Abb. 1: Feldmessung mit der SIP 256C in Schillerslage
Spektrale Induzierte Polarisation zur Ableitung hydraulischer Parameter
Die spektrale Induzierte Polarisation (SIP) ist eine impedanzspektroskopische Messung zur Bestimmung der Polarisationseigenschaften von Böden und Gesteinen. Dabei wird ein sinusförmiger Wechselstrom im Frequenzbereich von mHz bis kHz eingespeist und ein phasenverschobenes Spannungssignal gemessen woraus reale und imaginäre Leitfähigkeit berechnet werden. Aus diesen Leitfähigkeiten lassen sich hydraulische Parameter wie Porosität (Φ) und hydraulische Leitfähigkeit (kf) ableiten.
Im LIAG werden SIP Feldmessungen (Profilmessungen und Sondierungen) und SIP Labormessungen durchgeführt. Für alle Messungen werden die Apparaturen SIP Fuchs, bzw. SIP256c der Firma Radic Research verwendet. Bislang liegt der Fokus der SIP Messungen auf der neuen LIAG Testfläche in Schillerslage, woher auch abgebildeten Ergebnisse stammen.
Beispielhaft ist das Ergebnis der Einzelfrequenzanalyse einer SIP Sondierung (0.366Hz) in Abb. 2 dargestellt. Die gemessenen scheinbaren Widerstands- und Phasenwerte wurden mit stärkerer horizontaler Gewichtung und festgelegten Schichtgrenzen, die aus der geologischen Ansprache abgeleitet sind, invertiert. Aus den resultierenden Modellen der realen und imaginären Leitfähigkeit wurden anschließend hydraulischen Parameter berechnet: die Porosität wurde mit einem modifizierten Archie Ansatz (Börner et al. 1996) abgeleitet. Die berechneten kf-Werte resultieren aus der Beziehung zwischen spezifischer inneren Porenoberfläche und der imaginären Leitfähigkeit (Slater & Lesmes 2002), bzw. beinhalten zusätzlich die Porosität (Börner et al. 1996). Zusätzlich sind die Ergebnisse der Labor SIP-Labormessungen sowie weitere Untersuchungen zur Bestimmung von Porosität (über Rohdichte) und kf-Werten abgebildet. Eine genauere Beschreibung, v. a. der geophysikalischen Methoden finden Sie unter (Link extended abstract EAGE).
Abb. 2: Aus SIP Feld- und Labormessungen abgeleitete Porositäten (links) und kf-Werte (rechts) im Vergleich mit herkömmlichen Labormessungen (Porosität aus Rohdichte an Bohrkernen und kf-Wert-Bestimmungen aus Korngrößenanalysen und Durchflussmessungen).
Die verwendeten Ansätze liefern teilweise gute Ergebnisse, die mit den hydraulischen Eigenschaften des Materials der beiden mittelsandigen Aquifere (0-12m uns 16-22m) übereinstimmen (Porositäten von 35 – 40%, kf-Werte von 1e-4 m/S). Allerdings erzeugen lateral und horizontal stark variierende Fluidleitfähigkeiten noch große Probleme bei der Porositätsberechnung.
Referenzen
Börner, F.D., Schopper J.R. and Weller, A. 1996: Evaluation of transport and storage properties in the soil and groundwater zone from induced polarization measurements. Geophysical Prospecting 44, 583-601.
Slater, L and Lesmes, D.P. 2002: Electrical-hydraulic relationships observed for unconsolidated sediments. Water Resources Research 38, 31-1 to 31-13.
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