investigated within the joint BMWi (Federal Ministry for Economic Affairs and Energy) research project CLUSTER. The reaction which describes the formation of wollastonite during metamorphism is reversed and shows a strong temperature dependence. Wollastonite reacts in the presence of CO2 ( C ¯ ) in aqueous conditions to form calcium carbonate and amorphous silicon oxide. At 333 K and 2 MPa the carbonation reaction of wollastonite ( C ¯ C S ) is fast (<24 h). To determine the conversion rate of the reaction quantitatively different methods were used and compared: Powder X-ray diffraction (PXRD) with the Rietveld method and differential scanning calorimetry with thermogravimetry, coupled with a mass spectrometer (DSC-TG/MS) for quantitative phase analysis and for determination of the carbonation. The carbonation (CO2 accompanied by SO2 and NO2) of natural wollastonite at 333 K in presence of chloride-rich brine was rather fast (almost complete after 24 h reaction time)