MRS MAGNETISK RESONANS SONDERING EN NY HYDROGEOFYSISK KORTLÆGNINGSMULIGHED I DANMARK

Transkript

1 MRS MAGNETISK RESONANS SONDERING EN NY HYDROGEOFYSISK KORTLÆGNINGSMULIGHED I DANMARK Geofysiker, cand.scient. Mette Ryom Nielsen Rambøll Geofysiker, ph.d. Konstantinos Chalikakis Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) Geolog, cand.scient. Claus Petersen Miljøcenter Århus (tidl. Vejle Amt) Geolog, cand.scient. Jette Vindum Kolding Kommune (tidl. Vejle Amt) ATV MØDE VINTERMØDE OM JORD- OG GRUNDVANDSFORURENING VINGSTEDCENTRET marts 7

2

3 RESUMÉ Magnetisk Resonans Sondering (MRS) er en relativ ny geofysisk metode, som er yderst interessant for den danske grundvandskortlægning og udpegning af nye kildepladser, idet metoden estimerer hydrologiske parametre så som vandindhold og permeabilitet. Metoden adskiller sig hermed markant fra øvrige geofysiske metoder, der udelukkende indirekte måler på jordens geologiske. MRS-metoden estimerer parametre, som traditionelt opnås ved prøvepumpninger, der er væsentlig dyrere og mere omfattende end MRS. I alt 14 MRSsonderinger er i 6 udført i Vejle Amt, hvor der er opnået gode resultater og en meget fin datakvalitet. Resultaterne er verificeret med to prøvepumpninger og en boring med god overensstemmelse. BAGGRUND MRS-metoden (Magnetisk Resonans Sondering) til grundvandsressource-kortlægning blev udviklet i Rusland i begyndelsen af firserne af et russisk team, som byggede det første MRSudstyr kaldet Hydroscope. Metoden blev herefter hovedsageligt benyttet i Rusland. I 1996 udviklede det franske firma IRIS Instruments, med et team af russiske forskere, et kommercielt tilgængeligt MRS-udstyr kaldet NUMIS /1/. Dette medførte en markant øget interesse for metoden, og i de seneste år er MRS-metoden testet i adskillige lande med stor succes. Det optimerede NUMIS plus MRS-udstyr, vist i figur 1, er i dag stadig det eneste kommercielt tilgængelige MRS-udstyr. Sammenlignet med øvrige geofysiske metoder er MRS-metoden en relativ ny geofysisk metode, som stadig udvikles og optimeres både udstyrsmæssigt og tolkningsmæssigt. Figur 1. NUMIS plus MRS- udstyret. MRS-metodens anvendelighed i Danmark blev afprøvet af det franske IRD (Institut de recherche pour le développement) i samarbejde med Geofysiksamarbejdet i det daværende Nordjyllands Amt i 3. Konklusionen heraf var, at metoden er anvendelig i Danmark, men at yderligere optimering til de danske forhold er nødvendigt /2/.

