TY - JOUR A1 - Martin, Tina A1 - Nordsiek, S. A1 - Weller, Andreas T1 - Low-frequency impedance spectroscopy of wood N2 - The method of low-frequency impedance spectroscopy has been successfully applied in Earth sciences to characterize soils and rocks. The method uses the diagnosing power of complex electrical resistivity in a frequency range between 1 mHz and 1 kHz. In our study, the potential of this method has been explored for the investigation of wood. We observed remarkable differences in the resulting spectra of complex resistivity for different European and Tropical tree species. The data processing of the acquired low-frequency impedance spectra yields integrating parameters. The comparison of the integrating parameters with the mean pore diameter that has been separately determined for the tropical tree species indicates clear correlations. An additional investigation has revealed remarkable difference in the complex resistivity spectra between oil bearing and non-oil bearing sandal wood. This result and the relations between electrical parameters and structural parameters of wood indicate the prospective potential of low-frequency impedance spectroscopy. KW - Holz KW - Spektroskopie KW - ZfP KW - SIP KW - Nondestructive KW - Low-frequency impedance spectroscopy KW - Spectral induced polarization PY - 2015 DO - https://doi.org/10.5171/2015.910447 SP - 1 EP - 9 PB - IBIMA Publ. AN - OPUS4-34811 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Weller, Andreas A1 - Zhang, Z. A1 - Slater, L. A1 - Kruschwitz, Sabine A1 - Halisch, M. T1 - Induced polarization and pore radius — A discussion N2 - Permeability estimation from induced polarization (IP) measurements is based on a fundamental premise that the characteristic relaxation time τ is related to the effective hydraulic radius reff controlling fluid flow. The approach requires a reliable estimate of the diffusion coefficient of the ions in the electrical double layer. Others have assumed a value for the diffusion coefficient, or postulated different values for clay versus clay-free rocks. We have examined the link between a widely used single estimate of τ and reff for an extensive database of sandstone samples, in which mercury porosimetry data confirm that reff is reliably determined from a modification of the Hagen-Poiseuille equation assuming that the electrical tortuosity is equal to the hydraulic tortuosity. Our database does not support the existence of one or two distinct representative diffusion coefficients but instead demonstrates strong evidence for six orders of magnitude of variation in an apparent Diffusion coefficient that is well-correlated with reff and the specific surface area per unit pore volume Spor. Two scenarios can explain our findings: (1) the length scale defined by τ is not equal to reff and is likely much longer due to the control of pore-surface roughness or (2) the range of diffusion coefficients is large and likely determined by the relative proportions of the different minerals (e.g., silica and clays) making up the rock. In either case, the estimation of reff (and hence permeability) is inherently uncertain from a single characteristic IP relaxation time as considered in this study. KW - Spectral induced polarisation KW - Pore radius KW - Permeability KW - Specific surface KW - Mercury intrusion PY - 2016 DO - https://doi.org/10.1190/GEO2016-0135.1 SN - 0016-8033 SN - 1942-2156 VL - 81 IS - 5 SP - D519 EP - D526 AN - OPUS4-38393 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gürlich, L. A1 - Kruschwitz, Sabine A1 - Halisch, M. A1 - Weller, Andreas T1 - SIP Messungen an Fontainebleau Sandsteinen N2 - Die Methode der Spektral Induzierten Polarisation (SIP) wird eingesetzt, um hydraulische Parameter wie Porosität und Permeabilität von Gesteinen abzuleiten. Dabei wird ein Wechselstrom im Bereich von 1 mHz bis 45 kHz in das Gestein eingespeist und die Phasenverschiebung zwischen elektrischem Strom und Spannung gemessen, woraus die komplexe Leitfähigkeit berechnet wird. In dieser Arbeit werden die komplexen Leitfähigkeiten von Fontainebleau Sandsteinen mittels einer am Leibnitz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) hergestellten Messzelle und einer SIP Apparatur des Forschungszentrums Jülich (FZJ) gemessen. Die Fontainebleau Sandsteine stammen aus Frankreich, südlich von Paris und zeichnen sich durch eine nahezu homogene Zusammensetzung aus Quartz aus. Für die Messungen wurden vier Blöcke mit jeweils vier Proben