Tongesteine sind extrem gering durchlässig und können bei Wasserzutritt ein ausgeprägtes Quellverhalten aufweisen, welches Wegsamkeiten in Diskontinuitäten verschließt („Selbstabdichtung“). Diese Eigenschaften machen sie zu einem vielversprechenden Wirtsgestein für geologische Tiefenlager. Beim Gesteinsquellen kommt es zu einer Quelldehnung und/oder die Spannungszustände ändern sich aufgrund des Quelldrucks. Beide Prozesse – das Entstehen von Quelldrücken und Quelldehnungen – haben Einfluss auf die Durchlässigkeit des Gesteins und können somit auch die Fließprozesse im Gestein beeinflussen. Das Verständnis dieser hydromechanisch gekoppelten Prozesse ist für die Planung und den sicheren Betrieb eines Tiefenlagers von großer Bedeutung.

Wir haben einen neuartigen Durchfluss-Quellversuch entwickelt. Dieser ermöglicht die gleichzeitige Ermittlung der gesättigten Durchlässigkeit, der Spannung und der Quelldehnung von Tonsteinproben während des Quellens. Der Versuchsaufbau berücksichtigt die anisotropen Eigenschaften von Tonsteinen und geht davon aus, dass der Wasserfluss überwiegend parallel zur Schichtung verläuft, das Quellverhalten jedoch senkrecht zur Schichtung am stärksten ausgeprägt ist. Mittels Durchfluss-Mehrstufen-Quellversuchen wurde der Zusammenhang zwischen der gesättigten Permeabilität, der Quelldehnung und dem Spannungszustand untersucht. Das Hauptziel dieses Beitrags ist es, den Versuchsaufbau und die Durchführung der Quellversuche vorzustellen. Die Arbeiten haben jedoch auch zu ersten Ergebnissen geführt. Überraschenderweise blieb die gesättigte Permeabilität während der Durchfluss-Quellversuche nahezu konstant. Wir interpretieren dies als eine Zunahme der Permeabilität durch ein Erweitern der wasserwegsamen Diskontinuitäten (Schichtungsfugen) bei Entlastung, welche durch eine Abnahme der Permeabilität wegen des Schließens dieser Diskontinuitäten durch den Quellprozess kompensiert wird. Es sind jedoch weitere Experimente erforderlich, um unsere ersten Ergebnisse mit einer größeren Versuchsdatenbasis zu bestätigen.