4 Siden 3 er metoden forbedret. Dette sammen med en forventning om at en optimeret konfiguration samt nøje tilpasning af de anvendte parametre, ville muliggøre en tilpasning af metoden til danske forhold, var baggrunden for, at Rambøll i 6 indgik samarbejde om et MRS-udviklingsprojekt med Vejle Amt og University of Pierre & Marie Curie (UPMC) Paris, som har stor erfaring med metoden. FORMÅL Et af formålene med MRS-projektet var at teste og om muligt, optimere metodens anvendelighed i Danmark. Det andet og mere konkrete formål med projektet var, i tre forskellige kortlægningsområder i Vejle Amt, at optimere og prioritere placeringerne af fremtidige indvindingsboringer inden for områder med mulige grundvandsressourcer, udpeget på baggrund af tidligere udførte TEM-kortlægninger. METODEN MRS-metoden er ekstrem interessant i forbindelse med grundvandsressource-kortlægning, idet det er den eneste overfladebaserede geofysiske metode, der direkte måler vandindholdet i jorden. Øvrige eksisterende non-invasive geofysiske metoder, som f.eks. TEM, MEP og seismik, måler udelukkende på jordens fysiske parametre så som resistivitet og lydens hastighed i jorden. Herudfra tolkes jordens geologiske forhold og strukturer, for dermed at få en idé om hvor potentielle grundvandsmagasiner kan forekomme. Med MRS-metoden måles direkte vandindholdet i forskellige dybder, og det er tilmed muligt at estimere permeabiliteten som funktion af dybden. Ud fra permeabiliteten kan magasinets transmissivitet bestemmes, hvilket traditionelt opnås ved prøvepumpning, som er væsentlig dyrere og mere omfattende end MRS. Metoden bygger, i lighed med hospitalernes MR-scannere, på den egenskab, at hydrogenprotoner i vandmolekyler har et magnetisk dipol-moment, dvs. at de har en positiv og en negativ pol, som er orienteret parallelt med Jordens geomagnetiske felt. Dvs. at hydrogenprotonerne i vandmolekylerne overalt på kloden naturligt ligger orienteret efter retningen på Jordens magnetfelt på den pågældende lokalitet. Ved at etablere et kunstigt magnetfelt med en bestemt resonansfrekvens kan orienteringen af hydrogenprotonernes dipol ændres. Dette udføres i praksis ved at lægge et kabel i et loop på jordoverfladen, og herigennem sende en strøm. Dette giver anledning til et magnetfelt, som kan ændre hydrogenprotonernes orientering, hvis den rette frekvens af strømmen er anvendt. En principskitse for feltopstillingen ved en MRS-sondering er illustreret i figur 2.

5 Figur 2. Principskitse af feltopstillingen ved en MRS-sondering. Modificeret efter /3/. Når det kunstige magnetfelt slukkes, henfalder protonerne til deres oprindelige position, hvilket er illustreret i figur 3. Dette henfald kan måles i loopkablet på jordoverfladen og kaldes det magnetiske resonans-signal. Amplituden af signalet er proportionalt med det procentvise vandindhold i jorden. Dvs. jo kraftigere responssignal desto mere vand og omvendt. Ved trinvist at øge strømstyrken eller strømpulsen i loopkablet, øges gradvist den indtrængningsdybde, hvor vandmolekylerne er påvirket. Dermed kan responserne relateres til et antal dybder, hvorved et dybdeprofil opnås. Figur 3. Skitse af de fysiske principper ved en MRS-sondering. I den uforstyrrede tilstand 1) ligger hydrogenprotonerne orienteret parallelt med Jordens magnetfelt. Når det kunstige magnetfelt påføres 2) ændres orienteringen af hydrogenprotonerne, og når magnetfeltet fjernes igen 3) henfalder hydrogenprotonerne til deres oprindelige orientering. Modificeret efter /1/. Den tid det tager hydrogenprotonerne at henfalde til den oprindelige orientering er relateret til porerummenes størrelse og indbyrdes sammenhæng. Dvs. ved at måle henfaldstiden kan jordens permeabilitet estimeres, idet høj permeabilitet giver høj henfaldstid og omvendt. På baggrund af permeabiliteten kan den kumulerede transmissivitet ned til den maksimale indtrængningsdybde estimeres. Det er kun signal fra de frie vandmolekyler i jorden, der registreres ved en MRS-sondering. Dvs. der måles ikke et signal fra kapilært bundne vandmolekyler, som fx vand bundet til lermineraler. Dette skyldes, at henfaldstiden for vandmolekyler, som er påvirket af kapilære kræfter, er kortere end hvad MRS-udstyret kan registrere. Dvs. signalet målt med MRSmetoden stammer udelukkende fra det frie og flytbare vand, som er interessant i grundvandsressource-sammenhæng.