ausgewählt, die in Porosität und Permeabilität variieren. Für die SIP-Messungen werden die Gesteinsproben mit Natriumchlorid Lösung unterschiedlicher Leitfähigkeiten gesättigt, um die Abhängigkeit der IP-Spektren von der Leitfähigkeit des Porenfluids zu untersuchen. Die Messungen werden mit anderen petrophysikalischen Untersuchungen ergänzt, wie z.B. der Bestimmung der Porenradienverteilung mittels Quecksilberporosimetrie und der spezifischen inneren Oberfläche mit Gassorption (BET). Mit dem Raster-Ektronen-Mikroskop werden hochauflösende Bilder der inneren Gesteinsstruktur erzeugt und ausgewertet. Erste Ergebnisse der SIP-Messungen zeigen deutliche Phasenmaxima im niederfrequenten Bereich, die hinsichtlich ihrer Amplitude und Frequenzlage zwischen den Blöcken variieren. Ziel der Arbeit ist eine systematische Untersuchung der Polarisationseigenschaften bezüglich der Variabilität von Porosität, Porenradienverteilung, spezifischen inneren Oberfläche und Fluidleitfähigkeit, um die Zusammenhänge qualitativ und quantitativ zu charakterisieren. T2 - 77. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft CY - Potsdam, Germany DA - 27.03.2017 KW - Spektral Induzierte Polarisation KW - Fontainebleau Sandstein PY - 2017 AN - OPUS4-43243 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Zhang, Zeyu A1 - Weller, Andreas A1 - Kruschwitz, Sabine T1 - Pore radius distribution and fractal dimension derived from spectral induced polarisation N2 - The pore size distribution provides a suitable description of the pore space geometry that can be used to investigate the fractal nature of the pore space or to determine a fractal dimension. Fractal dimension describes the size of geometric objects as a function of resolution. It can be integrated into models of permeability prediction. We investigated the fractal dimension of the pore volume of 11 Eocene sandstone samples from China. This study describes an approach to use spectral induced polarisation spectra to estimate the pore size distribution and to determine the fractal dimension of the pore volume. Additionally, the fractal dimension was derived from data of the capillary pressure curves from mercury intrusion and the transversal relaxation time distribution of nuclear magnetic resonance. For samples with an effective pore radius larger than 1 μm, good agreement exists between the values of fractal dimension derived from the three different methods, which implies the identification of similar pore structures. Spectral induced polarisation can be a non-invasive laboratory technique for the estimation of the pore size distribution, but the application of the methodology for field measurements remains a challenging problem considering the limited frequency range. KW - Pore radius distribution KW - Fractal dimension KW - Spectral induced polarization PY - 2017 DO - https://doi.org/10.3997/1873-0604.2017035 SN - 1569-4445 VL - 15 IS - 6 SP - 625 EP - 632 PB - Wiley AN - OPUS4-43250 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Halisch, Matthias A1 - Kruschwitz, Sabine A1 - Weller, Andreas A1 - Mensching, Bernadette A1 - Gürlich, Lucinda T1 - Maximizing the core value – joint investigations with special emphasis on complex electrical conductivity give new insights into Fontainebleau Sandstone N2 - Within this study we have shown, that spectral induced polarization is a reliable method for the enhanced characterization of the Fontainebleau sandstone in general, and for its related stratigraphical units in particular. Due to its high sensitivity towards pore network and pore surface changes, different stratigraphical units can be clearly differentiated and probably even classified. We have observed a good correlation between the maximum of the SIP phase shift and the dominant pore throat radius for this rock type, as it has been reported for others sandstones before [20]. T2 - Annual Symposium of the Society of Core Analysts CY - Vienna, Austria DA - 27.08.2017 KW - Spectral induced polarization KW - µ-CT KW - ESEM KW - Fontainebleau Sandstone PY - 2017 SP - 035, 1 EP - 035, 9 AN - OPUS4-43079 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Zhang, Zeyu A1 - Weller, Andreas T1 - Beobachtung der Trocknung von Gesteinen mit Spektraler Induzierter Polarisation N2 - Bei der Trocknung von Gesteinen vermindert sich der Anteil des Wasservolumens im Porenraum, der als Sättigung bezeichnet wird. Mit abnehmender Sättigung sinkt die elektrische Leitfähigkeit des