Hydraulische Konnektivität in oberflächennahen, unverfestigten Porengrundwasserleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Börner; Professor Dr. Peter Dietrich
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ; Paläontologie ; Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282295196

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die räumlichen Variabilität der hydraulischen Leitfähigkeit in porösen Aquiferen wurde bisher vielfach untersucht, während nur wenige Arbeiten zur Erfassung, Messung und Quantifizierung der hydraulischen Konnektivität durchgeführt wurden. Die Kenntnis der durch Sedimentationsprozesse verursachten Heterogenität von Grundwasserleitern ist für die Abschätzung bevorzugter Fließwege und Fließzeiten bei der Ausbreitung von Schadstoffen von wesentlicher Bedeutung und für den Grundwasserschutz. Bekanntlich besteht ein enger Zusammenhang zwischen dem geophysikalischen Messverfahren der spektralen induzierten Polarisation (SIP) und den hydraulischen Eigenschaften von Gesteinen. Im Rahmen des Vorhabens wurde daher experimentell untersucht, ob aus SIP-Messungen auch Informationen zu hydraulischer Konnektivität und Heterogenität ableitbar sind. Dazu wurden im Dezimeter-Maßstab definiert heterogene Sandproben mit dem Ziel untersucht, den Zusammenhang zwischen Konnektivität, Heterogenität und aus SIP-Messwerten abgeleiteten komplexen elektrischen Parametern besser zu verstehen. Für die Laborexperimente wurde eine Messzelle konstruiert, um hydraulische Strömungsexperimente und SIP-Messungen mit 4 Elektroden an Proben im Dezimeterbereich durchzuführen. Die Proben bestanden aus zwei verschiedenen Sanden mit unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften. Die beiden Sande wurden in unterschiedlichen Volumenanteilen und Geometrien sowie in paralleler und serieller Orientierung zum hydraulischen und elektrischen Stromfluss kombiniert. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die SIP-Messwerte und die mittlere hydraulische Leitfähigkeit deutlich vom Volumenanteil der Sandkomponenten abhängig sind. Hinsichtlich der bevorzugten Fließwege und damit der Konnektivität konnten die bekannten Korrelationen zur hydraulischen Leitfähigkeit reproduziert werden. Die relativ einfach bestimmbaren mittleren komplexen elektrischen Parameter zeigten jedoch im Rahmen der Messgenauigkeit keine Abhängigkeit von der Orientierung der hydraulischen Heterogenitäten und den damit verbundenen präferentiellen Fließwegen. Die Ursache wird darin gesehen, dass beide Sande sich nur in Kornoberfläche und hydraulischer Leitfähigkeit signifikant unterschieden, jedoch nicht in der Porosität. Es deutete sich aber an, dass aus den Spektren weitergehende Informationen zur Konnektivität extrahierbar sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Effect of Porosity Changes on Complex Electrical Conductivity in Shaly Sands. International Symposium of the Society of Core Analysts held in Snow Mass, Colorado, USA, 21-26 August 2016
  Frank Boerner & Edith Müller-Huber
  
• The effect of compaction on complex electrical resistivity of shaly sands. Near Surface Geophysics, 15(6), 633-643.
  Börner, Frank; Müller-Huber, Edith; Branka, Daniel & Rücker, Carsten
  
• Combined interpretation of NMR, MICP, and SIP measurements on mud-dominated and grain-dominated carbonate rocks. Journal of Applied Geophysics, 159, 228-240.
  Müller-Huber, Edith; Börner, Frank; Börner, Jana H. & Kulke, Dennis
  
• Faktorisieren hydraulischer Konnektivität mittels SIP. Tagungsband der 79. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Braunschweig, 2019, GE-P.10
  F. Dinsel; F. Börner & C. Rücker
  
• Porenraumcharakterisierung von Lockergestein bei sukzessiver Verdichtung mittels spektraler induzierter Polarisation und elastischer Wellengeschwindigkeiten. Tagungsband der 81. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Kiel, 2021, UI-P2.04
  Branka, D.; Börner, F. & Rücker, C.
  
• Untersuchung der hydraulischen Konnektivität in heterogenen Lockergesteinsaquiferen mittels SIP. Tagungsband der 81. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Kiel, 2021, UI/ZP-06
  Herold, Robert; Rücker, Carsten & Börner, Frank
  
• Untersuchung der hydraulischen Konnektivität in Lockergesteinsaquiferen. Tagungsband der 82. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, München, 2022, PS-A-32
  R. Herold; P. Dietrich & F. Börner
  
• Effekt der Heterogenität und Anisotropie auf die Spektrale Induzierte Polarisation poröser Gesteine. Tagungsband der 83. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Bremen, 2023, UIP.14
  G. Beisembina; R. Herold; P. Dietrich & F. Börner
  
• Untersuchung der hydraulischen Konnektivität in heterogenen Lockergesteinsaquiferen mittels SIP. Tagungsband der 83. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Bremen, UIP.09
  R. Herold; P. Dietrich & F. Börner
  
• Experimental investigations on laboratory samples regarding the connection of spectral induced polarization to heterogeneity of hydraulic conductivity. Environmental Earth Sciences, 83(13).
  Herold, Robert; Beisembina, Gulmira; Dietrich, Peter & Börner, Frank
  
• Experimentelle Untersuchung der Wirkung von Heterogenität und Anisotropie auf die Spektrale Induzierte Polarisation poröser Gesteine. Tagungsband der 84. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Jena, 2024, OG-P-11
  G. Beisembina; R. Herold; P. Dietrich & F. Börner
  
• Untersuchung der hydraulischen Konnektivität in heterogenen Lockergesteinsaquiferen mittels SIP Proceedings der 84. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Jena, 2024, OG- P-10
  R. Herold; G. Beisembina; P. Dietrich & F. Börner