Oberflächen-Nuklearmagnetische Resonanz (Oberflächen-NMR)

Das Oberflächen-NMR Verfahren (Abb. 1) hat gegenüber anderen hydrogeophysikalischen Methoden einen ganz wesentlichen Vorteil: die Wassermoleküle, speziell die Protonen in den Wassermolekülen, werden direkt über ihre Eigenschaften auf der atomaren Ebene nachgewiesen. Alle anderen geophysikalischen Methoden erlauben nur eine indirekte Wassererkundung durch Messungen der physikalischen Eigenschaften des Untergrundes, wie z.B. die elektrische Leitfähigkeit oder die Permittivität, die zwar vom Wassergehalt aber auch von weiteren Eigenschaften des Gesteins abhängig sind. Das erhöht die Mehrdeutigkeit der Ergebnisse und damit das Risiko der Fehlinterpretation. Bei einer hydrogeophysikalischen NMR-Messung werden dagegen ausschließlich die Kernspins der Protonen in den Wassermolekülen angeregt.

Abbildung 1: NMR-Messung in der Döberitzer Heide Abbildung 1: NMR-Messung in der Döberitzer Heide Quelle: BGR

Als geophysikalisches Bohrlochverfahren wird NMR seit den 1980iger Jahren zur Erdölerkundung eingesetzt (z.B. Dunn et al., 2002). Zeitgleich startete auch die Entwicklung einer nichtinvasiven NMR-Methode zur Grundwassererkundung, das sogenannte Oberflächen-NMR-Verfahren. Seitdem die grundsätzliche Anwendbarkeit in Russland (Semenov et al., 1989) zum ersten Mal gezeigt worden ist, hat eine bislang anhaltende weltweite Forschung eingesetzt, die das Oberflächen-NMR Verfahren kontinuierlich verbessert und erweitert (z.B. Legchenko et al., 2004; Dlugosch et al., 2011; Behroozmand et al., 2014). Die einfachste, eindimensionale Anwendung des Verfahrens wird auch magnetische Resonanzsondierung (MRS) genannt. Ähnlich wie beim TEM-Verfahren wird eine Kabelspule an der Oberfläche ausgelegt, die sowohl als Sender wie auch als Empfänger dient (Abb. 2). Im Sendemodus wird ein pulsförmiger Wechselstrom mit der Larmorfrequenz der Protonen angelegt. Das resultierende elektromagnetische (EM) Feld im Untergrund regt die Protonenspins an und lenkt sie aus ihrer Gleichgewichtslage im Erdmagnetfeld aus. Nach Abschaltung der Anregung, kehren die Spins in ihre Gleichgewichtslage zurück und induzieren dabei eine am Empfänger messbare Spannung. Das Messsignal entspricht einer exponentiell abklingenden Relaxationskurve. Deren Anfangsamplitude ist proportional zur Anzahl der angeregten Protonen und damit zum Gesamtwassergehalt innerhalb des sensitiven Volumens, während das Abklingverhalten, repräsentiert durch die Relaxationszeit, mit der mittleren Porengröße verknüpft ist. Durch Variation der Stromstärke, also des Anregungspulses, werden unterschiedliche Erkundungstiefen erreicht. Bei 2- und 3-D Anwendungen des Oberflächen-NMR Verfahrens werden Sender und Empfänger getrennt, um das Auflösungsvermögen zu erhöhen (Hertrich et al., 2009; Dlugosch et al., 2014).

Abbildung 2: Messprinzip des Oberflächen-NMR Verfahrens Abbildung 2: Messprinzip des Oberflächen-NMR Verfahrens Quelle: Lange und Yaramanci, 2005

Die maximal mögliche Erkundungstiefe entspricht in etwa dem Durchmesser der eingesetzten Spule (normalerweise 10 bis 150 m), hängt aber auch von der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes ab. Um die Inversion der NMR-Daten möglichst exakt durchzuführen, sind zusätzliche Messungen der elektrischen Leitfähigkeit (TEM oder Geoelektrik) notwendig. Da die Anregungsfrequenz (Larmorfrequenz) von der Stärke des Erdmagnetfeldes abhängig ist, begleiten auch magnetische Messungen jede Oberflächen-NMR-Kampagne. Zusätzlich zur eigentlichen NMR-Messspule werden in der Praxis weitere Referenzspulen aufgebaut (Abb. 3), um das EM Umgebungsrauschen zu charakterisieren und somit die Datenbearbeitung zu verbessern (Dalgaard et al., 2012; Müller-Petke und Costabel, 2014).

