Weiterentwicklung der Methode der spektralen induzierten Polarisation mit dem Ziele der hochauflösenden Permeabilitätskartierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2003, 2D-Inversion von Daten der Spekralen Induzierten Polarisation, Kolloquium elektromagnetische Tiefenforschung, Königstein
Blaschek, R., Hördt, A., Kemna, A.
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2003, Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit mit SIP-Messungen auf dem hydrogeologischen Testfeld Krauthausen bei Jülich, Kolloquium elektromagnetische Tiefenforschung, Königstein
Suckut, J., Hördt, A., Kemna, A., Blaschek, R.
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2003. Characterizing unconsolidated sediments using the spectral induced polarization (SIP) method, EGS-AGU-EUG Joint Assembly, Nice
Klitzsch, N.
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2004, Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit (kf) aus der Spektral Induzierten Polarisation (SIP) – Anwendung auf Daten vom Testfeld Krauthausen, XI Arbeitsseminar „Hochauflösende Geoelektrik“, Kloster Nimbschen
Zisser, N., Blaschek, R. und Hördt, A.
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2004, Fallbeispiele zur Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit mit der Spektralen Induzierten Polarisation“, DGG/EEGS-Seminar „Ingenieur und Hydrogeophysik“, Neustadt/Weinstr.
Zisser, N., Blaschek, R. und Hördt, A., und Kemna, A.
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2004, Hydraulic conductivity from spectral induced polarisation measurements at the hydrogeological test site Krauthausen, 1st general assembly, EGU, Nice
Hördt, A., Blaschek, R., Kemna, A., Suckut, J., and Zisser, N.
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2004, Hydraulic conductivity from spectral induced polarisation measurements – a case history, 10th European meeting of environmental and engineering geophysics, Utrecht
Hördt, A., Blaschek, R., Kemna, A., Suckut, J., and Zisser, N.
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2004, Inversion von Daten der Spektralen Induzierten Polarisation, Seminar Hochauflösende Geoelektrik, Nimbschen
Blaschek, R., Hördt, A., Kemna, A.
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2004, Nebenbedingungen und Vorinformationen in der 2D-Inversion von Daten der Spekrtalen Induzierten Polarisation, DGG-Tagung, Berlin
Blaschek, R., Hördt, A., Kemna, A.
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2004. A new model to describe the spectral induced polarization (SIP) of sedimentary rocks, EAGE Near Surface, Utrecht
Klitzsch, N.
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2004. Das kapillare Netzwerkmodell. Arbeitsseminar Hochauflösende Geoelektrik, Kloster Nimbschen, Sachsen
Klitzsch, N.
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2004. Modell zur Beschreibung der spektralen induzierten Polarisation SIP von Sedimentgesteinen, DGG Tagung, Berlin
Klitzsch, N.
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2005, 2D-Inversion von Daten der Spekral Induzierten Polarisation: Regularisierung und Randbedingungen, DGG-Tagung, Graz
Blaschek, R., Hördt, A., Kemna, A.
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2005, A new regularization for the inversion of IP data based on the minimum gradient support, 11th European meeting of environmental and engineering geophysics, Palermo
Blaschek, R., Hördt, A., und Kemna, A.
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2005, Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit mit der spektralen induzierten Polarisation am Testfeld Krauthausen, Kolloquium elektromagnetische Tiefenforschung, Hildesheim
Hördt, A., Blaschek, R., Kemna, A., Zisser, N.
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2005, Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit mit spektraler induzierter Polarisation, Geophysikalisches Kolloquium, Freiberg
Hördt, A.
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2005, Bestimmung des kf-Wertes mittels der Spektral Induzierten Polarisation (SIP) – Anwendung auf Daten vom Testfeld Krauthausen und dem Testgebiet Cuxhaven. 65. Jahrestagung der DGG, Graz
Zisser, N. R. Blaschek, A. Hördt
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2005, Fokussierende Inversion spektraler IP-Daten, Kolloquium elektromagnetische Tiefenforschung, Hildesheim
Blaschek, R., Hördt, A. und Kemna, A.
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2005, Hydraulic conductivity from spectral induced polarisation data – a case history, 18th Annual meeting, SAGEEP, 226-235
Hördt, A., Blaschek, R., Kemna, A., Suckut, J., and Zisser, N.
