Projekt 17026/01

Entwicklung und Erprobung eines Erkundungs- und Auswerteverfahrens zur Untersuchung von Heterogenitätsstrukturen im Untergrund mittels geophysikalischer Absorptionstomographie

Projektträger

GEOTOMOGRAPHIE
Marienstr. 43
56567 Neuwied
Telefon: 02631/7781-35

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Vorhabens soll ein innovatives, hochauflösendes geotomographisches Verfahren (Absorptionstomographie) für die Strukturerkundung zwischen Bohrungen zur Charakterisierung von wasserwegsamen Heterogenitätsstrukturen im Untergrund entwickelt werden. Insgesamt sollen mit der Absorptionstomographie verbesserte Planungs- und Entscheidungsgrundlagen für Baumaßnahmen und Grundwassersanierungen bereitgestellt bzw. eine umfassende Charakterisierung der Sedimentstrukturen von Grundwasserleitern ermöglicht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Umsetzung des Vorhabens müssen sowohl gerätetechnische Entwicklungen geeigneter Schallquellen und Schallempfänger als auch die Entwicklung geeigneter Auswerteverfahren vorgenommen werden. Auf der Quellseite soll ein spezieller, geeichter Schallaufnehmer zur Aufzeichnung des seismischen Quellsignals entwickelt und gebaut werden. Dieser Aufnehmer soll bei den Messungen in unmittelbarer Nähe zur Schallquelle platziert werden, so dass ein Referenzschallsignal direkt mit dem abgehenden Schallimpuls der seismischen Quelle aufgezeichnet werden kann. Die Entwicklungs- und Konstruktionsarbeiten auf der Quellseite umfassen auch den Entwurf, die Konstruktion und die Erprobung einer geeigneten Bohrlochschallquelle für die Messungen. Hierfür ist die Weiterentwicklung einer bereits bestehenden Sparker-Schallquelle geplant, wobei die notwendige Hochspannungselektronik in der Bohrlochsonde untergebracht werden soll. Einen weiteren Vorhabensschwerpunkt bildet die Implementierung bzw. die Programmierung numerischer Algorithmen für die Absorptionstomographie. Die meisten bekannten numerischen Algorithmen gehen von einer geradstrahligen Ausbreitung der seismischen Strahlen zwischen der Schallquelle und den Schallaufnehmern aus. Dies ist allerdings in vielen Fällen nicht zutreffend. Im Rahmen des Projektes soll deshalb ein numerischer Raytracing-Algorithmus entwickelt werden, der aufbauend auf der sogenannten Netzwerk-Theorie, eine zwei- und dreidimensionale Auswertung von Amplitudeninformationen ermöglicht. Dabei müssen die Aufnahmecharakteristiken der Schallaufnehmer und der Schallquelle sowie deren Richtcharakteristiken mit in die Auswertung einbezogen werden. Die Erprobung der Geräte und des Verfahrens sollen exemplarisch an einem Grundwasserleiter durchgeführt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Im Projekt wurde das Versuchsmuster einer neuen Bohrlochschallquelle basierend auf dem Sparkerprinzip im Labor entwickelt und unter Feldbedingungen getestet. Der Hochspannungsteil des neuen Sparkers (HV-Transformatoren und Kondensatoren) kann nun wahlweise mit einer Ladefrequenz von 400 Hz bis 1200 Hz betrieben werden und ist entgegen herkömmlichen gerätetechnischen Lösungen direkt in der Bohrlochsonde untergebracht. Dies hat eine erhebliche Minimierung sicherheitstechnischer Probleme im Umgang mit der Hochspannungserzeugung zur Folge. Der neue Bohrlochsparker verfügt über eine gemessene deutlich höhere Schallleistung von etwa 30 % gegenüber üblichen Bohrlochsparkern, bei denen die Hochspannungserzeugung an der Erdoberfläche erfolgt. Zur Optimierung der Funkenentladung wurde ebenfalls eine neuartige auswechselbare Sparkerelektrode entwickelt, die sich über eine hochspannungsfeste Schraubverbindung an ein HV-Kabel anschließen lässt. Feldversuche unter Verwendung von Hydrophonen in der Nähe der Sonde wurden durchgeführt. Problematisch hierbei war das Übersteuern des Hydrophons durch den eingestreuten starken elektromagnetischen Impuls bei der Sparkerentladung. Hierfür konnte bis Projektende keine technische Lösung gefunden werden.
Eine Softwareentwicklung für die 2D/3D Modellierung und Inversion von seismischen Laufzeiten und Amplituden wurde durchgeführt. Basierend auf einem kürzesten Wege Algorithmus können damit Laufzeiten und Amplituden durch komplexe Medien mit ausreichender Genauigkeit berechnet werden. Darüber hinaus wurde ein numerischer Algorithmus entwickelt, der die Transformation von 3D Tomographie - Bohrlochdaten in eine 2D Geometrie überführt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektpartner werden auch nach Projektende Anstrengungen unternehmen, auf der Basis des Versuchsmusters eine kommerziell verwertbare Bohrlochschallquelle zu bauen. Die Ergebnisse der Messungen die im Projekt erzielt wurden, werden dazu dienen die Marktfähigkeit des Produktes zu evaluieren. Hierzu werden bisherige Entwicklungen und Testdaten den Vertriebspartnern weltweit vorgestellt. Darüber hinaus werden Ergebnisse im Rahmen von Ausstellungen auf nationaler und internationaler Ebene präsentiert.


Fazit

Die Entwicklung und der Bau eines feldtauglichen Versuchsmodells eines Bohrlochsparkers konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Das vorliegende Modell weist in seiner Ausführung bereits deutliche Vorteile gegenüber bestehenden Bohrlochschallquellen auf. Hinsichtlich der Registrierung des Quellsignals konnte das Projektziel nicht vollständig erfüllt werden.
Die Softwareentwicklung unter Einbeziehung physikalisch sinnvoller Modellierungskriterien, wie z. B. die Wellenlänge des seismischen Signals konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Allerdings ist die Software in ihrer derzeitigen Form noch nicht kommerziell verwertbar.
Die Laufzeit des Projektes wurde von den beteiligten Projektpartnern als zu optimistisch eingeschätzt, d. h. zu kurz gewählt. Es muss darauf hingewiesen werden, dass das Projektziel ohne Überschreitung des Mittel erreicht wurde. Die Projektverzögerungen waren maßgeblich auf Lieferengpässe von Hochleistungsschaltröhren zurückzuführen, wodurch v.a. der Bau des Versuchsmusters beeinträchtigt wurde.