Aquifer Characterisation Using Nuclear Magnetic Resonance

Wasser ist nicht nur die Quelle des Lebens, der Zugang zu Trinkwasser ist auch ein anerkanntes Menschenrecht. Die Methode der Kernspinresonanz (NMR) erlaubt es detaillierte Informationen über Ausdehnung und hydraulischen Eigenschaften von Aquiferen zu sammeln. Dies stellt eine wesentliche Voraussetzung für deren nachhaltige Nutzung dar. Die wichtigsten Ziele dieser Arbeit sind (i) die verbesserte Ableitung der hydraulischen Leitfähigkeit aus NMR-Messungen, insbesondere an groben Lockermaterial, und (ii) die Entwicklung eines Inversionsansatzes für Oberflächen-NMR-Messungen zur Ableitung der 2D-Verteilung von Wassergehalt und NMR-Relaxationszeit im Untergrund. Das Kozeny-Godefroy-Modell erlaubt eine verbesserte Ableitung der hydraulischen Leitfähigkeit aus NMR-Messungen. Es ersetzt die empirischen Faktoren in bekannten Gleichungen mit physikalischen, strukturellen und NMR-spezifischen Parametern und berücksichtigt den Relaxationsprozess von Protonen in freiem Wasser und in diffusionskontrollierten Porenräumen. Der neue Inversionsansatz zur Auswertung von 2D Oberflächen-NMRMessungen berücksichtigt den kompletten Datensatz in einem Arbeitsschritt und bestimmt daraus die 2D-Verteilung von Wassergehalt und NMRRelaxationszeit im Untergrund. Herausragenden Eigenschaften des Inversionsansatzes sind dessen 2D-Fähigkeit und erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber verrauschten Daten. Zudem ermöglicht die NMR-Relaxationszeit die Unterscheidung verschiedener Lithologien. Die Ergebnisse einer umfangreichen hydrogeophysikalischen Untersuchung am Teststandort Schillerslage, bestehend aus Oberflächen-, Erdfeld-, Bohrloch- und Labor-NMR-Messungen, werden vorgestellt, verglichen und diskutiert. Aus den gewonnenen NMR-Parametern werden die 1D- und 2D-Verteilungen der hydraulischen Leitfähigkeit im Untergrund abgeleitet. Als Fazit der Arbeit kann gesagt werden, dass das Kozeny-Godefroy-Modell die Ableitung der hydraulischen Leitfähigkeiten in Aquiferen aus NMR-Messungen verbessert und der neue Inversionsansatz den Anwendungsbereich von Oberflächen-NMR auf 2D-Ziele vergrößert. In Kombination erlauben beide Neuerungen die Abbildung der 2D-Verteilung der hydraulischen Leitfähigkeit im Untergrund