Wirtgesteinsformationen (Steinsalz, Tonstein, Kristallin)

Forschung

Wirtgesteinsformationen (Steinsalz, Tonstein, Kristallin)
Foto: Thomas Hies/Docuvista Filmproduktion

Wir erforschen grundlegende Umweltprozesse, insbesondere die Zusammenhänge, Wechselwirkungen und Rückkopplungen zwischen Litho-, Pedo-, Hydro- und Biosphäre. Diese Fokussierung entspricht der zentralen Bedeutung geowissenschaftlicher Forschung für zukünftige gesellschaftliche Herausforderungen und Aufgaben, vor allem hinsichtlich der beschränkten Verfügbarkeit von Georessourcen, der Verantwortung für nachhaltige Entwicklungen, des globalen Wandels und des frühzeitigen Erkennens von Georisiken.

Schwerpunkte

Bioremediation
Biologische Sanierung von Böden durch Pilze, Bakterien, Pflanzen
Wirtgesteinsformationen (Steinsalz, Tonstein, Kristallin)
Tiefe geologische Entsorgung radioaktiver Abfälle
Geothermal power plant Iceland
Erforschung und Nutzung der Erdwärme als regenerative Energie
REM-Aufnahmen von Staubpartikeln an Spinnweben
Untersuchungen von kleinsten Partikeln im sub-mm Bereich
Aufschluß Schlackenkegel mit aufgepressten tertiären Tonen
Untersuchungen des Laacher Sees im quartären Vulkanfeld der Eifel
Säulenversuchsaufbau
Erstellung reaktiver Transportmodelle als Prognosewerkzeug

Laufende Projekte

AquaDiva
Fig. 1, 2: Schematic illustration of the processes planned to be investigated in the project. (Taken from AquaDiva proposal)
Fig. 1, 2: Schematic illustration of the processes planned to be investigated in the project. (Taken from AquaDiva proposal)
Foto: Angewandte Geologie

Title: Retroaction of geochemical perturbations and critical zone media reactivity on trace elements speciation and transport parameters (C07).

Funding body + grant number: Deutsche Forschungsgemeinschaft (German Research Foundation), Project number 218627073

Duration: July 2021 - June 2025

Project leader: Prof. Dr. Thorsten Schäfer

Personnel in charge: Ruth Ewouame

Associated researcher: Dr. Dirk Merten

Coordinating/Cooperation: Collaborative Research Centre 1076 AquaDiva.

Link to the larger project webpage: https://www.aquadiva.uni-jena.de/ en

 

Description:

Groundwaters are threatened by different events such as lands use, extreme weather events (heavy rains, snow melt), especially with the climate change. The fluid infiltration during weather events is an important way for the transport of solutes, colloids, and nanoparticles from the surface to the subsurface (groundwater). This is of high importance since clay nanoparticles are known as great adsorbers of metallic pollutants due to their negative surface charge and their large specific surface.

Our principal research aim is to investigate the stability and the mobility of Clay nanoparticles by using Engineered Clay Nanoparticles (Zn-Ni Montmorillonite) in the Hainich CZE and the SESO wells water, and to investigate the role of extreme weather events (snow melt, heavy rains) and local geology in the mobility of the clay nanoparticles and associated-trace metals speciation.

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CONCERT_CCair

Komponentenadditiv-Ansatz zur Vorhersage der Zementpasten-Rheologie unter Berücksichtigung von Mineral- und Partikelheterogenität auf verschiedenen Maßstäben und Beton Entlüftungsve-halten (CONCERT-CCair)

Förderstelle + kennzeichen: SPP2005 DFG, SCHA 1854/4-1

Laufzeit: März 2021‒2024

Projektleitung: Prof. Thorsten Schäfer

Bearbeitung: Steffen Hellmann, Frank Heberling, Johannes Lützenkirchen (beide KIT-INE) & Teba Gil Diaz

Schlagwörter: CSH Phasen, kalzinierte Tone, Luftblasen, spICP-MS, AFM, Oberflächenkomplexierungsmodelle

