Aufenthalte am GeoForschungsZentrum Potsdam (XII)

Praktikumsbericht

Praktikum am GeoForschungsZentrum Potsdam
vom 20. bis zum 30. August 2006
Von Christina Redmers

In den Sommerferien absolvierte ich mein Praktikum im Rahmen der Auricher Wissenschaftstage am GeoForschungsZentrum in Potsdam in der Sektion 3.2 „Deformation und Rheologie“. Diese Sektion befasst sich mit den Verformungen und den Transportvorgängen in verschiedenen Gesteinen.

Anfangs wurde ich in allen Aufgabenfeldern eingesetzt, wie zum Beispiel in der Abteilung der Seismologie, die nach der jetzigen Erdbebenentwicklung in der Türkei forscht, was ich auch ziemlich interessant fand und womit ich mich vorher schon beschäftigte. So konnte ich einen sehr großen Einblick in die Forschung gewinnen.

Während meines Praktikums war Herr A. Reinicke mein Betreuer. Sein aktuelles Projekt handelte von der Permeabilität der verschiedenen Gesteinsarten. Gleich am ersten Tag wurde ich sofort in dieses Thema mit eingebunden, und dessen Forschungen gehörten auch später zu meinen Hauptaufgaben.

Was ist Permeabilität? Permeabilität ist ein Maß für das Durchfließen von Fluiden (Flüssigkeiten) durch Gesteine. Die Maßeinheit hierbei ist Darcy, welches nach dem französischen Ingenieur Henry Darcy, der sich mit der Durchströmung poröser Medien beschäftigte, benannt wurde. Die Permeabilität wird nach seinem Gesetz definiert und lautet:

Gesetz von Henry Darcy, 2 k

Legende: k = Permeabilität [m²]
q = Fließrate [m³/s]
l = Länge der Probe [m]
μ = Viskosität von Wasser [Pa s]
A = Querschnittsfläche der Probe [m²]
Δp = Druckdifferenz über der Probe [Pa]

In den ersten Tagen berechnete ich die verschiedenen Permeabilitäten des Bentheimer Sandsteins bei unterschiedlichen Druckdifferenzen. Ich kam zu den Ergebnissen, dass der Stein bei höheren Belastungen so verformt wird, dass sich die Poren verschließen und weniger Fluid durch das Gestein fließen kann.

Diagramm, 18 k

Ergebnisdiagramm meiner Berechnungen

In der zweiten Woche führten Herr Reinicke und ich das Experiment „Channel Flow“ durch.

„Channel Flow“ ist ein Experiment, bei dem untersucht werden soll, ob sich in einem Sandstein durch das Durchfließen von einem Fluid bestimme Fließwege bilden. Bei diesem Experiment wird zuerst als Vorbereitung flüssiges Silikon an die Umhüllung des Sandsteines gegeben, um so zu verhindern, dass die Fließwege des Wassers an den Mantel des Sandsteins geraten und nicht im Inneren des Steines durchströmen.

Das Experiment besteht aus 4 Versuchsschritten:

Nachguss des verfärbten Fluids

Entfernung der Luft im Inneren der Probe mit Hilfe von CO₂
Alle 10 Minuten wird gekühltes CO₂ durch einen Schlauch auf die Sandsteinprobe gegeben, um so die Luft aus den Poren zu entfernen, dass das gefärbte Fluid besser in die Poren eindringen kann und auch so die Fließwege besser zu erkennen sind.
Die Färbung
Textilfarbstoff wird in 60°C heißem Wasser aufgelöst. Die Lösung wird etwa zwei Stunden durch die Sandsteinprobe geleitet. In unterschiedlichen Zeitabständen wird die Durchflussmenge bestimmt, anschließend ca. 30 Minuten bei 40°C mit Wasser gespült. Nach ca. 2 Stunden ist die Probe vollständig gefärbt, wie man an der Einfärbung des Mantels erkennt.
Lösen
Zu Beginn wird ein Trichter auf die Mitte der Probe mit 2-Komponentenkleber befestigt, damit nur an einem Punkt das Wasserstoffperoxid einströmt, somit entsteht ein Fließtrichter und die Fließwege sind (hoffentlich) besser zu erkennen. Die Probe wird etwa 3 Stunden mit H₂O₂ durchströmt bis die Probe sich vollständig entfärbt hat. Zuletzt wird die Probe nochmals mit Wasser gespült.
Teilen des Sandsteines
Mit einer Kreissäge wurde der Sandstein entlang der Probenachse geteilt, um so die Fließwege zu erkennen.

Unsere Auswertung ergab folgende Ergebnisse:

Die Färbung
Mit Hilfe der Tabellen haben wir mit Excel 4 Diagramme erstellt, die uns genau das Verhalten vom Druck und der Durchflussmenge zu der Zeit zeigen.

Erstes Diagramm nach Versuch 1, erst rascher Abfall → lineares Verhalten

Das schnelle Einfließen des Wassers ist durch die Verdrängung des CO₂-Gases zu erklären. Zuerst muss ausschließlich das Gas verdrängt werden bzw. löst sich ein Teil des Gases im Fluid. Dies stellt einen geringeren Widerstand als die Verdrängung von Wasser für die Strömung dar. Nachdem die Probe Wasser gesättigt ist, verlangsamt sich daher das Einströmen.

Drittes Diagramm, Versuch 2, nur Lineares Verhalten

Die beiden letzten Diagramme zeigen nur ein lineares Verhalten der Gerade, da das zweite Experiment nur ein Nachguss auf die gleiche Probe ist.
Die Färbung
Das Wasserstoffperoxid hat den Sandstein innerlich fast völlig entfärbt. Nur im oberen Bereich konnte man noch leichte Verfärbungen erkennen. Die Fließwege sind (leider) nicht deutlich sichtbar geworden, jedoch können sie durch Betrachten des Inneren des Sandsteines erahnt werden.

Fazit des Experiments: „Channel Flow“ konnte nicht am hochpermeablen Bentheimer Sandstein nach jetzigen Stand der Dinge nicht nachgewiesen werden.

Mikroskopie des Inneren eines Sandsteins, 31 k

Mikroskopie des Inneren eines Sandsteins.
Man kann deutlich die blaue Verfärbung erkennen.

Fazit

Das Praktikum am GeoForschungsZentrum hat mir sehr gut gefallen. Ich wurde sofort sehr herzlich aufgenommen und konnte durch die Arbeit an den Forschungsprojekten viele Einblicke in die verschiedensten geologischen Bereiche sammeln, was mir sehr wichtig war.

Außerdem möchte ich mich noch einmal recht herzlich bei allen Mitarbeitern dafür bedanken, dass sie sich Zeit genommen haben, mich in ihre Arbeiten mit einzubeziehen und mir die Chance gegeben haben, eigenständig zu arbeiten und an ihren Experimenten teilzuhaben. Es war eine sehr interessante und lehrreiche Zeit, die für meine spätere Berufswahl sicherlich entscheidend sein wird.

Schlussfolgernd kann ich den Leuten, die sich für Geologie interessieren, ein solches Praktikum bestens empfehlen.

Vielen Dank nochmals an die Organisatoren der Auricher Wissenschaftstage, die mir das Praktikum ermöglichten!

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