Die Temperaturabhängigkeit der Spektralen Induzierten Polarisation

Bairlein, Katharina

Die Spektrale Induzierte Polarisation (SIP) ist eine geoelektrische Messmethode, bei der die komplexe elektrische Leitfähigkeit im Bereich niedriger Frequenzen (1 mHz – 1 kHz) gemessen wird. Die elektrische Leitfähigkeit ist von der Temperatur abhängig und wird für gesättigte Gesteine hauptsächlich durch die Mobilität der Ionen in der Elektrolytlösung bestimmt. Zusätzlich fließen verschiedene Parameter der elektrischen Doppelschicht in die Temperaturabhängigkeit ein. Bei SIP-Messungen im Feld kann die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit einen starken Einfluss auf die Ergebnisse haben, beispielsweise aufgrund von jahreszeitlichen Temperaturschwankungen, der Zunahme der Untergrundtemperatur mit der Tiefe oder Temperaturdifferenzen in geothermischen Regionen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Abhängigkeit der komplexen elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur bei Labormessungen an verschiedenen Gesteins- und Bodenproben im Temperaturbereich von 0 bis 80 °C. Eine Änderung der Temperatur wird besonders im Anstieg des Real- und Imaginärteils und in der Abnahme der Zeitkonstante, welche die charakteristische Zeitskala des Relaxationsprozesses beschreibt, mit steigender Temperatur deutlich. Der häufig in der Praxis angenommene Anstieg des Realteils der Leitfähigkeit von zwei bis zweieinhalb Prozent pro Grad Celsius Temperaturerhöhung stimmt im Mittel mit der in dieser Arbeit beobachteten Zunahme der Leitfähigkeit überein. Der Imaginärteil der Leitfähigkeit nimmt im Mittel mit steigender Temperatur ähnlich stark zu wie der Realteil. Die Einflüsse auf das temperaturabhängige Verhalten der IP-Spektren sind vielseitig und resultieren sowohl aus den Eigenschaften der Porenflüssigkeit, als auch den Eigenschaften des Gesteins, weshalb die Temperaturabhängigkeit zwischen unterschiedlichen Proben variiert. Eine Vernachlässigung der Temperaturabhängigkeit der IP-Messgrößen kann bei der Auswertung von Messdaten, beispielsweise im Hinblick auf die Abschätzung der hydraulischen Leitfähigkeit, zu signifikanten Fehlern führen. Die Temperaturabhängigkeit der Spektralen Induzierten Polarisation wird neben den Labormessungen anhand eines Membranpolarisationsmodells untersucht. Der Vergleich der Messergebnisse mit dem Modell zeigt, dass dieses das grundlegende Verhalten der komplexen elektrischen Leitfähigkeit bei Temperaturänderungen wiedergeben kann.

Spectral induced polarization (SIP) is a geoelectrical exploration method that measures the complex electrical conductivity of rocks at low frequencies (1 mHz – 1 kHz). The electrical conductivity depends on temperature, which is mainly a reason of the temperature-dependent ion mobility in the pore fluid. Additionally, the electrical double layer at the mineral surface influences the temperature dependence. In the field, varying temperatures can affect the results of SIP measurements, for example due to seasonal temperature variations, the increase of the temperature with depth or temperature variations at geothermal areas. In this thesis the temperature dependence of the complex conductivity of various rocks and unconsolidated sediments is studied in the laboratory for temperatures between 0 and 80 °C. The measurements show an increase of the real and imaginary part with temperature and a decrease of the characteristic time, which represents the time scale of the relaxation process. The real part of conductivity increases about 2 to 2.5 percent per degree Celsius, consistent with the values typically assumed for measurements in the field. The increase in the imaginary part is similar to that of the real part. There are various parameters influencing the temperature dependence of IP data, including the characteristics of the pore fluid, the mineral surface and the pore geometry, which lead to a different behavior of IP spectra at varying temperatures between rock samples. A variation of the ion concentration in the pore fluid changes the strength of the influence of temperature on the real and imaginary part of conductivity. Neglecting the influence of temperature on the complex conductivity can lead to significant errors in evaluating complex conductivity data, for example when estimating the hydraulic conductivity from SIP measurements. Besides laboratory measurements the temperature dependence of SIP is investigated with a membrane polarization model. The behavior of the model conductivity is similar to the observed change in the measured conductivity when the temperature is varied. Furthermore, the model can help to understand the influence of the temperature on the mechanisms taking place in the pore space during complex conductivity measurements.

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Bairlein, Katharina: Die Temperaturabhängigkeit der Spektralen Induzierten Polarisation. 2017.

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