Was ist Porosität?
Porosität ist der Prozentsatz des Hohlraums in einem Gestein. Es ist definiert als das Verhältnis des Volumens der Hohlräume oder des Porenraums geteilt durch das Gesamtvolumen. Es wird entweder als Dezimalbruch zwischen 0 und 1 oder als Prozentsatz geschrieben. Bei den meisten Gesteinen variiert die Porosität zwischen weniger als 1% und 40%.
Die Porosität eines Gesteins hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Gesteinsart und der Anordnung der Körner eines Gesteins. Kristallines Gestein wie Granit hat beispielsweise eine sehr geringe Porosität (<1%), da die einzigen Porenräume die winzigen, langen, dünnen Risse zwischen den einzelnen Mineralkörnern sind. Sandsteine haben typischerweise viel höhere Porositäten (10-35%), da die einzelnen Sand- oder Mineralkörner nicht eng zusammenpassen und größere Porenräume ermöglichen.
Visualisierung des Porenraums (Poren blau dargestellt)
SANDSTEIN
KRISTALLINES GESTEIN
Porositätsmessungen von kristallinem Gestein
Die gemessenen Porositäten der Gesteine variieren von 2% bis mehr als 30%. Ein Großteil dieser Variation ist auf die Lithologie (Gesteinsart) zurückzuführen. Die Datentabelle listet die Porositäten der getesteten Proben auf und die Abbildung rechts zeigt den Bereich und die Verteilung der Porositäten nach Lithologie. Die Dolomiten haben die niedrigsten Porositäten (2-6%), die Schiefer haben die größte Bandbreite an Porositäten (8-29%, obwohl die meisten weniger als 15% sind) und die Sandsteine haben die höchste Porosität (11-32%).
Abbildung 1. Verteilung der Porositäten für Dolomit, Schiefer und Sandstein.
Dichtemessungen der Gesteine
• der einzelnen Körner,
• der Porosität und
• der Flüssigkeit, die die Poren füllt.
Die Dichte ist definiert als die Masse pro Volumen. In Gesteinen ist es eine Funktion der Dichten der einzelnen Körner, der Porosität und der Flüssigkeit, die die Poren füllt. Es gibt drei Arten von Dichte in Gesteinen: Trockendichte, Nassdichte und Korndichte.
Die Datentabelle listet die Trocken-, Nass- und Korndichten der Proben auf. Zusätzliche Nassdichten für Wisconsin-Gesteine finden sich in „Density and Magnetic Susceptibility of Wisconsin Rock“ von S.I. Dutch, R.C. Boyle, S.K. Jones-Hoffbeck und S.M. Vandenbush (Geoscience Wisconsin, Vol. 15, S. 53-70).
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Dichtemessungen und -verteilungen
Trockendichte
Abbildung 2. Verteilung der Trockendichte für Dolomit, Schiefer und Sandstein.
Die Trockendichte wird an Gesteinen ohne Wasser oder Flüssigkeit in ihren Poren gemessen.
Siehe Abbildung 2 für die Trockendichteverteilung von Dolomit, Schiefer und Sandstein.
Nassdichte
Abbildung 3. Verteilung der Nassdichte für Dolomit, Schiefer und Sandstein.
Die Nassdichte wird an vollständig gesättigten Kernen gemessen.
Abbildung 3 zeigt die Verteilung der Nassdichte für Dolomit, Schiefer und Sandstein.
Korndichte
Abbildung 4. Verteilung der Korndichte für Dolomit, Schiefer und Sandstein.
Korndichte beschreibt die Dichte von festen oder mineralischen Körnern des Gesteins.
Die Korndichte kann einen Hinweis auf die Mineralogie des Gesteins geben:
- Dolomit, ρ = 2,8–3,1 g/cm3
- Schiefer, ρ = 2,65–2,8 g/cm3
Schiefer bestehen aus mehreren Mineralien, die unterschiedliche Dichten in unterschiedlichen relativen Mengen aufweisen. Die Mineralien können Tone wie Illit (ρ = 2,6–2,9 g/cm3) und Kaolinit (ρ = 2,6 g/cm3) enthalten, die beispielsweise mit Dolomit (ρ = 2,8–3,1 g /cm3) und Calcit (ρ = 2,71 g / cm3) gemischt sind. - Sandsteine, ρ = 2,65–2,80 g/cm3
Fast die Hälfte der Sandsteine hat Korndichten nahe 2.65 g / cm3, die Dichte von Quarz, was darauf hindeutet, dass diese Sandsteine aus Quarzkörnern und Zement bestehen. Die verbleibenden Sandsteine haben eine etwas größere Korndichte, höchstwahrscheinlich aufgrund der Vermischung von Quarz mit dichteren Mineralien wie Calcit (ρ = 2,71 g / cm3) oder Dolomit (ρ = 2,8–3,1 g / cm3).
Siehe Abbildung 4 für die Korndichteverteilung von Dolomit, Schiefer und Sandstein.
Messtechnik
Messung der Porosität
Die Porositäten wurden durch Messungen des Gesamtvolumens und des Porenraumvolumens der Proben bestimmt. Wir haben die zylindrischen Kerne mit einer Kernbohrmaschine, einer Steinsäge und einer Flachschleifmaschine vorbereitet.
Messung des Probenvolumens: Berechnet durch Messen der Länge und des Durchmessers der Zylinder mit einem Messschieber. Die meisten Proben hatten einen Nenndurchmesser von 2 Zoll und eine Länge von 1 bis 3 Zoll.
Trocknen der Proben: Die Proben wurden vor dem Testen mindestens 24 Stunden bei 70 ° C (158 ° F) im Ofen getrocknet.
Messung des Porenraumvolumens: Das Porenraumvolumen wurde mit einem Helium-Pyknometer bestimmt. Das Helium-Pyknometer nutzt das Boyle-Gesetz (P1V1 = P2V2) und Heliumgas, das schnell in kleine Poren eindringt und nicht reaktiv ist, um den festen Anteil einer Probe zu bestimmen. Der Kern wird in eine Probenkammer mit bekanntem Volumen gegeben. Eine Referenzkammer, ebenfalls mit bekanntem Volumen, wird unter Druck gesetzt. Die beiden Kammern werden dann verbunden, so dass das Heliumgas von der Referenzkammer in die Probenkammer strömen kann. Das Verhältnis von Anfangs- und Enddruck wird verwendet, um das Volumen des Probenfeststoffs zu bestimmen. Das Porenvolumen ist die Differenz zwischen dem Gesamtvolumen und dem Feststoffvolumen, bestimmt durch das Helium-Pyknometer. Diese Technik kann nur verwendet werden, um Poren zu messen, die miteinander verbunden sind. Helium und Wasser dringen nicht in isolierte Poren ein, so dass diese Poren nicht in die Porositätsmessung einbezogen werden.
Messdichte
Die Trockendichten wurden bestimmt, indem die Proben nach dem Trocknen gewogen und die Masse durch das gesamte Probenvolumen dividiert wurden.Die Nassdichten wurden dann berechnet, indem angenommen wurde, dass die Porosität der Probe mit Wasser gefüllt war, diese Masse zur trockenen gemessenen Masse addiert und die Summe durch das gesamte Probenvolumen dividiert wurde.
Die Korndichte wurde berechnet, indem das Porenraumvolumen vom gesamten Probenvolumen subtrahiert und dann die Differenz durch die Trockenmasse dividiert wurde.
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