In der Geologie, Hydrogeologie, Bodenkunde und Bauwissenschaft beschreibt die Porosität eines porösen Mediums (wie Gestein oder Sediment) den Anteil des Hohlraumraums im Material, in dem der Hohlraum beispielsweise Luft oder Wasser enthalten kann. Es wird durch das Verhältnis definiert:

ϕ = V V V T {\displaystyle \phi ={\frac {V_{\mathrm {V} }}{V_{\mathrm {T} }}}

wobei VV das Volumen des Leerraums (z. B. Flüssigkeiten) und VT das Gesamt-oder Massenvolumen des Materials einschließlich der festen und leeren Komponenten ist., Sowohl die mathematischen Symbole ϕ {\displaystyle \phi } als auch n {\displaystyle n} werden verwendet, um die Porosität zu bezeichnen.

Die Porosität ist eine Fraktion zwischen 0 und 1, die typischerweise von weniger als 0,005 für festen Granit bis mehr als 0,5 für Torf und Ton reicht.

Die Porosität eines Gesteins oder einer Sedimentschicht ist eine wichtige Überlegung, wenn versucht wird, das potenzielle Wasser-oder Kohlenwasserstoffvolumen zu bewerten., Die Sedimentporosität ist eine komplizierte Funktion vieler Faktoren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Bestattungsrate, Bestattungstiefe, Art der Kondensatflüssigkeiten, Art der darüber liegenden Sedimente (die den Flüssigkeitsausstoß behindern können)., Eine häufig verwendete Beziehung zwischen Porosität und Tiefe ergibt sich aus der Athy (1930) − Gleichung:

ϕ ( z ) = ϕ 0 e-k z {\displaystyle \phi (z)=\phi _{0}e^{−kz}\,} ϕ = ρ particle − ρ bulk ρ particle-ρ fluid {\displaystyle \phi ={\frac {\rho _{\text{particle}}-\rho _{\text{bulk}}}{\rho _{\text{particle}} − \rho _{\text{fluid}}}}}

Wenn der Leerraum mit Luft gefüllt ist, kann die folgende einfachere Form verwendet werden:

ϕ = 1-ρ bulk ρ particle {\displaystyle \phi =1 – {\frac {\rho _{\text{bulk}}}} {\rho _{\text{particle}}}}

Es wird angenommen, dass die normale Partikeldichte ungefähr 2 beträgt.,65 g / cm3 (Kieselsäure), obwohl eine bessere Schätzung durch Untersuchung der Lithologie der Partikel erhalten werden kann.

Porosität und hydraulische Leitfähigkeitedit

Porosität kann proportional zur hydraulischen Leitfähigkeit sein; Für zwei ähnliche sandige Grundwasserleiter hat derjenige mit einer höheren Porosität typischerweise eine höhere hydraulische Leitfähigkeit (offenere Fläche für den Wasserfluss), aber es gibt viele Komplikationen in dieser Beziehung. Die Hauptkomplikation besteht darin, dass es keine direkte Proportionalität zwischen Porosität und hydraulischer Leitfähigkeit gibt, sondern eine abgeleitete Proportionalität., Es gibt eine klare Proportionalität zwischen Porenhalsradien und hydraulischer Leitfähigkeit. Außerdem besteht tendenziell eine Proportionalität zwischen Porenhalsradien und Porenvolumen. Wenn die Proportionalität zwischen Porenhalsradien und Porosität besteht, kann eine Proportionalität zwischen Porosität und hydraulischer Leitfähigkeit bestehen. Wenn jedoch die Korngröße oder Sortierung abnimmt, beginnt die Proportionalität zwischen Porenhalsradien und Porosität zu versagen, und daher auch die Proportionalität zwischen Porosität und hydraulischer Leitfähigkeit., Zum Beispiel: Tone haben typischerweise eine sehr geringe hydraulische Leitfähigkeit (aufgrund ihrer kleinen Porenhalsradien), aber auch sehr hohe Porositäten (aufgrund der strukturierten Natur von Tonmineralien), was bedeutet, dass Tone eine große Wassermenge pro Schüttgutvolumen aufnehmen können, aber sie geben kein Wasser schnell ab und haben daher eine geringe hydraulische Leitfähigkeit.

