Petrophysikalische Charakterisierung von Karbonatgesteinen KURZBERICHT

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1 Petrophysikalische Charakterisierung von Karbonatgesteinen KURZBERICHT Robert Scholger Lehrstuhl für Geophysik Montanuniversität Leoben Leoben, im Juli

2 1. Einleitung Die petrophysikalischen Untersuchungen wurden im Petrophysiklabor am Lehrstuhl für Geophysik der Montanuniversität Leoben durchgeführt. Die Proben wurden von der GBA zur Verfügung gestellt, welche im Rahmen des Projektes Vorkommen von hochreinen und weißen Karbonatgesteinen in Österreich (siehe anhand eines W-E- Profils Weiße und Geochemie der Gesteine untersuchte. Die petrophysikalischen Messungen umfassten die Bestimmung der Porosität, der Korndichte, der seismischen Geschwindigkeit, der magnetischen Suszeptibilität und des spezifischen elektrischen Widerstandes. Die Messungen dienten dem Zweck eine Möglichkeit zur Unterscheidung der fünf Gesteinsarten (Kalzit, Dolomit, Kalzitmarmor, Dolomitmarmor und Kalksandstein) hinsichtlich Konsolidierung und mineralogischer Zusammensetzung mit Hilfe petrophysikalischer Messmethoden zu untersuchen. Vor allem mit Hilfe der Wyllie- Gleichung und der Korndichte sollte versucht werden, den Dolomit- und Kalzitgehalt abzuschätzen und damit eine Charakterisierung der Proben zu ermöglichen. Die Gesteinsdefinition, die stratigraphische Zuordnung und die Lokalität der einzelnen Proben, welche in der Wertetabelle im Anhang angeführt sind, wurden von der GBA üübernommen. Zur Messung der petrophysikalischen Parameter wurden zylindrische Proben mit einer Höhe von ca. 21mm und einem Durchmesser von ca. 25mm mit Hilfe eines Kernbohrers angefertigt. Die Arbeiten wurden im Rahmen von 2 Bakkalaureatsarbeiten am Department für Angewandte Geowissenschaften und Geophysik der Montanuniversität Leoben durchgeführt. 2

3 2. Meßmethoden Korndichte und Porosität Die Bestimmung der Korndichte und der Porosität erfolgte mittels des archimedischen Prinzips (Abb. 1). Um die Porosität und die Korndichte zu erhalten müssen vier Parameter bestimmt werden: die Masse der trockenen Proben in Luft m tl, die Masse der wassergesättigten Probe in Luft m gl, die Masse der wassergesättigten Probe in Wasser m gw, d.h. unter Auftrieb, und die Dichte des Wassers ρ H2O. Abb 1: Waage und Probenhalterung Magnetische Suszeptibilität Aufgrund der diamagnetischen Eigenschaften von Kalzit und Dolomit sind negative Messwerte der magnetischen Suszeptibilität zu erwarten. Abweichungen vom Durchschnittswert der Karbonate erlauben Rückschlüsse auf mögliche Verunreinigungen durch paramagnetische und ferrimagnetische Minerale (wie Fe-Sulfide und Fe-Ti-Oxide). Die Messung der Suszeptibilität der Proben erfolgte mittels eines Kappameters der Firma Geofyzika. Um Messfehler zu minimieren wurde jede Probe dreifach gemessen und der daraus resultierende Mittelwert wurde auf die Masse (massenspezifische Suszeptibilität in m /kg) und auf das Volumen (in SI einheitenlos) normiert.

4 Ultraschall Geschwindigkeit Die elastischen Eigenschaften bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elastischen Wellen in Gesteinen werden durch die Dichte und die Porosität der Proben dominiert. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v (m/s) elastischer Wellen in einem Gestein setzt sich aus den Einzelgeschwindigkeiten der mineralischen Bestandteile, der Poren- bzw. Kluftfüllung und der Kontaktbedingungen im Gesteinsgefüge zusammen. Da die Kompressionswelle neben der Gesteinsmatrix auch die im Porenraum vorhandene Flüssigkeit durchläuft, wurde diese Messmethode herangezogen um die Proben sowohl im gesättigten als auch im ungesättigten Zustand messen zu können. Für die Messung wird die Probe zwischen zwei Prüfköpfe, Sender und Empfänger, eingespannt. Die Messfrequenz der verwendeten Prüfköpfe liegt zwischen 0,8 und Megaherz (MHz). Eine pneumatische Spannvorrichtung gewährleistet einen konstanten Anpressdruck (Abb. 2). Abb.2 : Ultraschallmessplatz Für die Messung wird über piezoelektrische Elemente in den Prüfköpfen ein Δ-Impuls generiert, welcher in einen mechanischen Impuls umgewandelt wird. Die mechanische Welle durchläuft anschließend die Probe und aus der Laufzeit des am Empfänger aufgezeichneten Ersteinsatzes der ankommenden Welle und der Dicke der Probe erfolgt die Berechnung der Geschwindigkeit. Geschwindigkeitswerte aus der Literatur (Tab. 1) können zum Vergleich herangezogen werden. Tab.1 : v p ausgesuchter Gesteine und Minerale (aus: Carmichael, 1982) Kalkstein Marmor Kalzit Dolomit 5,6-6, km/s 6,2-6,9 km/s 5,54-7,5 km/s 5,-7,4 km/s 4

