PET-Prozesstomographie von Transportvorgängen in Bohrkernen zur Verbesserung des Prozessverständnisses und zur Verifikation von Modellcodes

Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wird seit etwa 10 Jahren im HZDR, Forschungsstelle Leipzig, für tomographische Untersuchungen an Bohrkernen eingesetzt. Unikal ist hier die Verfügbarkeit einer hochauflösenden PET-Kamera in einem Radionuklidlabor für geowissenschaftliche Untersuchungen. Durch die Nutzung von Radiotracern können Prozesse in opaken Medien rückwirkungslos und mit höchster Selektivität und Sensitivität (< 1 picoMol/Voxel) bei akzeptablem Auflösungsvermögen (1.3 mm) dargestellt werden. Dabei steht nicht die Strukturinformation, wie bei Ultraschall- oder Röntgentomographie (CT), im Vordergrund, sondern der zeitliche Verlauf der Ausbreitung des Radiotracers unter den Einflüssen von Advektion, Dispersion und chemischer Reaktion. Es hat sich herausgestellt, dass präferentielle Transportpfade vorherrschend sind und deshalb nur ein geringer Anteil des Volumens an den Prozessen beteiligt ist. Dies erklärt, warum die Übertragbarkeit auf die makroskopische Skala von petrophysikalischen Parametern, die an kleinen Proben gewonnen werden, oder von physiko-chemischen Parametern aus Batch-Experimenten mit Suspensionen, oftmals versagt.
Im Vergleich zur üblichen Anwendung der PET zur molekularen Bildgebung in biologischem Gewebe besitzen Gesteine eine hohe Dichte. Dadurch wird der Einfluss von Compton-Streuung und Massenschwächung der Annihilationsphotonen signifikant und durch übliche Korrekturalgorithmen nur unzulänglich berücksichtigt, so dass bei der Bildrekonstruktion Artefakte entstehen können. Zur Korrektur dieser Effekte werden Monte-Carlo-Simulationen eingesetzt, die alle kernphysikalischen Prozesse berücksichtigen, vom Zerfall des Positrons über die relevanten Streuprozesse bis zur Detektion der Annihilationsstrahlung und anderer Gammaquanten in der Kamera. Prinzipiell erlaubt dieses Verfahren auch die Inversion der gemessenen Daten, wobei Schwächungs- und Streuparameter aus CT-Bildern abgeleitet werden können.
Als Ergebnis von Transportuntersuchungen in Bohrkernen mit zeitlich aufgelösten PET-Aufnahmen stehen zeitabhängige 3D-Datensätze der quantitativen Tracerverteilung zur Verfügung. Diese dienen einerseits der Ableitung effektiver Transportparameter (Geschwindigkeitsverteilung, Volumen, innere Oberfläche, Kinetik), andererseits geben sie Aufschluss über die real im Gestein ablaufenden Prozesse und können somit den Aufbau numerischer Transportmodelle parametrisieren und Transportcodes kalibrieren und durch direkten Vergleich verifizieren.