Die Zementindustrie treibt ihre Forschung in Richtung sekundärer zementgebundener Materialien (SCMs) voran, die es ermöglichen, den CO2-Fußabdruck von Beton zu reduzieren. Ziel dieses Projekts ist es, vielversprechende SCM-Alternativen wie kalzinierte Tone (CCs) und Kalksteinpulver (LSP) zu erforschen. Der erste Ansatz besteht darin, das rheologische Verhalten frischer Zementzusatzmittel dieser SCMs während der frühen Stadien der Hydratation im Gießprozess zu untersuchen. Der zweite Ansatz konzentriert sich auf der potenziellen Rolle von SCMs bei der Vermeidung eines unerwünschten Luftblaseneinschlusses vor dem Aushärten des Betons. Experimentelle Ansätze umfassen die Charakterisierung von Partikelwechselwirkungen und Pastenrheologie in Modell- und realen Systemen über eine nationale Zusammenarbeit zwischen FSU, KIT, BUW und LUH.

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Abbildung 1: a) Normierte Kraft-Abstandskurven bei Annäherung der Silica Kolloid-Probe und der Klinkeroberfläche, b) entsprechende Kurven beim Zurückziehen der Silica Kolloid-Probe von der Oberfläche, c) REM-Aufnahme eines mit einem Zementpartikel modifizierten AFM-Cantilevers. Der geschätzte Kontaktbereich ist rot hervorgehoben.
Abbildung 1: a) Normierte Kraft-Abstandskurven bei Annäherung der Silica Kolloid-Probe und der Klinkeroberfläche, b) entsprechende Kurven beim Zurückziehen der Silica Kolloid-Probe von der Oberfläche, c) REM-Aufnahme eines mit einem Zementpartikel modifizierten AFM-Cantilevers. Der geschätzte Kontaktbereich ist rot hervorgehoben.
Foto: Angewandte Geologie Jena
FluviMag
Suszeptibiltätsmessplatz
Suszeptibiltätsmessplatz
Foto: Michael Pirrung

Fluviatiler Transport von Magneto-Mineralen

Laufzeit: seit 2011

Projektleitung: Dr. Michael Pirrung

Bearbeitung: Dr. Michael Pirrung

Schlagworte: physikalische Eigenschaften, fluviatile Sedimente

Beschreibung:

Der gesteinsphysikalische Parameter magnetische Suszeptibilität von Liefergesteinen und rezente Ablagerungen in fluviatilen Systemen wird untersucht. Ziel ist ein besseres Vertändnis von Transportdynamik und – bevorzugt in Kombination mit geochemischen Daten – von anthropogener Beeinflussung der Entwässerungssysteme durch z.B. Siedlungen, Bergbauhalden und äolischen Staub. 

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KOLLORADO-e3
Abb. 1: Bilder des überbohrtes LIT-Experiment: (oben) Segmentierte Kluftgeometrie zur Abschätzung der Ausdehnung der Bentonit-Gelschicht in der Scherzone (erstellt von Dr. Hinz, Math2Market mittels Volume Rendering in GeoDict), (unten) überbohrte Grimsel Granodiorit Matrix (ca. 6m) bis zur Kontaktzone der Scherzone.
Abb. 1: Bilder des überbohrtes LIT-Experiment: (oben) Segmentierte Kluftgeometrie zur Abschätzung der Ausdehnung der Bentonit-Gelschicht in der Scherzone (erstellt von Dr. Hinz, Math2Market mittels Volume Rendering in GeoDict), (unten) überbohrte Grimsel Granodiorit Matrix (ca. 6m) bis zur Kontaktzone der Scherzone.
Foto: Angewandte Geologie Jena

In-situ Experimente zur Bentonit Langzeit-Stabilität und der Radionuklidmobilität an der Grenzfläche Bentonit - Kristallin(KOLLORADO-e3)

Förderstelle + kennzeichen: 02E11759A

Laufzeit: 01.05.2019 – 31.12.2022

Projektleitung: Prof. Thorsten Schäfer

Bearbeitung:  Janis Pingel

Schlagworte: Bentonit, Multi-Barriere-System, Na-Montmorillonit, akzessorische Minerale, Erosion, Kolloide, CFM-iBET, CFM-LIT

Beschreibung:

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist es, das mechanistische Verständnis der Prozesse weiter zu vertiefen, die unter naturnahen, endlagerrelevanten Bedingungen in geklüfteten Granitsystemen die Integrität der Bentonitbarriere beeinträchtigen und zu einem kolloidgetragenen Radionuklidtransport führen können.

