Breitbandige dielektrische und geochemische Charakterisierung von Tonmaterialen für Untergrundspeicher

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Bücker; Privatdozent Dr. Frank Heberling
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545761212

Für die Entwicklung kohlenstoffneutraler und nachhaltiger Energiesysteme sind Tonmaterialien von zentraler Bedeutung. Tonformationen bilden undurchlässige Deckschichten, die geologische Untergrundspeicher für die Speicherung von Treibhausgasen und Energievektoren (z.B. Wasserstoff) abdichten, und spielen außerdem eine Schlüsselrolle bei der Nutzung geothermischer Ressourcen. Um künftigen Anforderungen an effiziente geophysikalische Werkzeuge zur Charakterisierung von Tonschichten gerecht zu werden, schlagen wir vor, breitbandige dielektrische Untersuchungsmethoden weiterzuentwickeln. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber entscheidenden Eigenschaften wie Tonmineralogie, Porosität, Permeabilität, Wassergehalt und (Oberflächen-)diffusivität sowie ihrer Nicht-Invasivität und Eignung für die Umsetzung von Echtzeit-Bildgebung sind geoelektrische und elektromagnetische Erkundungsmethoden dafür besonders geeignet. Während längst bekannt ist, dass dielektrische Spektren im Frequenzbereich von mHz bis MHz wertvolle Informationen über Tonmaterialien enthalten, sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die quantitative Auswertung entsprechender geophysikalischer Daten zu verbessern. Das BARRIERS-Projekt, das auf einer engen Zusammenarbeit zwischen französischen und deutschen Forschungsteams mit komplementärer Expertise in den Bereichen Geophysik und Geochemie beruht, zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen. Das Projekt umfasst die Entwicklung neuartiger experimenteller Techniken und numerischer Modellierungsansätze, um das breitbandige dielektrische Verhalten von Tonmaterialien zu untersuchen und die zugrunde liegenden elektrischen Leitungs- und Polarisationsprozesse besser zu verstehen. Insbesondere beinhaltet BARRIERS eine detaillierte experimentelle Untersuchung der Oberflächeneigenschaften und -diffusion in reinen Tonsystemen, was entscheidend ist, um diffusionskontrollierte elektrische Leitungs- und Polarisationsprozesse auf der Nano- und Mikroskala genauer modellieren zu können. Das Projekt zielt darauf ab, diese mikroskopischen elektrischen Eigenschaften in geeignete Skalierungsansätze zu integrieren, um die messbaren makroskopischen elektrischen Eigenschaften von Tonmaterialien vorherzusagen. Diese Modellvorhersagen werden mit einem neuen, umfangreichen experimentellen Datensatz breitbandiger dielektrischer Messungen verglichen, der unter kontrolliert variierten physiko-chemischen Bedingungen im Frequenzbereich von mHz bis MHz aufgenommen wird. Die Ergebnisse des BARRIERS-Projektes werden dazu beitragen, theoretische Modelle zu verfeinern, belastbare empirische Zusammenhänge abzuleiten und so die effiziente geophysikalische Charakterisierung toniger Deckschichten im Kontext kohlenstoffneutraler und nachhaltiger Energiesysteme voranzutreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Andreas Hördt; Dr. Johannes Lützenkirchen
• Kooperationspartner: Professor Damien Jougnot, Ph.D.; Philippe Leroy, Ph.D.