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Das hydrogeophysikalische Testfeld Schillerslage

Das LIAG betreibt ca. 25km nordöstlich von Hannover einen hydrogeophysikalische Teststandort, und verfügt über zahlreiche Informationen aus Bohrungen, Labormessungen und Feldmessungen, um neue Erkundungs-Methoden auszuprobieren.

Überblick

Um geophysikalische Verfahren an einem gut bekannten Standort zu erproben, kam im Vorfeld des Projekts "Neue Methoden der Hydrogeophysik" die Idee eines Testfelds für flache Aquiferstrukturen auf. Mit vier Bohrungen (ENG01-04) wurden in einem Waldstück nahe Engensen, ca. 25km nordöstlich von Hannover, die Strukturen erkundet (Binot, 2008). Zwei quartäre Aquifere (0-12m und 16-23m Tiefe) werden durch eine Geschiebe-Schicht mit undulierender Oberfläche getrennt. Beide bestehen aus mittel- bis grobsandigen, glaziofluviatilen Sedimenten mit geringmächtigen Lagen von Kies, Schluff und Torf.

Zunächst wurde ein Wiesenareal um ENG03 ausgewählt, wo mehrere Kernbohrungen (ENG08, ENG20) abgeteuft und Beobachtungsbrunnen für geophysikalische Experimente und Pegelmessungen installiert wurden. Ab 2017 konzentrierten sich die Untersuchungen auf das benachbarte Waldgebiet um ENG01, wo weitere Bohrungen (ENG29-45) abgeteuft wurden (Binot, 2017).

In der Folge wurden zahlreiche Feld-Messungen mit verschiedenen Verfahren durchgeführt:

  • Geoelektrik und Induzierte Polarisation (Attwa & Günther, 2012; 2013)
  • Nuklear-Magnetische Resonanz (Dlugosch, 2014; Müller-Petke & Yaramanci, 2010; Jiang et al. 2018)
  • Georadar (Helms, 2018; Jiang et al., 2018)
  • Seismoelektrik (Holzhauer et al., 2010)
  • Seismik (Wiederhold, 2018)

Das Testfeld selbst und die ersten Kernmessungen wurden von Holland et al. (2010) beschrieben, eine ausführlichere Beschreibung findet sich in Kapitel 6 der Dissertation von Dlugosch (2014). Zahlreiche Qualifizierungsarbeiten umfassten Grundwasserpegelmonitoring (Kuntzer, 2010), hydraulische Leitfähigkeit an Kernen (Sass, 2010), Oberflächen-NMR (Dlugosch, 2014) oder die Kartierung des Aquitards mit Georadar (Helms, 2018). Besonders die Ableitung der hydraulischen Leitfähigkeit aus geophysikalischen Messungen war stets im Fokus (Attwa & Günther, 2013; Dlugosch, 2014; Jiang et al., 2020; Skibbe et al., 2021). Ein wichtiger Punkt ist auch immer die Verknüpfung verschiedener Verfahren durch gekoppelte Inversion (Günther et al., 2010; Jiang et al., 2020; Skibbe et al., 2021).

Structurally constrained Inversion of MAgnetic-Resonance data using GPR (SIMAR)

Zur Charakterisierung oberflächennaher lateraler Variabilität hydrogeophysikalischer Parameter eignen sich Methoden wie Oberflächen-NMR (oder Magnet-Resonanz-Tomographie - MRT) oder Gleichstromgeoelektrik (ERT). Allerdings erlauben diese Methoden zumeist nicht die Abbildung scharfer Schichtgrenzen und/oder dünner Schichten, sondern bilden geglättete Modelle des Untergrundes ab. Im Gegensatz dazu eignen sich Georadarmessungen, um scharfe Schichtgrenzen abzubilden. Das Projekt verfolgt den schon in der ERT Inversion erfolgreich eingesetzten Ansatz, Reflexionen der Georadarmessungen in die MRT Inversion als strukturelle Randbedingungen einzubeziehen. Zum Einen werden die Reflexionen dabei explizit als Gittergrenzen vorgesehen und zum Anderen wird die Glattheitsforderung an diesen Schichtgrenzen reduziert. 

Ergebnisse aus Jiang et al. (2020):

Left: 2D distribution of water content (a,c) and relaxation timeT2* (b,d) derived from MRT smooth inversion using (a,b) and GPR reflectors as structural constraints (c,d). The black lines in (c,d) represent the average GPR reflectors from three GPR-profiles aty=0, +10, +20 m used as sharp boundary constraints in the inversion. The white lines give the reflectors from each GPR-profile used to obtain the averaged boundary. The horizontal dashed black lines are the approximate bounds of the second aquifer and plotted only for orientation, but are not used as constraints.