5 Elektrischer Widerstand Im trockenen Zustand wird die elektrische Leitfähigkeit eines Gesteins von der Leitfähigkeit der Gesteinsmatrix bestimmt. Im wassergesättigten Zustand dominiert die elektrolytische Leitung des Porenfluids und die elektrischen Eigenschaften werden hauptsächlich von der Porosität und der Konnektivität der Poren beeinflusst. Isolierte Porenräume leisten keinen Beitrag zur Leitung des elektrischen Stroms. Der elektrische Widerstand, der reziproke Wert der elektrischen Leitfähigkeit, der Proben wurde nur im wassergesättigten Zustand gemessen. Die Ankopplung der Stromelektroden erfolgte, wie bei der Ultraschallmessung, durch eine pneumatische Spannvorrichtung (Abb. ). Abb. : Spannvorrichtung für elektrische Widerstandsmessung Da mit der Austrocknung der Proben die Messwerte verändert werden (Widerstand steigt), wird eine Gummimanschette über die zylindrischen Proben gestülpt. Ein weiterer positiver Nebeneffekt der verwendeten Manschette ist, dass der Strom nicht am Wasserfilm, der sich am Zylindermantel gebildet hat, entlang fließt. Bei den Stromelektroden handelt es sich um Messingelektroden (Abb.). Diese speisen an der Ober- und Unterseite der Probe den Strom ein und messen gleichzeitig die auftretende Potentialdifferenz. Aufgrund der hohen Messfrequenz von 108 Herz werden nur zwei statt vier Messelektroden benötigt. Über die Messgeometrie lässt sich der scheinbare elektrische Widerstand ρ a, berechnen. 5

6 . Beschreibung der Ergebnisse Kalzitmarmor und Kalkstein weisen eine geringere Korndichte (2,61-2,72 g/cm ) als Dolomit und Dolomitmarmor auf (2,64-2,84g/cm ), (Diagramm 1). Bis auf wenige Ausnahmen kann bei einer Korndichte von ca. 2,71g/cm eine Grenze zwischen kalzitischen und dolomitischen Gesteinen gezogen werden. Korndichte Dolomit 2 Dolomitmarmor Kalzitmarmor 4 Kalkstein 0 2,60 2,70 2,80 2,90 Korndichte Diagramm 1 Alle Proben zeigen Porositäten im Bereich von 1-4% (Diagramm 2). Da alle Gesteinsproben im selben Wertebereich liegen und eine große Streuung besitzen, können aufgrund der Porositäten keine Rückschlüsse auf die verschiedenen Gesteinsarten getroffen werden. Porosität Dolomit 2 Dolomitmarmor Kalzitmarmor 4 Kalkstein Porosität Diagramm 2 6

7 Die magnetische Suszeptibilität von Dolomit und Kalkstein liegt zwischen 15 und 5*10-6 SI-Einheiten. Die Messergebnisse der Marmore weisen eine wesentlich größere Streuung auf und liegen im Bereich von 15 und 50*10-6 (Diagramm ). Volumensuszeptibilität Dolomit 2 Dolomitmarmor Kalzitmarmor 4 Kalkstein Volumensuszeptibilität Diagramm Die Ultraschall-Messungen ergeben Geschwindigkeiten im Bereich von m/s (Diagramm 4). Nach Sättigung der Proben mit einer Lösung (1,17g NaCl auf 2l) nehmen die Ultraschallgeschwindigkeiten zu, da der Einfluss des Porenraums verkleinert wird. Da alle Gesteinsproben im selben Wertebereich liegen und eine große Streuung besitzen, können aufgrund der Ultraschallgeschwindigkeit keine Rückschlüsse auf die verschiedenen Gesteinsarten getroffen werden. vp - vp gesättigt 7500 vp gesättigt (m/ Dolomit Dolomitmarmor Kalzitmarmor Kalkstein Kalksandstein vp (m/s) Diagramm 4 7

8 Die Werte für den spezifischen elektrischen Widerstand liegen im Bereich 800 bis 500 Ohm (Diagramm 5). Aufgrund des größeren Porenvolumens und dem daraus resultierenden größeren Einflusses des Elektrolyts zeigen dolomitische Gesteine im allgemeinen einen geringeren Widerstand als kalzitische Gesteine. Widerstand Dolomit 2 Dolomitmarmor Kalzitmarmor 4 Kalkstein Widerstand Diagramm 5 Ein Zusammenhang zwischen Porosität und Widerstand ist zu erkennen (Diagramm 6). Widerstand-Porosität 15 Porosität Porosität (g Dolomit Dolomitmarmor Kalzitmarmor Kalkstein Kalksandstein Widerstand Diagramm 6 8

9 Literatur Schön, J. H. (1996): Physical Properties of Rocks: Fundamentals and Principles of Petrophysics. Seismic Exploration, Vol. 18, Pergamon Press, 58 p. Carmichael, R. S. (1982): Handbook of physical Properties of rocks, Vol. II, CRC Press, 45 p. Mooshammer, B. (1999): Vorkommen von hochreinen und weißen Karbonatgesteinen in Österreich, Berichte der geologischen Bundesanstalt, GBA, p.. 9

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