Aufbau und Weiterentwicklung von petrophysikalischen Versuchsaufbauten
Projektanfang: 01.01.2012
Projektende: 31.12.2014
Projektstand: 31.12.2014
Probe im Klimaschrank
Quelle: BGR
Mithilfe geophysikalischer Methoden wird die Verteilung physikalischer Größen (z.B. elektrische Leitfähigkeit) im Untergrund gemessen und zur hydrogeologischen Interpretation herangezogen. Dabei gibt es auf Grund von Mehrdeutigkeiten naturgemäß immer einen gewissen Interpretationsspielraum. Um diesen zu verringern und somit die Aussagekraft unserer geophysikalischen Feldmessungen zu erhöhen, untersuchen wir an repräsentativem Probenmaterial im Labormaßstab, wie sich hydrogeologisch wirksame Größen (Zielgrößen) in physikalisch messbare Größen „übersetzen“ lassen. Beispiele dafür sind der Wassergehalt, der die elektrische Leitfähigkeit einer Boden-oder Sedimentprobe erhöht, oder die hydraulische Leitfähigkeit, welche mit der Relaxationszeit der Nuklearmagnetischen Resonanz (NMR) korreliert ist. Derartige petrophysikalische Modellvorstellungen können unter kontrollierten Laborbedingungen quantifiziert und in den Feldmaßstab übertragen werden. Somit soll letztendlich die Verteilung der entsprechenden Zielgröße im Feld ermittelt und zur weiteren Interpretation zur Verfügung gestellt werden.
Um petrophysikalische Modell-Aussagen aus Labormessungen abzuleiten ist es erforderlich, systematische Fehler bei den Messungen zu unterbinden. Ursache dieser Fehler können z.B. das Umfüllen des Probenmaterials oder das Benutzen von Schwesterproben mit unbekannter Variabilität der Zielgrößen sein. Um derartige systematische Fehler weitestgehend zu vermeiden, haben wir eine Messzelle für Lockersedimente entwickelt, welche eine Kombination folgender Messungen ermöglicht: Spektral Induzierte Polarisation (SIP), Nuklear-Magnetische Resonanz (NMR), Kapillardruck (KD), gesättigte und ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit (KU und KS). Der zylinderförmige Aufbau (Höhe: 100 mm, Durchmesser: 65 mm) ist metallfrei gefertigt, um bei der NMR-Messung keine Verzerrung der Magnetfelder zu erzeugen (Abb.1a). Die elektrische Ankopplung für die SIP-Messungen erfolgt elektrolytisch über sehr kleinporige Materialien. Für den Spannungsabgriff am Probenmaterial werden wassergefüllte Keramikspitzen verwendet (Abb.1b). Die Stromeinspeisung in die Probe erfolgt ebenfalls elektrolytisch über feinporige Duran-Glasfilterplatten, wobei das Elektrolyt über Plattenelektroden aus Edelstahl an die Stromversorgung angeschlossen ist. Die Filterplatten fixieren das Probenmaterial im Behälter und erlauben außerdem eine kontrollierte Entwässerung durch Anschluss einer einstellbaren Vakuumpumpe (Abb.1c). Durch die unterdruckgesteuerte Entwässerung und Kontrolle des drainierenden Porenwassers kann die KD-Kurve ermittelt werden. Alternativ ist es möglich, durch die einseitige Öffnung des Probenbehälters und das Austauschen des SIP-Spannungsabgriffes mit Tensiometern, KD und KU auch über die Verdunstungsmethode zu ermitteln (Abb.1d). Werden die kleinporigen Keramikplatten durch grobporige ersetzt, lässt sich über die constant- oder falling-head-Methode auch KS messen (Abb.1e). Die neue Messzelle kommt erfolgreich in laufenden Projekten zum Einsatz, z.B. zur Untersuchung von Quarzsand-Pyrit-Mischungen unterschiedlicher Zusammensetzung für das BMBF-Projekt ROBEHA sowie zur Untersuchung von verschiedenen natürlichen Bodenproben für das BGR-Projekt Benchmark Soils.
Abb. 1: Konfigurationsmöglichkeiten der entwickelten Messzelle zur Messung der (a) Nuklearmagnetischen Resonanz (NMR), (b) Spektral Induzierten Polarisation (SIP), (c) Kapillardruckkurve, (d) ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit und (e) gesättigte hydraulische Leitfähigkeit
Quelle: BGR
Desweiteren haben wir im Rahmen des BGR-Projekt „Petromethoden“ untersucht, wie sich die NMR-Abklingzeit bei teilgesättigten Böden und Sedimenten verhält. Wir haben nachgewiesen, dass sich aus NMR-Daten für einen bestimmten Sättigungsgrad nicht nur der Wassergehalt, sondern auch der effektive Porenradius abschätzen lässt. Wenn es in Zukunft gelingt, diese Erkenntnisse für die NMR-Feldmethode auszunutzen, steht ein geophysikalisches Verfahren zur Verfügung, das den Wasserhaushalt der ungesättigten Zone im Feldmaßstab zu charakterisieren imstande ist. Dieses gelingt bislang nur indirekt mit Hilfe von Tracerversuchen und somit nur unter großem Aufwand.
Poster und Präsentationen
Ronczka, M., Costabel, S., Kirsch, R., and Yaramanci, U. (2011). Korrelation der Parameter der Spektral Induzierten Polarisation und der Kernspinresonanz auf Labor- und Feldskala. Tagungsband der 71. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 21. – 24. Februar, Köln, Deutschland.
Costabel, S., Martin, T., Hupfer, S., and Noell, U. (2014). Entwicklung einer Messzelle zur kombinierten Messung von SIP und NMR, Kapillardruck, sowie gesättigter und ungesättigter hydraulischer Leitfähigkeit. Tagungsband der 74. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 10. – 13. März, Karlsruhe, Deutschland.
Costabel, S. und Müller-Petke, M. (2014). NMR-Relaxation bei Teilsättigung unter Berücksichtigung von fast- und slow diffusion. Tagungsband der 74. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 10. – 13. März, Karlsruhe, Deutschland.
