Petrophysik

Geophysikalische Messverfahren kommen als Bohrloch- oder Feldmethoden zum Einsatz und ermitteln die Verteilung physikalischer Parameter im Untergrund. Um daraus nützliche geologische Informationen abzuleiten, ist es notwendig, die Zusammenhänge zwischen den geophysikalisch messbaren Größen und den geologischen Zielparametern zu kennen. Aufgabe der Petrophysik ist es, diese Zusammenhänge unter kontrollierten Laborbedingungen zu analysieren und mit Hilfe petrophysikalischer Modellvorstellungen zu quantifizieren (Schön, 1996). Die petrophysikalischen Untersuchungen innerhalb der Abteilung Grundwasser und Boden der BGR sind auf hauptsächlich hydrogeologische Fragestellungen spezialisiert und auf die hydrogeophysikalischen Feldmethoden abgestimmt, die an der BGR für die Erkundung von Grundwassersystemen sowie für bodenphysikalische Untersuchungen zum Einsatz kommen (Abb. 1).

Abb. 1: Vorbereitung der Proben und Messung der Spektral induzierte Polarisation Abb. 1: Vorbereitung der Proben und Messung der Spektral induzierte Polarisation Quelle: BGR

Elektrischer Widerstand

Elektrische und Elektromagnetische Verfahren (ERT und TEM) bilden die räumliche Verteilung des elektrischen Widerstandes, bzw. der elektrischen Leitfähigkeit im Untergrund ab. In den meisten geologischen Formationen, die für die Grundwasserdynamik interessant sind, spielt sich der Stromfluss vor allem im wassergefüllten Porenraum ab und wird häufig durch das Gesetz von Archie (1942) beschrieben:

Gesetz von Archie (1942)

Das Gesetz beschreibt den gemessenen Gesteinswiderstand ρ_Rockals Funktion des Widerstandes des Porenfluides ρ_Fluidsowie der Porosität Ф. Der Exponent m ist ein experimentell zu bestimmender Materialparameter und beschreibt empirisch, wie stark die Behinderung des Stromflusses durch den Porenraum ist. Bei Sandsteinen wird m auch als Zementationsexponent bezeichnet. Petrophysikalische Ergänzungen des klassischen Archiemodells werden nötig, wenn der Stromfluss durch das Material z.B. auch an Korngrenzflächen (z.B. hoher Tonanteil) oder in der Gesteinsmatrix (z.B. Erzminerale) erfolgt.

Abb. 2: (a) Vier-Punkt-Anordnung zur Messung des elektrischen Gesteinswiderstandes, (b) elektrische Widerstandsmessungen von Kernproben (Testbohrung B1, Barnewitz/Nauen) als Funktion der Porosität Quelle: BGR

Elektrische Messungen im Labormaßstab erfolgen normalerweise ähnlich wie die Messungen im Feld (ERT) in Form von sog. 4-Punkt-Messungen (Abb. 2a). Dabei werden die äußeren Elektroden zur Stromeinspeisung und die inneren zum Abgriff der Spannung genutzt. Abbildung 2b zeigt elektrische Widerstandsmessungen von verschiedenen Kernproben einer Testbohrung (B1) auf dem BGR-Testgelände Barnewitz/Nauen, aufgetragen über der Porosität. Die Proben wurden dazu einheitlich mit Salzwasser (ρ_Fluid = 0.5 Ωm) aufgesättigt. Durch die Anpassung dieses Datensatzes mit dem Archiegesetz (gestrichelte Linie) erhält man ein Werkzeug, das die Abschätzung der Porositätsverteilung im Testgebiet, z.B. aus ERT-Messungen, ermöglicht.

