Phasengenaue Impedanzspektroskopie und -tomographie für geophysikalische Anwendungen

Abstract

Die elektrische Impedanzspektroskopie und die spektrale elektrische Impedanztomographie sind leistungsfähige Methoden zur nichtinvasiven Charakterisierung von Materialien bezüglich ihrer strukturellen Eigenschaften. Bei diesen Methoden werden die Amplitude und die Phase der komplexen Leitfähigkeit der Materialien in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen, wobei im Falle der Tomographie diese Spektren auch ortsauflösend bestimmt werden. In Hinblick auf geophysikalische Anwendungen wurden ursprünglich impedanzspektroskopische Messungen, die im Bereich der Geophysik auch unter dem Namen Spektral Induzierte Polarisation bekannt sind, zur Untersuchung von mineralisierten Gesteinen mit elektrisch leitenden Mineralkörnern angewendet. In den letzten 10 Jahren ist zunehmend auch die erweiterte Charakterisierung von Böden, Sedimenten und Gesteinen allgemein, die keine elektronisch leitenden Minerale beinhalten, von besonderem Interesse. Die Polarisierbarkeit bewirkt hierbei die elektrische Doppelschicht, die aufgrund der Interaktion des Porenfluides (Elektrolyt) mit der elektrisch geladenen Mineraloberfläche entsteht. Die elektrischen Eigenschaften des Gesteins sind mit der elektrischen Leitfähigkeit des Porenfluides, der Sättigung und den strukturellen und mineralogischen Eigenschaften, wie z.B. der Korngrößenverteilung, der Porenhalsgröße und dem Tonanteil verknüpft. Sie beinhalten daher auch unmittelbar Informationen über die hydraulische Leitfähigkeit oder die Schadstoffkonzentrationen in Gesteinen bzw. Böden. Die Messung der elektrischen Materialeigenschaften ist daher für viele hydrogeophysikalische und umwelttechnische Fragestellungen relevant. Problematisch bei diesen Messungen ist die geringe Polarisierbarkeit der Materialien mit typischen Phasen im Bereich von 1 bis 20 mrad, so dass zur phasengenauen Messung spezielle Messgeräte und Messmethoden benötigt werden. Der interessierende Frequenzbereich reicht von 1 mHz bis zu einigen kHz wobei offensichtlich ist, dass die diagnostischen Möglichkeiten mit der Frequenzbandbreite und der Phasengenauigkeit steigen. Das Ziel der Arbeit ist daher die Phasengenauigkeit von spektroskopischen und tomographischen Impedanzmessungen zu verbessern und hierfür neue Messmethoden und -systeme zu entwickeln, um in naher Zukunft eine bessere Charakterisierung von schwach polarisierbaren Materialien zu ermöglichen. Die Arbeit beinhaltet im ersten Teil die Entwicklung eines Impedanzspektrometers mit geeigneten Elektroden und optimalem Probenhalter, die Abschätzung relevanter Fehlerquellen, die Entwicklung von optimierten Messmethoden, Methoden zur numerischen Korrektur der Messdaten und Maßnahmen zur Vermeidung der Phasenfehler. Auf Basis dessen wird im zweiten Teil die Entwicklung eines spektralen Impedanztomographen mit ergänzenden Fehlerabschätzungen, angepassten Korrekturmethoden und erweiterter Finite-Elemente-Modellierung zur Berücksichtigung parasitärer Impedanzen für bildgebende phasengenaue Messungen der komplexen Leitfähigkeit an Bodenmonolithen beschrieben. Ausgelegt werden die Systeme für einen Frequenzbereich von 1 mHz bis 45 kHz. Die Methoden und Systeme wurden an elektrischen Netzwerken, Wasserproben und Objekten mit definierter Polarisation und mittels synthetischer Studien überprüft. Hierbei wurde eine Genauigkeit von 0.1 mrad bei den gemessenen Impedanzen der Proben und 1 mrad bei den rekonstruierten Leitfähigkeitsverteilungen für Frequenzen bis 1 kHz erzielt.