Nuklearmagnetische Resonanz auf Labor- und Feldskala zur Abschätzung hydraulischer Parameter in der vadosen Zone

Die Methode der Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) ermöglicht die Analyse des wassergefüllten Porenraumes. Geophysikalische NMR-Verfahren erlauben die Abschätzung des Wassergehaltes und der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des Porenraumes im Labor- und Feldmaßstab sowie die Porengrößenverteilung (PGV) im Labormaßstab. Es ist zu erwarten, dass diese Verfahren ebenso zur Abschätzung effektiver hydraulischer Parameter in der vadosen Zone potentiell geeignet sind. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Potenzial auf Labor- und Feldskala untersucht und bewertet. Auf der Grundlage einfacher Porenmodelle, für die das mathematisch-physikalische Problem der NMR-Relaxation analytisch gelöst werden kann, wird der Zusammenhang zwischen Relaxationszeit und Sättigungsgrad des Porenraumes untersucht. Es zeigt sich dabei, dass die Annahme darüber, wie das Restwasser im Porenraum gebunden ist, die Relaxationscharakteristik entscheidend beeinflusst. Im Labormaßstab wurde anhand künstlicher und natürlicher Proben getestet, ob die NMR-basierte PGV eine Abschätzung der Wasserretentionsfunktion (WRF) darstellt. Es wird gezeigt, dass die Übereinstimmung von NMR-PGV und WRF nur für Lockersedimente mit einem Tonanteil von weniger als 10% gültig ist. Die bevorzugte Empfindlichkeit der NMR-Methode für die Porenbäuche sorgt für eine mit dem Tonanteil zunehmende Abweichung im Vergleich zu konventionellen WRF Messungen, welche ihrerseits auf Porenhälse sensitiv sind. Eine glaubwürdige Abschätzung hydraulischer Parameter aus NMR-PGVs ist also nur für sandige Böden möglich. Auf der Grundlage des gut bekannten Brooks-Corey-Modells wird ein empirischer Ansatz entwickelt, der die relative Relaxationszeit bei Teilsättigung mit der relativen hydraulischen Leitfähigkeit K_{rel} (Verhältnis aus ungesättigter und gesättigter Leitfähigkeit) verknüpft. Dieser Ansatz wird mithilfe konventioneller Labor-NMR durch T_2 Messungen und in modifizierter Form für T_2^* Messungen im Erdmagnetfeld bestätigt. Die Abschätzung von K_{rel} aus T_2^* Messungen kann im Prinzip für die NMR-Feldanwendung, also für Magnetische Resonanz Sondierungen (MRS), adaptiert werden, was an einem Feldbeispiel gezeigt wird. Allerdings hat die praktische Anwendung dieses Ansatzes im Feldmaßstab noch technische und konzeptionelle Grenzen und muss in zukünftiger Forschungsarbeit weiter untersucht werden. Alternativ dazu wird ein neues Inversionsverfahren für die MRS-Methode eingeführt, welches ausschließlich die NMR-Amplituden benutzt und direkt den kapillaren Aufstieg mithilfe des Brooks-Corey-Modells parametrisiert. Ein weiteres Feldbeispiel zeigt, dass auch dieser Ansatz unter der Voraussetzung, dass der Kapillarraum im Gleichgewicht ist, eine plausible Abschätzung von K_{rel} erlaubt.The method of nuclear magnetic resonance (NMR) is sensitive to water-filled pores and to pore-space properties, respectively. Geophysical NMR applications allow for estimating water content and saturated hydraulic conductivity on laboratory and field scale, as well as the pore size distribution (PSD) on laboratory scale. Thus, these applications are expected to have also a great potential for estimating effective hydraulic parameters in the vadose zone. This potential is investigated and assessed in this work on the laboratory and on the field scale, respectively. The theoretical analysis of the underlying mathematical-physical concepts describing the NMR relaxation phenomenon in simple pore geometries shows that the relaxation characteristics of partially saturated pores significantly depends on the assumption how the remaining pore water is kept in the pore during the desaturation. On the laboratory scale, NMR measurements with artificial and natural soil samples were conducted to test the reliability of the NMR-based PSD to be an estimate of the water retention curve (WRC). It is shown that this estimation is only possible for samples with clay contents smaller than approximately 10%. NMR methods are sensitive to the pore bodies, which is contrary to the pore-throat sensitivity of conventional WRC measurements and leads thus to an increasing difference between NMR-PSDs and WRCs with increasing clay content. It must be concluded that a plausible estimation of hydraulic parameters from the NMR-PSD is possible for sandy soils only. Based on the well known Brooks-Corey model, an empirical approach is developed, which relates the relative relaxation time at partial saturation to the relative hydraulic conductivity K_{rel}, i.e., the ratio of the unsaturated and the saturated conductivities. This approach is verified in the laboratory for T_2 measurements with conventional NMR and, in a modified form, for T_2^* measurements with earth’s field NMR, respectively. The estimation of K_{rel} from T_2^* can, in principle, also be adapted for the field application of NMR, the magnetic resonance sounding method (MRS), which is shown with a field example. However, this approach still exhibits conceptional and technical limitation and must be investigated further. As alternative, an additional inversion approach for MRS is introduced, which uses only the NMR signal amplitudes and parameterizes directly the capillary fringe in the subsurface by using the Brooks-Corey model. A further MRS field example shows that this approach also allows for a plausible prediction of K_{rel} under the assumption that the capillary fringe is in a state of equilibrium