COSTABEL, S. (Fachbereich B2.1 Geophysikalische Erkundung – Technische Mineralogie) Neue Möglichkeiten zur geophysikalischen Untersuchung der ungesättigten Zone mithilfe Nuklearmagnetischer Resonanz (NMR)

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 im Labormaßstab. Es ist zu erwarten, dass diese Verfahren ebenso zur Abschätzung effektiver hydraulischer Parameter in der vadosen Zone potentiell geeignet sind. Dieses Potenzial wurde in einer Dissertation auf Labor- und Feldskala untersucht und bewertet.

Auf der Grundlage des bodenphysikalischen Standard-Modells nach Brooks und Corey (1964) wurde ein empirischer Ansatz entwickelt, der die NMR-Relaxationszeit bei Teilsättigung mit der relativen hydraulischen Leitfähigkeit K_rel, d.h. mit dem Verhältnis aus ungesättigter und gesättigter Leitfähigkeit verknüpft. Dieser Ansatz wurde mithilfe konventioneller Labor-NMR durch T2 Messungen und in modifizierter Form für T2* Messungen im Erdmagnetfeld bestätigt (Siehe Abbildung, linke Seite). Die Abschätzung von K_rel aus T2* Messungen kann im Prinzip auch für die NMR-Anwendung im Gelände, also für Oberflächen-NMR-Messungen (Surface NMR, SNMR), adaptiert werden. Allerdings hat die praktische Anwendung dieses Ansatzes im Feldmaßstab noch technische und konzeptionelle Grenzen und muss in zukünftiger Forschungsarbeit weiter untersucht werden. Alternativ dazu wurde ein neues Inversionsverfahren für die SNMR-Methode entwickelt, welches ausschließlich die NMR-Signalamplituden benutzt und direkt den kapillaren Aufstieg mithilfe des Brooks-Corey-Modells parametrisiert. Auch dieser Ansatz erlaubt eine plausible Abschätzung von K_rel unter der Voraussetzung, dass der Kapillarraum im Gleichgewicht ist (Siehe Abbildung, rechte Seite).

Abschätzung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit Quelle: BGR