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.
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].
Other than commonly assumed the relaxation times observed in the electrical low-frequency range (1 mHz – 40 kHz) of natural porous media like sandstones and tuff stones cannot be directly related to the dominant (modal) pore throat sizes, measured (e.g.) with mercury intrusion porosimetry (MIP). Working with a great variety of sandstones from very different origins and featuring great variations in textural and chemical compositions as well as in geometrical pore space properties, it was observed that particularly samples with narrow pore throats were characterized by long (low-frequency) relaxations. These, however, can (following the current theories) be rather explained by long “characteristic length scales” in these media or low diffusion coefficients along the electrical double layer. However, there is no straightforward way (or single approved method) of getting reliable numbers for properties such as the lengths of pore throats, the diameter and length of the wide pores and their respective distributions. Consequently we follow a multi-methodical approach and combine the benefits of MIP, micro-computed tomography (μ-CT) and nuclear magnetic resonance (NMR) to achieve much deeper insight due to the different resolutions and sensitivities to either pore constrictions (throats) or wide pores. This helps us to understand, whether the observed electrical relaxation phenomena actually depend on geometric length scales or rather on other properties such as chemical composition, clay content, clay type or cation exchange capacity. In this paper, we showcase selected results of a systematic study of a total of 16 sandstones and three tuffs. Findings and the particular advantage of the used method combination are discussed and shown in detail for a representative sample selection.
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.
Zusammenfassung
In der Geophysik wird seit einiger Zeit das Verfahren der "Spektralen Induzierten Polarisation (SIP)"eingesetzt, um nähere Informationen über die Art, die Struktur und den Zustand des Bodens zu erhalten. Die Methode beruht auf der Messung des komplexen spezifischen elektrischen Widerstands im Frequenzbereich zwischen 1 mHz und 10 kHz.
Die SIP kann neue Möglichkeiten beim Einsatz elektrischer Verfahren in der Bauwerksuntersuchung eröffnen. So lassen sich beispielsweise Materialunterschiede von Feuchteinhomogenitäten trennen, was mit konventioneller Widerstandsmessung nicht möglich ist. Ebenfalls denkbar ist eine Detektion kontaminierter Bereiche (z. B. bei starker Belastung durch organische Substanzen oder Salze) im Mauerwerk.
Vorgestellt werden das Verfahrensprinzip, die Messtechnik und erste Ergebnisse von Messungen an Mauerwerksziegeln.
After some river embankment failures during recent floods in Germany, major investigation and improvement programs for river embankments have been implemented. Presently, the investigation mainly relies on existing documentation, visual inspection, and drilling and sampling. Geophysical techniques, which are applied non-destructively from the surface, have the potential to cover the gaps between sampling points and to enhance the reliability of subsurface information. This paper describes the evaluation results for resistivity, electromagnetic, seismic and GPR techniques acquired at a test site along the Mulde River in eastern Germany. The work was carried out under the government funded project DEISTRUKT. Each geophysical method has its own specific advantages and limitations. Keeping the requirements posed by current German guidelines for river embankments in mind, 2–D electrical resistivity tomography (ERT) is the method of first choice. However, all geophysical results have to be calibrated carefully using information, such as material properties and depth of structures, determined from boreholes. Although some recommendations are provided here, a set of detailed recommendations have been compiled in a handbook.
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.
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.
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.
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.