Numerische Modellierung der elektromagnetischen Kopplungseffekte zur Phasenkorrektur von EIT-Bohrlochmessungen

Die Elektrische Impedanz-Tomografie (EIT), kombiniert mit der Funktionalität der Impedanz-Spektroskopie, die auch Spektrale Induzierte Polarisation (SIP) genannt wird, ist in den letzten Jahren im Bereich der Geophysik immer bedeutsamer geworden. Bei dieser Messmethode ist im Hinblick auf die Charakterisierung von schwach polarisierbaren Böden und Sedimenten eine hohe Phasengenauigkeit gefordert, wobei typische Phasen zwischen 1 und 20 mrad liegen. Bei der Feldanwendung der Methode müssen aufgrund der großen Elektrodenabstände lange Kabel eingesetzt werden, die jedoch zu unerwünschten elektromagnetischen Kopplungseffekten in der Messung führen. Für die ersten Testmessungen mit unserem Messsystem EIT40 wurden 25-m-lange Elektrodenkabel entwickelt, die jeweils mit vier oder acht Elektroden bestückt sind. Innerhalb eines Kabels entstehen hierbei induktive Kopplungen zwischen den jeweiligen Doppelleitungen für die Stromeinspeisung und die Spannungsmessung und kapazitive Kopplungen zwischen der elektrisch leitenden Abschirmung des Kabels und dem elektrisch leitenden Boden. Diese elektromagnetischen Kopplungen, die für das Korrekturverfahren durch diskrete Gegeninduktivitäten L und Kapazitäten C modelliert wurden, können abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes bzw. den gemessenen Transferimpedanzen große Phasenfehler bewirken. In diesem Beitrag werden die einzelnen Kopplungseffekte sowie die Ergebnisse der theoretischen Berechnungen und Testmessungen vorgestellt. Die frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften (L und C) der Kabel wurden im Labor gemessen und für die spätere Korrektur mittels Cole-Cole-Modell beschrieben. Anhand von Messungen unter kontrollierten Bedingungen in einer mit Wasser gefüllten Regentonne wurde die Korrekturmethode erfolgreich getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Korrekturmethode eine hohe Phasengenauigkeit im Frequenzbereich von einigen mHz bis größer als 1 kHz ermöglicht