6 Det signal, der måles fra henfaldet af protonerne, er meget svagere end den omgivende elektromagnetiske støj fra ledningsnet, vindmøller mv. og der bør generelt holdes en afstand på minimum 1 m til disse. For at kunne skelne MRS-signalet fra den elektromagnetiske støj, gentages MRS-målingerne mange gange og stakkes, hvorved støjen midles ud. Jo længere tid der stakkes desto større bliver signalet i forhold til støjen, og dermed opnås et bedre signal/støjforhold. En typisk MRS-sondering tager mellem 6 og 12 timer. Indtrængningsdybden for en MRS-sondering afhænger af den benyttede loop-konfiguration og størrelse. Traditionelt anvendes et kvadratisk loop med sidelængden m, hvilket giver en indtrængningsdybde på mellem 1 m og 1 m. I områder med højt støjniveau kan med fordel anvendes en såkaldt 8-tals-loop konfiguration, som er to forbundne kvadrater traditionelt begge med en sidelængde på 75 m. Denne konfiguration giver en reduceret indtrængningsdybde på m til m, men giver til gengæld en markant bedre undertrykkelse af støjen end med et kvadratisk loop. Teoretisk reduceres støjen med en faktor ved brug af 8- tals-loopet i stedet for et kvadratisk loop /4/. MRS-projektet i Vejle Amt På baggrund af tidligere geofysiske kortlægninger med bl.a. TEM-metoden er der i tre områder i Vejle Amt udpeget områder potentielt egnet til drikkevandsindvinding. Efterfølgende er der i de tre områder udført i alt 14 MRS-sonderinger, med det formål, at opnå et datagrundlag, der gør det muligt at optimere og prioritere lokaliteter for fremtidige kildepladser. På hver af de 14 lokaliteter er udført yderligere en TEM-sondering. De 3 områder, præsenteret i figur 4, er beliggende hhv. ved Bredal, Lindved og Dalby og er alle beliggende i et morænelandskab fra Weichsel istiden /5/. Lindved Bredal Dalby Figur 4. Placeringen af de tre undersøgelsesområder

7 Overordnet er geologien i de tre områder beskrevet ved øverst moræne- og smeltevandsaflejringer overlejrende glimmersand og silt og herunder fed ler. Grænsen til glimmeraflejringerne findes i en dybde på mellem m og m, og grænsen til det fede ler forventes i en dybde på mellem m og 1 m. Traditionelt vil man med TEM-metoden kunne opnå god bestemmelse af grænsen til den fede ler, men sandsynligvis vil det ikke være muligt, at skelne mellem f.eks. smeltevandsaflejringer med magasinegenskaber og eventuelle underliggende glimmeraflejringer, idet disse sedimenter kan have samme elektriske modstand. MRSmetoden vil derimod netop kunne kortlægge forskellene i de hydrauliske egenskaber, der er mellem smeltevandsaflejringer og glimmeraflejringer. Dette forhold er forsøgt illustreret i figur 5. Figur 5. MRS-metoden vil kortlægge en forskel i de hydrauliske egenskaber mellem aflejringer med grundvandsmagasin-egenskaber og glimmeraflejring, hvorimod TEM-metoden kun kortlægger en forskel i den elektriske modstand mellem glimmeraflejring og fed ler. Forud for feltarbejdet er der indsamlet ledningsnetplaner, og på baggrund heraf er placeringen af MRS-sonderingerne nøje planlagt. Feltarbejdet blev foretaget i maj 6 og indledtes med grundige støjmålinger og måling af Jordens naturlige magnetfelt med protonmagnetometer. Ud fra støjmålingerne tilpasses konfigurationen, orienteringen og den præcise placering af loopkablet. På 13 af de 14 lokaliteter blev der observeret et højt støjniveau, hvorfor en 8-talskonfiguration blev anvendt. Kun på en lokalitet var støjen så lav, at en kvadratisk loopkonfiguration blev anvendt. Før en sondering igangsættes, tilpasses og justeres systemets parametre til den aktuelle lokalitet gennem adskillige tests. Hver sondering tog mellem 6 og 12 timer afhængig af signal- og støjforhold. Det er en fordel både sikkerhedsmæssigt og af hensyn til kvaliteten af sonderingen, at der er en kompetent operator af udstyret i felten under hele målingen. RESULTATER Dataindsamling, processering og tolkning af de i alt 14 MRS-sonderinger er udført i samarbejde med PhD-studerende Konstantinos Chalikakis, UPMC, som har stor erfaring med brugen af MRS. Det er lykkedes at indsamle data af høj kvalitet med godt signal/støj-forhold.

