Multiskalige Eigenschaften und Rissverhalten von Stauseitenfels (Sandstein) unter Trocken-Feucht-Zyklen: Erkenntnisse aus NMR, AE und SEM

Warum wechselnder Wasserstand festes Gestein aufspalten kann

Viele große Staumauern und Stauseen lassen den Wasserspiegel an benachbarten Hängen Tag für Tag steigen und fallen. Dieses ständige Durchnässen und Austrocknen mag harmlos erscheinen, kann aber über Jahre hinweg das Gestein, das die Ufer zusammenhält, allmählich schwächen. In der Region des Drei-Schluchten-Stausees in China kann dieser leise Prozess die Bühne für Erdrutsche und Zusammenbrüche bereiten. Die hier beschriebene Studie blickt in Sandsteinproben aus dem Stausee von der Körnungsebene bis zur gesamten Probe, um zu erklären, wie wiederholte Trocken-Feucht-Zyklen starken Fels in ein rissiges, brüchiges Material verwandeln.

Felswände, die still Gefahr anreichern

Die Forschenden konzentrierten sich auf Sandstein aus dem hydrologischen Schwankungsbereich — der Zone, die bei Wasserstandsänderungen abwechselnd überflutet und freigelegt wird. Diese Gesteine bestehen aus Mineralien wie Quarz, Feldspat und Ton, die durch natürliche Zemente zusammengehalten werden. Wenn Wasser diesen Bereich wiederholt überschwemmt und zurückgeht, durchspült es nicht nur sichtbare Risse, sondern dringt auch in winzige Poren und Kornkontakte ein. Im Laufe der Zeit erodiert dieses Wechselspiel die innere Struktur des Gesteins und reduziert seine Fähigkeit, dem Gewicht und anderen Kräften am Hang zu widerstehen.

Den Felsen beim Versagen zuhören

Um Schäden in Echtzeit zu beobachten, nutzte das Team akustische Emission (AE), eine Technik, die hochfrequente »Pings« aufnimmt, wenn neue Risse in einer belasteten Gesteinsprobe entstehen und wachsen. Während Sandsteinkerne zusammengedrückt wurden, stiegen Anzahl und Energie dieser kleinen Schallimpulse kurz vor dem endgültigen Bruch deutlich an. Durch die Verfolgung von Änderungen in der statistischen Verteilung dieser Signale fanden die Autoren heraus, dass deutliche Frühwarnzeichen konsistent auftraten, wenn die angelegte Spannung etwa 92 bis 99 Prozent der Spitzenfestigkeit des Gesteins erreichte, mit einem finalen kritischen Punkt knapp über 99 Prozent. Dieses Muster, bekannt als kritische Verlangsamung, deutet darauf hin, dass sorgfältiges Monitoring ähnlicher Signale im Feld Vorwarnungen vor nahender Instabilität an Stauseehängen liefern könnte.

Von winzigen Poren zu großen Rissen

Die Wissenschaftler untersuchten außerdem, wie sich der innere Porenraum veränderte, während Proben bis zu 30 Mal zwischen nass und trocken zyklisiert wurden. Mithilfe der Kernspinresonanz (NMR), die Wasser in Poren erfasst, zeigten sie, dass die Gesamtporosität mit zunehmender Zykluszahl exponentiell anstieg. Die Verteilung der Porengrößen verschob sich von überwiegend sehr kleinen Poren hin zu einer Mischung, die von mittleren und großen Poren dominiert wurde, und die Signalform entwickelte sich von einem einzelnen Peak zu zwei Peaks — ein Hinweis auf wachsende strukturelle Ungleichförmigkeit. Auf der Basis der Fraktaltheorie durchgeführte Rechnungen deuteten darauf hin, dass die größeren Poren stärker miteinander vernetzt wurden und damit Wege bildeten, die Wassertransport und das Zusammenwachsen von Rissen erleichtern.

Ein genauer Blick auf brechende Körner

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen (SEM) ergänzten diese Ergebnisse mit visuellen Details. In frischem Sandstein sitzen Körner eng aneinander mit nur wenigen isolierten Mikro-Rissen. Nach einigen Trocken-Feucht-Zyklen zeigten die Forschenden kleine Vertiefungen, wo Minerale gelöst worden waren, und kurze Risse entlang der Korngrenzen. Mit mehr Zyklen vertieften sich diese Grübchen, Körner verloren Material und Risse breiteten sich aus und verbanden sich. Nach 30 Zyklen waren Korngrenzen verwischt, das Bindemittel zwischen Partikeln stark geschwächt und breite Brüche durchzogen den Fels. Parallel dazu zeigten akustische Daten einen Wandel in der Bruchart: Der Anteil der sich öffnenden (zugbedingten) Risse stieg von etwa einem Drittel auf nahezu die Hälfte, obwohl Scherbrüche insgesamt weiterhin dominierten.

Was das für die Sicherheit von Stauseen bedeutet

In ihrer Gesamtheit zeigen die Messungen, wie wiederholtes Durchnässen und Austrocknen Sandstein von innen heraus umgestalten. Chemische Reaktionen mit Wasser vergrößern Poren und laugen die mineralische Bindung aus, während physikalisches Quellen, Schrumpfen und Belastungen kleine Defekte zu größeren Rissen verknüpfen. Mit zunehmender Vernetzung des inneren Hohlraumnetzes nimmt die Festigkeit des Gesteins ab und seine Bruchweise verändert sich, wobei es dennoch deutliche akustische Hinweise vor dem Versagen gibt. Diese Erkenntnisse helfen zu erklären, warum Felswände in schwankenden Stauseen mit der Zeit abbauen, und liefern Instrumente, um zu erkennen, wann sie sich dem Kollaps nähern.

Zitation: He, P., Lei, R., Zhao, P. et al. Multiscale characteristics and cracking behavior in reservoir sandstone under dry-wet cycles: Insights from NMR, AE and SEM. Sci Rep 16, 15279 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46226-1

Schlüsselwörter: Sandstein, Trocken-Feucht-Zyklen, Stauseehänge, Porenstruktur, Akustische Emission