Magnetische Resonanz-Sondierung zur Ableitung hydraulischer Parameter
Abb. 1: GMR Instrument bei Feldmessung.
Die Magnetische Resonanz Sondierung (MRS) ermöglicht als einzige geophysikalische Methode den direkten Nachweis von freien Protonen im Untergrund. Freie Protonen liegen in der Regel in der Form von Wasser vor daher ist MRS sehr geeignet für oberflächennahe hydrologische Fragestellungen bis in eine Tiefe von etwa 100m.
Die Methode beruht auf dem Prinzip der nuklear-magnetischen Resonanz (NMR). Dazu werden die Protonen mit einem elektromagnetischen Feld in ihrer Eigenfrequenz im Erdmagnetfeld (Lamorfrequenz ca. 1-3 kHz) angeregt. Nach dem Abschalten des Sendepulses wird das exponentiell abklingende elektromagnetische Signal der angeregten Protonen registriert. Bei der MRS werden mehrer Messung mit zunehmender Stärke der Sendepulse durchgeführt. Dies führt dazu dass die Protonen jeweils in unterschiedlichen Tiefenbereichen, ähnlich einer Sondierung, optimal angeregt werden. Aus den gemessenen Amplituden der Abklingkurven lassen sich durch eine Inversion direkt Rückschlüsse auf die Wassergehalte und bei Vollsättigung Porositäten im Untergrund ziehen. Aus den gemessenen Abklingzeiten T2* lässt sich das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis des Porenraumes bzw. analog dazu die hydraulische Leitfähigkeit (kf), z.B. nach Seevers (1966) nach einer standortsspezifischen Kalibration ableiten.
Im LIAG werden überwiegend MRS Feldmessungen zur Verbesserung der Bestimmbarkeit hydrologisch relevanter Parameter durchgeführt. Dazu kommt ein Gerät der neusten Generation (GMR von Vista Clara Inc.) zum Einsatz (Abb. 1), das über eine verringerte instrumentelle Totzeit, einer vollen Aufzeichnung des Zeitsignals mit 50 kHz und vier Aufzeichnungskanäle verfügt. Neben Sondierungen sind damit auch effektive 2D und 3D Anwendungen möglich (Abb. 2).
Abb. 2: 3D NMR Messungen auf einem zugefrorenen See nahe Clausthal-Zellerfeld.
Bislang liegt der Fokus der MRS Messungen auf der neuen LIAG Testfläche in Schillerslage, jedoch wurden auch Messungen an anderen Standorten durchgeführt, unter anderem im Rahmen des Forschungsschwerpunktes Grundwassersysteme - Hydrogeophysik auch auf der Nordseeinsel Borkum.
Die MRS Messungen auf der Testfläche Schillerslage wurden mit Hilfe der QT-Inversion (Müller-Petke 2010) spektral invertiert (Abb. 3).
Abb. 3: Beschreibung des Bohrlochs (links) und Verteilung des partiellen Wassergehaltes (PWC) über T2* aus der QT-Inversion von MRS Daten (Mitte). Vergleich der T2 Spektren von Labor NMR (blau) an Proben mit den Ergebnissen der QT-Inversion aus MRS Daten (rot) in den jeweiligen Tiefen.
Der Untergrund läst sich demnach gut in zwei Aquifere (2-12m und 16-20m) unterteilen, wobei der obere Aquifer wiederum in zwei Bereiche mit unterschiedlichen T2* Zeiten untergliedert ist. Die Inversionsergebnisse können qualitativ mit Labor-NMR-Messungen an Proben in den einzelnen Aquiferen bestätigt werden.
Die mit der QT Inversion aus den MRS Daten abgeleiteten hydrologischen Parameter Wassergehalt und hydraulische Leitfähigkeit, wurden mit einem anderen üblichen Inversionsansatz und Ergebnissen von Labormessungen verglichen (Abb. 4).
Abb. 4: Beschreibung des Bohrlochs (links), Vergleich der Tiefenverteilung des totalen Wassergehaltes (Mitte links), der (log-mean) T2(*) (mitte rechts) und der hydraulische Leitfähigkeit (rechts) aus unterschiedlichen Methoden und Inversionsansätzen.
Der aus MRS abgeleiteten Wassergehalte bis ca. 38 Vol.% stimmen sehr gut mit den Vergleichsmessungen aus Labor-NMR und mit Porositäten aus Siebanalysen überein. Für den unteren Aquifer werden die Wassergehalte aus MRS aufgrund des abnehmenden Auflösungsvermögens der gewählten Messanordung zugunsten einer größeren Schichtmächtigkeit unterschätzt. Die aus den T2* nach Seevers abgeleiteten kf Werte lassen sich gut mit den Vergleichsmessungen an Bohrkernen, Laborproben und Berechnungen aus Korngrößenverteilungen in Einklang bringen. Auftretende Abweichungen im Bereich um 10m werden weiter untersucht. Nach dieser standortsspezifischen Kalibrierung ist eine flächenhafte Extrapolation der kf Werte bei weiteren MRS Messungen im Umfeld möglich. Weitere Informationen dazu befinden sich unter folgendem link (Ext. Abstract EAGE2010).
Referenzen
Müller-Petke, M. and Yaramanci, U. [2010] QT-Inversion - Comprehensive use of the complete surface-NMR dataset. Geophysics 75 (4), WA199-WA209.
Seevers, D. [1966] A nuclear magnetic method for determining the permeability of sandstones. Society of Petrophysicists and Well Log Analysts, 7th Annual Logging Symposium Paper L.
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MRS-Gruppe
Raphael Dlugosch
Mike Müller-Petke
Thomas Günther
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Ein Projekt aus dem Forschungsschwerpunkt Grundwassersysteme-Hydrogeophysik