Multimethodische Porenraumcharakterisierung induzierter Lösungsprozesse in Karbonaten

Subrosion, d.h. die unterirdische Auslaugung von leicht löslichen Gesteinen wie z.B. Karbonat, ist eine weltweit auftretende Erscheinung, die letztlich zu subrosionsbedingten Erdfällen und Senken führt. Grundlagenforschung im Bereich von Lösungsprozessen an Karbonaten ist erforderlich für ein besseres Prozessverständnis dieser Ereignisse, um die Risikoeinschätzung sowie die Vorhersagemöglichkeiten zu verbessern.

Spektral Induzierte Polarisation ist eine etablierte Methode für die Durchführung von Grundlagenforschung auf Porenskala im Bereich der Porenraumcharakterisierung und Bestimmung von Gesteinseigenschaften. Die Ableitung hydraulischer und Porenraumbezogener struktureller Eigenschaften sowie die Korrelation von SIP Daten mit gesteinsspezifischen Daten ist aktuell im Fokus der Forschung.

Für die systematischen Lösungen des Porenraums wurde ein Messplatz sowie ein maßgeschneidertes experimentelles Konzept erfolgreich konzipiert und angewendet, um den Einfluss von Lösungsprozessen auf Mineral- und Porenstrukturen unter kontrollierten Laborbedingungen zu untersuchen. Zur systematischen Erfassung der Änderungen im Porenraum wurden vor und nach jeder Lösung gesteinsspezifische Untersuchen vorgenommen. Die gesteinsspezifischen Untersuchungen umfassen ein multimethodisches Herangehen, welches petrophysikalische, mineralogische und geochemische Verfahren kombiniert, u.a. Spektren der komplexen elektrischen Leitfähigkeit und Daten von 2D und 3D Bildgebungsverfahren als auch Messgrößen wie Porosität, Permeabilität, Korndichte, spezifische Oberfläche und Porenradien.

Der Lösungsprozess beeinflusst verschiedene petrophysikalische Parameter mit unterschiedlicher Ausprägung. Während die Korndichte und Porosität zunehmen, erhöht sich zunächst die spezifische Oberfläche und verringert sich in späteren Stufen. Die Porenradienverteilungen aus Quecksilberporosimetrie und µ-CT Daten weisen eine Vergrößerung des dominanten Porenradius mit zunehmenden Lösungsstufen hin. Die durch die Lösungsprozesse hervorgerufenen Änderungen in den Karbonaten lassen sich bis zu einem gewissen Grad mit SIP beobachten. Der Anstieg im Realteil der elektrischen Leitfähigkeit ergibt sich aus der zunehmenden Porosität sowie dem abnehmenden Formationsfaktor. Die Form der σ“-Spektren ändert sich ebenfalls, da bei höheren Frequenzen der Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit zunimmt, was auf die Entstehung kleinerer Poren hindeutet. Die gegensätzlichen Prozesse Glättung und Aufrauung der Porenoberflächen haben eine Abnahme bzw. Zunahme der Oberflächentortuosität zur Folge, was dementsprechend das Verhalten des Imaginärteils der elektrischen Leitfähigkeit beeinflusst. Aufgrund der durch die Lösungsprozesse verursachten kleinen Änderungen der Gesteinsparameter ist die Dateninterpretation herausfordernd.

Die Ergebnisse zeigen das Potential von SIP zur Untersuchung von Lösungsprozessen und die Notwendigkeit von multimethodischer Forschung zur Interpretation.