Valerian Schuster

• Deep geological repositories represent a promising solution for the final disposal of nuclear waste. Due to its low permeability, high sorption capacity and self-sealing potential, Opalinus Clay (OPA) is considered a suitable host rock formation for the long-term storage of nuclear waste in Switzerland and Germany. However, the clay formation is characterized by compositional and structural variabilities including the occurrence of carbonate- and quartz-rich layers, pronounced bedding planes as well as tectonic elements such as pre-existing fault zones and fractures, suggesting heterogeneous rock mass properties. Characterizing the heterogeneity of host rock properties is therefore essential for safety predictions of future repositories. This includes a detailed understanding of the mechanical and hydraulic properties, deformation behavior and the underlying deformation processes for an improved assessment of the sealing integrity and long-term safety of a deep repository in OPA. Against this background, this thesis presents theDeep geological repositories represent a promising solution for the final disposal of nuclear waste. Due to its low permeability, high sorption capacity and self-sealing potential, Opalinus Clay (OPA) is considered a suitable host rock formation for the long-term storage of nuclear waste in Switzerland and Germany. However, the clay formation is characterized by compositional and structural variabilities including the occurrence of carbonate- and quartz-rich layers, pronounced bedding planes as well as tectonic elements such as pre-existing fault zones and fractures, suggesting heterogeneous rock mass properties. Characterizing the heterogeneity of host rock properties is therefore essential for safety predictions of future repositories. This includes a detailed understanding of the mechanical and hydraulic properties, deformation behavior and the underlying deformation processes for an improved assessment of the sealing integrity and long-term safety of a deep repository in OPA. Against this background, this thesis presents the results of deformation experiments performed on intact and artificially fractured specimens of the quartz-rich, sandy and clay-rich, shaly facies of OPA. The experiments focus on the influence of mineralogical composition on the deformation behavior as well as the reactivation and sealing properties of pre-existing faults and fractures at different boundary conditions (e.g., pressure, temperature, strain rate). The anisotropic mechanical properties of the sandy facies of OPA are presented in the first section, which were determined from triaxial deformation experiments using dried and resaturated samples loaded at 0°, 45° and 90° to the bedding plane orientation. A Paterson-type deformation apparatus was used that allowed to investigate how the deformation behavior is influenced by the variation of confining pressure (50 – 100 MPa), temperature (25 – 200 °C), and strain rate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1). Constant strain rate experiments revealed brittle to semi-brittle deformation behavior of the sandy facies at the applied conditions. Deformation behavior showed a strong dependence on confining pressure, degree of water saturation as well as bedding orientation, whereas the variation of temperature and strain rate had no significant effect on deformation. Furthermore, the sandy facies displays higher strength and stiffness compared to the clay-rich shaly facies deformed at similar conditions by Nüesch (1991). From the obtained results it can be concluded that cataclastic mechanisms dominate the short-term deformation behavior of dried samples from both facies up to elevated pressure (<200 MPa) and temperature (<200 °C) conditions. The second part presents triaxial deformation tests that were performed to investigate how structural discontinuities affect the deformation behavior of OPA and how the reactivation of preexisting faults is influenced by mineral composition and confining pressure. To this end, dried cylindrical samples of the sandy and shaly facies of OPA were used, which contained a