BGR-Beiträge zu der BGE-Veranstaltung
„Tage der Standortauswahl“ vom 08.–10.06.2022
Themengebiet: Themengebiet: „THMC gekopptelte Prozesse und Sicherheitsanalysen“
Tonsteine - wie sie sich bilden und warum sie als Wirtsgesteine in Betracht gezogen werden
J. Erbacher, S. Kaufhold (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover)
Kurzbeschreibung:
Tonminerale und Tone entstehen durch unterschiedliche Verwitterungsprozesse an Land. Die feinkörnigen Tonblättchen werden vor allem über Flüsse in Richtung der Sedimentbecken transportiert und dort abgelagert. Bei diesem fluviatilen Transport werden neben Tonpartikeln (<2 μm Partikelgröße) immer auch Sandkörner (>63 μm Partikelgröße) verfrachtet. Tonpartikel jedoch werden in einem Sedimentbecken weiter transportiert als Sand, so dass man in der Regel in distalen, also weiter von der Sedimentquelle entfernten Ablagerungen Tone bzw. Tonsteine vorfindet; in proximalen, also näher an der Sedimentquelle gelegenen Ablagerungsräumen Sande bzw. Sandsteine. Wenn sich die Position der Küstenlinie ändert, z. B. aufgrund von Meeresspiegelschwankungen, können sich Sande und Tone im Sedimentbecken miteinander verzahnen. Dieses Nebeneinander von Sand und Ton ist ein Faktor, der für die Standortauswahl eine nicht unerhebliche Rolle spielt. Mindestmächtigkeiten, wie sie im StandAG für Wirtsgesteine festgelegt sind, erreichen in Deutschland lediglich Tonstein-Formationen, die in marinen epikontinentalen Becken abgelagert wurden. Hier bestimmt die Position in einem Becken während der Ablagerung über die Transport-, Um- und Ablagerungsmechanismen der Tone und damit über die Geometrie der Tongesteinskörper, ihre laterale Verbreitung und Ausdehnung. Zum Beispiel unterscheidet sich die Faziesverteilung von Tonen und Sanden die vor einem Flussdelta abgelagert wurden, von den durch Stürme in einem flachen Randmeer beeinflussten Ablagerungen. In unserem Vortrag werden wir an Beispielen unterschiedliche Faziestypen mariner epikontinentaler Tonsteine in Deutschland vorstellen und zeigen, wie man mit Hilfe der Sequenzstratigraphie und moderner Bohrkernanalytik Aussagen über die Faziesverzahnungen in tonsteindominierten Gesteinsabfolgen treffen kann.
Ein weiterer Aspekt, der die Eigenschaften unterschiedlicher Tonsteine stark beeinflusst, ist deren Versenkungsgeschichte. Mit zunehmender Auflast werden Tonsteine höheren Temperaturen ausgesetzt, die das organische Material reifen lassen. Man geht davon aus, dass ein Tonstein bei den Temperaturen stabil ist, die er in seiner Versenkungsgeschichte erlebt hat. Auf diese Weise können sinnvolle Grenztemperaturen für unterschiedliche Endlagerkonzepte bestimmt werden. Mit zunehmender Versenkungstiefe nimmt aber nicht nur die Temperatur, sondern auch der Druck zu, der das Gefüge der Tonsteine, und somit einige wesentlichen Wirtsgesteinseigenschaften beeinflusst. Durch die zunehmende Kompaktion steigt die mechanische Festigkeit und die hydraulische Leitfähigkeit sinkt aufgrund des geringer werdenden Porenvolumens. Auch der Durchmesser der verbundenen Poren, der im Wesentlichen durch die Mineral-Mineral-Grenzflächen bestimmt wird, wird geringer. Für das Verständnis der Transporteigenschaften spielen allerdings gerade bei geringen Porengrößen nicht nur die Durchmesser sondern auch die Oberflächenladungen eine wesentliche Rolle, deren Wirkung wiederum von dem umgebenden Elektrolyt abhängt. Diese gekoppelten Transportprozesse sind noch wenig verstanden. Nach derzeitigem Forschungsstand kann dennoch vorsichtig geschlossen werden, dass reifere Tonsteine einige positive Wirtsgesteinseigenschaften besitzen, die bei unreiferen weniger ausgeprägt sind.
