COMET

Ziel des Projektes COMET (COupled Magnetic Resonance and Electrical Resistivity Tomography) ist die Entwicklung eines strukturell gekoppelten Inversionsalgorithmus zur Auswertung von Messung der Nuklear-Magnetischen Resonanz in Kombination mit elektrischer Widerstands-Tomographie. Wichtiger Bestandteil ist eine effiziente Berechnung von magnetischen Feldern auf der Basis beliebiger 2D Leitfähigkeitsverteilungen.

Wasser ist als eine wichtige natürliche Ressource, als solche bedarf sie unseren Schutz und unterliegt somit einer ständigen Kontrolle. Die Exploration und Charakterisierung von Grundwasserleitern wird immer wichtiger und im Rahmen dieser kommen verschiedenste hydrogeophysikalische Methoden zum Einsatz. Methoden wie die elektrische Widerstandstomographie (ERT) und Nuklear-Magnetische Resonanz (NMR) sind in der Lage wichtige Parameter des Untergrundes abzubilden. Eine Kombination der beiden Techniken gibt Aufschluss sowohl über die Verteilung des Wassergehaltes, der hydraulischen Leitfähigkeit des Untergrundes als auch dem Salzgehalt der flüssigen Phase. Während 2D ERT seit 15 Jahren Stand der Technik ist, werden 2D Anwendungen von Oberflächen-NMR, bzw. Magnetischer Resonanz Tomographie (MRT) noch erforscht. Durch die jüngsten Entwicklungen im Bereich der Multi-Kanal-Messungen für NMR Apparaturen und der Entdeckung von immer effizientere Spulenkonfigurationen wurde die Zeit für die Profilaufnahme eines MRT Datensatzes deutlich reduziert. Vollständige 2D MRT-Messungen können nun technisch und zeitlich auch über das Versuchsstadium hinaus umgesetzt werden. 2D Datensätze für MRT können nur korrekt interpretiert werden, wenn die Auswertung eine 2D Leitfähigkeitsverteilung berücksichtigt. Die Joint Inversion für NMR und ERT wurde für den 1D Leitfähigkeitsfall (einfacher Schichtfall) bereits durchgeführt, kein bestehender Algorithmus betrachtet jedoch den Einfluss von 2D Effekten der Leitfähigkeit, mit Ausnahme zur Berechnung des Magnetfeldes.

Das Projekt COMET soll bei der Inversion sowohl beliebige 2D Leitfähigkeitsstrukturen berücksichtigen als auch diese im späteren Verlauf strukturell mit den anderen zu invertierenden Größen koppeln. Dabei werden die Mehrdeutigkeiten der Verfahren reduziert und die Auflösung verbessert um bessere Ergebnisse für bspw. hydraulische Modellierungen zu liefern. Als Ergebnis einer solchen Inversion ergeben sich 2D Verteilungen des spezifischen elektrischen Widerstandes, des Wassergehalten, sowie der Relaxationszeiten.

Die implementierte Vorwärtsrechnung berechnet für beliebige Konfigurationen und Anordnungen von Sende und Empfangsspulen magnetische Felder. Die dadurch gewonnene semianalytische Lösungen eines 1D Schichtfalles dient als primäres Magnetfeld für die Finite Elemente Modellierung des Sekundärfeldes.

Die magnetischen Felder werden dann für die Berechnung der NMR Sensitivitätsfunktion (Kernel) verwendet welche die Änderungen der Daten in Abhängigkeit von Änderungen der Zielgrößen Wassergehalt und Relaxationszeiten enthält. Auf Basis dieser Informationen ist es dann möglich die NMR Messungen schließlich zu invertieren/auszuwerten. 

Die Entwicklung findet ausschließlich unter Zuhilfenahme von Open-Source Projekten statt und wird am Ende der Projektlaufzeit im Sinne einer reproduzierbaren und nachhaltigen Wissenschaft ebenfalls veröffentlicht.

Publikationen aus dem Projekt

  • The potential of mobile nuclear magnetic resonance sensors for moisture detection in tunnels and mines. - 9. CMM Tagung und 4. Herbstschule Material - Prozesse - Systeme; Karlsruhe.
    2017, COSTABEL, S., SKIBBE, N., DLUGOSCH, R. & MÜLLER-PETKE, M.