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Spektral induzierte Polarisation (SIP)

Mitunter werden bei elektrischen Feldmessungen Polarisierungserscheinungen beobachtet, die in Ergänzung zum elektrischen Widerstand wertvolle Zusatzinformationen liefern können. Entsprechende Labormessungen werden mit Hilfe der sog. Spektral Induzierten Polarisation (SIP) durchgeführt. Dabei wird die elektrische Impedanz (d.h. der komplexe elektrische Widerstand) für ein Frequenzspektrum von wenigen Milli- bis mehreren KiloHertz gemessen. Der Versuchsaufbau ist im Gegensatz zu einfachen elektrischen Messungen etwas komplizierter (Abb. 3a). Um verfälschende Polarisationseffekte bei der Ankopplung der Elektroden an das Probenmaterial zu vermeiden, werden unpolarisierbare mikrofeine Keramikplatten bzw. –spitzen verwendet, um den Wechselstrom einzuspeisen und die Spannung zu messen. Das gemessene Impedanzspektrum lässt sich häufig mit dem sogenannten Cole-Cole-Modell (Cole and Cole, 1941; Pelton et al., 1978) beschreiben:

Cole-Cole-Modell

Hierbei wird der gemessene Widerstand ρ_Rock(ω) als Funktion der Eingangsfrequenz ω betrachtet. Die Parameter des Cole-Cole-Modells sind der Gleichstromwiderstand ρ₀, die Aufladbarkeit m, die Relaxationszeit τ und der Exponent c, welcher die Verteilungsbreite der Relaxationszeit beschreibt. Obwohl dieses Modell oft als rein empirisch betrachtet und behandelt wird, liegt ihm ein elektrisches Ersatzschaltbild zu Grunde, welches die Polarisierungseigenschaften des geologischen Materials simuliert. Mit Hilfe der Cole-Cole Parameter lassen sich beispielsweise Eisenmineralgehalte und -mineralkorngrößen abschätzen wie durch Hupfer 2014 und Hupfer et al., 2016 an synthetischen Sulfid-Sand Gemischen gezeigt (Abb. 3b).

Abb. 3: (a) Laboraufbau zur Messung der Spektral Induzierten Polarisation, (b) gemessene Aufladbarkeit m als Funktion der Pyrit-Konzentration in einer Sandprobe Quelle: Hupfer, 2014

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Nuklearmagnetische Resonanz

Messungen der Nuklearmagnetischen Resonanz (NMR) im Labor, in Bohrlöchern oder im Feld (Oberflächen-NMR) erlauben die direkte Messung des Wassergehaltes, ohne das ein petrophysikalisches Modell bemüht werden muss. Darüber hinaus kann das NMR-Relaxationsverhalten aber auch zusätzliche Informationen über Geometrie (z.B. Mohnke and Yaramanci, 2008) und Geochemie (z.B. Keating et al., 2008) innerhalb des Porenraumes liefern. In vielen Fällen lässt sich bei Lockersedimenten und Sandsteinen ein semi-empirischer Zusammenhang zwischen durchschnittlicher Relaxationszeit und mittlerer Porengröße feststellen, was die Abschätzung der Permeabilität aus NMR-Daten erlaubt (Seevers, 1966; Kenyon, 1997; Mohnke and Yaramanci, 2008; Knight et al., 2015):

Permeabilität aus NMR-Daten

Dabei wird die Permeabilität k als Funktion der Porosität Ф und der Abklingzeit T₁ bei Messung der longitudinalen NMR-Relaxation, bzw. T₂ bei Messung der transversalen Relaxation angesehen. Die Größen sind über den Faktor C sowie die Exponenten a und b als empirische Größen verknüpft. In der Praxis wird normalerweise b = 2 gesetzt, was sich aus theoretischen Überlegungen herleiten lässt. Daher wird der Ansatz als semi-empirisch bezeichnet. Auch der Exponent a wird der Einfachheit entweder auf eins (Seevers, 1966) oder auf vier (Kenyon, 1997) gesetzt, so dass sich die Kalibration normalerweise auf die Bestimmung von C beschränkt. Abbildung 4 zeigt die gemessenen T₂-Zeiten von den Kernproben der Testbohrung B1 (Barnewitz/Nauen) und deren Korrelation mit Messwerten der hydraulischen Leitfähigkeit.

Abb. 4: (a) Laborapparatur für die Messung der Nuklearmagnetischen Resonanz (NMR) im Erdmagnetfeld zur Unterstützung von Feldmessungen, (b) Laborapparatur für NMR-Messungen im Feld eines Dauermagneten zur detaillierten Untersuchung von Materialeigenschaften, (c) gemessene NMR-Abklingzeiten T2 von Kernproben (Bohrung B1, Testfeld Barnewitz/Nauen) als Funktion der hydraulischen Leitfähigkeit Quelle: BGR