Quantitative Aquifererkundung – Weiterentwicklung des Oberflächen-NMR Verfahrens
Projektanfang: 01.01.2009
Projektende: 31.12.2013
Projektstand: 31.12.2013
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Das geophysikalische Verfahren der Oberflächen-Nuklearmagnetische Resonanz (Oberflächen-NMR) erlaubt die zerstörungsfreie Bestimmung des volumetrischen Wassergehaltes im Untergrund . Darüber hinaus erhält man mit der NMR-Abklingzeit einen Parameter, der die Information über die effektive Porengröße enthält und somit eine lithologische Charakterisierung des Untergrundes erlaubt, sowie die Abschätzung der hydraulischen Leitfähigkeit, wenn Kalibrationsdaten, z.B. aus Pumpversuchen oder durch Bohrkernuntersuchungen vorhanden sind. Dennoch ist die Anwendung der Oberflächen-NMR eingeschränkt durch die sehr kleinen Messsignale (10 bis 1000 nV) und die damit verbundene hohe Anfälligkeit gegen elektromagnetisches (EM) Umgebungsrauschen. Seit einigen Jahren ist es möglich, mehrkanalige Oberflächen-NMR-Apparaturen zu verwenden, die durch die sogenannte remote-reference-Technik eine deutlich verbesserte Datenqualität versprechen (Walsh, 2008; Dlugosch et al., 2011). Ziel dieses Forschungs- und Entwicklungsprojektes an der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe war es daher, die Möglichkeiten dieser neuen technischen Entwicklung zu testen, zu bewerten und weiter zu entwickeln.
Abb.1: Processing-Schritte vom gemessenen Signal bis hin zum exponentiell gefitteten Ergebnis im Zeitbereich (linke Spalte) und Frequenzbereich (rechte Spalte): (a) Rohdaten mit harmonischen Störanteilen und Spikes, (b) Eliminierung der Spikes mittels Wavelet-Filterung, (c) Unterdrückung der harmonischen Störanteile und (d) Stapelung und exponentielle Anpassung des resultierenden Signals. Amplitude und Abklingzeit stehen nun zur weiteren Verarbeitung/Inversion zur Verfügung
Quelle: BGR
Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene EM-Rauschphänomene untersucht und Strategien zu deren Unterdrückung in Oberflächen-NMR-Signalen entwickelt und getestet. Harmonische Rauschanteile, also beispielsweise störende Oberwellen von Stromleitungen und Eisenbahntrassen, können mithilfe der remote-reference-Technik sehr effektiv unterdrückt werden. Dabei wird eine Verminderung des Rauschens, abhängig von der Messlokation, um einen Faktor von bis zu 20 festgestellt. Allerdings wurde auch festgestellt, dass die konkrete Rauschcharakteristik vor Ort oft eine individuelle Datenbearbeitungsstrategie erforderlich macht, um die bestmögliche Rauschunterdrückung zu gewährleisten. So kann sich beispielsweise die Frequenz und Amplitude der harmonischen Rauschanteile innerhalb kürzester Zeit (wenige 100 ms) ändern, oder es können kurzzeitige Signalsspitzen mit sehr hohen Amplituden, sog. Spikes, auftreten, die die Anwendung der remote-reference-Technik einschränken. In Zusammenarbeit mit Kollegen des Leibniz-Instituts für Angewandte Geowissenschaften wurden mit Erfolg sowohl für veränderliche harmonische Störanteile, wie auch für verstärktes Auftreten von Spikes Datenbearbeitungsstrategien entwickelt (Abb1., Costabel und Müller-Petke, 2014; Müller-Petke und Costabel, 2014). Die entsprechende Software steht als Bestandteil des Programmpaketes MRSMatlab für die Bearbeitung zukünftiger Datensätze für wissenschaftliche Zwecke zur freien Verfügung (Müller-Petke et al., 2012).
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Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die entwickelten Datenbearbeitungsstrategien zur Rauschunterdrückung die Verwendung des Oberflächen-NMR-Verfahrens in der vadosen Bodenzone ermöglichen. NMR-Signale aus teilgesättigten Bereichen sind besonders schwach (10 nV und weniger) und konnten bislang nur sehr eingeschränkt zur Charakterisierung der vadosen Zone herangezogen werden. In diesem und anderen Projekten wurden mit Erfolg Messungen in der vadosen Zone durchgeführt und teilgesättigte Bereiche nachgewiesen (Abb. 2, Costabel und Günther, 2014; FLIN).
