M.Geo.137 LV2: Diagenese und Verwitterung
Entwicklung der PorositätSebastian Schölzel
Christian KnellJan Schönig
Matthias NieuwenhuisJannick KaliesStefan Strube
6. Mai 2015
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Porosität
Der gas- oder flüssigkeitsgefüllte Anteil am Gesamtgesteinsvolumen[Murawski & Meyer, 2010]
n = VPoren / VGesamt
[Landesforschungszentrum Geothermie, 2007]
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Nutzbare (effektive) Porosität PE
• Anteil an Gesamtporosität, der unter Druckänderungen Fluid freigibt
• PE = PG – PR
PG: Gesamtporosität
PR: Residualporosität (Haftwasser und Totraumporen)
[TU Freiberg Prof. Merkel, 2006]
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[Wolkersdorfer, 2009]
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Primäre & sekundäre Porosität
• Primäre:� entspricht den vorhandenen Poren bei der
Ablagerung
• Sekundäre:
� Bildung von Poren durch äußere Einflüsse (Metamorphose, Lösungen, tektonische Prozesse)
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[Heubeck, 2007]
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[Heubeck, 2007]
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Intergranular und intragranularePorosität
• Intergranular:�Leerer Raum (Porosität) zwischen den
Körnern
• Intragranular:�Porenraum innerhalb einzelner Partikel
[Larsen, 1979]
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[Heubeck, 2007]
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Permeabilität
Bezeichnung für die Durchlässigkeit von Gesteinskörpern für Flüssigkeitenoder Gase.
[Murawski & Meyer, 2010]
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[Heubeck, 2007]
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Einfluss von Kornform und Verteilung
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[Jordan & Weder,1995]
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Sandsteine
• Steigende Versenkung und wachsender Druck führt zu dichteren Kornpackungen
• Gut sortierte Sandsteine zeigen eine höhere Porosität als schlecht sortierte Sandsteine
• Kornrundung hat einen kleinen Effekt auf die Porosität (Prinzip dichteste Kugelpackung)[Füchtbauer, 1988]
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Ton- / Siltsteine
• Hohe Porosität / hoher Wassergehalt (70-90%)• Kartenhausähnlicher Aufbau bei der
Tonmineralablagerung• Verdichtung bzw. Versenkung führt zur
Erniedrigung des Porenwassergehalts und einem Sinken der Porosität
• Mechanische Verdichtung bei einer Tiefe von ca. 1500m abgeschlossen
• Einsetzen von mineralischer Umwandlung ab 1500m[Blatt, 1982; v. Engelhardt, 1973]
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Porositätsabnahme mit der Tiefe
Faktoren:
(1) Maximale Versenkungstiefe
(2) Mittlere Korngröße(3) Zusammensetzung(4) Temperaturgradient(5) Alter(6) Porenwasserdruck(7) Ölfüllung[Füchtbauer, 1988]
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Porositätsabnahme mit der Tiefe[S
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Faktoren:
(1) Maximale Versenkungstiefe
(2) Mittlere Korngröße(3) Zusammensetzung(4) Temperaturgradient(5) Alter(6) Porenwasserdruck(7) Ölfüllung[Füchtbauer, 1988]
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Sekundäre Porosität
[Füchtbauer, 1979]
Dünnschliff-Kriterien:a. Dezementationb. Überdimensionale Porenc. Anlösung von Feldspätend. Zerbrechung
Durch Auflösung von Karbonatzement, Anhydritzement, Kalkpartikeln, Feldspäten, Illit, Apatit(Schmidt & McDonald, 1979); (Drong, 1979); (Chowdhuri, 1982; Stoll-Steffan, 1987); (Morton, 1984)
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Porositätsabnahme mit der Tiefe
(1) Maximale Versenkungstiefe:− Generelle Abnahme der Porosität mit der Tiefe durch
Kompaktion.− Porosität spiegelt maximale Versenkungstiefe wieder.
(2) Mittlere Korngröße− In geringen Tiefen haben feinkörnige Gesteine eine höhere
Porosität als grobkörnigere, da größere Körner sich leichter verdichten lassen.
− Chemische Kompaktion ab ≈500m.− Porositätskurven von Feinsandsteinen und gröberen Sandsteinen
schneiden sich in einer Tiefe von 2000m bis 3000m, da Quarz-Zement Feinsandstein bevorzugt.
− Porositätskurven von Sand- und Tonsteinen schneiden sich bei ≈1000m.
