On the small-scale variability of electrical soil properties and its influence on geophysical measurements [Elektronische Ressource] / von Jan Igel

Jan Igel

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• Publié le: 01 janvier 2007
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• Langue: English
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Extrait

On the Small-Scale Variability of
Electrical Soil Properties and its In uence
on Geophysical Measurements
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Geowissenschaften
der Johann Wolfgang Goethe { Universit˜at
in Frankfurt am Main
von
Jan Igel
aus Wangen im Allg˜au
Frankfurt (2007)
(D 30)vom Fachbereich Geowissenschaften der Johann Wolfgang Goethe {
Universit˜at als Dissertation angenommen.
Dekan: Prof. Dr. G. Brey
Gutachter: Prof. Dr. A. Junge, Frankfurt
Prof. Dr. H. Wilhelm, Karlsruhe
Datum der Disputation: 12.07.2007Abstract
Physical soil properties feature high spatial variabilities which are known to
afiect geophysical measurements. However, these variations are not considered
in most cases. The challenging questions are flrstly to what extent soil het-
erogeneities in uence geophysical data and secondly what the uncertainties in
the deduced results are. This topic is analysed for DC resistivity and GPR
measurements which are frequently used for near-surface explorations e.g. for
hydrological problems. To determine the pattern of electric soil properties in
situwiththerequiredhighspatialresolution,geophysicalmeasuringtechniques
are methodically enhanced.
High-resolution dipole-dipole resistivity measurements with electrode separa-
tionsof0.1 maresuitabletodetermineelectricconductivitydistributionofthe
topsoil. Due to the small electrode separations, the actual electrode geometry
hastobeconsidered. Ananalyticexpressionisderivedforthegeometricfactor
of arrays with elongated electrodes and is experimentally verifled. Assuming
pointelectrodesinsteadcanresultindeviationsofapparentconductivityofup
to 50%.
Two methods are used to determine soil permittivity with GPR: Firstly, the
coe–cient of re ection at the interface air{soil is measured with a 1 GHz air-
launched horn antenna and soil permittivity is deduced with an accuracy of
10% and a spatial resolution of 0:25 m£0:3 m. Secondly, the velocity of the
groundwave is measured with a new setup using two receiving antennas en-
hancing the lateral resolution from typically 0.5 m and even more for standard
techniques to approximately 0.1 m with the new technique. With the latter,
permittivity is mapped with an accuracy of 3{8%.
The optimised measuring techniques are used to determine the electric prop-
erties of sandy soils in the fleld. The fleld data are statistically analysed and a
densityfunctionmodelaswellasavariogrammodelareadaptedtothespatial
conductivityandpermittivitydistribution. Conductivitypossesseshigh
variability and a correlation length of approximately 0.4 m. Both GPR tech-
niques yield high variability of permittivity with correlation lengths between
0.25 m and 1.8 m. Geostatistical simulations are used to generate randomII Abstract
mediafeaturingthesamestatisticalpropertiesasinthefleld. Thesemediaare
used to generate realistic synthetic data by means of FD calculations.
Both, 2D and 3D dipole-dipole measurements can be used to determine sta-
tistical parameters of conductivity distribution in the fleld. The variance is
somewhat underestimated by the DC measurement but the spatial correlation
is well reproduced in a wide range of correlation lengths as proved by simula-
tions. Soil heterogeneities which cannot be resolved with Schlumberger setups
itself can nevertheless cause variations of the sounding curves. Conductivity
variations as deduced in the fleld generate signiflcant variations of simulated
sounding curves. The uncertainties in the inverted models are comparable to
6% data noise when deducing equivalent models.
Even in pedologically homogeneous sandy soil, moisture pattern and the re-
sulting permittivity variations cause strong GPR difiractions as demonstated
by FD simulations. This in uences the detectability of objects, e.g. landmine
detection with GPR. If the soil is relatively dry and the permittivity contrast
between soil and mine is small, landmine detection will be di–cult due to soil
difiractions masking the mine signal. Furthermore, typical soil heterogeneities
causeundulatinggroundwaves,thuscomplicatingthevelocitydestinationwith
moveout measurements, which are commonly used for classical groundwave
analysis. Conductivity variations as typical for soils showed to have a minor
efiect on GPR measurements than variations of permittivity.
In summary, geostatistical analysis and simulation provide a powerful tool to
simulate geophysical measurements under fleld conditions including soil het-