Referenzen:
- Costabel S. und Müller-Petke M. (2014). Despiking of magnetic resonance signals in time and wavelet domain. Near Surface Geophysics 12(2), 185 – 197.
- Costabel, S., und Günther, T. (2014). Noninvasive Estimation of Water Retention Parameters by Observing the Capillary Fringe with Magnetic Resonance Sounding. Vadose Zone Journal 13 (6).
- Dlugosch, R., M. Müller-Petke, T. Günther, S. Costabel, and U. Yaramanci (2011). Assessment of the potential of a new generation of surface nuclear magnetic resonance instruments. Near Surf. Geophys. 9, 89 – 102.
- Müller-Petke M. and Costabel S. (2014). Comparison and optimal parameter setting of reference-based harmonic noise cancellation in time and frequency domain for surface-NMR. Near Surface Geophysics 12(2), 199 – 210.
- Müller-Petke, M., Walbrecker, J., Hertrich, M. (2012). MRSMATLAB2.0 – Modules for MRS modeling inversion and data processing. 25th Symposium on the Application of Geophpysics to Engineering & Environmental Problems, Tucson, Arizona.
- Walsh, D. (2008). Multi-channel surface NMR instrumentation and software for 1D/2D groundwater investigations. Journal of Applied Geophysics, 66(3-4), 140–150.
Poster und Präsentationen:
Costabel, S. and Müller-Petke, M. (2011). Remote-Reference-Strategien zur Rauschunterdrückung bei Messungen de Oberflächen-Nuklearmagnetischen Resonanz (SNMR). Tagungsband der 71. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 21. – 24. Februar, Köln, Deutschland.
Müller-Petke, M., Costabel, S., and Yaramanci, U. (2011). Noise Coancellation for surface NMR: A comparison of time and frequency domain approaches. Tagungsband der 71. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 21. – 24. Februar, Köln, Deutschland.
Costabel, S. and Günther, T. (2012). Magnetische Resonanz Sondierung zur Parametrisierung der kapillaren Aufstiegszone. 72. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 5. – 8. März, Hamburg, Deutschland.
Seibertz, K., Günther, T., and Costabel, S. (2012). Magnet-Resonanz-Sondierungen (MRS) für die Erstellung von hydrogeologischen Schnitten am Beispiel Brandenburgisches Havelland. 72. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 5. – 8. März, Hamburg, Deutschland.
Costabel, S., Noell, U. and Ganz, C. (2012). Non-invasive investigation of the saturated/unsaturated zone with magnetic resonance sounding – a field example at the testsite Fuhrberger Feld near Hannover, Germany. Geophysical Research Abstracts (14), Proceedings of EGU General Assembly 2012, Vienna, Austria.
Costabel, S. and Günther, T. (2012). Direct inversion for water retention parameters from MRS measurements in the saturated/unsaturated zone – a sensitivity study. Presentation at 5th International Meeting on Magnetic Resonance, 25. – 27. September, Hannover, Germany.
Müller-Petke, M. and Costabel, S. (2012). A comparison of harmonic noise cancellation concepts. Poster at 5th International Meeting on Magnetic Resonance - Abstract. Poster at 5th International Meeting on Magnetic Resonance - Abstract, 25. – 27. September, Hannover, Germany.
Costabel, S. and Müller-Petke, M. (2012). MRS noise investigations with focus on optimizing the measurement setup in the field. Poster at 5th International Meeting on Magnetic Resonance, 25. – 27. September, Hannover, Germany.
Costabel, S. and Müller-Petke, M. (2012). Identification and elimination of spiky noise features in MRS data. Poster at 5th International Meeting on Magnetic Resonance, 25. – 27. September, Hannover, Germany.
Costabel, S. and Noell, U. (2012). Surface Nuclear Magnetic Resonance for non-invasive observation of the vadose zone. Presentation at 2nd International Conference on Hydropedology (PDF, 1 MB), 22 – 27 July, Leibzig, Germany.
Costabel, S., Günther, T., and Meyer, U. (2012). A feasibility study on the estimation of water retention parameters from surface nuclear magnetic resonance measurements in the vadose zone.
Müller-Petke, M. and Costabel, S. (2013) Müller-Petke, M. and Costabel, S. (2013) Surface-NMR in Urban Area . A No Go? Proceedings of Near Surface Geoscience, 19th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, 9 – 11 September, Bochum, Germany, 9 – 11 September, Bochum, Germany.