8 Figur 6 viser resultatet af MRS-sonderingen Bredal1. De optimale forhold for et potentielt grundvandsmagasin er højt vandindhold og høj permeabilitet. For Bredal1 ses et stigende vandindhold fra dybden 31 m til en maksimal værdi på 19 % i dybden m. Resultaterne er ikke præsenteret dybere end m, da dette vurderes at være den maksimale indtrængningsdybde. Den maksimale permeabilitet, på 1,5x -3 m/s, er estimeret i sonderingens maksimale indtrængningsdybde og er tilsyneladende forsat stigende med dybden. Da der hverken er registreret fald i vandindhold eller permeabilitet, må det formodes, at bunden af magasinet ikke er nået inden for opstillingens indtrængningsdybde. Dette stemmer fint overens med borebeskrivelsen. Den kumulerede transmissivitet i dybden m på 1,7x -2 m 2 /s er derfor den minimale transmissivitet for magasinet, idet denne værdi ikke er estimeret til bunden af magasinet. DGU-boring ml ds Vandindhold [%] Permeabilitet [m/s] 5,E-4 1,E-3,E+ 1,5E-3 Transmissivitet [m 2 /s],e+ 5,E-3 1,E-2 1,5E-2 2,E-2 Resistivitet [ohmm] ml ds ml gl Filter gs 9 Figur 6. Resultatet af MRS-sondering Bredal1i form af vandindhold, permeabilitet og transmissivitet, samt modstandsmodel for TEM-sonderingen på samme lokalitet. Borerapport for nærmeste DGU-boring er præsenteret til venstre Der er af Rambøll udført prøvepumpning i DGU-boringen , som ligger ca. 1 m fra Bredal1-sonderingen. Tolkningen af prøvepumpningen viste en transmissivitet på 1,9x -3 m 2 /s. Aflæses MRS-transmissiviteten i niveauet svarende til filteret i boringen, hvor prøvepumpningen er fortaget, fås værdien 2,7x -3 m 2 /s. Usikkerheden taget i betragtning på både MRS-resultatet og prøvepumpningen, er der meget god overensstemmelse mellem de resulterende transmissiviteter. Herudfra er det muligt at finde en kalibreringsparameter, så de øvrige MRS-sonderinger kan kalibreres ud fra dette resultat.

9 DGU-boring Ler Vandindhold [%] ,E+ 5,E-4 1,E-3 1,5E-3 Permeabilitet [m/s] Transmissivitet [m 2 /s],e+ 5,E-3 1,E-2 1,5E-2 2,E-2 Resistivitet [ohmm] moræneler Filter Fint sand Groft sand Fint sand 9 Glimmersand Ler Fint sand 9 Glimmerler 1 Plastisk ler Figur 7. Resultatet af MRS-sondering Bredal4 i form af vandindhold, permeabilitet og transmissivitet, samt modstandsmodel for TEM-sonderingen på samme lokalitet. Sammen med TEM-resistivitetsmodellen er skitseret resultatet af hhv. naturlig gammalog med grå linje og normallog (8,16, 32 og 64 ) med tynd sort linje, udført i boringen af Orbicon /6/. Skala for logs ses nederst i figuren. Borerapport for nærmeste DGU-boring er præsenteret til venstre Figur 7 viser resultatet for MRS-sonderingen Bredal4. Ved denne sondering er målt et stigende vandindhold fra dybden 26 m til en maksimale værdi på 15,5 % i dybden m. Den maksimale permeabilitet på 2,1x -4 m/s er estimeret i dybden 55,5 m, hvorefter permeabiliteten er faldende. Dette toppunkt for permeabiliteten kan korreleres med borebeskrivelsen i DGU-boring , som ligger ca. m fra MRS-sonderingen, hvor der i dette niveau er beskrevet groft sand, som både er under- og overlejret af fint sand. Resistivitetsmodellen fra TEM-sonderingen viser konstant høj modstand fra dybden 33 m til 112 m, dvs. at det med TEM-metoden ikke har været muligt at skelne mellem det grove sand og det underliggende fine sand og glimmersand/-ler. I DGU-boring er udført borehulslogging af Orbicon /6/, og i figur 7 er resultaterne af hhv. gammalog og normallog skitseret sammen med resistivitetsmodellen for TEMsonderingen ca. m derfra. I dybden m, ved overgangen fra moræneler til fint sand og herunder groft sand i borebeskrivelsen, ses udslag på begge logs ved stigning i normallogmodstanden og fald i gammaloggen. Dette korrelerer præcist med den dybde hvor MRSsonderingen estimerer at permeabiliteten stiger. Normallog-modstanden falder omkring dybden 86 m hvor der ses stigning i gammaloggen svarende til overgangen til glimmerler, hvilket svarer til at MRS-sonderingen estimerer at permeabiliteten er faldende. Der er af Niras udført prøvepumpning i DGU-boring Resultatet fra prøvepumpningen gav en transmissivitet på 2,x -3 m 2 /s /6/. Aflæses MRS-transmissiviteten i niveauet svarende til filteret i boringen, hvor prøvepumpningen er fortaget, fås værdien 3,6x -3 m 2 /s. Usikkerhederne, og i dette tilfælde afstanden på m mellem boringen og MRSsonderingen, taget i betragtning, er de resulterende transmissiviteter sammenlignelige.