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RENA
μ-XRF Mapping der Elemente Ti, Ca, Fe und Al in einem Dünnschliff zur Untersuchung sekundärer Mineralphasen (aus Bachelorarbeit N. Münch (2020).
μ-XRF Mapping der Elemente Ti, Ca, Fe und Al in einem Dünnschliff zur Untersuchung sekundärer Mineralphasen (aus Bachelorarbeit N. Münch (2020).
Foto: Niklas Münch

Biologische Radionuklidentfernung durch Nutzung natürlicher Assoziationsprozesse

BMBF Förderkennzeichen 02NUK066B

Laufzeit: 01.09.2021 bis 30.08.2024

Projektleitung: Prof. Thorsten Schäfer

Bearbeitung: Dr. Susanne Lehmann

Beschreibung:

Ziel des Verbundprojektes RENA ist die Entwicklung eines Verfahrens zur ex situ-Behandlung radionuklidbelasteter Böden, die aus dem Rückbau kerntechnischer Anlagen stammen. Dafür wird das Potential der Biologie (Pflanzen, Pilze) zur Mobilisierung und Entfernung von Radionukliden aus Böden untersucht.

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USER II
Abb.1: LaserScanning-Aufnahmen (Drohne) vom Testfeld Gessenwiese (Ronneburg) zur Ermittlung der Baumhöhe von Birke, Erle, Weide auf unterschiedlich behandelten Substraten (rot=hohe Bäume; grün=niedriger Baumbestand); oben - Baumhöhe + Geländeoberfläche; Mitte1 - Baumhöhen; Mitte2 – Geländeoberfläche; unten – Aufsicht (Stand 09/2019)
Abb.1: LaserScanning-Aufnahmen (Drohne) vom Testfeld Gessenwiese (Ronneburg) zur Ermittlung der Baumhöhe von Birke, Erle, Weide auf unterschiedlich behandelten Substraten (rot=hohe Bäume; grün=niedriger Baumbestand); oben - Baumhöhe + Geländeoberfläche; Mitte1 - Baumhöhen; Mitte2 – Geländeoberfläche; unten – Aufsicht (Stand 09/2019)
Foto: Angewandte Geologie Jena

Umsetzung von Schwermetall-Landfarming zur nachhaltigen Landschaftsgestaltung und Gewinnung erneuerbarer Energien auf radionuklidbelasteten Flächen: Optimierungsstrategien (USER II) 

Förderstelle + -kennzeichen:

BMBF-Förderkonzept FORKA 15S9417

Laufzeit: 01.07.2019 bis 30.06.2022 (verlängert bis 31.12.2022)

Projektleitung:
Prof. Erika KotheExterner Link, Prof. Thorsten Schäfer

Bearbeitung:  Dr. Daniel Mirgorodsky, Sarah Nettemann, K. Lenk, D. Fürst, S. Pietschmann

Beschreibung:

Nach einer ersten Etablierungsphase (USER) wird im Verlauf des Projektes die Möglichkeit einer mikrobiell gestützten Phytostabilisierung zur Erzeugung von Lignozellulose als nachwachsendem Rohstoff auf mit Schwermetallen und Radionukliden (SM/R) belastetem Substrat aus einem ehemaligen Uranbergbau etabliert.