Right:Sediment log including radar facies interpretation (a), depth profiles of relaxation times T2 and T2* (b) and θ(c) at drilling location Eng35B. The figure gives the relaxation time distribution (yellow-red shades), cutoff-time (grey dashed) and hence obtained θ (green crosses) from laboratory NMR, smooth (light blue) and constrained(dark blue) MRT inversion extracted from the 2D model at the location of the drilling and geometric constraints from GPR and water table measurements (black).

Publikationen (chronologisch)

Binot , F. (2008): Vier neue Bohrungen im Mess- und Testgebiet des GGA-Instituts nördlich von Schillerslage bei Burgdorf, Niedersachsen. – GGA-Bericht, Archiv-Nr. 0128085; Hannover.

Sass, S. (2010): Applicability of geophysical measuring methods for determination of K values in comparison to conventional methods. - 83 S., Diplom-Arbeit, Universität Hannover.

Kuntzer, M. (2010): Höchauflösende Grundwasserspiegelmessungen im Bereich des geophysikalischen Testfeldes Schillerslage. - 57 S., Bachelor-Arbeit, Universität Hannover; Hannover.

Dlugosch, R.,  Müller-Petke, M. Günther, T., Yaramanci, U. (2010): Aquifer characterisation by Magnetic Resonance field and laboratory measurements. – Ext. abstr., 16 th EAGE Near Surface, 6.-8.9.2010; Zürich.

Holzhauer, J., Günther, T., Yaramanci, U. (2010): Examination of seismoelectric observations at the test site Schillerslage and laboratory. - 16th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics of the Near Surface Geoscience Division of EAGE, 06.-08.09.2010; Zurich.

Mueller-Petke, M., and U. Yaramanci, 2010, QT inversion — Comprehensive use of the complete surface NMR data set: Geophysics, 75(4), WA199–WA209, doi:10.1190/1.3471523.

Holland, R., Dlugosch, R., Günther, T., Sass, S., Holzhauer, J., Sauer, J., Binot, F. & Yaramanci, U. (2011): Das hydrogeophysikalische Testfeld Schillerslage. - DGG-Mittlg. 1/2011, 51-54;Potsdam, PDF

Attwa, M. & Günther, T. (2012): Application of spectral induced polarization (SIP) imaging for characterizing the near-surface geology: An environmental case study at Schillerslage, Germany. Australian Journal of Basic and Applied Sciences 6(9), 693-701

Attwa, M. & Günther, T. (2013): Spectral induced polarization measurements for predicting the hydraulic conductivity in sandy aquifers. Hydrol. Earth Syst. Sci. 17, 4079-4094, doi:10.5194/hess-17-4079-2013.

Dlugosch, R. (2014): Aquifer characterisation using nuclear magnetic resonance: Ph.D. thesis, Berlin University of Technology, PDF.

Binot, F. (2017): Dokumentation und geologische Interpretation weiterer Bohrungen im Mess- und Testgebiet des LIAG im Raum Engensen-Schillerslage bei Burgdorf, Niedersachsen. - LIAG-Bericht, 30 S., 10 Abb., 10 Anl., 10 Tab., Archiv-Nr. 0135003; Hannover.

Helms, J. (2018): Das geophysikalische Testgebiet Schillerslage: Eine 3D-geologische Modellierung auf der Basis von Georadar und Bohrdaten, Masterarbeit, Leibniz-Universität Hannover.

Wiederhold (2018): Reflexionsseismische Untersuchungen - Scherwellenseismik Schillerslage. - Kurzbericht für Projekt TOPSOIL, LIAG-Bericht, Archiv-Nr. 0135310; Hannover.

Jiang, C., M. Müller-Petke, Q. Wang, and J. Igel (2018): Two-dimensional QT inversion of complex magnetic resonance tomography data: Geophysics, 83(6), JM65–JM75, doi:10.1190/geo2017-0756.1.

Grombacher, D., Dlugosch, R., Grunewald, E., Müller-Petke, M., Auken, E. (2018): Frequency cycling to alleviate unknown frequency offsets for adiabatic half-passage pulses in surface nuclear magnetic resonance, Geophysics, 83(5), JM29-JM38, 10.1190/geo2017-0701.1

Jiang, C., Igel, J., Dlugosch, R., Müller-Petke, M., Günther, T., Helms, J., Lang, J. & Winsemann (2020): Magnetic resonance tomography constrained by ground-penetrating radar for improved hydrogeophysical characterisation, Geophysics 85(6), JM13-JM26, doi:10.1190/geo2020-0052.1.

Skibbe, N., Günther, T. & Müller-Petke, M. (2021): Improved hydrogeophysical imaging by structural coupling of two-dimensional magnetic resonance and electrical resistivity tomography. Geophysics 86 (5), WB135-WB146, doi:10.1190/geo2020-0593.1.

Team

Dr. Thomas Günther

Dr. Jan Igel

Prof. Dr. Mike Müller-Petke