saw-cut fracture oriented at 30° to the long axis. After hydrostatic pre-compaction at 50 MPa, constant strain rate deformation tests were performed at confining pressures of 5, 20 or 35 MPa. With increasing confinement, a gradual transition from brittle, highly localized fault slip including a stress drop at fault reactivation to semi-brittle deformation behavior, characterized by increasing delocalization and non-linear strain hardening without dynamic fault reactivation, can be observed. Brittle localization was limited by the confining pressure at which the fault strength exceeded the matrix yield strength, above which strain partitioning between localized fault slip and distributed matrix deformation occurred. The sandy facies displayed a slightly higher friction coefficient (≈0.48) compared to the shaly facies (≈0.4). In addition, slide-hold-slide tests were conducted, revealing negative or negligible frictional strengthening, which suggests stable creep and long-term weakness of faults in both facies of OPA. The conducted experiments demonstrate that dilatant brittle fault reactivation in OPA may be favored at high overconsolidation ratios and shallow depths, increasing the risk of seismic hazard and the creation of fluid pathways. The final section illustrates how the sealing capacity of fractures in OPA is affected by mineral composition. Triaxial flow-through experiments using Argon-gas were performed with dried samples from the sandy and shaly facies of OPA containing a roughened, artificial fracture. Slate, graywacke, quartzite, natural fault gouge, and granite samples were also tested to highlight the influence of normal stress, mineralogy and diagenesis on the sustainability of fracture transmissivity. With increasing normal stress, a non-linear decrease of fracture transmissivity can be observed that resulted in a permanent reduction of transmissivity after stress release. The transmissivity of rocks with a high portion of strong minerals (e.g., quartz) and high unconfined compressive strength was less sensitive to stress changes. In accordance with this, the sandy facies of OPA displayed a higher initial transmissivity that was less sensitive to stress changes compared to the shaly facies. However, transmissivity of rigid slate was less sensitive to stress changes than the sandy facies of OPA, although the slate is characterized by a higher phyllosilicate content. This demonstrates that in addition to mineral composition, other factors such as the degree of metamorphism, cementation and consolidation have to be considered when evaluating the sealing capacity of phyllosilicate-rich rocks. The results of this thesis highlighted the role of confining pressure on the failure behavior of intact and artificially fractured OPA. Although the quartz-rich sandy facies may be considered as being more favorable for underground constructions due to its higher shear strength and stiffness than the shaly facies, the results indicate that when fractures develop in the sandy facies, they are more conductive and remain more permeable compared to fractures in the clay-dominated shaly facies at a given stress. The results may provide the basis for constitutive models to predict the integrity and evolution of a future repository. Clearly, the influence of composition and consolidation, e.g., by geological burial and uplift, on the mechanical sealing behavior of OPA highlights the need for a detailed site-specific material characterization for a future repository.…
• Geologische Tiefenlager stellen eine vielversprechende Lösung für die Endlagerung von Atommüll dar. Aufgrund seiner geringen hydraulischen Durchlässigkeit, hohen Sorptionskapazität von Schadstoffen sowie seines Selbstabdichtungspotentials von Rissen gilt Opalinuston (OPA) als geeignetes Wirtsgestein für die Langzeitlagerung von Atommüll in der Schweiz und in Deutschland. Die Tonformation weist jedoch eine lithologische und strukturelle Variabilität auf, die durch das Auftreten von karbonat- und quarzreichen Lagen, einer ausgeprägten Schichtung sowie tektonischen Elementen wie Störungszonen und Brüchen gekennzeichnet ist, was auf heterogene