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WTZ Granit
3D Scan (XRM) eines Bohrkerns mit farbkodierter Segmentierung der verschiedenen Mineralgruppen sowie des Porenraums (weiß)
3D Scan (XRM) eines Bohrkerns mit farbkodierter Segmentierung der verschiedenen Mineralgruppen sowie des Porenraums (weiß)
Foto: Annemie Kusturica

Vorhersage der heterogenen Radionuklidsorption auf Kluft- und Störungsflächen in granitischen Gesteinen: Parametrisierung und Validierung verbesserter reaktiver Transportprozesse

BMWK Förderkennzeichen: 02 E 11911B

Laufzeit:  01.05.2021 bis 30.04.2024

Projektleitung: Prof. Thorsten Schäfer

Bearbeitung:  Annemie Kusturica, Dr. Sarah Hupfer, Dr. Neele van Laaten

Schlagworte: Granitoide Gesteine, Spurelemente und REE Sorption, Kluftgeometrie, Reaktiver Transport

Beschreibung:

Geologische Tiefenlager sind eine international anerkannte Lösung für die langfristige sichere Endlagerung hochradioaktiver Abfälle. Ein potenzielles Wirtsgestein sind kristalline Gesteine wie Granite oder Gneise. Die Sicherheitsanalyse und Optimierung des Konzepts zur Endlagerung hochradioaktiver und langlebiger Abfälle in Granitoidformationen ist Bestandteil aktueller Forschungsvorhaben.

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Abgeschlossene Projekte

BEACON
Abbildung 1: Schematische Abbildung des über 1100 Tage laufenden CFM LIT (Long-Term In Situ) Tests mit unterschiedlichen Quelldrücken im oberen (1400-1850 kPa) und unteren Bereich (850-950 kPa) des Packers und einer spontanen Druckentlastung (Homogenisierung?) von ca. 300 kPa nach ca. 500 Tagen im oberen Bereich.
Abbildung 1: Schematische Abbildung des über 1100 Tage laufenden CFM LIT (Long-Term In Situ) Tests mit unterschiedlichen Quelldrücken im oberen (1400-1850 kPa) und unteren Bereich (850-950 kPa) des Packers und einer spontanen Druckentlastung (Homogenisierung?) von ca. 300 kPa nach ca. 500 Tagen im oberen Bereich.
Abbildung: CFM Konsortium 2017

Mechanische Entwicklung des kompaktierten Bentonits (BEACON)

Förderstelle + -kennzeichen: 745942

Laufzeit: 01.06.2017 – 31.05.2022

Projektleitung: Prof. Thorsten Schäfer

Bearbeitung: Janis Pingel, Franz Rinderknecht (KIT-INE)

Schlagworte: CFM-LIT, Bentonit, Barriere, Homogenisierung, Wassersättigung

Beschreibung: Das Hauptziel des Projektes ist es, die Werkzeuge zu entwickeln und zu testen, die für die Beurteilung der mechanischen Entwicklung einer installierten Bentonit- Barriere und der daraus resultierenden Leistungsfähigkeit der Barriere notwendig sind.

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Eifelvulkanismus während des Weichsel-Hochglazials

Eifelvulkanismus während des Weichsel-Hochglazials

Bearbeiter:
Dipl. Thomas Lange

Beschreibung:
Die Eifel ist durch ihre Vielzahl an Maaren und Schlackenvulkanen eine morphologisch außergewöhnliche Region innerhalb Deutschlands. In diesem Projekt liegt der Fokus auf den spätquartären Eifelvulkanismus in der Region Gillenfeld und Strohn. Die Entstehung des Wartgesberg-Vulkankomplexes vor knapp34 ka und die Förderung zweier Lavaströme sorgten hier zur vollständigen Talabriegelung. Die daraus resultierende Bildung glazigener Archive und die Konservierung der damaligen Landoberfläche ermögliche heute einzigartige Einblicke in die Talentwicklung der Eifel während der letzten großen Eiszeit.