Sortieren und porosityEdit

Gut sortierte (Körner von ungefähr einer Größe) Materialien haben eine höhere Porosität als ähnlich große schlecht sortierte Materialien (bei denen kleinere Partikel die Lücken zwischen größeren Partikeln füllen). Die Grafik zeigt, wie einige kleinere Körner die Poren effektiv füllen können (wo der gesamte Wasserfluss stattfindet), wodurch die Porosität und die hydraulische Leitfähigkeit drastisch reduziert werden, während sie nur einen kleinen Bruchteil des Gesamtvolumens des Materials ausmachen. Tabellen mit allgemeinen Porositätswerten für Erdmaterialien finden Sie im Abschnitt“ Weitere Informationen “ im hydrogeologischen Artikel.,

Porosität von rocksEdit

Konsolidierte Gesteine (z. B. Sandstein, Schiefer, Granit oder Kalkstein) weisen im Vergleich zu alluvialen Sedimenten möglicherweise komplexere „doppelte“ Porositäten auf. Dies kann in verbundene und nicht verbundene Porosität aufgeteilt werden. Die Porosität der Verbindung wird leichter durch das Volumen des Gases oder der Flüssigkeit gemessen, das in das Gestein fließen kann, während Flüssigkeiten nicht auf nicht verbundene Poren zugreifen können.

Porosität ist das Verhältnis des Porenvolumens zu seinem Gesamtvolumen. Die Porosität wird gesteuert durch: Gesteinstyp, Porenverteilung, Zementierung, diagenetische Geschichte und Zusammensetzung., Die Porosität wird nicht durch die Korngröße gesteuert, da das Volumen des Zwischenkornraums nur mit der Methode der Kornverpackung zusammenhängt.

Gesteine nehmen normalerweise mit dem Alter und der Tiefe der Bestattung an Porosität ab. Tertiärzeit Gulf Coast Sandsteine sind im Allgemeinen poröser als kambrische Sandsteine. Es gibt Ausnahmen von dieser Regel, normalerweise aufgrund der Tiefe der Bestattung und der thermischen Geschichte.

Porosität des Bodensedit

Die Porosität des Oberflächenbodens nimmt typischerweise ab, wenn die Partikelgröße zunimmt., Dies ist auf die Bildung von Bodenaggregaten in feineren strukturierten Oberflächenböden zurückzuführen, wenn sie bodenbiologischen Prozessen unterliegen. Aggregation beinhaltet Partikelhaftung und höhere Beständigkeit gegen Verdichtung. Die typische Schüttdichte von sandigem Boden liegt zwischen 1,5 und 1,7 g / cm3. Dies entspricht einer Porosität zwischen 0,43 und 0,36. Die typische Schüttdichte des Lehmbodens liegt zwischen 1,1 und 1,3 g / cm3. Dies entspricht einer Porosität zwischen 0,58 und 0,51. Dies scheint nicht intuitiv zu sein, da Lehmböden als schwer bezeichnet werden, was eine geringere Porosität impliziert., Schwerkraft bezieht sich auf einen Gravitationsfeuchtigkeitsgehaltseffekt in Kombination mit einer Terminologie, die auf die relative Kraft zurückgreift, die erforderlich ist, um ein Bodenbearbeitungsgerät bei Feldfeuchtigkeitsgehalt im Vergleich zu Sand durch den lehmigen Boden zu ziehen.

Die Porosität des Untergrundbodens ist aufgrund der Schwerkraftverdichtung geringer als im Oberboden. Porosität von 0,20 gilt als normal für unsortiertes Kies Größe Material in Tiefen unterhalb der Biomantel. Die Porosität in feinerem Material unterhalb des aggregierenden Einflusses der Pedogenese kann erwartet werden, um diesen Wert anzunähern.

