Hauskolloquium am Dienstag, den 03. November 2026 um 10:00 Uhr im Großen Sitzungssaal des Hauses und auf Webex

Thema: Neue Anwendungsbereiche der (Oberflächen)-NMR

Moderation: Dr. Katrin Schwalenberg

Agenda

Hiller, T., Costabel, S., Schönfeldt, E., Preugschat, B., Feitosa Menezes, F. & Erdmann, G.: Untersuchung der Auswirkung von Verdichtungsmaßnahmen auf Bergbaukippen mit Hilfe der Oberflächen-NMR

Infolge des Grundwasserwiederanstiegs traten seit Mitte der 2000er Jahre auf den Innenkippen des Lausitzer Braunkohlereviers vermehrt plötzliche Bodenverflüssigungen auf. Zur Stabilisierung der betroffenen Bereiche wird momentan u.a. die schonende Sprengverdichtung (SSPV) eingesetzt, die durch zeitverzögerte Sprengungen unterhalb des Grundwasserspiegels eine Veränderung des Korngefüges bzw. eine Verdichtung des Porenraums bewirken soll. Im Haus-Projekt „VerLaUf“ wurde untersucht, inwieweit geophysikalische Methoden die Auswirkungen der SSPV erfassen können. Unser Augenmerk gilt hier v.a. der Oberflächen-NMR (SNMR), deren Signalamplitude und Relaxationszeit Rückschlüsse auf Wassergehalt und Porengröße ermöglichen.

Über drei Jahre wurden SNMR-Sondierungen entlang eines 450 m langen Profils sowie an einem unbeeinflussten Referenzpunkt durchgeführt. Die Messungen erfolgten vor sowie 5 und 15 Monate nach der SSPV. Die Ergebnisse zeigen eine Verschiebung der Relaxationszeiten von etwa 100 auf 80 ms. Veränderungen des Gesamtwassergehalts sind aufgrund von Messunsicherheiten nicht eindeutig nachweisbar. Allerdings zeigte ein aus Signalamplitude und Relaxationszeit abgeleiteter Permeabilitätsindex eine Verringerung im sprengbeeinflussten Teufenbereich um bis zu 33 %. Die Oberflächen-NMR Ergebnisse deuten somit auf eine erfolgreiche Verdichtung des Porenraums hin.

Splith, T., Costabel, S., Hiller, T. & Müller-Petke, M.: Präpolarisierte Oberflächen-NMR und ihre Anwendungsmöglichkeiten: Grundlagen und neueste methodische Entwicklungen

Bodenfeuchtigkeit ist eine wichtige Größe für eine Vielzahl von ökologischen Prozessen und exakte und zerstörungsfreie Messungen dieser Größe werden insbesondere im Hinblick auf den Klimawandel immer relevanter. Deshalb wurde im MoreSpin-Projekt die Oberflächen-NMR-Methode weiterentwickelt, um eine Anwendung für Bodenfeuchtigkeitsmessungen zu ermöglichen. Hierbei kommt eine zusätzliche Präpolarisationsspule zum Einsatz, welche das Signal aus dem oberflächennahen Bereich deutlich verstärkt. Dies ermöglicht kompakte Spulenlayouts, welche überwiegend Sensitivität im obersten Meter des Untergrunds haben.

Der Vortrag stellt die Ergebnisse der kürzlich abgeschlossenen zweiten Projektphase vor. Neben der Erweiterung der theoretischen Grundlagen, welche durch die veränderten Messbedingung notwendig wird, wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, um die Spulenlayouts für die Anwendung zu optimieren. Der entwickelte Sensor wurde erfolgreich auf Torfböden angewendet. Neue Möglichkeiten ergeben sich durch Messungen mit Magnetfeldsensoren.

Costabel, S., Splith, T., Hiller, T., Müller-Petke, M., Stange, F., Tsukamoto, S. & Ostertag-Henning, C.: (Oberflächen-)NMR Untersuchungen auf organischen Böden – Neue Interpretationsansätze aus der Biopolymerforschung für die Geophysik

Hydrogeophysikalische Anwendungen der NMR-Relaxometrie zur hydraulischen Charakterisierung von mineralischen Böden und Sedimenten sind sehr gut etabliert. NMR Verfahren im Labor, Bohrloch oder von der Oberfläche aus liefern in diesem Zusammenhang wertvolle Informationen: Wassergehalt, Porengrößenverteilung, hydraulische Leitfähigkeit. Erste NMR-Untersuchungen in Zusammenhang mit organischen Böden geben diesbezüglich jedoch Rätsel auf. Die gut etablierten petrophysikalischen Zusammenhänge zwischen den gemessenen NMR-Parametern und den hydraulischen Poreneigenschaften scheinen für organische Böden nicht ohne Weiteres zu gelten.

Zwar kann auf empirische Weise ein gut quantifizierbarer Zusammenhang zwischen dem Zersetzungsgrad des Bodens und den NMR-Relaxationseigenschaften nachgewiesen werden, aber die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen der NMR-Relaxation sind für organische Böden nicht beschrieben. Während in mineralischen Böden die paramagnetischen Eigenschaften der Festsubstanz den entscheidenden Einfluss auf die NMR-Parameter haben, zeigen organische Böden interessanterweise selbst mit nachweisbar diamagnetischem Charakter ein vergleichsweise schnelles Relaxationsverhalten sowie eine ungewöhnlich hohe Frequenzabhängigkeit. Um dies zu verstehen, helfen Interpretationsansätze aus der Polymerforschung und aus den Lebensmittelwissenschaften.

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