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Lexikon der Geowissenschaften: Porenraum

Porenraum, das gesamte von Hohlräumen (Poren) in einem Gestein ausgefüllte Volumen Vpor, das entweder mit einem Gas oder Fluid gefüllt ist. Die Gesamtporosität φ ist dann das Verhältnis von Vpor zu Gesamtgesteinsvolumen VT:



Bei der Auswirkung von Druck auf den Porenraum müssen hydrostatischer Druck und deviatorische Druckbedingungen unterschieden werden. Hydrostatischer Druck wirkt der temperaturinduzierten Rißbildung entgegen (thermische Ausdehnung, Petrophysik). Im Labor werden ca. 100 MPa hydrostatischer Druck benötigt, um die bei einer Temperaturerhöhung um 100 K induzierten Risse wieder zu schließen. Dabei müssen isostatischer Druck und deviatorische Streßbedingungen unterschieden werden. Dem äußeren Druck kann ein Porendruck entgegenwirken. Wird in einem offenen System gearbeitet (›drained conditions‹), kann der Porendruck abgebaut werden. Der äußere Druck entspricht damit dem wirksamen (effektiven) Druck. Wird kein Transport der Porenfüllung nach außen zugelassen (›undrained conditions‹) baut sich in den Poren und Rissen ein Gegendruck auf ( Abb. 1). Der effektive (wirksame) Druck auf das Gestein Peff ergibt sich aus dem mittleren Porendruck Ppore und dem äußeren Druck P:

Peff=P-PPore.

Bei isostatischen Bedingungen führen bereits niedrigere effektive Drücke zum Schließen der meisten Risse. Mit zunehmenden Druck werden auch größere Risse geschlossen. Sphärische Poren können durch einen hydrostatischen Druck nicht geschlossen werden, bis die Festigkeit des Gesteins erreicht wird ( Abb. 2). Wirkt auf die Proben ein gerichteter Druck, hängt das Schließen der Risse neben der Größe und dem aspect ratio auch von der Orientierung der Risse ab. Bei gerichtetem Druck werden Risse, die senkrecht zum Druck orientiert sind, bevorzugt geschlossen. Sphärische Poren werden ausgelenkt und können bei deviatorischem Streß geschlossen werden. Durch innere Spannungen können auch Risse induziert werden ( Abb. 3).

Sowohl bei hydrostatischem als auch bei gerichtetem Druck sind Poren bzw. Risse auch bei höheren Drücken vorhanden. Das mittlere Rißvolumen nimmt jedoch i.a. mit zunehmendem Druck ab. [HBr, FRS]


Porenraum 1: Dem äußeren Druck P wird ein Porendruck PPore überlagert. Porenraum 1:

Porenraum 2: Änderung der Rißgeometrie bei hydrostatischem Druck. Risse mit einer großen Auslenkung (aspect-ratio) (1) verschwinden, während Risse gleichen Volumens mit einem geringen aspect-ratio (sphärisch) kleiner werden (2). Kleine Risse (3) werden bei geringeren Drücken eher geschlossen als größere (2) (bei gleichem aspect-ratio). Sphärische Poren bleiben bei hydrostatischem Druck erhalten und verringern ihre Größe (4). Porenraum 2:

Porenraum 3: Änderung der Rißgeometrie durch deviatorischen Streß. Risse, die senkrecht zum Druck P orientiert sind (1), verschwinden bei geringen Drücken, während Risse gleicher Größe mit einer anderen Orientierung (2) erhalten bleiben. Dabei kann es zu einer Volumenzunahme des Risses kommen (2). Sphärische Poren werden ausgelenkt (3) bzw. bei geringeren Volumina oder hohen Drücken geschlossen (4). Bei der Deformation können neue Risse induziert werden (5). Porenraum 3:
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