Gebirgseigenschaften hindeutet. Die Charakterisierung dieser Heterogenität im Hinblick auf die Eigenschaften des Wirtsgesteins ist für Sicherheitsvorhersagen zukünftiger Endlager von wesentlicher Bedeutung. Diese beinhaltet ein detailliertes Verständnis der mechanischen und hydraulischen Eigenschaften, des Deformationsverhaltens sowie der zugrunde liegenden Deformationsprozesse, die eineGeologische Tiefenlager stellen eine vielversprechende Lösung für die Endlagerung von Atommüll dar. Aufgrund seiner geringen hydraulischen Durchlässigkeit, hohen Sorptionskapazität von Schadstoffen sowie seines Selbstabdichtungspotentials von Rissen gilt Opalinuston (OPA) als geeignetes Wirtsgestein für die Langzeitlagerung von Atommüll in der Schweiz und in Deutschland. Die Tonformation weist jedoch eine lithologische und strukturelle Variabilität auf, die durch das Auftreten von karbonat- und quarzreichen Lagen, einer ausgeprägten Schichtung sowie tektonischen Elementen wie Störungszonen und Brüchen gekennzeichnet ist, was auf heterogene Gebirgseigenschaften hindeutet. Die Charakterisierung dieser Heterogenität im Hinblick auf die Eigenschaften des Wirtsgesteins ist für Sicherheitsvorhersagen zukünftiger Endlager von wesentlicher Bedeutung. Diese beinhaltet ein detailliertes Verständnis der mechanischen und hydraulischen Eigenschaften, des Deformationsverhaltens sowie der zugrunde liegenden Deformationsprozesse, die eine verbesserte Beurteilung des wirksamen Einschlusses sowie der Langzeitsicherheit eines Tiefenlagers in OPA ermöglichen. Vor diesem Hintergrund präsentiert diese Arbeit die Ergebnisse von triaxialen Verformungsexperimenten, die an intakten und künstlich gestörten Proben der quarzreichen, sandigen sowie tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden sind. Ein besonderer Fokus ist hierbei auf den Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung auf das Verformungsverhalten sowie die Reaktivierungs- und Abdichtungseigenschaften von bereits bestehenden Scherzonen und Rissen bei unterschiedlichen Randbedingungen (z. B. Druck, Temperatur, Dehnungsrate) gelegt worden. Im ersten Abschnitt werden die anisotropen mechanischen Eigenschaften der sandigen Fazies von OPA vorgestellt. Hierfür sind triaxiale Verformungsexperimente an getrockneten und wassergesättigten Proben durchgeführt worden, die in einem Winkel von 0°, 45° und 90° zur relativ zur vorhandenen Schichtung belastet worden sind. Mittels einer Paterson Gasdruckapparatur ist der Einfluss von Mantelspannung (50 – 100 MPa), Temperatur (25 – 200 °C) und Verformungsrate (1 × 10-3 – 5 × 10-6 s-1) auf das Deformationsverhalten untersucht worden. Die Experimente zeigen ein sprödes bis halbsprödes Verformungsverhalten der sandigen Fazies, wobei ein deutlicher Einfluss von Manteldruck, Wassersättigung sowie Schichtungsorientierung festgestellt werden konnte. Im Gegensatz dazu zeigt die Änderung von Temperatur und Verformungsrate keinen signifikanten Einfluss auf das Deformationsverhalten und die Festigkeitseigenschaften der sandigen Fazies. Verglichen mit der tonigen Fazies (Nüesch 1991) weist die sandige Fazies des OPA eine höhere Festigkeit und Steifigkeit auf. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das kurzfristige Verformungsverhalten getrockneter Proben beider Faziestypen bis zu erhöhten Druck- (<200 MPa) und Temperaturbedingungen (<200 °C) von kataklastischen Deformationsmechanismen dominiert wird. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse von triaxialen Deformationsexperimenten beschrieben, die durchgeführt worden sind, um den Einfluss von bereits bestehenden Störungen auf das Verformungsverhalten von OPA zu untersuchen und wie die Reaktivierung von Scherflächen durch die Mineralzusammensetzung und den Manteldruck beeinflusst wird. Dazu sind getrocknete zylindrische Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA verwendet worden, die zuvor in einem Winkel von 30° zur Längsachse halbiert worden sind. Nach einer hydrostatischen Vorkonsolidierung bei 50 MPa Druck, sind die Proben bei einer konstanten axialen Verformungsrate und Mantelspannungen von 5, 20 und 35 MPa deformiert worden. Bei niedriger