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2005. Ableitung der hydraulischen Permeabilität von Sedimenten aus SIP-Messungen, DGG Tagung, Graz
Triebe, H., Klitzsch, N.
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2005. Braucht jemand ein SIP Loggingtool? FKPE Workshop Bohrloch- und Gesteinsphysik, Hamburg
Klitzsch, N.
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2005. The Capillary Network Model (CNM), Rainbow in the Earth, Berkeley, California
Klitzsch, N.
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2006, Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit mit spektraler induzierter Polarisation, Geophysikalisches Kolloquium, Münster
Hördt, A.
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2006, Bestimmung des Kf - Wertes aus Felddaten durch spektrale induzierte Polarisation und der Vergleich mit hydrogeologischen Methoden, DGG-Tagung, Bremen
Druiventak, A., Hördt, A., und Zisser, N.
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2006, Inversion of SIP Data for Cole-Cole and Constant-Phase-Angle Relaxation Model Parameters, 12th European meeting of environmental and engineering geophysics, Helsinki
Blaschek, R., Hördt, A., Kemna, A.
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2006, The spectral induced polarization method and its application to hydrogeological problems, 17th Int. Geoph. Cgrss. Exh. of Turkey, Extended abstracts
Hördt, A.
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2006. Case history: Hydraulic conductivity estimation on the field scale from induced polarisation data at the Krauthausen test site, in: Kirsch, R. (Hrsg.): Groundwater Geophysics, Springer, 450-457
Hördt, A.
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2006. Ein Modell zur Beschreibung der elektrischen Eigenschaften von wassergesättigten porösen Medien im Frequenzbereich bis 10 kHz. Symposium Impedanzspektroskopie, Essen
Klitzsch, N.
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2006. Ein Modell zur Beschreibung der elektrischen Eigenschaften von wassergesättigten porösen Medien im Frequenzbereich bis 10 kHz. Technische Mitteilungen, 99
Klitzsch, N.
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2006. How does hydrocarbon decrease the electrical resistivity of soils? EGU Conference, Wien
Klitzsch, N.
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2006. Widerstandserniedrigung durch Kohlenwasserstoffkontamination?! DGG Tagung, Bremen
Klitzsch, N.
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2007, Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit mit spektraler induzierter Polarisation, Geophysikalisches Kolloquium, Göttingen
Hördt, A.
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2007, Case histories of hydraulic conductivity estimation with Induced Polarisation at the field scale, DGG-Tagung, Aachen
Hördt, A., Driuventak, A., Blaschek, R., Binot, F., Kemna, A., Zisser, N.
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2007, Case histories of hydraulic conductivity estimation with IP at the field scale, 13th Eur., Mtg. Env. Eng. Geoph., Istanbul, Extended Abstracts
Hördt, A., Blaschek, R., Binot, F., Druiventak, A., Kemna, A., Zisser, N.
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2007, Case histories of hydraulic conductivity estimation with IP at the field scale, 13th Eur., Mtg. Env. Eng. Geoph., Istanbul, Extended Abstracts. International Geophysical Congress of Turkey
Hördt, A., Blaschek, R., Binot, F., Druiventak, A., Kemna, A., Zisser, N.
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2007, Hydraulic conductivity estimation from induced polarisation data on the Field Scale – The Krauthausen case history, J. Appl. Geoph., 62, 33-46
Hördt, A., Blaschek, R., Kemna, A., Zisser, N.
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2007, kf-Bestimmung mit SIP bei hohen Wasserleitfähigkeiten und für die Kornfraktion der Kiese, DGG-Tagung, Aachen
Druiventak, A., Hördt, A., Binot, F.
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2007. Influence of Electromagnetic Coupling on SIP Measurements. AGU Fall Meeting, San Francisco
Klitzsch, N., Pawlik, A,, Rath, V.
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2007. Interpretation of SIP Field Measurements - Potential and Limits. DGG Tagung, Aachen
Klitzsch, N., Pawlik, A., Rath, V., Hördt, A., Blaschek, R.
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2007. NMR and SIP measurements on rock samples. DGG Tagung, Aachen
Fehr, A., Klitzsch, N., Arnold, J., Clauser, C.
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2008, A new sensitivity-controlled focusing regularization scheme for the inversion of induced polarization data based on the minimum gradient support, Geophysics, 73, 2, F45-F54
Blaschek, R., Hördt, A. and Kemna, A.
