Detektion von Fe-Verockerungen in Filterkies mittels Magnetresonanzmessung

Christoph Weidner1, Stephan Costabel2, Müller-Petke Mike3, Georg Houben4
1 Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover; jetzt: Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV)
2 Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Berlin
3 Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG), Hannover
4 Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover

O 16.9 in Drinking water and water supply

23.03.2018, 16:30-16:45, 1

Beim Betrieb von Brunnen in Fe-haltigem Grundwasser gehören die chemische und biologische Brunnenverockerung zu den häufigsten Alterungsprozessen, die einen starken negativen Einfluss auf die Effizienz von Grundwasserförderbrunnen haben. Um die Effizienz auch langfristig zu erhalten, werden in der Literatur neben chemischen und mechanischen Regenerierungsverfahren verockerter Brunnen auch technische Präventionsmaßnahmen (optimiertes Brunnendesign, spezielle Ausbaumaterialien) vorgeschlagen, um von vornherein die Entstehung von Verockerungen zu minimieren (Houben & Treskatis, 2012). Eine besondere Herausforderung ist es jedoch, die Wirksamkeit solcher Gegenmaßnahmen auch bis in den Verkiesungsbereich nachzuweisen. Während Kamerabefahrungen lediglich zur Begutachtung des Brunneninneren genutzt werden können, kommt bisher einzig die Auswertung von Brunnenbetriebsdaten als Qualitätskontrolle in Frage.

Seit einigen Jahrzehnten wird die Methode der Nuklearmagnetischen Resonanzmessung (NMR) in den Geowissenschaften vor allem zur Ermittlung von Porenradienverteilungen in gesättigten porösen Medien eingesetzt. Jedoch wurden „Verunreinigungen“ mit Fe(III)-Hydroxidmineralen aufgrund deren paramagnetischer Eigenschaften dabei bisher stets als Störeinfluss angesehen (z.B. Keating & Knight, 2007). Mit dieser Studie (Costabel et al., 2017) soll nun der Versuch vorgestellt werden, diese Effekte durch grundlegende Untersuchungen systematisch zu quantifizieren und somit aus dem NMR-Signal Rückschlüsse auf Menge und Verteilung von Fe(III)-Hydroxidmineralen ziehen zu können. Dazu wurden an wassergesättigten Filterkiesen mit künstlichen oder natürlichen Verockerungen NMR-Experimente im Labormaßstab durchgeführt (Abb. 1).

Aus den NMR-Signalen der verockerten Kiese wurden Porositäten, Oberflächenrelaxivitäten und mittlere scheinbare Porenradien abgeleitet. Letztere korrelieren hinreichend mit experimentell aus Sieblinien berechneten effektiven Porenradien. Ebenso konnte eine Korrelation von aus NMR-Resultaten abgeleiteten kf-Werten zu Werten nach Hazen nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnte eine lineare Abhängigkeit der Oberflächenrelaxivitäten vom Fe(III)-Gehalt (für Fe(III) < 1 g/kg) ermittelt werden. Grundsätzlich erscheint es also möglich, mit der Anwendung der NMR-Methode direkt im Brunnen eine minimalinvasive, zerstörungsfreie Überprüfung der Wirksamkeit von Regenerierungsmaßnahmen oder aber auch Qualitätskontrolle von Präventivmaßnahmen gegen die Brunnenverockerung zu etablieren.

Als bohrlochgeophysikalische Methode werden NMR-Sonden bereits seit Jahrzehnten in der Kohlenwasserstoffexploration eingesetzt. Die Entwicklung erster Bohrlochsonden zur flachen Anwendung für die Charakterisierung von Aquifereigenschaften in den letzten Jahren (z.B. Sucre et al., 2011, Knight et al., 2016) erscheint jedoch vielversprechend. Die Eignung dieser Technologie zur Detektion von Verockerungszonen an Brunnenfiltern soll in zukünftigen Versuchen evaluiert werden.

Abb. 1: (a) Messinstrument und (b) Lage der NMR-sensitiven Schicht im Probenkörper relativ zum Permanent-magnetfeld (B0) und elektromagnetischer Spule (B1)
Abb. 1: (a) Messinstrument und (b) Lage der NMR-sensitiven Schicht im Probenkörper relativ zum Permanent-magnetfeld (B0) und elektromagnetischer Spule (B1)



COSTABEL, S., WEIDNER, C., MÜLLER-PETKE, M. & HOUBEN, G. (2017): Hydraulic characterisation of iron oxide-coated sand and gravel based on nuclear magnetic resonance relaxation modes analysis. – Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., https://doi.org/10.5194/hess-2017-364, in review.

HOUBEN, G. & TRESKATIS, C. (2012): Regenerierung und Sanierung von Brunnen – Technische und naturwissenschaftliche Grundlagen der Brunnenalterung und möglicher Gegenmaßnahmen. – Oldenbourg Industrieverlag, München, 504 S.

KEATING, K. & KNIGHT, R. (2007): A laboratory study to determine the effects of iron oxides on proton NMR measurements. – Geophysics 72(1), E27-E32, https://doi.org/10.1190/1.2399445.

KNIGHT, R., WALSH, D. O., BUTLER Jr., J. J., GRUNEWALD, E., LIU, G., PARSEKIAN, A. D., REBOULET, E. C., KNOBBE, S. & BARROWS, M. (2016): NMR logging to estimate hydraulic conductivity in unconsolidated aquifers, Groundwater 54(1), 104-114, doi:10.1111/gwat.12324.

SUCRE, O., POHLMEIER, A., MINIERE, A. & BLÜMICH, B. (2011): Low-field NMR logging sensor for measuring hydraulic parameters of model soils. – J Hydrol 406, 30-38, doi:10.1016/j.jhydrol.2011.05.045.



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