10 Sammenlignet med resultatet fra Bredal1-sonderingen og de øvrige resultater fra Bredalområdet er den lokalitet med de mest optimale hydrauliske forhold Bredal1. Resultaterne fra Dalby-området viser generelt, at MRS-sonderingerne estimerer en maksimal permeabilitet omkring dybden m til m, hvorunder værdien aftager. Disse hydrauliske forhold kan korreleres med en grænse mellem smeltevandssand og underliggende glimmerler beskrevet i nærliggende boringer. Denne grænse erkendes ikke i de udførte TEM-sonderinger, da modstanden er ens for disse sedimenter. Dvs. at det potentielle grundvandsmagasin var overvurderet i tykkelse med TEM-kortlægningerne og MRS-sonderingerne estimerer en mere realistisk tykkelse i forhold til borebeskrivelserne i området. I Dalby-området er der indenfor de ifølge TEM-kortlægningerne, sammenhængende højmodstandsområder, og dermed tilsyneladende ensartede potentielle grundvandsmagasiner, med MRS-sonderingerne kortlagt variationer i vandindhold og permeabilitet. Hermed er der med MRS opnået et bedre grundlag for at udpege en ny kildepladslokalitet med de mest optimale hydrauliske parametre. I Lindved-området var støjforholdene en smule mere komplicerede end i de to andre områder. Dette, sammen med et svagere målt signal i MRS-sonderingerne, bevirkede, at kvaliteten af sonderingerne i dette område er ringere end de øvrige sonderinger. Det ringe signal indikerer, at der ikke er så meget vand i området. Sammenlignes sonderingerne fra dette område, ses en relativ forskel i de hydrauliske parametre, og en lokalitet med de mest optimale hydrauliske forhold kan udpeges, selv om forholdene generelt ikke er optimale for drikkevandsindvinding. KONKLUSION OG DISKUSSION MRS-metoden måler udelukkende på vandet i undergrunden og ikke på selve sedimenterne. Herved opnås estimater på parametre, der ikke tidligere var opnåelige med overfladebaserede metoder. Dette gør metoden unik og meget interessant til grundvandsressourcekortlægning og fremtidig kildepladsudpegning. MRS-metoden har med dette projekt vist sig anvendelig i Danmark, idet det er lykkedes at minimere forstyrrelser fra elektromagnetisk støj, og dermed opnå en tilfredsstillende høj datakvalitet. I alt 14 MRS-sonderinger er udført i 6 i Vejle Amt, alle af høj kvalitet. Det kan derfor konkluderes, at det har været muligt at optimere metoden til danske forhold. Resultaterne er verificeret med prøvepumpninger og flere boringer med god overensstemmelse. Det viste sig, at MRS-metoden gav en bedre afgrænsning af de potentielle grundvandsmagasiner i forhold til TEM-metoden, som overvurderede tykkelsen af magasinet, idet metoden ikke kunne skelne mellem aflejringstyper med forskellige hydrauliske egenskaber idet modstandsforholdene var ens for disse sedimenter. Helt afgørende for den opnåede gode datakvalitet har været implementeringen af 8-tals-loopet og nøje planlægning af loopkablet samt tilpasning af systemet under målingerne af en kompetent operator af udstyret. Med brug af 8-tals-loopet i forhold til et kvadratisk loop, forventes teoretisk en forbedring af signal/støj forholdet med en faktor 5 /4/. Sammenlignet med de tidligere udførte MRS-sonderinger i 3, der blev udført med kvadratisk loop, er kvaliteten

