Presso la Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) presso l'Università Tecnica di Monaco (TUM), le reti di micropori sono state caratterizzate utilizzando la diffusione di neutroni ad angolo piccolo e molto piccolo.

Densi, scuri, compatti:a prima vista, i campioni di roccia sedimentaria che il dottor Amirsaman Rezaeyan ha sulla scrivania del laboratorio sono solo leggermente diversi. I pori non sono visibili ad occhio nudo.

Tuttavia sono proprio i pori che conferiscono alle rocce fangose ​​le loro proprietà speciali:i pori, di dimensioni che vanno da pochi micrometri a sub-nanometri, si formano durante la sedimentazione e si compattano nel tempo, determinando la permeabilità. Questi pori sono il fattore decisivo per la capacità della roccia di ospitare petrolio e gas naturale o di formare strati impermeabili sotto i quali si raccolgono i combustibili fossili.

"A seconda della distribuzione, delle dimensioni e della struttura dei pori, le rocce sedimentarie a grana fine sono adatte anche per lo smaltimento dei rifiuti radioattivi o per sigillare lo stoccaggio dell'anidride carbonica", spiega il dottor Amirsaman Rezaeyan, ricercatore presso l'Università di Calgary in Canada. "La struttura dei pori delle rocce fangose ​​e la sua influenza sulla permeabilità per il flusso dei fluidi è stata appena studiata fino ad oggi, ma è estremamente importante se si vuole valutare il potenziale delle rocce fangose ​​come serbatoi di petrolio o strati impermeabili."

Ma come si misurano i pori che non sono più grandi dei batteri? In realtà esistono vari metodi che possono essere utilizzati per quantificare il volume dei pori, ma la maggior parte di essi può rilevare solo strutture più grandi o dimensioni limitate dei pori.

"Solo la diffusione di neutroni ad angolo piccolo e molto piccolo è adatta per quantificare completamente i pori tra pochi nanometri e micrometri", afferma Rezaeyan, che, insieme a un team internazionale della Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) al TUM, ha ha analizzato la porosità di una dozzina di rocce sedimentarie provenienti dall'Europa e dall'America.

Misurare i pori con precisione nanometrica

Esistono solo pochi impianti di misurazione per lo scattering di neutroni a piccolo angolo (SANS) e lo scattering di neutroni a piccolissimo angolo (VSANS) in tutto il mondo. Due di loro, KWS-1 e KWS-3, sono gestiti dal Forschungszentrum Jülich presso l'Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).

L'MLZ è la cooperazione scientifica tra TUM, Forschungszentrum Jülich e Helmholtz-Zentrum Hereon, che mette a disposizione dei ricercatori ospiti i neutroni dell'FRM II sotto forma di strumenti scientifici.

E così Rezaeyan del Lyell Centre dell'Università Heriot-Watt di Edimburgo, in Scozia, dove lavorava all'epoca, si recò a Garching con i suoi campioni di roccia, tutti finemente lucidati e senza inclusioni di gas o liquidi, per rilevare i micropori.

I campioni sono stati irradiati con neutroni dal reattore negli strumenti di diffusione a piccolo angolo dell'FRM II. Poiché i neutroni interagiscono solo con i nuclei degli atomi, il modello di diffrazione registrato dal rilevatore può essere utilizzato per dedurre la disposizione degli atomi e quindi, indirettamente, quella dei pori privi di atomi.

Tornati in Scozia, i ricercatori hanno correlato le misurazioni con le proprietà microscopiche dei campioni di roccia. Il risultato è stato ora pubblicato in due articoli, uno sulla rivista Energy e l'altro in Energia e combustibili .

I ricercatori hanno scoperto che la porosità delle rocce fangose ​​a grana fine dipende dalla percentuale di minerali argillosi contenuti nei sedimenti:maggiore è l'argilla, maggiore è la probabilità che si formino pori più piccoli, con un diametro inferiore a 50 nanometri. Le rocce con un elevato contenuto di argilla sono quindi potenzialmente adatte per sigillare un luogo di smaltimento o stoccaggio sotterraneo come strato impermeabile.

"Tuttavia, il contenuto di argilla è solo un pezzo del puzzle:ci sono tutta una serie di fattori che devono essere presi in considerazione quando si selezionano gli strati di roccia fangosa adatti per la produzione di petrolio e gas o CO₂ stoccaggio", sottolinea Rezaeyan. "Abbiamo quindi incluso altri fattori nell'analisi dei dati, come la compattazione delle rocce e la materia organica. In questo modo, siamo stati in grado di stabilire correlazioni di elevata significatività statistica."

Con l'aiuto di queste correlazioni, in futuro dovrebbe essere possibile stimare le proprietà fisiche delle rocce sedimentarie a grana fine in base alle condizioni di sedimentazione e scoprire se sono adatte come strati impermeabili per depositi di scorie nucleari e CO ₂ siti di archiviazione.