Gesteins. Die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Sättigung wird durch ein Potenzgesetz entsprechend der 2. Archie-Gleichung beschrieben: log(#CHR:sigma_LOWER#)=n log(Sw), wobei n der Sättigungsexponent ist. Bei der Trocknung von Gesteinen muss beachtet werden, dass die Wasserleitfähigkeit mit abnehmender Sättigung zunimmt, da die Konzentration der im Wasser gelösten Salze ansteigt. Das hat zur Folge, dass die bei Trocknungsexperimenten bestimmten Sättigungsexponenten deutlich kleiner sind als bei Verdrängungsexperimenten (z.B. Wasser durch Öl) mit gleichbleibender Wasserleitfähigkeit. Bei der Spektral(en) Induzierten Polarisation wird die komplexe elektrische Leitfähigkeit des Gesteins als Funktion der Frequenz betrachtet. Für den Real- und Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit werden unterschiedliche Sättigungsexponenten bestimmt. Wir haben an zwei Sandsteinproben (Langenauer und Gravenhorster Sandstein) und einem Baumberger Kalksandstein Trocknungsexperimente durchgeführt. Die Sättigung wurde schrittweise von 100 % bis auf 10 % reduziert. In jeder Sättigungsstufe wurden an den Proben die Spektren der komplexen elektrischen Leitfähigkeit aufgezeichnet. Unsere Experimente zeigen, dass die Sättigungsexponenten für den Imaginärteil der komplexen elektrischen Leitfähigkeit mit 1,23 bis 1,59 deutlich größer sind als die des Realteils mit Werten zwischen 0,41 und 0,90. Dieser Unterschied resultiert aus der Tatsache, dass der Imaginärteil der Leitfähigkeit weniger stark mit zunehmender Wasserleitfähigkeit ansteigt als der Realteil. Für den Realteil der elektrischen Leitfähigkeit wird nach der 1. Archie-Gleichung ein linearer Zusammenhang zwischen Wasserleitfähigkeit und Gesteinsleitfähigkeit erwartet. Der Anstieg des Imaginärteils mit der Wasserleitfähigkeit kann mit einem Potenzgesetz mit einem Exponenten zwischen 0.1 und 0.62 beschrieben werden. Unsere Experimente zeigen, dass der Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit wesentlich deutlicher auf die Austrocknung von Gesteinen reagiert und damit ein wirksamer Indikator zur Überwachung von Sättigungsänderungen sein kann. T2 - Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft CY - Leoben, Austria DA - 12.2.2018 KW - Spektral induzierte Polarisation KW - Sandsteine KW - Trocknung PY - 2018 AN - OPUS4-45000 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Weller, Andreas T1 - Induced polarization and pore radius - a discussion N2 - Permeability estimation from spectral induced polarization (SIP) measurements is based on a fundamental premise that the characteristic relaxation time (t) is related to the effective hydraulic radius (reff) controlling fluid flow. The approach requires a reliable estimate of the diffusion coefficient of the ions in the electrical double layer. Others have assumed a value for the diffusion coefficient, or postulated different values for clay versus clay-free rocks. We examine the link between t and reff for an extensive database of sandstone sampleswhere mercury porosimetry data confirm that reff is reliably determined from a modification of the Hagen-Poiseuille equation assuming that the electrical tortuosity is equal to the hydraulic tortuosity. Our database does not support the existence of 1 or 2 distinct representative diffusion coefficients but instead demonstrates strong evidence for 6 orders of magnitude of variation in an apparent diffusion coefficient that is well correlated with both reff and the specific surface area per unit pore volume (Spor). Two scenarios can explain our findings: (1) the length-scale defined by t is not equal to reff and is likely much longer due to the control of pore surface roughness; (2) the range of diffusion coefficients is large and likely determined by the relative proportions of the different minerals (e.g. silica, clays) making up the rock. In either case, the estimation of reff (and hence permeability) is inherently uncertain from SIP relaxation time. T2 - IP Workshop 2016 CY - Aarhus, Denmark DA - 06.06.2016 KW - pore radius KW - mercury intrusion capillary pressure KW - spectral induced polarization KW - relaxation time PY - 2016 AN - OPUS4-37116 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fünning, Tabea A1 - Peczek, Anna A1 - Kroh, Aleksandra A1 - Mai, Christian A1 - Paul, Martin A1 - Thomsen, Florian A1 - Tannenberg, Robert A1 - Schumann, Christoph A1 - Weller, Michael G. A1 - Mai, Andreas A1 - Steglich, Patrick C. ED - Lieberman, Robert A. ED - Baldini, Francesco ED - Homola, Jiri