Die Porosität des Bodens ist komplex., Traditionelle Modelle betrachten Porosität als kontinuierlich. Dies berücksichtigt keine anomalen Merkmale und führt nur zu ungefähren Ergebnissen. Darüber hinaus kann es nicht helfen, den Einfluss von Umweltfaktoren zu modellieren, die die Porengeometrie beeinflussen. Es wurden eine Reihe komplexerer Modelle vorgeschlagen, darunter Fraktale, Blasentheorie, Cracktheorie, Boolescher Kornprozess, gepackte Kugel und zahlreiche andere Modelle. Die Charakterisierung des Porenraums im Boden ist ein zugehöriges Konzept.,

Arten von geologischen Porositäten >

Primäre Porosität Das Haupt-oder ursprüngliche Porositätssystem in einem Gestein oder einer unkonfigurierten Schwemmlagerstätte. Sekundäre Porosität Ein nachfolgendes oder getrenntes Porositätssystem in einem Gestein, das häufig die Gesamtporosität eines Gesteins erhöht. Dies kann eine Folge der chemischen Auswaschung von Mineralien oder der Erzeugung eines Bruchsystems sein. Dies kann die primäre Porosität ersetzen oder damit koexistieren (siehe doppelte Porosität unten). Bruchporosität Dies ist Porosität, die mit einem Bruchsystem oder einem Fehler verbunden ist., Dies kann sekundäre Porosität in Gesteinen erzeugen, die sonst keine Reservoirs für Kohlenwasserstoffe wären, da ihre primäre Porosität zerstört wird (z. B. aufgrund der Grabtiefe) oder von einem Gesteinstyp, der normalerweise nicht als Reservoir angesehen wird (z. B. magmatische Intrusionen oder Metasedimente). Vuggy Porosität Dies ist sekundäre Porosität, die durch Auflösung großer Merkmale (wie Makrofossilien) in Karbonatgesteinen erzeugt wird, die große Löcher, Vuggen oder sogar Höhlen hinterlassen., Effektive Porosität (auch offene Porosität genannt) Bezieht sich auf den Anteil des Gesamtvolumens, in dem der Flüssigkeitsfluss effektiv stattfindet, und umfasst Oberleitungen und Sackgassen (da diese Poren nicht gespült werden können, aber sie können eine Flüssigkeitsbewegung durch Druckabgabe verursachen wie Gasausdehnung) Poren und schließt geschlossene Poren (oder nicht verbundene Hohlräume) aus. Dies ist sehr wichtig für den Grundwasser-und Erdölfluss sowie für den gelösten Transport., Ineffektive Porosität (auch geschlossene Porosität genannt) Bezieht sich auf den Anteil des Gesamtvolumens, in dem Flüssigkeiten oder Gase vorhanden sind, in dem jedoch kein Fluidfluss effektiv stattfinden kann und die geschlossenen Poren umfasst. Das Verständnis der Morphologie der Porosität ist daher für den Grundwasser-und Erdölfluss sehr wichtig. Doppelte Porosität Bezieht sich auf die konzeptionelle Idee, dass es zwei überlappende Reservoirs gibt, die interagieren. In gebrochenen Gesteinswasserleitern, Die Gesteinsmasse und Frakturen werden oft als zwei überlappende, aber unterschiedliche Körper simuliert., Verzögerte Ausbeute und undichte Aquiferströmungslösungen sind beide mathematisch ähnliche Lösungen wie die für doppelte Porosität erhalten; In allen drei Fällen kommt Wasser aus zwei mathematisch unterschiedlichen Reservoirs (unabhängig davon, ob sie physikalisch unterschiedlich sind oder nicht). Makroporosität In Feststoffen (d. H. Ohne aggregierte Materialien wie Böden) bezieht sich der Begriff „Makroporosität“ auf Poren mit einem Durchmesser von mehr als 50 nm. Der Fluss durch Makroporen wird durch Massendiffusion beschrieben. Mesoporosität In Festkörpern (z., ohne aggregierte Materialien wie Böden) bezieht sich der Begriff „Mesoporosität“ auf Poren mit einem Durchmesser von mehr als 2 nm und weniger als 50 nm. Der Fluss durch Mesoporen wird durch Knudsen-Diffusion beschrieben. Mikroporosität In Feststoffen (d. H. Ohne aggregierte Materialien wie Böden) bezieht sich der Begriff „Mikroporosität“ auf Poren mit einem Durchmesser von weniger als 2 nm. Bewegung in Mikroporen wird durch Diffusion aktiviert.