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Porositätsabnahme mit der Tiefe
(3) Zusammensetzung:− Kompaktion nimmt mit Tongehalt zu [SELLEY, 1978].− Kompaktion vulkanoklastischer Sandsteine (viele diagenetisch
labile Gesteinsbruchstücke) stärker als von Arkosen und Kompaktion von Arkosen stärker als von Quarzsandsteinen.
(4) Temperaturgradient:− Porositätsabnahme mit der Tiefe verstärkt sich mit zunehmenden
geothermischen Gradienten.
(5) Alter:− Ähnliche siliziklastische Gesteine haben in gleicher Tiefe höhere
Porosität, je schneller sie versenkt wurden
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Porositätsabnahme mit der Tiefe
(6) Porenwasserdruck:− Abnormal niedriger Porenwasserdruck verstärkt die
Kompaktion.− Abnormal hoher Porenwasserdruck verringert die
Kompaktion.[GRETENER, 1969]
(7) Ölfüllung:− Porenraum kann durch Ölfüllung vor starker
Zementation bewahrt werden [WILSON, 1977].[FÜCHTBAUER, 1988]
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Sandsteine vs. Karbonate
• Ort der Sedimentproduktion
allochthon vs. autochthon
• Höhere chemische Reaktivität der Karbonate
� beeinflusst die Qualität des Gesteins als Reservoir für Erdöl/Erdgas
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Porosität vs. Tiefe (global)
[Ehrenberg & Nadeau, 2005]
P90 P50
P10
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• P90, P50, P10: berechnete Kurven, bei denen 90, 50, 10% aller Datenpunkte eine höhere Porosität aufweisen
• Trends:– Große Variationen der Porosität in geringen bzw.
mittleren Tiefen beider Lithologien– Lineare Abnahme der Porosität (P50 und Max) beider
Lithologien– Sandsteine besitzen in bestimmter Tiefe eine höhere
Porosität (P50 und Max) als Karbonate– Sandsteine mit Porosität zwischen 0-8% selten
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Porosität vs. Tiefe (Alberta, Kanada)
[Ehrenberg & Nadeau, 2005]
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• Gemeinsamkeiten mit globalen Trends:– Abnehmende Porosität mit der Tiefe– Porosität der Karbonate bei bestimmter Tiefe geringer
(P50 und Max)– Gering poröse (0-8%) Sandsteine treten nicht auf
• Unterschiede:– Steilere P50 und Max Kurven bei Sandsteinen– Keine Porositätsabnahme (P50) der Karbonate in
Alberta – Datencluster zwischen 2,5 und 3,5 km Tiefe und 3-
10% Porosität
Porosität vs. Tiefe (Alberta, Kanada)
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Interpretation
• Unterschiedliche Lithologien verlieren unterschiedlich schnell an Porenraum bei Versenkung– Ursprüngliche Porosität (Kornsortierung & -
größe, Anteil an feinkörnigem Material)
– Unterschiede in Fazies (und Lithologie)
• Sekundäre Porosität spielt eine untergeordnete Rolle
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Nano-Poren
• Weiterführende Forschung – Porosität in Tonen (Boom Clay)
• Mögliche Lagerstätte für radioaktive Abfälle (Desbois et al., 2009-2010)
• Neuartige Methoden genutzt und angepasst, um auf die Eigenschaften zu schließen
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Methode (FIB)
Schematische Zeichnung „Focused ionbeam“ (FIB) [Hemes et al., 2012].
• Erstellung 3D – Abbildung der Morphologie des Porenraumes
• Erstellung von vielen Bildern
• Einzelne Bilder entstehen in y-x Richtung und weitere Bilder werden in z-Richtung angereiht.
• Nano-tomography in nm Größenordnung
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Bestimmung des Anteils an Porenraum in den einzelnen Schnitten aus den Proben [Hemes et al., 2012]
• Einzelne Bilder können auf Anteil an Porenraum untersucht werden
• Manuelle oder automatische Auswertung
• Werden in binäre Bilder umgewandelt, um einen größeren Kontrast zu gewährleisten
• Abschließend kann eine Unterteilung in Porenraum/kein Porenraum durchgeführt werden
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Ergebnisse
• Untersuchung von Probengröße, Trocknungsmethoden und Porengröße
• Charakterisierung von Porengröße und Unterscheidung in Eigenschaften von
inter-/ intraphase porosity[Hemes et al., 2012]
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Danke für eure Aufmerksamkeit!
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Literatur
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Rundsch., 68: 1125-1151.
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Literatur• FÜCHTBAUER, H.; DIETRICH, H.; MÜLLER, G.; RICHTER, D.K.; SCHMINKE, H.-U.; SCHNEIDER, H.-J.;
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