Weiterentwicklung der Theorie der induzierten Polarisation in Sedimenten

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Hördt
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248351078

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Abschätzung hydraulischer Parameter mit geophysikalischen Methoden ist ein Forschungsthema von hoher Bedeutung, u.a. für die Suche und das Management von Grundwasser, für die Geothermie, sowie für ökologische Fragestellungen. Eine vielversprechende Methode ist die spektrale induzierte Polarisation, welche die frequenzabhängige elektrische Leitfähigkeit des Untergrundes bestimmt. Aus der elektrischen Leitfähigkeit können hydraulischer Parameter prinzipiell über empirische Zusammenhänge abgeschätzt werden, die aus Labormessungen abgeleitet wurden. Die empirischen Beziehungen sind jedoch häufig abhängig vom gewählten Material, und besitzen geringe Allgemeingültigkeit oder hohe Fehlerbereiche. Die theoretische Behandlung der elektrischen Leitfähigkeit natürlicher Materialien ist u.a. deshalb so schwierig, weil der Porenraum, der für die Leitfähigkeit relevant ist, ein sehr komplexes Gebilde ist. Die Porengrößen können im Bereich von Nanometern bis Millimeter liegen und damit viele Größenordnungen räumlicher Skalen abdecken. Eine Simulation der elektrischen Eigenschaften ist daher weder mit analytischen, noch mit numerischen Verfahren möglich. Eine petrophysikalische Beschreibung erfolgt meist über makroskopisch messbare Größen, wie z.B. die Porosität oder die spezifische innere Oberfläche. In diesem Projekt wurde ein Ansatz verfolgt, mit dem die elektrische Leitfähigkeit möglichst komplexer Gebilde simuliert werden kann. Die Grundlage ist ein einfaches Modell, das die elektrische Impedanz eines Porensystemes, welches aus 2 unterschiedlichen Zylindern besteht, simulieren kann. Derartige Modelle wurden in einem elektrischen Netzwerk miteinander verknüpft, um die makroskopische Impedanz eines großen Gebildes zu berechnen. Mit diesem Impedanznetzwerk wurde die gemessene Leitfähigkeit verschiedener Gesteinsproben, und von Zement- und Betonproben simuliert. Dabei wurde darauf geachtet, dass sowohl die elektrischen, als auch die petrophysikalischen Eigenschaften der Proben möglichst gut wiedergegeben werden. Die prinzipielle Möglichkeit, gleichzeitig elektrische und petrophysikalische Eigenschaften für reale Proben korrekt zu simulieren stellt einen signifikanten Fortschritt gegenüber bisher existierenden Methoden dar. Die quantitative Anpassung gemessener Spektren hängt von den spezifischen Proben ab und gelingt nicht routinemäßig, scheint aber als Ziel zukünftiger Forschungsarbeiten realistisch. Damit wäre der Grundstein für eine quantitative Abschätzung hydraulischer Parameter gelegt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2015. Die Abhängigkeit der spektralen induzierten Polarisation von Elektrolyten, untersucht mit einem analytischen Modell der Membranpolarisation. 75. Jahrestagung der deutschen geophysikalischen Gesellschaft, Hannover
  Stebner H., Hördt, A. und Bücker, M.
  
• 2016. Simulation of membrane polarization for 2D and 3D pore networks. 4th international workshop on induced polarization, Aarhus, extended abstracts
  Stebner, H. und Hördt, A.
  
• 2016. Temperature dependence of spectral induced polarization data: experimental data and membrane polarization theory: Geoph. J. Int., 205, 440-453
  Bairlein, K., Bücker, M., Hördt, A., Hinze, B. and Nordsiek, S.
  
• 2016. The dependence of induced polarization on fluid salinity and pH, studied with an extended model of membrane polarization, J. Appl. Geoph. 135, 408-417
  Hördt, A., Bairlein, K., Bielefeld, A., Bücker, M., Kuhn, E., Nordsiek, S. and Stebner, H.
  
• 2017. Geometrical constraints for membrane polarization, Near-surface Geophysics 15, 579-592
  Hördt, A., Bairlein, K., Bücker, M., and Stebner, H.
  
• 2017. Simulation of membrane polarization of porous media with impedance networks. Near-surface geophysics 15, 563-578
  Stebner, H., Halisch, M. and Hördt, A.
  
• , Numerical Modelling of Membrane Polarization for a Network of Connected Pores. 79. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft e.V. (DGG), Braunschweig, 04.-07. March 2019
  Rezaii, N., Hördt, A.
  
• 2019. Spectral induced polarization of low-pH cement and concrete, Cement and Concrete Composites, 104, 103397
  Leroy, P., Hördt, A., Gaboreau, S., Zimmermann, E., Claret, F., Bücker, M., Stebner, H., Huisman, J.A.