Porosität von Sedimentgestein mit Neutronen untersucht

Messeinrichtungen für Small Angle Neutron Scattering (SANS) und Very Small Angle Neutron Scattering (VSANS) gibt es nur wenige auf der Welt. Zwei davon, die KWS-1 und KWS-3, betreibt das Forschungszentrum Jülich am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ). Das MLZ ist die wissenschaftliche Kooperation aus TUM, Forschungszentrum Jülich und Helmholtz-Zentrum Hereon, die die Neutronen des FRM II für Gastforschende in Form von wissenschaftlichen Instrumenten verfügbar machen. Und so reiste Rezaeyan vom Lyell Centre der Heriot-Watt University in Edinburgh, Schottland, wo er damals tätig war, mit seinen Gesteinsproben – alle dünn geschliffen und ohne Gas- oder Flüssigkeitseinschlüsse – nach Garching, um Mikroporen aufzuspüren.

In den Kleinwinkelstreuinstrumenten am FRM II wurden die Proben mit Neutronen aus dem Reaktor bestrahlt. Da Neutronen nur mit den Kernen von Atomen interagieren, lässt sich aus dem Beugungsmuster, das der Detektor erfasst, die Anordnung der Atome und damit – indirekt – auch die der atomfreien Poren ableiten.

Zurück in Schottland korrelierte der Forscher die Messergebnisse mit den mikroskopischen Eigenschaften der Gesteinsproben. Das Ergebnis wurde jetzt veröffentlicht: Die Porosität der feinkörnigen Mudrocks ist demnach abhängig vom Anteil der Tonmineralien, welche die Sedimente enthalten: Je mehr Ton, desto größer die Wahrscheinlichkeit für kleine Poren mit weniger als 50 Nanometern Durchmesser. Gesteine mit einem hohen Ton-Gehalt sind daher potenziell geeignet, um als undurchlässige Schichten eine Deponie oder einen Gasspeicher im Untergrund zu versiegeln.

„Der Tongehalt ist dabei allerdings nur ein Teil des Puzzles: Es gibt eine ganze Reihe von Faktoren, die bei der Auswahl geeigneter Mudrock-Schichten für die Öl- und Gasgewinnung oder die Kohlendioxid-Speicherung berücksichtig werden müssen“, betont Rezaeyan. „Wir haben in die Datenanalyse daher weitere Faktoren – beispielsweise den Grad der Verdichtung des Gesteins und den Anteil an organischem Material – mitaufgenommen. Auf diese Weise konnten wir Korrelationen hoher statistischer Signifikanz herstellen.“

Mit Hilfe dieser Korrelationen soll es künftig möglich sein, auf Basis der Sedimentationsbedingungen abzuschätzen, welche physikalischen Eigenschaften feinkörnige Sedimentgesteine haben und ob sie als undurchlässige Deckschichten für Endlager und Kohlendioxid-Speicher geeignet sind.