3D-Visualisierung und Quantifizierung von Fluidströmungen in Salinargestein mittels Positronen-Emissions-Tomographie

Anhand der Bergbaufolgeschäden des ehemaligen Kali- und Steinsalzbergbau im Raum Staßfurt (Sachsen-Anhalt) wurden im Rahmen des Forschungsverbundvorhaben Dynamik abgesoffener oder gefluteter Salzbergwerke und ihres Deckgebirgsstockwerks Ursachen, Prozesse und Auswirkungen der Bergschäden exemplarisch und umfassend untersucht.
Ein verbessertes Prozessverständnis, das auf kleinskaligen experimentellen Untersuchung der Strukturen und Prozesse im Labormaßstab und damit verbundenen Modellierungen beruht, soll zur Aufklärung des Geschehens und möglicher Folgen beitragen.
Zu diesem Zweck wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Teilvorhaben zur strukturbezogenen Prozessmodellierung eine Methode zur direkten räumlich aufgelösten und quantitativen Prozessbeobachtung entwickelt und angewendet. Hierfür wurde als bildgebendes Verfahren die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eingesetzt. Hierfür wird ein Teil des injizierten Fluids mit Spuren eines Radiotracers markiert. Die Tracerkonzentration kann zerstörungsfrei, mit höchstmöglicher Empfindlichkeit und einem geeignetem Auflösungsvermögen in Raum und Zeit abgebildet werden. Der Prozess wird durch den Tracer auf geringst mögliche Weise beeinflusst und es wird ein realistisches Bild der Tracerverteilung, bzw. des Fließverhaltens, mit einer räumlichen Auflösung von 1 mm und einer zeitlichen Auflösung von 60s erzeugt.
Dieses Fließverhalten lässt sich mit räumlich heterogenen und prozessabhängigen Verteilungen von Parametern, wie effektiven Volumina, Permeabilitäten, Abstandsgeschwindigkeiten und Dispersionsraten beschreiben. Einem besseren Prozessverständnis dient insbesondere der Abgleich mit mit Lattice-Boltzmann-Simulationen der Fließprozesse, die auf hochauflösenden computertomographischen (µXCT) Messungen der internen Struktur der identischen Bohrkerne beruhen. Dieser Vergleich von PET-Messdaten mit Lattice-Boltzmann - Simulationsdaten, der zugleich eine Skalenübertragung um etwa drei Größenordnungen bedeutet, erfolgt mit geostatistischen Methoden.
Nicht in jedem Fall war dieser Abgleich zwischen Simulation und Experiment möglich: Während in klüftig-porösen Materialien gewöhnlich mit beiden Methoden räumlich stark differenzierte präferentielle Fließwege im Kluftsystem gefunden wurden, konnte in eher mikrostrukturell ausgeprägten Materialien trotz messbarer Permeabilität gelegentlich kein verbundener Porenraum aus den CT-Bildern segmentiert und somit keine LBM-Simulation durchgeführt werden. In diesem Fall zeigte die PET-Untersuchung ein diffuses Ausbreitungsverhalten des Tracers.