Pore-scale modelling of electrical phenomena in porous media with implications for induced polarization and self-potential methods

In questa tesi sono proposti modelli teorici e numerici per il fenomeno di polarizzazione indotta (IP). Il modello teorico prende in considerazione il contributo della polarizzazione dello strato di Stern e di membrana in terreni sabbiosi di saturazione variabile, mentre il modello numerico può essere utilizzato per ottenere una migliore comprensione degli origini dal meccanismo della polarizzazione di membrana. La conducibilità elettrica del mezzo poroso dipendente dalla frequenza viene calcolata utilizzando il modello Hashin - Shtrickman, che descrive la risposta dielettrica di mezzi porosi con saturazione variabile. Sia la polarizzazione di Stern e di membrana possono essere calcolati indipendentemente, cosa che ci permette studiare l’effetto di diverse parametri fisici. I risultati mostrano che la polarizzazione di membrana può essere oscurato dalla polarizzazione Maxwell - Wagner. Il modello è stato testato contro dati da misure di laboratorio di sabbia con saturazione variabile con buoni risultati anche se più lavoro deve essere fatto per i livelli di bassa saturazione. Il modello numerico presentato utilizza la equazione linearizzata di Poisson - Boltzmann per calcolare il potenziale elettrostatico di un oggetto in presenza di ioni liberi in soluzione. La soluzione viene quindi utilizzato per calcolare il dielettrico ad essere utilizzato su un risolutore numerico dell’equazione di Poisson per calcolare l’impedenza del sistema. Questo risultato avvalora le ipotesi alla base del modello short narrow pore, un modello semplificato ma efficace che descrive la polarizzazione di membrana. La metodologia utilizzata richiede uno sforzo computazionale molto inferiore che risolvere l’equazione di Poisson-Nerst-Planck poiché non esistono sistemi accoppiati.