11 af de 14 nye MRS-sonderinger, udført med 8-tals-loopet, gennemsnitligt en faktor 12 bedre. Foruden loop-konfigurationen har selvfølgelig det lokale signal- og støjniveau i undersøgelsesområdet indflydelse på signal/støj forholdet. Signal/støj forholdet benyttes i høj grad som kvalitetsvurdering af en MRS-sondering. Generelle erfaringer fra feltarbejdet viste, at omhyggelig indsamling af ledningsnetoplysninger samt grundige støjmålinger forud for de egentlig målinger er afgørende for at opnå en god datakvalitet. Herved kan placeringen og orienteringen af loop-udlægget planlægges optimalt. Forud for planlægning af fremtidig MRS-kortlægninger, anbefales desuden som udgangspunkt, at der udføres en grundig støj-kortlægning i området, for at afgøre, om det er muligt, at opnå et tilstrækkeligt højt signal/støj forhold. I den forbindelse kan det, i særligt støjfyldte områder, være en fordel at udføre MRS-målingerne om natten, mens aktiviteten på veje og ledningsnet er lav. Ud over de forhold, der kan optimeres i felten for at opnå en god datakvalitet, er der, på trods af det ellers høje forstyrrende støjniveau i Danmark, forhold der gør MRS-metoden særlig egnet netop i Danmark. Først og fremmest findes der de fleste steder vand i de øverste m, hvilket gør det muligt at detektere et signal, hvilket ikke altid er tilfældet under andre geologiske forhold, f.eks. i troperne. Derudover gør det faktum, at Danmark er beliggende langt fra ækvator, at Jordens magnetiske felt er kraftigt, hvorfor man vil opnå kraftige resonansresponser, idet disse er proportionale /2/. Derudover har vi i Danmark ikke store topografiske variationer og inden for loopets udlæg, er jorden tilnærmelsesvis 1D, hvilket forbedrer MRSmetodens forhold. Endeligt findes der i Danmark meget få mineraler med høj susceptibilitet, hvilket forbedrer metodens anvendelighed, da disse mineraler ellers kan forstyrre målingerne /2/. PERSPEKTIVERING I dag skal MRS-metoden ses som en billig måde, efter en fladedækkende kortlægning, at optimere prioriteringen af mulige borelokaliteter ud fra de hydrologiske parametre. Information om hydrologiske parametre, i et område med mulig indvindingsinteresse, må være værdifuldt i alle tilfælde. Dette gælder ikke kun når der skal skelnes mellem f.eks. sand og glimmerler, som i Dalby-tilfældet, men også i andre tilfælde, hvor en elektrisk modstand ikke entydigt kan oversættes til en geologisk aflejringstype. Desuden kan der også forekomme hydrauliske variationer inden for samme aflejringstype, hvorfor én borelokalitet vil være mere optimal end en anden. Desuden vil MRS-metoden være meget relevant at anvende til at opnå forbedrede og mere detaljerede parameterinput til grundvandsmodeller, hvor der ofte er langt mellem de hydrauliske data. Hvis der forhåbentlig i fremtiden optimeres på det eksisterende NUMIS plus udstyr og ikke mindst på tolkningssoftwaren, eller der udvikles helt nyt MRS-udstyr og -software, så måletiden og dermed prisen for en sondering minimeres, vil metoden kunne bruges mere

12 fladedækkende. Opnås dette vil MRS-metoden sammen med eksisterende resitivitetsmetoder, som f.eks. TEM-metoden, give en væsentlig forbedring i rundvandsresssourcekortlægningen. LITTERATURHENVISNING /1/ Nuclear magnetic resonance as a geophysical tool for hydrogelogists, Legchenko, A., Baltassat, J.M., Beuce, A., Bernard, J., Journal of Applied Geophysics, 2. /2/ Field test of NUMIS plus MRS Equipment in northern Denmark (August 3), Legchenko, A., Robain, H., IRD report, 3. /3/ Magnetic Resonance Sounding System, IRIS instruments, 7. /4/ Instrument and field work to measure a magnetic resonance sounding with NUMIS systems, Bernard, J., MRS6 proceedings, 3rd magnetic resonance sounding international workshop, 6. /5/ Landskabskort over Danmark, blad 2 og 3, Midtjylland og Sønderjylland-Fyn, Smed, P., geografforlaget, 1981/1982. /6/ Prøvepumpning af DGU nr ved Bredal, Vejle Amt, Jord og Grundvand, Niras, december 6.