Development of the spectral induced polarisation method towards hydraulic permeability mapping
Final Report Abstract
Die hydraulische Leitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie schnell Wasser durch Gestein oder Lockersedimente transportiert werden kann. Sie wird z.B. benötigt, um zu bewerten, wie stark Grundwasser durch Schadstoffeinträge von der Oberfläche gefährdet ist, wie Schadstoffe im Grundwasser transportiert werden, und ob ggf. bei Abpumpen von Grundwasser eine Gefährdung durch eindringendes Salzwasser vorliegt. Damit ist sie der wichtigste Parameter, um Grundwasserressourcen zu bewerten und nachhaltig zu nutzen. Aus hydrogeologischen Methoden erhält man nur punktuelle Informationen. Pumptests liefern Mittelwerte über eine räumliche Skala von einigen zehn Metern, während Korngrößenanalysen Schätzwerte über ein Volumen von wenigen Dezimetern ergeben. Für tragfähige Aussagen über die Dynamik eines Grundwasserleiters sind jedoch Informationen über größere Gebiete notwendig. Bisherige Versuche, solche Informationen aus geophysikalischen Messungen abzuleiten, nutzten die elektrische Leitfähigkeit. Da diese jedoch nicht eindeutig mit der hydraulischen Leitfähigkeit verknüpft ist, sind immer zusätzliche Annahmen notwendig, was das Risiko einer Fehlinterpretation beinhaltet. Die spektrale induzierte Polarisation (SIP) ist eine geophysikalische Methode, mit der man die Fähigkeit von Gesteinen messen kann, elektrische Ladung zu speichern. Damit bietet sie die Möglichkeit, zusätzliche elektrische Parameter zu messen und die Mehrdeutigkeit bei der Abschätzung hydraulischer Parameter zu verringern. Bisherige Untersuchungen an Sedimentproben im Labor ergaben vielversprechende Zusammenhänge. In diesem Projekt wurde die Möglichkeit untersucht, die hydraulische Leitfähigkeit aus SIP- Messungen im Gelände abzuschätzen. Hierzu wurden im methodischen Teil die Inversionsprogramme für SIP-Messungen optimiert, so dass man nun realistische Abbilder des Untergrundes erhält, welche die hydrogeologische Situation angemessen beschreiben. Zudem wurde ein Schema entwickelt, elektromagnetische Kopplungseffekte aus den Daten zu eliminieren, um ein breiteres Frequenzband nutzen zu können. Im experimentellen Teil wurden SIP-Messungen im Labor und im Gelände in insgesamt sieben verschiedenen Testgebieten durchgeführt. Hieraus wurde aufgrund der Laborergebnisse anderer Autoren die hydraulische Leitfähigkeit abgeschätzt und mit den Ergebnissen von Pumptests und Korngrößenanalysen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine qualitative Darstellung der räumlichen Verteilung der hydraulischen Leitfähigkeit sehr gut möglich ist und dass die SIP-Methode eine Verbesserung gegenüber Standardmethoden darstellt. Quantitative Angaben lassen sich nach derzeitigem Stand nur nach Kalibrierung mit hydrogeologischen Methoden machen. Bisher vorgeschlagene Modelle, die auf einer frequenzunabhängigen Phase der komplexen elektrischen Leitfähigkeit beruhen, liefern ohne Kalibrierung eine starke Streuung. Die effiziente Nutzung der spektralen Information über ein breites Frequenzband wird daher voraussichtlich unabdingbar sein. Das Verfahren könnte sich dann als wichtige Ergänzung zu hydrogeologischen Methoden etablieren und helfen, Bohrungen und andere aufwändige Untersuchungen zu reduzieren.
Publications
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