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Dr. Anja Klotzsche

3. Preis des Jahres 2014

Full-waveform inversion of cross-hole ground-penetrating radar data to characterize a gravel aquifer close to the Thur River, Switzerland

Institut für Bio- und Geowissenschaften, IBG-3 Agrosphäre, Forschungszentrum Jülich

Dr. Anja KlotzscheDr. Anja Klotsche

Eine hoch aufgelöste und präzise Charakterisierung von Grundwasserleitern ist notwendig, um das Verständnis von Strömungs- und Stofftransportprozessen zu verbessern. Kleinskalige Strukturen im Boden, gekennzeichnet durch einen hohen Kontrast, entstehen häufig durch Veränderungen in der Porosität oder des Tongehaltes und können einen deutlichen Einfluss auf hydraulische Prozesse haben. Solche Heterogenitäten in Grundwasserleitern können mit präferentiellen Strömungswegen oder undurchlässigen Tonlinsen in Verbindung gebracht werden und als Wellenleiter niedriger Geschwindigkeit fungieren.
”Crosshole”-Bodenradar, bei dem die Sender- und Empfängerantennen in zwei verschiedenen Bohrlöchern platziert sind, ist in der Lage, elektrische Eigenschaften des Untergrundes wie die dielektrische Permittivität (absolute Elektrizitätskonstante) und die elektrische Leitfähigkeit zu bestimmen. Aufgrund einer hohen Auflösung und Sensitivität gegenüber Porosität des Bodens konnte sich Crosshole-GPR in den letzten Jahren als leistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung von Grundwasserleitern etablieren. Strahlenbasierte Verfahren, die nur einen kleinen Teil des gemessenen Signals bei der Inversion betrachten, sind häufig nicht in der Lage, kleinskalige Strukturänderungen zu detektieren. Im Gegensatz dazu können diese Schichten mit der Crosshole-GPR-Vollewellenforminversion, die das gesamte Signal betrachtet, mit hoher Auflösung und hohem Kontrast abgebildet werden.
Vor kurzem wurde eine neue, auf vektoriellem Ansatz basierende 2D-Vollewellenform-inversion (VWI) im Zeitbereich für Crosshole-GPR entwickelt, welche die Modellauflösung im Vergleich zu Standard strahlenbasierten Techniken deutlich verbessert. Diese GPR-VWI wurde bezüglich einer optimierten Messordnung modifiziert, welche die Messzeit und den Rechenaufwand deutlich minimiert. Der verbesserte Algorithmus wurde eingesetzt, um Crosshole-GPR-Daten eines Kiesgrundwasserleiters des Flusses Thur (Schweiz) zu invertieren. Im Vergleich zur strahlenbasierten Inversion zeigen die Ergebnisse der VWI eine deutlich höhere Auflösung. Durch die Einbindung der ungesättigten Zone und des Grundwasserspiegels in die Startmodelle sind wir in der Lage, für den gesamten Bereich eine Auflösung kleiner der Wellenlänge für die Permittivitäts- und Leitfähigkeitstomogramme zu erhalten, einschließlich einer Schicht hoher Permittivität zwischen 5 m - 6 m Tiefe. Diese Schicht mit hoher Permittivität wirkt als elektromagnetischer Wellenleiter, verursacht durch eine Erhöhung der Porosität des Mediums, und könnte auf einen präferentiellen Fließweg hindeuten. Für Sender, die innerhalb eines Wellenleiters positioniert sind, kann man aufgrund der multiplen internen Reflektionen extrem hohe Amplituden und längliche Wellenzüge für die Empfängerpositionen in selbiger Schicht in den Daten beobachten.
Eine 3D Darstellung des gleichen Kiesgrundwasserleiters konnte durch das Invertieren und Zusammenfügen von sechs Crosshole-GPR-Ebenen mittels der 2D-VWI ermöglicht werden. Die Ergebnisse der VWI zeigen hochauflösende Bilder innerhalb der Dezimeter- Skala und für die Permittivität ähnliche Strukturen in direkter Nähe der Bohrlöcher und am Schnittpunkt der diagonalen Ebenen. Die durch eine hohe Permittivität gekennzeichnete Schicht, die als Wellenleiter zwischen 5 m - 6 m Tiefe agiert, konnte in allen sechs Ebenen nachgewiesen werden. Für Senderpositionen innerhalb des Wellenleiters konnten wesentlich höher Energiespektren und längliche Wellenzüge für Empfängerpositionen entlang dieser Zone beobachtet werden, wohingegen für die gleichen Empfänger ein ausgeprägtes Minimum im Energiespektrum sichtbar war, wenn der Sender außerhalb des Wellenleiter positioniert wurde. Eine neuartige Amplitudenanalyse wurde entwickelt, die diese Position der Maxima und Minima im Energiespektrum der gemessenen Daten zur Identifizierung von Wellenleitern und deren Grenzen benutzt. Die Ergebnisse der VWI wurden mit Hilfe von Bohrlochlogs ausgewertet, wobei die hydraulische Permeabilität das Vorhandensein eines präferentiellen Fließweges in einer Tiefe zwischen 5 m - 6 m bestätigt.
Das Potential und mögliche Einschränkungen des neuartigen Ansatzes der Amplitudenanalyse wurden mittels verschiedener synthetischer Studien untersucht. In diesen Studien zeigte sich, dass das angewendete Verfahren in der Lage ist, Wellenleiter und ihre Schichtgrenzen für unterschiedliche laterale und vertikale Ausdehnung sowie verschiedene Modellparameter der Wellenleiterschicht nachzuweisen. Längliche Wellenzüge mit hohen Amplituden ließen auf einen Wellenleiter schließen, der durch eine Veränderung in der Porosität (hohe Permittivität) verursacht wird. Hingegen wurden bei Veränderungen im Tongehalt (hohe Leitfähigkeit) keine länglichen Wellenzüge beobachtet. Für Wellenleiter mit einer begrenzten horizontalen Ausdehnung konnte eine charakteristische Wellenausdehnung mit einhergehenden hohen Amplituden und verzögerter Ausbreitung der Welle im Medium beobachtet werden. Ähnliche Ergebnisse wurden auch in einem experimentellen Datensatz für den Grundwasserleiters des Flusses Boise (USA) gefunden. Hier konnten zwei Wellenleiter mit begrenzter horizontaler Ausdehnung in den Daten identifiziert werden, welche durch die VWI bestätigt wurden.
Die 2D-GPR-VWI und die neue Amplitudenanalyse ermöglichen eine detaillierte hydrogeologische Charakterisierung von Grundwasserleitern. Insbesondere durch die verbesserte Lokalisierung vor allem kleinskaliger Strukturen eignen sich die Methoden für eine breite Palette geologischer, hydrologischer, glazialer und periglazialer Studien..


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