Erweiterte Modellierung und Inversion von Oberflächen Nuklear Magnetischer Resonanz in 1D und 2D

• Antragsteller: Professor Dr. Ugur Yaramanci
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 27276796

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Oberflächen Nuklear Magnetische Resonanz (Surface Nuclear Magnetic Resonance - SNMR) Verfahren wird zur direkten Grundwassererkundung eingesetzt. Von der Erdoberfläche aus werden NMR Messungen mit großen Spulen (Durchmesser zwischen 10 und 100 m) durchgeführt, um das Abklingen des Protonenspin der Wassermoleküle zu messen. Eine Standard-Inversion bestimmt den Wassergehalt und gibt Hinweise über die hydraulische Leitfähigkeit. Bei der Datenanalyse muss zudem die elektrische Leitfähigkeit des Untergrundes berücksichtigt werden. Für die 1D Standardkonfiguration wurde bereits festgestellt, dass Resistivitäten unterhalb von 100 Ωm (bei einem Spulendurchmesser von 100 m) einen deutlichen Einfluss auf das Inversionsergebnis haben. Durch Inversion der SNMR Grundgleichungen kann bisher entweder die Resistivität oder die Abklingzeit zusätzlich zur Wassergehaltsverteilung ermittelt werden, während der jeweils andere Parameter oft als a priori Information vonnöten ist. Die Anfangsamplituden und Phasen, die mit der Resistivität sowie dem Wassergehalt zusammenhängen, können nicht direkt gemessen werden, da das Signal erst nach einer geräteabhängigen Totzeit gemessen wird. Deswegen muss die Anfangsamplitude mittels der Abklingzeit extrapoliert werden. Dies geschieht herkömmlich mittels einer monoexponentiellen Abklingkurve; die Phase wird implizit als zeitlich konstant angenommen. Darüber hinaus enthalten die Abklingzeiten die Information über die Porengrößen im Untergrund. In diesem Projekt wurden für eine vollständige Inversion ohne a priori Informationen die extrapolierten Anfangsamplituden und Phasen in einem iterativen Verfahren auf der Basis des physikalischen Abklingverhaltens ermittelt. Erstmalig wird hier die vollständige Inversion von SNMR bezüglich Wassergehalt, Abklingzeit und Resistivität sowohl für synthetische als auch für Felddaten gezeigt. Auf diese Weise können SNMR Daten ohne weitere Zusatzinformationen ausgewertet werden und liefern die maximal enthaltene Information. Zudem wurde in diesem Projekt nun erstmals ein 2D Inversionsalgorithmus zur Bestimmung von Wassergehalt und Abklingzeiten sowie der Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit von 2D Strukturen auf die Bestimmung des 2D Wassergehaltes gezeigt. Die Modellierungen für das anregende Magnetfeld werden mit dem Finiten Elementen Programm Comsol Multiphysics durchgeführt. Wird die Leitfähigkeit vernachlässigt, dann ist das Inversionsergebnis deutlich heterogener, und Inversionsartefakte nehmen zu. Die Geometrie des Aquifers wird verschwommen abgebildet. Der Wassergehalt wird teils über- und teilweise unterschätzt. Auf Grund von Mehrdeutigkeiten in der SNMR können die Amplituden der SNMR Daten dennoch sehr gut angepasst werden, d.h. der Fehler in der Datenanpassung kann nicht als alleiniges Kriterium für die Güte des Inversionsergebnisses herangezogen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2007. Surface Nuclear Magnetic Resonance Tomography, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 45 (11), 3752-3759
  Hertrich, M., Braun, M., Günther, Th., Green, A.G., Yaramanci, U.
  
• 2008. Inversion of resistivity in Magnetic Resonance Sounding, Journal of Applied Geophysics, 66, 151-164
  Braun, M., Yaramanci, U.
  
• 2009. High-resolution surface NMR tomography of shallow aquifers based on multioffset measurements, Geophysics, 74 (6), G47-G59
  Hertrich, M., Green, A.G., Braun, M., Yaramanci, U.
  
• 2009. Simultaneous inversion of magnetic resonance sounding in terms of water content, resistivity and decay times. Near Surface Geophysics, 7, 589-598
  Braun, M., Kamm, J., Yaramanci, U.