Die Quantifizierung der Materialeigenschaften von geologischen Architekturelementen ist Bestandteil der Beantwortung angewandter Fragestellungen im Zusammenhang der nachhaltigen Bewirtschaftung des Untergrundes. Dabei kommen numerische Modellierungen und Simulationen zum Einsatz, mit denen die Systementwicklung als Folge der Bewirtschaftungsmaßnahmen und äußerer Randbedingungen berechnet werden kann. Aktuelle und für die Gesellschaft relevante Beispiele sind die Quantifizierung des Einflusses des Meeresspiegelanstieges und Sturmfluten auf die Grundwasserressourcen, die Risikoabschätzung in Erdfallregionen und die nachhaltige Nutzung geothermischer Energie.

Die Gesteinsphysiklabore und die Ausrüstung zur Vermessung von Bohrlöchern des LIAG sind in der Bandbreite von messbaren physikalischen Gesteinsparametern sowie der damit verbundenen Expertise sind deutschlandweit ein Alleinstellungsmerkmal. Oft ermöglicht erst die kombinierte Interpretation verschiedener physikalischer Parameter ein verbessertes Abbild des Untergrundes und damit der Nutzbarkeit des Untergrundes (z. B. Speichervermögen für Energie und Fluide).

Der Forschungsbereich setzt folgende Methoden ein:

Bohrlochverfahren

Mit diesen Verfahren werden in einem Bohrloch die physikalischen Parameter der Strukturen im Untergrund bestimmt. Dies umfasst die Messung mit akustischen, magnetischen, elektrischen, elektromagnetischen, atomphysikalischen, mechanischen und bildgebenden Verfahren bis in eine Tiefe von sechs Kilometern.

Petrophysik

Hydraulische, elektrische und strukturelle Eigenschaften sowie eine thermische Eigenschaft von Locker- und Festgesteinsmaterialien können am LIAG vom Kern- bis in den Porenmaßstab bestimmt werden. Hierfür stehen verschiedene Messtechniken zur Verfügung, (Gas) Permeametrie, Spektrale Induzierte Polarisation, Stickstoffadsorption, Nuklear-Magnetische-Resonanz-Spektrometrie und Kapillardruckmessungen. Die Gesteine werden so zum Beispiel auf ihre Durchlässigkeit, Porengeometrie (Mikro-CT) und Porosität untersucht. Die Messergebnisse werden für die Charakterisierung von Lagerstätten, Energiespeichern und Grundwasserleitern eingesetzt. Sie bilden wichtige Eingangsgrößen für mathematische und numerische Modelle. Darüber hinaus erlaubt die Kombination und Interpretation der verschiedenen physikalischen Parameter mit verschiedenen Methoden und deren Vergleich die Beurteilung der verschiedenen Messtechniken und deren optimaler Einsatz in verschiedenen Aufgabenstellungen.

Gesteins- und Paläomagnetik 

Magnetische Eigenschaften von Gesteinen werden im Labor unter anderem unter Abschirmung von Magnetfeldern und bei hohen Temperaturen gemessen. Diese Eigenschaften dienen häufig als Proxies, um geologische und klimatische Veränderungen über lange Zeiträume hinweg zu rekonstruieren. Gesteinsmagnetik kann viele Fragestellungen zum Beispiel zu Bodeneigenschaften, Verschmutzung und Diagenese beantworten. Mittels Magnetostratigraphie kann die Abfolge magnetischer Feldumkehrungen rekonstruiert werden, um Alter und die geologische Vergangenheit zu verstehen. In der Außenstelle Grubenhagen verfügt das LIAG über eines der wenigen hochsensiblen Kryogenmagnetometer in Deutschland, das als deutschlandweit einziges Gerät seiner Art ganze Bohrkerne vermessen kann. Solche Messungen liefern wichtige Daten zum Alter von Gesteinen.

Hydrogeomechanik

Die Hydrogeomechanik befasst sich mit der Untersuchung der mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von Gesteinen. Am LIAG werden diese Eigenschaften unter variablen Spannungs-, Temperatur- und Fluiddruckbedingungen durch Experimente in einer echten, großskaligen Triaxialzelle gemessen, die mit einem Deformations- Akustik-Emissions- und Ultraschall-Messeinrichtung ausgestattet ist. Durch die Messung hydrogeomechanischer Parameter wie Elastizitätsmodul und Permeabilität sowie der erzeugten Mikroseismizität können wir das Verhalten von Gesteinen in Reservoirbedingungen (p, T) verstehen, für Anwendungen im Bereich Tiefe Geothermie, Energiespeicher und nukleare Endlager.

Statistische Verfahren

Speziell Zyklostratigraphie wird für die Mustererkennung in Sedimentgesteinen eingesetzt, und um komplementär zur Lumineszenz-Datierung und Paläomagnetik Informationen über Gesteinsalter zu liefern. Multivariate Methoden werden zur Gesteinscharakterisierung speziell von Bohrlochmessungen eingesetzt.

Geostatistische und Stochastische Verfahren 

Die beschriebene Materialheterogenität und Messunsicherheit beinhaltet, dass das Untergrundmodell in Bezug auf sein Parameterfeld unterbestimmt ist. Diese Parameterunsicherheit, die auch konsequenterweise Folgen für die Prognosesicherheit hat, erfordert eine entsprechende Quantifizierung und Kommunikation. Dafür stehen Werkzeuge der Geostatistik und stochastischen Modellierung zur Verfügung.