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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.
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.
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.
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(S<sub>w</sub>), 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.
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.
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.
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.
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.
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].
We investigate the pore space of rock samples with respect to different petrophysical parameters using various methods, which provide data upon pore size distributions, including micro computed tomography (μ-CT), mercury intrusion porosimetry (MIP), nuclear magnetic resonance (NMR), and spectral induced polarization (SIP). The resulting cumulative distributions of pore volume as a function of pore size are compared. Considering that the methods differ with regard to their limits of resolution, a multiple length scale characterization of the pore space geometry is proposed, that is based on a combination of the results from all of these methods. The findings of this approach are compared and discussed by using Bentheimer sandstone. Additionally, we compare the potential of SIP to provide a pore size distribution with other commonly used methods (MIP, NMR). The limits of resolution of SIP depend on the usable frequency range (between 0.002 and 100 Hz). The methods with similar resolution show a similar behavior of the cumulative pore volume distribution in the overlapping pore size range. The methods μ-CT and NMR provide the pore body size while MIP and SIP characterize the pore throat size. Using this difference, the average pore body to throat ratio is determined to be about three for the Bentheimer sandstone.
Our study shows that a good agreement between the pore radii distributions can only be achieved if the curves are adjusted considering the resolution and pore volume in the relevant range of pore radii. The MIP curve with the widest range in resolution should be used as reference
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.
In der Vergangenheit wurde immer wieder diskutiert, ob die Porenhalsverteilung poröser silikatischer Medien maßgeblich die Relaxationszeit in Messergebnissen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) bestimmt und dementsprechend auch neuere Ansätze, Porenweitenverteilungen aus diesen Daten abzuleiten, zuverlässig sein können. Systematische Studien an Gesteinen mit sehr unterschiedlichen Porenverteilungen zeigten, dass in Materialien mit engen Porenhälsen (z.B. < 5 μm) vor allem oder zusätzlich zum vermuteten Porenhalspeak niederfrequente Relaxationen zu beobachten sind, deren Ursache noch unklar ist.
Unter Einbeziehung der Methoden Röntgen-Computertomografie (μ-CT), Quecksilberporosimetrie (MIP), Stickstoffabsortion, Nukleare Magnetische Resonanz, SIP und Auflichtmikroskopie untersuchen wir den Porenraum hinsichtlich der Parameter Porosität, Permeabilität und innere Oberfläche und bestimmen die geometrischen Eigenschaften wie Porenweitenverteilungen oder fraktale Dimension durch verschiedene Algorithmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Methoden hinsichtlich der Grenzen ihres Auflösungsvermögens unterscheiden. Mit einer Zusammenführung der Ergebnisse aller Methoden kann eine mehrere Längenskalen überdeckende Charakterisierung der Porenraumgeometrie erfolgen.
Die Anwendung und Auswertung der verschiedenen Methoden werden am Beispiel von Baumberger Kalksandstein und Bentheimer Sandstein verglichen und diskutiert.
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.
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.
An airborne high repetition rate laser-induced plasma was applied as a versatile ambient ionization source for mass-spectrometric determinations of polar and nonpolar analytes in solution. The laser plasma was sustained between a home-built pneumatic nebulizer and the inlet capillary of an Orbitrap mass spectrometer. To maintain stable conditions in the droplet-rich spray environment, the plasma was directly fed by the fundamental output (λ = 1064 nm) of a current state-of-the-art diode-pumped solid-state laser. Ionization by the laser-driven plasma resulted in signals of intact analyte ions of several chemical categories. The analyte ions were found to be fully desolvated since no further increase in ion signal was observed upon heating of the inlet capillary. Due to the electroneutrality of the plasma, both positive and negative analyte ions could be formed simultaneously without altering the operational parameters of the ion source. While, typically, polar analytes with pronounced gas phase basicities worked best, nonpolar and amphoteric compounds were also detected. The latter were detected with lower ion signals and were prone to a certain degree of fragmentation induced during the ionization process. All the described attests the laser-induced microplasma by a good performance in terms of stability, robustness, sensitivity, and general applicability as a self-contained ion source for the liquid sample introduction.