Abbildung 3: Schematische Darstellung des Messaufbaus für Oberflächen-NMR Abbildung 3: Schematische Darstellung des Messaufbaus für Oberflächen-NMR Quelle: BGR

Abbildung 4 zeigt ein Datenbeispiel der Oberflächen-NMR. Die Messdaten (Abb. 4a) werden während der Inversion (Müller-Petke et al., 2016) durch ein Modell angepasst (Abb. 4b). Das Modell beschreibt die Verteilung von Wassergehalt und Relaxationszeit als Funktion der Tiefe (Abb. 4c). Der mit der Oberflächen-NMR messbare Gesamt-Wassergehalt (Abb. 4d) liefert eine brauchbare Abschätzung der effektiven Porosität (Legchenko et al., 2004). Kapillargebundenes Wasser hat sehr kurze Relaxationszeiten und wird durch die relativ langen Geräte-Totzeiten (=Zeitspanne für das Umschalten vom Sende zum Empfangsmodus) nicht erfasst. Daher werden im abgebildeten Datenbeispiel die schluffigen Schichten durch unterschätzten Wassergehalt dargestellt, während die effektiven Porositäten der Sandaquifere mit 25 bis 35 % sehr gut abgeschätzt werden. Mit Hilfe der Relaxationszeiten als Maß für die mittlere Porengröße lässt sich durch geeignete Kalibration die Verteilung der hydraulischen Leitfähigkeit in der Tiefe berechnen (Legchenko et al., 2004; Mohnke und Yaramanci, 2008).

Abbildung 4: Datenbeispiel vom BGR-Testfeld Barnewitz/Nauen. Die Auswertung erfolgte mit Hilfe des Softwarepaketes MRSMatlab Abbildung 4: Datenbeispiel vom BGR-Testfeld Barnewitz/Nauen. Die Auswertung erfolgte mit Hilfe des Softwarepaketes MRSMatlab Quelle: Müller-Petke et al., 2016

Zahlreiche Studien haben in der Vergangenheit die Eignung des Oberflächen-NMR-Verfahren für verschiedene hydrogeologische Fragestellungen nachgewiesen, beispielsweise die Charakterisierung von Aquiferen in Lockersedimenten (z.B. Mohnke und Yaramanci, 2008; Günther und Müller-Petke, 2012; Knight et al., 2012) und von Kluft- und Karstaquiferen (z.B. Vouillamoz et al., 2005, 2014; Girard et al., 2007). Darüber hinaus erweitert die anhaltende technische und methodische Weiterentwicklung des Verfahrens das Anwendungsspektrum. Die Reduzierung der geräte-bedingten Totzeit beispielsweise erlaubt inzwischen Messungen in der vadosen Zone (Walsh et al., 2014; Costabel und Günther, 2014). Neu entwickelte Puls-Sequenzen verbessern das Auflösungsvermögen und machen Messungen in magnetisch heterogener Umgebung möglich (Legchenko et al., 2010; Walbrecker et al., 2011; Grunewald et al., 2014; Grombacher et al., 2016). Strategien zur Beschleunigung des Messfortschritts werden zukünftig die praktische Anwendbarkeit des Oberflächen-NMR-Verfahrens deutlich erhöhen (Costabel et al., 2016; Grunewald et al., 2016), so dass mit einer weiter steigenden Akzeptanz innerhalb der Hydrogeologie gerechnet werden kann.

Ausgewählte Veröffentlichungen zum NMR-Verfahren: