Visualisierung und Quantifizierung der Fluiddynamik in Bohrkernen aus dem Salinar und Deckgebirge des Raumes Staßfurt mittels Positronen-Emissions-Tomographie

Der ehemalige Salzbergbau im Raum Staßfurt führt seit dem 19. Jahrhundert zu Subrosion und teils bruchhaften Deformationen und damit verbundenen Senkungen und Vernässungen im Stadtgebiet. Im Rahmen eines Forschungsverbundvorhabens unter Federführung der BGR sollen in dieser Arbeit die grundlegenden strömungsdynamischen Prozesse im Salinar und Deckgebirge der betroffenen geologischen Formationen aufgeklärt werden. An Bohrkernen aus den entsprechenden Bereichen werden Durchflussexperimente durchgeführt und die Fluiddynamik im Inneren der Proben mittels Positronen-Emissions-Tomographie dreidimensional dargestellt. In Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung- und prüfung Berlin und dem Geologischen Institut der Johannes-Gutenberg Universität Mainz werden diese PET-Messungen der Fluiddynamik mit hochauflösenden computertomographischen Messungen der internen Struktur der Proben in Übereinstimmung gebracht. Die beobachteten Fließmuster sollen mittels einer Lattice-Boltzmann-Simulation nachvollzogen und dadurch das grundlegende Verständnis der Strömungsdynamik in diesen Gesteinen erweitert werden. Langfristig soll dies zu einer Verbesserung des Verständnisses der Grundwasserdynamik auf regionaler Ebene führen.:1 Einleitung 1 1.1 Die Stadt Staßfurt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Bildgebende tomographische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Die PET in den Geowissenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Geologische Übersicht 9 2.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Das Zechsteinmeer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2 Das Subherzyne Becken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.3 Der Staßfurt-Egelner Salzsattel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Stratigraphie und Hydrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Stratigraphische Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Anstehende Wässer und deren Migration . . . . . . . . . . . . . . . 15 3 Die Positronen-Emissions-Tomographie 19 3.1 Entstehung des Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Die Auflösung des Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.1 Die Grenzen der Ortsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.2 Messfehler und Bildrekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.3 Konsequenzen für die Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4 Material und Methoden 27 4.1 Die Bohrkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2 Die Injektionslösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.3 Probenvorbereitung und Experimentverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.4 Auswertemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4.1 Visualisierung und Datenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4.2 Bestimmung hydrodynamischer Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . 34 4.4.3 Variographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5 Ergebnisse 47 5.1 Chemische Analysen der Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.2 PET- und CT-Daten und resultierende Durchbruchkurven . . . . . . . . . . 50 5.2.1 Hauptanhydrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2.2 Unterer Buntsandstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.2.3 Mechanisch belastetes Steinsalz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2.4 Hohlraumversatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.3 Ermittlung raumbezogener Parameter in der Literatur und mit den vorhandenen Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.4 Variographischer Abgleich verschiedener Datensätze . . . . . . . . . . . . . 72 5.4.1 Aussagekraft von Variogrammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 i 5.4.2 Vergleich von Messung und Modellierung mittels 3D-Variographie . 79 6 Diskussion 93 6.1 Diskussion der PET-Daten und Durchbruchkurven . . . . . . . . . . . . . . 93 6.2 Diskussion der Ermittlung raumbezonener Parameter . . . . . . . . . . . . . 100 6.3 Diskussion des variographischen Abgleichs verschiedener Datensätze . . . . 101 6.4 Auswirkungen auf das hydrologische Modell Staßfurts . . . . . . . . . . . . 102 7 Ausblick 105 Literatur 109 Anhang xi A Bohrpunkte und Lösungen xiii B 3D-Variographie des mechanisch belasteten Salzkerns xv C Hydrodynamische Parameter xvii C.1 Bohrkern aus der Leine Formation z3A3 - Hauptanhydrit . . . . . . . . . . xvii C.2 Bohrkern aus dem Unteren Buntsandstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii C.3 Mechanisch belasteter Bohrkern aus dem z2Na Staßfurt-Steinsalz . . . . . . xix C.4 Bohrkern aus dem Hohlraumversatz des Grubenbaus Leopoldshall I /II . . . xx C.5 Probe aus gepresstem Kaolinit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi D Quelltext wichtiger Funktionen xxiii D.1 Datenreduktion - Ausschneiden des Bohrkerns . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiv D.2 Vergröberung der Auflösung eines PET-Bildes . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiv D.3 Verteilung der Maximalwerte und deren Histogramme . . . . . . . . . . . . xxv D.4 Empirische Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxv D.5 Richtungsabhängige Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvi D.6 Dreidimensionale Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxix D.7 Ebenenweise Variogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi E Liste der Kooperationspartner xxxii