En la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de la Universidad Técnica de Munich (TUM), las redes de microporos se caracterizaron mediante dispersión de neutrones de ángulos pequeños y muy pequeños.

Densas, oscuras, compactas:a primera vista, las muestras de rocas sedimentarias que el Dr. Amirsaman Rezaeyan tiene en su escritorio de laboratorio son sólo ligeramente diferentes. Los poros no son visibles a simple vista.

Sin embargo, son precisamente los poros los que confieren a las rocas de fango sus propiedades especiales:los poros, que varían en tamaño desde unos pocos micrómetros hasta subnanómetros, se forman durante la sedimentación y se compactan con el tiempo, lo que determina la permeabilidad. Estos poros son el factor decisivo para la capacidad de la roca para albergar petróleo y gas natural o formar capas impermeables bajo las cuales se acumulan los combustibles fósiles.

"Dependiendo de la distribución, el tamaño y la estructura de los poros, las rocas sedimentarias de grano fino también son adecuadas para eliminar residuos radiactivos o sellar depósitos de dióxido de carbono", explica el Dr. Amirsaman Rezaeyan, investigador de la Universidad de Calgary en Canadá. "La estructura de los poros de las rocas de lodo y su influencia en la permeabilidad para el flujo de fluidos apenas se han estudiado hasta la fecha, pero son enormemente importantes si se quiere evaluar el potencial de las rocas de lodo como depósitos de petróleo o capas impermeables."

Pero, ¿cómo se miden los poros que no son más grandes que las bacterias? En realidad, existen varios métodos que se pueden utilizar para cuantificar el volumen de los poros, pero la mayoría de ellos sólo pueden detectar estructuras más grandes o tamaños de poros limitados.

"Sólo la dispersión de neutrones de ángulo pequeño y muy pequeño es adecuada para cuantificar completamente los poros entre unos pocos nanómetros y micrómetros", dice Rezaeyan, quien, junto con un equipo internacional de la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) en TUM, ha analizó la porosidad de una docena de rocas sedimentarias de Europa y América.

Medición de poros con precisión nanométrica

Sólo existen unas pocas instalaciones de medición para la dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) y la dispersión de neutrones de ángulo muy pequeño (VSANS) en todo el mundo. Dos de ellos, KWS-1 y KWS-3, son operados por el Forschungszentrum Jülich en el Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).

El MLZ es la cooperación científica entre TUM, Forschungszentrum Jülich y Helmholtz-Zentrum Hereon, que pone a disposición de los investigadores invitados los neutrones del FRM II en forma de instrumentos científicos.

Y así, Rezaeyan del Centro Lyell de la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo, Escocia, donde trabajaba en ese momento, viajó a Garching con sus muestras de rocas, todas finamente pulidas y sin inclusiones de gas o líquido, para detectar microporos.

Las muestras fueron irradiadas con neutrones del reactor en los instrumentos de dispersión de ángulo pequeño del FRM II. Como los neutrones sólo interactúan con los núcleos de los átomos, del patrón de difracción registrado por el detector se puede deducir la disposición de los átomos y, por tanto, indirectamente, la de los poros libres de átomos.

De regreso a Escocia, los investigadores correlacionaron las mediciones con las propiedades microscópicas de las muestras de roca. El resultado ya se ha publicado en dos artículos, uno en la revista Energy y el otro en Energía y Combustibles .

Los investigadores descubrieron que la porosidad de las rocas de barro de grano fino depende de la proporción de minerales arcillosos contenidos en los sedimentos:cuanto más arcilla, mayor es la probabilidad de que se formen poros más pequeños, que tienen un diámetro de menos de 50 nanómetros. Por lo tanto, las rocas con un alto contenido de arcilla son potencialmente adecuadas para sellar un lugar de eliminación o almacenamiento subterráneo como capa impermeable.

"Sin embargo, el contenido de arcilla es sólo una pieza del rompecabezas:hay toda una serie de factores que deben tenerse en cuenta al seleccionar capas de lodo adecuadas para la producción de petróleo y gas o CO₂ almacenamiento", subraya Rezaeyan. "Por eso incluimos otros factores en el análisis de datos, como la compactación de las rocas y la materia orgánica. Al hacer esto, pudimos establecer correlaciones de alta significancia estadística."

Con la ayuda de estas correlaciones, en el futuro debería ser posible estimar las propiedades físicas de las rocas sedimentarias de grano fino en función de las condiciones de sedimentación y determinar si son adecuadas como capas impermeables para depósitos de residuos nucleares y CO ₂ sitios de almacenamiento.