T1 - Optimization of local backside released micro-ring resonators for sensing applications using silicon photonic integrated circuits in a SOI technology N2 - Photonic micro-ring resonators (MRR) are widely studied for their high sensitivity across applications like environmental monitoring, healthcare, and chemical analysis. Their evanescent field sensing requires partially unembedded waveguides compatible with CMOS processing. Our approach uses local backside etching with an additional buried oxide (BOX) etch to release waveguides while preserving the back-end of line (BEOL) structure, enabling spatial separation of the sensing area and electronics. The BOX etch critically affects sensor performance, as waveguide surface roughness can alter MRR properties and coupling. We analyzed MRR design variations, comparing wet and dry etching techniques for their effects on optical performance across rib and strip waveguides in quasi-TE and quasi-TM modes. Wafer-level measurements show that backside-released MRR achieve high extinction ratios with slightly reduced quality factors, advancing high-sensitivity photonic sensors. T2 - SPIE Optics + Optoelectronics 2025 CY - Prague, Czech Republic DA - 23.05.2025 KW - Photonic sensors KW - Micro-ring resonator (MRR) KW - Silicon on insulator (SOI) KW - CMOS KW - Local backside etching PY - 2025 SN - 978-1-5106-8851-3 DO - https://doi.org/10.1117/12.3056481 VL - 13527 SP - 1 EP - 8 PB - SPIE CY - Bellingham, WA , USA AN - OPUS4-63585 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Weller, Andreas A1 - Lewis, Ronald A1 - Niederleithinger, Ernst T1 - Geophysikalische Verfahren zur Strukturerkundung und Schwachstellenanalyse von Flussdeichen – ein Handbuch N2 - Geophysikalische Verfahren zur Strukturerkundung und Schwachstellenanalyse von Flussdeichen – ein Handbuch ISBN: ISBN 978-3-981 07 - 4 Vor dem Hintergrund der seit Mitte der 90er Jahre in Deutschland gehäuft auftretenden Hochwasserereignisse (Rhein 1993/1995, Saale 1994, Oder 1997, Donau, Elbe und Mulde 2002/2005/2006) und den damit verbundenen umfangreichen Schäden, die ursächlich auf das Versagen von Hochwasserschutzanlagen (Deichbrüche) zurückzuführen waren, wird deutlich, dass die teilweise mehrere hundert Jahre alten Flussdeiche den Belastungen, bedingt durch ihre Bauart, die eingesetzten Baustoffe und die Bauhöhen, zum Teil nicht mehr gewachsen sind. Vor einer schutzzielabhängigen Entscheidung, ob eine Deichanlage künftigen Belastungen standhält oder ggf. zu ertüchtigen bzw. neu zu errichten ist, bedarf es als grundlegender Voraussetzung einer detaillierten Untersuchung des Tragsystems Bauwerk (Deich) und Untergrund. Ziel dieser Untersuchungen ist es, Schwachstellen des Tragsystems nach Umfang und Lage zu ermitteln, um daraus gezielt mögliche Sanierungsstrategien ableiten zu können. Für eine systematische Schwachstellenanalyse bieten sich in Kombination mit konventionellen geotechnischen Untersuchungsmethoden geophysikalische Messverfahren an. Einschlägige Normen und Richtlinien (DWA-M 507, DIN 19712) empfehlen zwar den Einsatz von geophysikalischen Verfahren, geben aber kaum praktische Hinweise für die Anwendung dieser Methoden. So erfolgt der Einsatz zerstörungsfreier geophysikalischer Verfahren zur Strukturerkundung an Deichen in Kombination mit geotechnischen Untersuchungen bisher regional differenziert und teilweise unsystematisch. Zudem werden von den für den Hochwasserschutz verantwortlichen Behörden zumeist keine oder sehr unterschiedliche Anforderungen an derartige Untersuchungen formuliert. Dadurch mangelt es den mit der Ausführung beauftragten Dienstleistern (Ingenieurbüros) zumeist an eindeutigen Vorgaben. Dies führt in der Regel dazu, dass die Qualität der aus diesen Untersuchungen abgeleiteten Aussagen höchst unterschiedlich ausfällt und vielfach nicht als optimal bezeichnet werden kann. Eine Hilfe zur Methoden- und Parameterwahl sowie eine systematische Bewertung der Eignung geophysikalischer Verfahren zur Strukturerkundung von Deichen gab es bisher nicht. Nach den Hochwasserereignissen des Jahres 2002 an Elbe und Mulde initiierte das Bundes- ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Forschungsprogramm „Rimax“ (Risi- komanagement extremer Hochwasserereignisse). Mit diesem Programm werden zahlreiche Projekte auf ganz unterschiedlichen Gebieten der Hochwasserforschung gefördert [8]. Eines dieser Projekte ist das Verbundprojekt „Systematische Evaluierung existierender und innovativer Methoden zur