Gesteinsphysikalische Standardparameter bzw. Grundgrößen
In der Gesteinsphysik gibt es unzählige indirekt und direkt bestimmbare Parameter und Zielgrößen. Einige wenige von diesen können als elementare Kenngrößen (auch Standardparameter bzw. Grundgrößen genannt) angesehen werden. Diese werden in der Regel bei jedem gesteinsphysikalisch zu untersuchenden Probensatz in Industrie und Wissenschaft bestimmt. Es handelt sich um: die Dichte, die Porosität, der Wassergehalt bzw. Wassersättigungsgrad sowie die Fluidpermeabilität von Gesteinen.
Auch wenn jahrzehntelange Messpraxis die Bestimmung dieser Parameter als „Standard“ erscheinen lässt, so darf jedoch nicht außer Acht gelassen werden, dass Gesteine eben nicht einem vordefinierten Standard genügen! Gesteine sind derart komplex und vielfältig zusammengesetzt, dass jeder Probensatz aufs Neue interpretiert und charakterisiert werden muss.
Die Dichte
Die Dichte d ist eine der wichtigsten elementaren gesteinsphysikalischen Kenngrößen. So ist sie der für die Gravimetrie unmittelbar wirksame Parameter. Darüber hinaus nimmt sie Einfluss auf viele weitere geophysikalische Messgrößen (z.B. auf die Wärmeleitfähigkeit).
Die Dichte ist als Quotient aus Masse m und Volumen V definiert. Sie wird in kg/m³, häufiger aber in g/cm³ angegeben. In der Geophysik gibt es – bedingt durch das heterogene Material „Gestein“ – eine Vielzahl von Definitionen für unterschiedlichste Materialbestandteile. Die wichtigsten sind dabei:
- d = Rohdichte des Gesteinskörpers (Festkorn + Porenraum/-füllung).
- dK = Korn- oder Reindichte. Dichte der Festsubstanz eines Gesteins.
- dP = Dichte des Poreninhalts (z.B. Gas, Wasser, Öl).
Die Dichte kann durch eine Vielzahl von Verfahren und Methoden bestimmt werden. Sektion S5 nutzt dafür:
- die Wägungsmethode bzw. das Prinzip von Archimedes sowie
- ein Gaspyknometer neuester Generation.
Die Porosität
Unter Porosität Φ versteht man den gesamten Hohlraumanteil in einem Gestein. Sie ist definiert als Quotient aus Porenraumvolumen VPoren und Gesamtvolumen der Probe VGesamt. Dabei ist es zunächst irrelevant, ob dieser Hohlraum durchgängig miteinander verbunden ist. Man spricht auch von der sogenannten totalen Porosität. Zusätzlich dient diese Bezeichnung der Trennung von der effektiven Porosität, bei der nur der miteinander verbundene Hohlraumanteil berücksichtigt wird.
Eine weitere, wichtige Einteilung der Porosität ist über die Art der Entstehung möglich. Die natürliche Porosität auf Grundlage des unveränderten Korngerüstes eines Gesteins wird als „Primärporosität“ bezeichnet. Hohlraumanteile die nach der Genese eines Gesteins entstanden sind (z.B. durch Verwitterung oder Klüftung) bezeichnet man dementsprechend als „Sekundärporosität“.
Sektion S5 nutzt zur Bestimmung der Porosität folgende Verfahren:
- die Wägungsmethode bzw. das Prinzip von Archimedes,
- ein Gaspyknometer sowie die
- Kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR).
Der Wassersättigungsgrad bzw. der Wassergehalt
Für viele geophysikalische Fragestellungen sind ebenfalls die Parameter Wassersättigung und Wassergehalt von Bedeutung. Entgegen der langläufigen Meinung handelt es sich dabei nicht um den gleichen Parameter!
Der Wassersättigungsgrad SW ist definiert als Quotient aus Volumen des (Poren-) Wassers VWasser und dem Volumen des Porenraumes VPoren. Die (Roh-) Dichte eines „feuchten“ Gesteins lässt sich bei Kenntnis des Sättigungsgrades und der Porosität leicht errechnen. Der häufiger benutzte Wassergehalt ist auf die Masse der Probe bezogen. Er ist definiert als Quotient aus Masse des in der Probe enthaltenen Wassers und der trockenen Festsubstanz des Materials. Dieser ist in der Regel wesentlich einfacher zu bestimmen als der Sättigungsgrad.
Gerade im Bereich der Geothermie weisen viele Parameter eine starke Abhängigkeit zum Wassergehalt auf (z.B. die Wärmeleitfähigkeit). Insbesondere für Lockermaterialen sollte dieser Parameter stets mit angegeben werden.
Die Permeabilität
Die Permeabilität beschreibt die Eigenschaft eines porösen Gesteins hinsichtlich einer Fluidströmung (Gas- oder Flüssigkeit) durch den Porenraum. Die physikalischen Grundlagen dazu wurden im 19. Jahrhundert durch den französischen Ingenieur Henry Darcy erarbeitet. Damals beschrieb er den laminaren Fluss einer viskosen Flüssigkeit durch ein poröses Material (explizit einer Kiesschüttung). Die physikalische Einheit entspricht einer Fläche [m², cm²] bzw. wird auch noch in „Darcy“ [1 D ~ 1 x 10-12 m²] angegeben.
Bei der Permeabilität unterscheidet man begrifflich zwischen:
- relative Permeabilität,
- effektive Permeabilität sowie
- wahrer bzw. intrinsischer Permeabilität.
Die relative Permeabilität ist definiert als Verhältnis aus der effektiven Permeabilität eines individuellen Porenfluids und der absoluten bzw. wahren Gesteinspermeabilität.
Die Fluiddurchlässigkeit von Gesteinen hängt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab: der Porosität, der Porengröße, der Porenverteilung, der Porenbeschaffenheit und Porenoberfläche sowie der spezifischen inneren Oberfläche des Gesteins.
Es lassen sich folgende Werte-Tendenzen der Permeabilität beobachten:
- Die Permeabilität nimmt mit steigender Porosität zu.
- Die Permeabilität nimmt mit größer werdender Korngröße zu.
- Die Permeabilität nimmt mit größer werdender Dichte (bzw. zunehmender Kompaktion und Zementation) der Probe ab.
Sektion S5 besitzt zur hochauflösenden Bestimmung von Gas- und Flüssigkeitspermeabilitäten einen speziellen Kombi-Messplatz, der von der Firma Westphal Präzisionstechnik GmbH & Co KG hergestellt werden.