Einfluss von Grenzflächen auf elektrische und mechanische Eigenschaften von Gesteinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das vorliegende Projekt hatte zum Ziel, den Einfluss der Grenzflächen zwischen Gesteinsmatrix und Porenfluid auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften verschiedener Sandsteine eingehender zu untersuchen. Im Vordergrund steht ein Phänomen, das bislang wenig erforscht wurde. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass sich poröse Gesteine bei Wasseraufnahme ausdehnen können, ein Vorgang, der als hygrische Dehnung bezeichnet wird. Diese Dilatation wurde bisher als Folge quellender Tonminerale betrachtet. In unserem Ansatz gehen wir davon aus, dass eine Dilatation auch bei vollständiger Abwesenheit von Tonmineralen stattfinden kann. Sie wird auf die Benetzung der Grenzfläche zwischen Fluid und Gesteinsmatrix als Ergebnis der Wirkung zweier entgegen gesetzter Kräfte, nämlich der Oberflächenspannung des Porenfluids und der Grenzflächenspannung der Gesteinsmatrix, zurückgeführt. Auswirkungen der hygrischen Dehnung sind überall dort zu beobachten, wo Gebäude oder Denkmale aus Naturstein der wechselhaften Witterung mit Trocknung und Sättigung unterliegen und das Gefüge lockern. Auch der Fluidaustausch in Speichergesteinen ist stark von der zeitabhängigen Dehnung betroffen und kann zu unvorhergesehenen Effekten führen. Während der ersten Phase des Projektes wurden Sandsteine mit einer großen Variationsbreite von Porosität und Permeabilität untersucht. Neben der Längenänderung bei unterschiedlichen Sättigungsgraden wurden systematisch alle potentiell beeinflussenden petrophysikalischen und elektrischen Gesteinseigenschaften (spezifische innere Oberfläche, Formationswiderstandsfaktor, P-Wellengeschwindigkeit etc.) bestimmt. Zusätzlich wurden die Einflüsse der Probengeometrie, der Anisotropie und der Salinität auf die Dilatation untersucht. In der zweiten Projektphase wurden mehrere tonfreie Fontainebleau-Sandsteine mit unterschiedlich stark zementiertem Mineralkorngefüge verwendet, die sich in Porosität, Permeabilität und Textur unterscheiden. Neben den genannten Standardmessungen wurde für die Fontainebleau-Sandsteine auch die Abhängigkeit der Längenänderung von der Oberflächenspannung des Porenfluides untersucht. Die Auswertung der durchgeführten Experimente ergab, dass die hygrische Dehnung von drei Faktoren wesentlich beeinflusst wird: vom erreichten Sättigungsgrad, von der Oberflächenspannung des Porenfluides und vom Longitudinalmodul als Maß für die Kompressibilität des Gesteins. Mit den Experimenten wurde unsere Modellvorstellung bestätigt. Die Längenänderung wird durch zwei sich überlagernde Prozesse bestimmt, die nach der Befeuchtung der Probe auftreten: (1) Durch Kapillarkräfte dringt das Wasser in die Probe ein, bis ein Gleichgewicht mit der Schwerkraft oder dem Porendruck der eingeschlossenen Luft erreicht wird. Die durch den Kapillardruck verursachte Saugspannung bewirkt eine Kompression und damit eine Schrumpfung der Probe. (2) Durch die Benetzung der Mineraloberfläche wird die Grenzflächenspannung herabgesetzt. Die Folge ist eine Ausdehnung der Mineralkörner und damit eine Dehnung der Probe. Welcher der beiden Prozesse dominiert, hängt nach unseren Beobachtungen von der Zementation und damit von der Kompressibilität der Proben ab. Bei gut zementierten Proben mit geringer Kompressibilität wird die Sättigungsdehnung vom Prozess (2) dominiert. Der Vergleich verschiedener empirischer und mechanistischer Modelle zur Beschreibung der induzierten Polarisation belegt, dass die auf das Porenvolumen normierte innere Oberfläche (S-por) ein wichtiger geometrischer Parameter ist, der die Stärke der Polarisation (Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit σ“) beeinflusst. Das Verhältnis σ“/S-por, das als spezifische Polarisierbarkeit definiert wurde, erweist sich als porositätsunabhängig. Mit den durchgeführten Experimenten wurde bestätigt, dass deutliche Effekte sowohl bei der mechanischen Dehnung als auch in der elektrischen Polarisation in tonhaltigen Sandsteinen auftreten, die durch eine große spezifische innere Oberfläche charakterisiert werden. Doch auch in tonfreien Materialien mit sehr kleinen Poren konnte eine hygrische Dehnung und elektrische Polarisation messtechnisch nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2015): Induced polarization dependence on pore space geometry: Empirical observations and mechanistic predictions. Journal of Applied Geophysics 123, 310-315
Weller, A.; Slater, L. D.
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(2015): On the specific polarizability of sands and sand-clay mixtures. Geophysics 80, No. 3, A57-A61
Weller, A.; Slater, L.; Huisman, J. A.; Esser, O.; Haegel, F.-H.
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(2016): Induced polarization and pore radius - A discussion. Geophysics 81, No. 3, D519-D526
Weller, A.; Zhang, Z.; Slater, L.; Kruschwitz, S.; Halisch, M.
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(2017) Zusammenhänge zwischen Benetzung poröser Medien und ihrer Volumenänderung. Treffen des Arbeitskreises Thermophysik, April 2017, Selb
Buntebarth, G.; Weller, A.
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(2017): Einfluss petrophysikalischer Parameter auf die Sättigungsdehnung von Sandsteinen. „77. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft“, März 2017, Potsdam
Möller, M.; Buntebarth, G.; Weller, A.
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(2017): Maximizing the core value – joint investigations with special emphasis on the complex electrical conductivity give new insights into Fontainebleau Sandstone. Annual Symposium of Society of Core Analysts, Vienna 2017, paper SCA2017-035
Halisch, M.; Kruschwitz, S.; Weller, A.; Mensching, B.; Gürlich. L.