Schwachstellenanalyse und Strukturerkundung von Deichen“ (DEISTRUKT). Ziel war es, möglichst viele erfolgversprechende oberflächen- und bohrlochgeophysikalische Methoden auf ihre Eignung für die Deichstrukturerkundung und Schwachstellenanalyse zu prüfen. Besondere Aufmerksamkeit wurde dabei auf die Umsetzung in geotechnisch verwertbare Ergebnisse gelegt. Mit dem Vorhaben DEISTRUKT sollte die Grundlage für einen effektiven Einsatz dieser Verfahren gelegt werden. Behörden und ausführende Ingenieurbüros sollen ein Werkzeug für die Entscheidungsfindung bei Konzeption, Ausschreibung, Durchführung und Bewertung geophysikalischer Messungen in Verbindung mit den geotechnischen Untersuchungsergebnissen erhalten. Basierend auf einer intensiven Recherche und praktischen Tests wurde eine systematische Evaluierung durchgeführt. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt als Richtlinie in diesem Handbuch. Berührungsfreie Methoden der Aerogeophysik oder der Fernerkundung waren nicht Gegenstand der Untersuchungen und bleiben daher im vorliegenden Handbuch unberücksichtigt. Das vorliegende Handbuch soll sowohl dem Praktiker aus Geophysik und Geotechnik als auch Behördenvertretern, die geophysikalische Leistungen zu beauftragen haben, als Hilfe zur Auswahl geeigneter Methoden und Messparameter dienen. Insoweit ist es auch als Ergänzung zu den Richtlinien DIN 19712, DIN 4020 und DWA-M 507 zu sehen. Sinngemäß können die in diesem Handbuch gegebenen Empfehlungen und Hinweise auch für die Erkundung von Trassen für den Deichneubau bzw. für Deichrückverlegungen, Seedeiche sowie für Flussseiten- bzw. Kanalseitendämme im Sinne von [36] gelten. Im Kapitel 2 werden insbesondere die Bauweise (Struktur) von Flussdeichen und die damit verbundenen Schwachstellen des Tragsystems sowie die daraus abgeleiteten Untersuchungsmethoden beschrieben. Kapitel 3 behandelt die Anforderungen und den Ablauf der geophysikalischen Deicherkundung und zeigt die Verknüpfungen zu den geotechnischen Untersuchungen auf. Eine kurze Beschreibung der wichtigsten bei der Deicherkundung eingesetzten geophysikalischen Methoden enthält Kapitel 4. In Kapitel 5 erfolgt die Bewertung der Eignung dieser Methoden. Schließlich werden im Anhang Hinweise zur Ausschreibung geophysikalischer Leistungen gegeben. T3 - BAM Forschungsberichtreihe - 281 PY - 2008 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-1700 SN - 978-3-9812072-2-4 SN - 0938-5533 VL - 281 SP - 1 EP - 29 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-170 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Weller, Andreas A1 - Zhang, Zeyu A1 - Slater, L. A1 - Kruschwitz, Sabine A1 - Halisch, M. T1 - Induced polarization and pore radius - a discussion N2 - Permeability estimation from spectral induced polarization (SIP) measurements is based on a fundamental premise that the characteristic relaxation time (t) is related to the effective hydraulic radius (reff) controlling fluid flow. The approach requires a reliable estimate of the diffusion coefficient of the ions in the electrical double layer. Others have assumed a value for the diffusion coefficient, or postulated different values for clay versus clay-free rocks. We examine the link between t and reff for an extensive database of sandstone samples where mercury porosimetry data confirm that reff is reliably determined from a modification of the Hagen- Poiseuille equation assuming that the electrical tortuosity is equal to the hydraulic tortuosity. Our database does not support the existence of 1 or 2 distinct representative diffusion coefficients but instead demonstrates strong evidence for 6 orders of magnitude of variation in an apparent diffusion coefficient that is well correlated with both reff and the specific surface area per unit pore volume (Spor). Two scenarios can explain our findings: (1) the length-scale defined by t is not equal to reff and is likely much longer due to the control of pore surface roughness; (2) the range of diffusion coefficients is large and likely determined by the relative proportions of the different minerals (e.g. silica, clays) making up the rock. In either case, the estimation of reff (and hence permeability) is inherently uncertain from SIP relaxation time. T2 - IP Workshop 2016 CY - Aarhus, Denmark DA - 06.06.2016 KW - Pore radius KW - Mercury intrusion capillary pressure KW - Spectral induced polarization KW - Relaxation time PY - 2016 SP - 1 EP - 4 AN - OPUS4-37004 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -