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Die elektrischen Eigenschaften im Niederfrequenzbereich der Spektral Induzierten Polarisation (SIP) von silikatisch gebundenen, porösen Medien werden maßgeblich durch der Porenstruktur, der Art des Sättigungsfluids, der geochemischen Zusammensetzung und den Oberflächeneigenschaften (wie z.Bsp. der Oberflächenladung oder der Kationenaustauschkapazität) bestimmt. Einige Autoren konnten an Sandsteinen mit geringer Variation der petrophysikalischen Eigenschaften zeigen, dass die SIP-Relaxationszeit maßgeblich von der Porenhalsradienverteilung - ermittelt durch Quecksilberporosimetrie (MIP) - bestimmt wird. Diese Beobachtungen bezogen sich jedoch auf Probensätze mit dominanten Porenhalsgrößen (Ddom) im Bereich von 10 µm bis 100 µm. Betrachtet man heterogenere Datensätze von Sandsteinen mit vollkommen unterschiedlicher Herkunft und einer breiten Variation dominanter Porenhalsgrößen (z. Bsp. über vier Dekaden mit Ddom von 0.01 µm bis 100 µm), ist der Zusammenhang zwischen SIP-Relaxationszeit und MIP-Porenhalsgröße deutlich schwächer. Stattdessen beobachtet man auch für Proben mit engen Porenhälsen (Ddom < 5-10 µm) häufig relativ lange Relaxationszeiten (bzw. niederfrequente SIP-Relaxationen).
Um die Porensysteme in derartigen Medien besser zu charakterisieren, führen wir zusätzlich Untersuchungen mit µ-CT, Gassorption (BET), Quecksilberporosimetrie (MIP) und Nuklear-Magnetischer Resonanz (NMR) durch und versuchen, die verfahrensspezifisch und auflösungsbedingt unterschiedlichen Ergebnisse zu einer Gesamtaussage zusammenzuführen. In unserem Beitrag zeigen wir ausgewählte Ergebnisse einer systematischen Studie an insgesamt 16 Sandsteinen und 3 Tuffsteinen. Ziel dieser Arbeit ist es, einerseits durch die Methodenkombination Porenräume allgemein ganzheitlicher abzubilden, andererseits die beobachteten SIP-Relaxationszeiten so gut wie möglich charakteristischen Längen zuordnen zu können. Dies ist ein wichtiger Beitrag zur Klärung der Frage, ob die SIP-Relaxationszeit überhaupt maßgeblich von geometrischen Porenraumeigenschaften bestimmt wird oder ggf. von anderen Eigenschaften wie der chemischen Zusammensetzung (z.B. Tongehalt, Tonart) abhängt.
Die Methode der Spektral Induzierten Polarisation (SIP) wird eingesetzt, um hydraulische Parameter wie Porosität und Permeabilität von Gesteinen abzuleiten. Dabei wird ein Wechselstrom im Bereich von 1 mHz bis 45 kHz in das Gestein eingespeist und die Phasenverschiebung zwischen elektrischem Strom und Spannung gemessen, woraus die komplexe Leitfähigkeit berechnet wird.
In dieser Arbeit werden die komplexen Leitfähigkeiten von Fontainebleau Sandsteinen mittels einer am Leibnitz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) hergestellten Messzelle und einer SIP Apparatur des Forschungszentrums Jülich (FZJ) gemessen. Die Fontainebleau Sandsteine stammen aus Frankreich, südlich von Paris und zeichnen sich durch eine nahezu homogene Zusammensetzung aus Quartz aus. Für die Messungen wurden vier Blöcke mit jeweils vier Proben ausgewählt, die in Porosität und Permeabilität variieren. Für die SIP-Messungen werden die Gesteinsproben mit Natriumchlorid Lösung unterschiedlicher Leitfähigkeiten gesättigt, um die Abhängigkeit der IP-Spektren von der Leitfähigkeit des Porenfluids zu untersuchen. Die Messungen werden mit anderen petrophysikalischen Untersuchungen ergänzt, wie z.B. der Bestimmung der Porenradienverteilung mittels Quecksilberporosimetrie und der spezifischen inneren Oberfläche mit Gassorption (BET). Mit dem Raster-Ektronen-Mikroskop werden hochauflösende Bilder der inneren Gesteinsstruktur erzeugt und ausgewertet.
Erste Ergebnisse der SIP-Messungen zeigen deutliche Phasenmaxima im niederfrequenten Bereich, die hinsichtlich ihrer Amplitude und Frequenzlage zwischen den Blöcken variieren.
Ziel der Arbeit ist eine systematische Untersuchung der Polarisationseigenschaften bezüglich der Variabilität von Porosität, Porenradienverteilung, spezifischen inneren Oberfläche und Fluidleitfähigkeit, um die Zusammenhänge qualitativ und quantitativ zu charakterisieren.
In der Vergangenheit wurde immer wieder diskutiert, ob die Porenhalsverteilung poröser silikatischer Medien maßgeblich die Relaxationszeit in Messergebnissen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) bestimmt und dementsprechend auch neuere Ansätze, Porenweitenverteilungen aus diesen Daten abzuleiten, zuverlässig sein können. Systematische Studien an Gesteinen mit sehr unterschiedlichen Porenverteilungen zeigten, dass in Materialien mit engen Porenhälsen (z.B. < 5 μm) vor allem oder zusätzlich zum vermuteten Porenhalspeak niederfrequente Relaxationen zu beobachten sind, deren Ursache noch unklar ist.
Unter Einbeziehung der Methoden Röntgen-Computertomografie (μ-CT), Quecksilberporosimetrie (MIP), Stickstoffabsortion, Nukleare Magnetische Resonanz, SIP und Auflichtmikroskopie untersuchen wir den Porenraum hinsichtlich der Parameter Porosität, Permeabilität und innere Oberfläche und bestimmen die geometrischen Eigenschaften wie Porenweitenverteilungen oder fraktale Dimension durch verschiedene Algorithmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Methoden hinsichtlich der Grenzen ihres Auflösungsvermögens unterscheiden. Mit einer Zusammenführung der Ergebnisse aller Methoden kann eine mehrere Längenskalen überdeckende Charakterisierung der Porenraumgeometrie erfolgen.
Die Anwendung und Auswertung der verschiedenen Methoden werden am Beispiel von Baumberger Kalksandstein und Bentheimer Sandstein verglichen und diskutiert.
The ability to reliably predict the amount and type of salts within a wet masonry is one of the most important and challenging subjects in the field of non-destructive combat of salt attack and preserving buildings and monuments of historical or archaeological value. To investigate the potential value of complex resistivity (CR) measurements for the early detection of salt and moisture related stone altering, a controlled salt type and concentration experiment series has been performed and a new procedure of an image based effective impedance modelling developed. Complex resistivity magnitude and phase measurements in the frequency range of 1 mHz to 100 Hz were acquired on a wide variety of wholly and partially brine saturated building stone samples. Deteriorating agents NaCl, Na2SO4, CaCl2 and MgSO4 were used. Since water and salt are not measured directly, the method is incapable of deducing possible building damages lacking a priori information. In the case of saturated materials, and provided thorough calibration data are available, a reliable estimate of salt concentration is possible from the measured resistivity magnitude. Additional indication on the dominant cation in the solution can be obtained from the measured resistivity phase, which is significantly higher the lower its valency. Furthermore, the measurements reported in this study give an important guide to the limitations of CR in obtaining pore surface area and pore throat estimates. For wet porous materials, in which polarization occurs due to complex surface conduction, the dominant pore throat and amount of specific surface affect its polarizability. Sandstones, sand-limestones and aerated concretes are more qualified observation objects (pore throats between 20 and 100 μm), whereas for bricks (pore sizes often < 5 μm) the method seems far less favorable. For those materials, which exhibit a Cole-Cole (C-C) type of relaxation, the phase peak is observed to decrease significantly with pore throat size and to occur at higher frequencies. The predicted power-law correlation between the C-C relaxation time and characteristic length scale (pore throat size for consolidated materials) is supported by the presented data. The experimental salinity study reveals how responsive polarization (in terms of imaginary conductivity) is to changing the ionic concentration or composition of the pore fluid. The properties of the electrical double layer and particularly its chemical composition are most likely the crucial controlling factors. The imaginary conductivity is observed to increase for most materials up to fluid salinities of about 1 S/m - a fact, that may be attributed to a mechanism of ion saturation within the electrical double layer; further ion supply seems to counteract this leading to ion-ion interactions, which decrease ionic mobility. CR measurements on partially saturated samples demonstrate the method’s sensitivity to water content. For most materials the imaginary conductivity component decreased significantly faster than the real component. Independent of the pore fluid and even though its salinity naturally increased during the evaporative drying procedure, the normalized saturation exponent of the quadrature component was about twice as high as the real one especially for clay-rich sandstones. The results revealed diverse behavior such as decreases and increases in relaxation time with saturation. In some cases a suppression of a distinctive relaxation curve at low saturations was observed. The results indicate, that contrary to conclusions from recent related studies, the correlation between a C-C relaxation time and hydraulic properties may be limited. In order to infer information on the charge distributions within the EDL, zeta-potentials and surface charge densities were obtained from electroacoustic measurements on particle suspension containing the same amounts and types of salt like used in the brine saturation CR study. The results add weight to the assumption that there is some universal positive relationship between zeta-potential and imaginary conductivity. A notable dependence of imaginary conductivity on diffuse layer surface charge was only observed in case of one sandstone (Cottaer), this being the material with the most abundant clay content. An image based effective impedance modelling approach revealed the fact that, even though it is not able to factor scale effects in, it is helpful to study general microstructural implications on CR responses. It was observed, that an increasing salt concentration (that creates a shrinking electrical double layer) reduces the peak phase and moves it towards higher frequency. The same effect would have an increasing fluid conductivity for a otherwise fixed microstructure. For some combinations of material and salt, however, in the experimental work the peak phase was observed to shift towards lower frequency: a phenomenon that could not be explained with the modelling. Therefore, it is assumed that chemical properties, like ion mobilities or other surface chemistry properties (ionexchange processes) must be regarded to conclusively explain surface conductivity mechanisms. Other experimental observations like the alteration of CR spectra at desaturation could likewise be modelled. If these models truly mimic the effective electrical properties, the results give new implications on the effective medium behavior. Concluding, the author values the complex resistivity method as a possible effective non-destructive testing (NDT) tool for a wide range of building stones. Depending on pore size and saturation important additional information can be obtained. In all cases, a priori information and calibration data are essential, that is, CR should not be treated as a stand-alone method. Further measurements are needed to develop a more complete model of the electrical double layer and its alteration with changing salinity and ion types.