erogeneitywhichcanbeusedtoquantifytheuncertaintyoffleldmeasurements
by geologic noise. Such realistic simulations are helpful to e.g. optimise the
survey design prior to a fleld campaign or to appraise fleld data and their
interpretation.Zusammenfassung
Der Boden bildet die oberste Schicht der Erde und stellt die Verbindung
zwischen Lithosph˜are und Atmosph˜are dar. Ein wesentliches Merkmal von
B˜oden ist die hohe r˜aumliche und zeitliche Variabilit˜at ihrer physikalischen
Eigenschaften. Geophysikalische Messungen werden bekanntlich stark von der
r˜aumlichen Heterogenit˜at der physikalischen Bodenparameter beein usst, da
sich die Sensoren in der Regel direkt im oder auf dem Boden beflnden. Gleich-
wohl werden diese Efiekte bei Messungen vielfach nicht beruc˜ ksichtigt. Es
dr˜angt sich die Frage auf, in welchem Ausma… geophysikalische Messungen
von Heterogenit˜aten des Bodens bestimmt werden und ob die resultieren-
den Messungenauigkeiten sowie Unsicherheiten der abgeleiteten Ergebnisse
quantiflzierbar sind. Dieser Frage wird speziell fur˜ den Fall von Geoelektrik-
undGeoradar-Messungennachgegangen,dieh˜auflgfur˜ ober ˜achennaheUnter-
suchungen verwendet werden, z.B. um hydrologische Fragestellungen zu bear-
beiten.
Die elektrische Leitf˜ahigkeit des Bodens beein usst geoelektrische Messungen
stark, da sich die Elektroden direkt im Boden beflnden und in ihrer unmit-
telbaren Umgebung die Sensitivit˜at der gemessenen scheinbaren Leitf˜ahigkeit
bezuglic˜ h der Bodenleitf˜ahigkeit am gr˜o…ten ist. Das Georadar hinge-
gen wird sowohl durch die elektrische Leitf˜ahigkeit als auch den Dielek-
trizit˜atskoe–zienten (DK) beein usst. Die Variabilit˜at dieser Bodeneigen-
schaften beeintr˜achtigen das Georadar stark, da die Antenne direkt auf dem
UntergrundliegtunddieelektromagnetischenWellenanBodenheterogenit˜aten
gestreut werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Heterogenit˜aten
in der Gr˜o…enordnung der Wellenl˜ange liegen. Um die fur˜ beide Messver-
fahren relevanten elektrischen Bodenparameter mit der ben˜otigten hohen
r˜aumlichen Au ˜osung im Gel˜ande bestimmen zu k˜onnen, werden vorhandene
geophysikalische Verfahren methodisch verbessert.
Die r˜aumliche Anordnung der Messpunkte auf einer Fl˜ache beein usst die
abgeleitetenstatistischenParameter. EswerdenverschiedeneMessaufstellung-
enmitjeweilsgleicherAnzahlvonMesspunktenaufsynthetischenFl˜achenmit
zufallsgenerierten Parameterverteilungen unterschiedlicher Korrelationsl˜angenIV Zusammenfassung
angewendet. Ein Vergleich zeigt, dass Messaufstellungen mit l˜angeren sich
kreuzenden Profllen oder eine reine Zufallsverteilung der Messpunkte besser
geeignet sind als Aufstellungen, bei denen die Messpunkte auf wenige, dafur˜
jedoch dichter beprobte Bereiche, konzentriert sind. Eng abgetastete, sich
kreuzende Proflle zeigen die besten Ergebnisse bei der Bestimmung der
H˜auflgkeitsverteilung und des Variogramms. Diese Aufstellung ist auch
gegenub˜ er der Lokation auf der zu untersuchenden Fl˜ache unempflndlich, d.h.
dasErgebnish˜angtnurgeringfugig˜ vonderPositionderMesskonflgurationauf
der zu untersuchenden Fl˜ache ab.
Die elektrische Leitf˜ahigkeit des Bodens h˜angt von einer Vielzahl von Parame-
tern ab, wie Textur, Salinit˜at und Wassergehalt. Hochau ˜osende Dipol-Dipol
Geoelektrik-Messungen mit Elektrodenabst˜anden von 0,1 m eignen sich gut,
um die Verteilung der elektrischen Leitf˜ahigkeit im Oberboden zu bestimmen.
WegendesgeringenElektrodenabstandesmussjedochdietats˜achlicheElektro-
dengeometrieberuc˜ ksichtigtwerden. Dieublic˜ heAnnahmevonpunktf˜ormigen
Elektroden kann bei hochau ˜osenden Messungen zu Fehlern in den schein-
baren Leitf˜ahigkeiten von bis zu 50% fuhren.˜ Es wird eine analytische Formel
fur˜ Geometriefaktoren von Elektrik-Aufstellungen mit l˜anglichen Elektroden
abgeleitet. Diese Faktoren werden experimentell durch Messungen in einem
homogenen Halbraum, einem gro…en Wassertank, veriflziert. Durch Ver-
wendung der korrekten Geometriefaktoren ergeben sich scheinbare elektrische
Leitf˜ahigkeiten, die sehr gut mit der tats˜achlichen Leitf˜ahigkeit des Wassers
ub˜ ereinstimmen.
Der DK des Bodens h˜angt stark vom Wassergehalt ab. Die sich ergeben-
den Zusammenh˜ange werden erl˜autert und einige wichtige Modelle vorgestellt,
welche die Abh˜angigkeit des DK vom Wassergehalt beschreiben. Es werden
die Grundprinzipien der elektromagnetischen Wellenausbreitung, ausgehend
von den vier Maxwellgleichungen beschrieben und wichtige Gesetzm˜a…igkeiten
abgeleitet. Im Gegensatz zu den ansonsten ublic˜ hen N˜aherungen werden alle
drei elektromagnetischen Parameter beruc˜ ksichtigt. Das erlaubt eine Ab-
sch˜atzung der zu erwartenden Fehler, wenn bei Feldmessungen vereinfachte
Formeln verwendet werden, z.B. wenn, wie ublic˜ h, die magnetische Perme-
Bodenabilit˜at des Bodens „ =1 gese