Mantelspannung wird die Reaktivierung der Scherfläche durch einen Spannungsabfall eingeleitet, wobei weitere Verformung durch stark lokalisierte Scherung aufgenommen wird. Mit zunehmender Mantelspannung kann ein Übergang zu halbsprödem Verformungsverhalten beobachtet werden, das durch einen zunehmenden Anteil von Matrixdeformation ohne dynamische Verwerfungsreaktivierung gekennzeichnet ist. Dabei weist die sandige Fazies einen höheren Reibungskoeffizienten (≈0,48) als die tonige Fazies (≈0,4) auf. Die Experimente zeigen, dass spröde Reaktivierung der Scherfläche bis zu einer Mantelspannung erfolgt, ab der die Scherfestigkeit der künstlichen Störung die Fließspannung der Matrix übersteigt. Entsprechend beginnt mit weiter ansteigender Mantelspannung die Partitionierung von Deformation in Scherung und Matrixverformung. Relaxations- und Wiederbelastungstests (Slide-Hold-Slide) zeigen negative bzw. vernachlässigbare Reibungsverheilung auf, was auf eine geringe Wiederverfestigung und folglich aseismisches Kriechen als Langzeitverhalten von Scherzonen in OPA hindeutet. Die Ergebnisse zeigen, dass die spröde Reaktivierung von Scherzonen in OPA durch eine starke Überkonsolidierung und in geringen Tiefen begünstigt werden kann, was das Risiko von Seismizität und die Bildung hydraulischer Fließwege erhöht. Der letzte Abschnitt veranschaulicht, wie die Transmissivität von Rissen in OPA von der wirkenden Normalspannung und Mineralzusammensetzung beeinflusst wird. Hierfür sind triaxiale Durchströmungsexperimente an getrockneten Proben der sandigen und tonigen Fazies von OPA durchgeführt worden, die eine künstlich angeraute Rissfläche enthielten. Um den Einfluss von Normalspannung, Mineralogie und Diagenese auf die hydraulische Rissverschließung zu untersuchen, sind darüber hinaus auch Risse in Schiefer, Grauwacke, Quarzit, Proben aus natürlichen Störungszonen und Granit getestet worden. Mit zunehmender Normalspannung konnte eine nichtlineare Abnahme der Risstransmissivität beobachtet werden, die nach Entlastung zu einer irreversiblen Reduktion der Transmissivität führt. Die Transmissivität von Gesteinen, die durch einen hohen Anteil mechanisch fester Minerale (z.B. Quarz) sowie einer hohen einaxialen Druckfestigkeit charakterisiert werden, reagieren robuster auf Spannungsänderungen. Dementsprechend zeigt die sandige Fazies von OPA im Vergleich zur tonigen Fazies eine höhere initale Risstransmissivität, die weniger empfindlich auf Spannungsänderungen reagiert. Obwohl die sandige Fazies im Vergleich zu der untersuchten Schieferprobe einen niedrigeren Schichtsilikatgehalt aufweist, reagiert die Risstransmissivität des Schiefers deutlich geringer auf Spannungsänderungen. Aus den Experimenten kann abgeleitet werden, dass für die Bewertung der hydraulischen Rissverschließung in schichtsilikatreichen Gesteinen neben der mineralischen Zusammensetzung weitere Faktoren, wie der Grad der Metamorphose sowie Zementierung und Konsolidierung, berücksichtigt werden müssen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichten die Rolle der Mantelspannung auf das Deformationsverhalten von intaktem und künstlich gestörten OPA. Obwohl die quarzreiche sandige Fazies von OPA aufgrund ihrer höheren Scherfestigkeit und Steifigkeit als günstiger für die Konstruktion von Untertagebauwerken angesehen werden kann, weisen die präsentierten Ergebnisse darauf hin, dass diese vorteilhaften mechanischen Eigenschaften mit einer Verringerung der hydraulischen Abdichtungskapazität verbunden sind, d.h. wenn sich Risse in der sandigen Fazies entwickeln, sind diese hydraulisch leitfähiger und bleiben durchlässiger im Vergleich zu Rissen in der tonigen Fazies bei einer gegebenen Spannung. Die Ergebnisse können die Grundlage für die Entwicklung konstitutiver Modelle bilden, die zur Einschätzung der Integrität eines zukünftigen Endlagers herangezogen werden können. Der Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung sowie der Konsolidierung auf die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von OPA zeigen die Notwendigkeit einer detaillierten, standortspezifischen Materialcharakterisierung für ein zukünftiges Endlager.…