Blick in den nahezu vollständig abgebauten Wartgesberg-Vulkankomplex. Vor knapp 34 ka bildeten sich nahezu zeitgleich mehrere Eruptionszentren an der Ostflanke des Alfbachtals. Die geförderten Schlacken, Agglutinate und Laven türmten sich zu einer bis zu 80 m hohen Barriere auf und führten die vollständige Abriegelung des Tals herbei
Blick in den nahezu vollständig abgebauten Wartgesberg-Vulkankomplex. Vor knapp 34 ka bildeten sich nahezu zeitgleich mehrere Eruptionszentren an der Ostflanke des Alfbachtals. Die geförderten Schlacken, Agglutinate und Laven türmten sich zu einer bis zu 80 m hohen Barriere auf und führten die vollständige Abriegelung des Tals herbei
Foto: T.Lange
Feinstaubquellen in urbanen Räumen Mitteldeutschlands
Spinnweben agieren als natürliche Fänger für Feinstaub
Spinnweben agieren als natürliche Fänger für Feinstaub
Foto: Neele van Laaten, 2018

Bearbeitung:
Dr. Neele van Laaten , Dr. Dirk Merten, Dr. Michael Pirrung

Beschreibung:

Mit Hilfe von Spinnweben, Moossäckchen (sog. Moss Bags) und einfachen Passivsammlern wird Feinstaub aus anthropgenen und geogenen Quellen im mitteldeutschen Raum (mit Fokus auf die Stadt Jena) beprobt.

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KOBIOGEO

Kontrolle biologischer Untersuchungen bei der Dekontamination heterogener, schwach radioaktiv kontaminierter Geosubstrate für die Strahlenschutzvorsorge (KOBIOGEO)

Projekt: https://www.tib.eu/de/suchen/id/TIBKAT:609340255/

Projektleiter:
Prof. Dr. Georg Büchel, Dr. Dirk Merten

Beschreibung:
Schwach radioaktive, heterogene Geosubstrate können durch Phytoremediation biologisch dekontaminiert werden, so dass ein Beitrag zur Strahlenvorsorge geleistet wird. Durch Identifizierung der für die Phytoremediation relevanten Prozesse im Labormaßstab mit der innovativen Methode der Seltenen Erden Element (SEE)-Fraktionierung und der Übertragung auf natürliche Bedingungen wird eine Effizienzsteigerung gegenüber bisherigen, empirischen Ansätzen und Erfahrungen der Dekontamination schwach radioaktiver Geosubstrate erreicht. Es werden die natürlich vorkommenden Seltenen Erden Elemente und ihre Verteilung zur Prozesskontrolle und Optimierung bei der Aufnahme von Schwermetallen/Radionukliden aus geogenen Materialien in Pflanzenmaterial genutzt. Damit besteht die Möglichkeit, durch unterschiedliche Fraktionierungsmuster der SEE biologische und/oder physikalisch/chemische Prozesse zu identifizieren, welche bei der selektiven Aufnahme von Radionukliden und Schwermetallen auftreten. Somit kann auf wirksame Transportprozesse beim Transfer zurück geschlossen werden. Über die Identifizierung sowie Kontrolle hinaus lässt sich eine Optimierung der biologischen Dekontaminationsverfahren erreichen.

Laufzeit:
01.10.2004 bis 31.10.2008

Förderkennzeichen:
02S8294

KOLLORADO-e2

KOLLORADO-e2 (Integrität der Bentonitbarriere zur Rückhaltung von Radionukliden in kristallinen Wirtsgesteinen – Experimente und Modellierung)

Bearbeiter: Thorsten Schäfer (FSU) & Francesca Quinto, Madeleine Stoll, Franz Rinderknecht (alle KIT-INE)

Beschreibung:
Der Kenntnisstand zur Kolloidproblematik, speziell zur Prognostizierbarkeit des Kolloidquellterms, der Kolloidstabilität und Kolloid- Mineraloberflächen- Wechselwirkung unter Einbezug der Oberflächenrauigkeit hat in den letzten Jahren sehr große Fortschritte gemacht. Neben der Beschreibung der Kolloidstabilität mittels elektrostatischer Ansätze sind quantitative Daten zur Erosion der Bentonitbarriere in Laborversuchen generiert worden. Alle Daten zum kolloidgetragenen Radionuklidtransport weisen auf eine starke Abhängigkeit der Kolloidmobilität von der Kluftgeometrie/Oberflächenrauigkeit hin, wobei die vollständige Dissoziation vierwertige Actinide von der Tonkolloidoberfläche nach wie vor eine offene Fragestellung ist. Hauptziel des Anschlußvorhabens ist es weiterhin, das mechanistische Verständnis der Erosion des kompaktierten Bentonits und der Radionuklid-Kolloid Wechselwirkungen unter naturnahen Bedingungen mittels in-situ Experimenten zu verbessern und die Relevanz des kolloidgetragenen Radionuklidtransports hinsichtlich der Langzeitsicherheit eines Endlagers in einer Hartgesteinsformation zu bewerten. Darüber hinaus werden generische Aussagen zur Kolloidrelevanz und der Mobilität von Radionukliden erarbeitet.

