Near Surface Tilt and Pore Pressure Changes Induced by Pumping in Multi-Layered Poroelastic Half-Spaces

Abstract

At three sites in Germany, called OE, BV and WD, pump test experiments were conducted. The aim was the observation and ensuing modelling of near surface tilt and pore pressure changes induced by pumping in nearby wells. The observations were carried out with `bubble tiltmeters' as borehole and platform instruments. The nominal resolution of the instruments was 0.1µrad. Pore pressure changes in the subsoil were recorded through water level fluctuations in wells by means of pressure transducers with a resolution better than 1mm H<sub>2</sub>O. The model calculations were carried out with the program POEL. With an assumption of a subsoil model, the program allows an accurate and rapid signal simulation. The models are time resolved and account for multi-layered fully saturated poroelastic half-spaces. <br /> At site OE, 12 tiltmeters were used for measurements. They were installed at 16 shallow observation positions. A waterworks was operated at the site and caused pump induced effects. The tilt data was used for imaging the surface deformation fields. This new method of deformation imaging turned out to be promising for further investigations. Heterogeneities in the subsoil might cause disturbances in the symmetry of a surface deformation image. Subsoil consolidation could be monitored and an exhaustion of the lower-lying reservoir might become predictable. <br /> The most striking discoveries are transient pump induced reversals of the tilt signal, which were observed at the locations OE and BV. At BV, the `Noordbergum effect' was recorded in well level data parallel to the tilt reversals. At this site, two tiltmeters were used. The tilt reversals document in the matrix strain the strong coupling between the soil matrix and the pore fluid. This type of signals could be reproduced by poroelastic modelling. <br /> The modelling reveals that the transient signals are sensitive to parameter adjustments in deeper layers of the model. Accordingly, the transient signal part seems generally well suited for a fast experimental determination of effective poroelastic subsoil parameters. Additionally, modelling showed a direct connection between the type of tilt reversal and the arrangement of the layers in the subsoil.<br /> Further aspects of the investigations were: At the site WD tilt observations were conducted with two tiltmeters above a buried quaternary channel from which the groundwater was extracted. Steady state models were calculated for predicting the position and strength of the pump induced tilt maximum at the surface. Refinements of experiments are discussed.

<strong>Oberflächennahe Neigungssignale und Porendruckvariationen induziert durch Pumpen in mehrfach geschichteten poroelastischen Halbräumen</strong><br /> An drei Lokationen in Deutschland, bezeichnet mit OE, BV und WD, wurden Pumptestexperimente durchgeführt. Ziel war die Erfassung und die anschließende Modellierung von pumpinduzierten oberfächennahen Neigungssignalen und Porendruckvariationen. Die Neigungsmessungen erfolgten mit "Bubble-Tiltmetern", und zwar sowohl mit Bohrloch- als auch Plattforminstrumenten. Die nominelle Auflösung der Geräte betrug 0,1µrad. Die Porendruckschwankungen im Untergrund wurden anhand von Pegelveränderungen in Brunnen erfasst. Hierzu wurden Drucksensoren mit Auflösungen besser als 1mm H₂O in die Brunnen eingebracht. Die Modellrechnungen wurden mit dem Programm POEL ausgeführt. Für ein angenommenes Untergrundmodell erlaubt das Programm eine genaue und schnelle Signalberechnung. Die Modelle sind zeitaufgelöst und berücksichtigen geschichtete vollständig gesättigte poroelastische Halbräume. <br /> An der Lokation OE wurde mit 12 Tiltmetern gemessen. Diese wurden an 16 verschiedenen Positionen oberflächennah installiert. Ein an der Lokation gelegenes Wasserwerk verursachte pumpbedingte Effekte. Die Neigungsdaten wurden zur Darstellung von Oberflächendeformationsfeldern genutzt. Es zeigte sich, daß diese neue Methode für weitere Untersuchungen vielversprechend ist. Heterogenitäten im Untergrund können sich als Abweichungen von der Symmetrie im Oberflächendeformationsfeld abzeichnen. Die Konsolidierung des Untergrundes könnte fortlaufend kontrolliert und eine Erschöpfung des tieferliegenden Reservoirs frühzeitig erkannt werden. <br /> Die herausragendsten Entdeckungen sind transiente pumpinduzierte Umkehrungen des Neigungssignals, die an den Lokationen OE und BV beobachtet wurden. An BV wurde der "Noordbergum Effekt" parallel zu diesen Neigungsumkehrungen im Brunnenpegelsignal nachgewiesen. Hier wurde mit zwei Tiltmetern gemessen. Die Neigungsumkehrungen dokumentieren in der Bewegung des Korngerüstes die starke Kopplung zwischen Untergrundformation und Porenflüssigkeit. Diese Art von Signalen konnte in den poroelastischen Modellen nachvollzogen werden. <br /> Die Modellrechungen zeigen, dass die transienten Signalanteile sensitiv auf Parametervariationen in tieferen Schichten des Modells reagieren. Danach scheint für eine schnelle experimentelle Bestimmung von effektiven poroelastischen Untergrundparametern der transiente Signalanteil gut geeignet. Die Rechnungen zeigen zudem einen direkten Zusammenhang zwischen der Art der Neigungssignalumkehr und der konkreten Schichtenfolge im Untergrund. <br /> Weitere Aspekte der Untersuchungen waren: An der Lokation WD fanden Neigungsmessungen mit zwei Tiltmetern oberhalb einer quartären Rinne statt, aus der gepumpt wurde. Stationäre Modelle zur Bestimmung von Lage und Stärke des pumpinduzierten Neigungsmaximums an der Oberfläche wurden gerechnet. Verbesserungen der Experimente werden diskutiert.