Förderung:
The KOLLORADO-e2 project is a joint project between KIT and GRS and is financed by the BMWi under project number 02E11456A.

TransAqua

Durch Gesteins-/Wasser-Interaktionen im Untergrund werden u.a. Radionuklide freigesetzt und gelangen von dort bis in das Trink- und Oberflächenwasser. Über die Rolle von Mikroorganismen bei diesen Freisetzungs- und Transportprozessen ist wenig bekannt.

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TRANS-LARA

Transport und Transfer langlebiger Radionuklide entlang der kausalen Kette Grundwasser-Boden-Pflanze unter Berücksichtigung langzeitlicher klimatischer Änderungen

 

Förderstelle + kennzeichen:

BMBF-02NUK051A-E

Laufzeit: 01.07.2019 bis 30.06.2022

Projektleitung: Prof. Dr. T. Schäfer

Bearbeitung: Marcus Böhm, Dr. Daniel Jara Heredia

Schlagworte: Radionuklide, Lysimeter, natürliche nanopartikuläre Phasen, reaktiver Transport

Beschreibung:

Für Langzeitsicherheitsnachweise potentieller Endlager gehen die gängigen radioökologischen Modelle in Störfallszenarien von einem Radionuklideintrag in die Biosphäre über den Wasserpfad aus. Neben dem Weg über Niederschlag und Bewässerung ist besonders der Eintrag über das oberflächennahe Grundwasser in den Boden interessant. Das Ziel ist es ein tieferes Verständnis über die komplexen Mechanismen des Radionuklidtransportes vom Grundwasser in Pflanzen unter dem Aspekt von klimatischen Schwankungen zu generieren. Dies soll zu einer verbesserten Gefahrenabschätzung der Strahlenexposition von Populationen über längere Zeiträume beitragen. Ein weiterer Schritt ist die Aufklärung der Aufnahmemechanismen von Radionukliden in landwirtschaftliche Nutzpflanzen auf molekularer Ebene, ein Konzept, was zu einem erweiterten Verständnis über bestehende Transferfaktoren hinausführt.

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USER

Umsetzung von Schwermetall-Landfarming zur nachhaltigen Landschaftsgestaltung und Gewinnung erneuerbarer Energien auf radionuklidbelasteten Flächen (USER)

Projektleiter:
Prof. Dr. E. Kothe, Prof. Dr. G. Büchel

Laufzeit:
01.12.2014 bis 30.11.2018 

Beschreibung:
Im aktuellen Projektvorhaben sollen im Rahmen des FuE-Programms „Rückbau kerntechnischer Anlagen“ im Sinne einer Strahlenschutz-Vorsorge schwermetall- und radionuklidbelastete Substrate durch die Verwendung von Bioremediationsmethoden saniert und einer Nutzung zur Produktion von Energiepflanzen zugeführt werden. Dabei zielt das Projekt auf die Nutzung einer kostengünstigen, durch Mikrobiologie gesteuerten Phytosanierung, in der belastete Substrate über eine Durchmischung mit unbelastetem Boden konditioniert und kontaminierte Flächen neu konturiert werden können. Damit können kontaminierte Flächen genutzt werden, um erneuerbare Energien (Holz als Energieträger) zu produzieren, und parallel zur Sanierung zusätzlich Wertschöpfungspotentiale erschlossen werden. 

Förderkennzeichen:
15S9194

Abschlussbericht: 

Umsetzung von Schwermetall-Landfarming zur nachhaltigen Landschaftsgestaltung und Gewinnung erneuerbarer Energien auf radionuklidbelasteten Flächen (USER) : Schlussbericht (gbv.de)Externer Link