Anvendt geologi og geofysik

Transkript

1 Anvendt geologi og geofysik Anders Vest Christiansen Hydrogeofysik-gruppen (HGG), Institut for Geoscience Bygn

2 Program Mandag Grundvand Miljø Geoteknik Geofysik (elektriske og elektromagnetiske metoder) Litteratur Marshak kap. 19 Geofysikken i Naturstyrelsens grundvandskortlægning Torsdag Olie/gas/kul Energi Mineraler Geofysik (seismiske metoder) Litteratur Marshak kap

3 Hvad er anvendt geologi? Anvendelse af geologisk viden til løsning af samfundsmæssige problemer relateret til geologiske faktorer Hvor er der Sand til grusgravning Kalk til cementfremstilling Olie/gas Grundvand Mineraler

4 Hvad er anvendt geologi? Anvendelse af geologisk viden til løsning af samfundsmæssige problemer relateret til geologiske faktorer Sikkerhed Jordskredsfare? Karst med sammenstyrtningsfare? Geoteknik Motorvejsfundering Tunneler, broer Dæmninger, diger LAR (Lokal Afledning af Regnvand)

5 Forbrug m3 Vand - baggrund From National Geographic

6 Vand - baggrund The Danish water supply 100% is groundwater Decentralized Non profit

7 Vand - baggrund The Danish water supply 100% is groundwater Decentralized Non profit Simple treatment

8 Vandets kredsløb

9 Grundvand

10 Hvad er grundvand? Nedbør Nedsivning/indtrængning (infiltration) Fordampning (planter) Overfladeafstrømning Netto-nedsivning (recharge)

11

12

13 Hvad er grundvand? Nedbør Nedsivning/indtrængning (infiltration) Fordampning (planter) Overfladeafstrømning Netto-nedsivning (recharge)

14 Porøsitet

15 Porøsitet Primær porøsitet

16 Porøsitet Sekundær porøsitet

17 Permeabilitet

18 Aquifer og Aquitard Vandførende og vandbremsende

19 Grundvandssystemer

20 Grundvandsspejlet (Water table) Umættede zone Mættede zone

21 Grundvandsspejlet (Water table)

22 Grundvandsspejlet (Water table)

23 Grundvandsspejlet (Water table) Grundvandsmagasiner Primært magasin Sekundært magasin (perched) Potentialet Frit magasin Spændt magasin Artesisk magasin

24 Grundvandsstrømning (Grundvands-) potentialet (hydraulic head) Strømning fra højt til lavt potentiale

25 Grundvandsstrømning (Grundvands-) potentialet (hydraulic head) Strømning fra højt til lavt potentiale Bestemt af: Permeabilitet Hydrauliske gradient Darcy s law: Q = KA dh dl Q, vandstrømning, m 3 /s K, hydraulisk konduktivitet, m/s A, tværsnitsarealet, [m 2 ] dh, hydraulisk gradient, m/m dl

26 Grundvandsdannelse Opland (recharge area) Grundvandsopland Indvindingsopland Afstrømning (discharge, run-off)

27 Eksempel: Grindsted å Factory site Grindsted Landfill

28 Eksempel: Grindsted å Screen 6 (8 9 mbt.) Screen 5 (21 22 mbt.)

29 Eksempel: Grindsted å Grundvandsmodellering

30 Eksempel: Grindsted å Grundvandsmodellering

31 Eksempel: Grindsted å S N N S

32 Eksempel: Aarhus N, Kasted/Ristrup

33 Eksempel: Aarhus N, Kasted/Ristrup

34 Eksempel: Aarhus N, Kasted/Ristrup

35 Eksempel: Aarhus N, Kasted/Ristrup L E R

36 Eksempel: Horsens Nord

37 Eksempel: Horsens Nord

38 Hvordan finder vi grundvandet? Kortlægge geologien! Geologisk kortlægning Direkte kortlægning Boringer Blotninger Geofysisk kortlægning Indirekte kortlægning, fysiske egenskaber: Elektrisk ledningsevne Seismisk hastighed Densitet Magnetisk susceptibilitet Osv

39 Er det vigtigt? Abstraction at Beder Site > : Abstraction 3-4 mio. m3 GWL lowered m SO 4 content increases drastically

40 National grundvandskortlægning Particular valuable areas for drinking water interests 40% ~ km2 of the area of Denmark To be mapped!

41 National grundvandskortlægning Electromagnitiske metoder TEM/SkyTEM Geoelektriske data SEISMIK Total værdi: 500 millioner Beslutninger om arealanvendelse

42 Geofysisk kortlægning Elektriske og elektromagnetiske metoder Resistivity: [ m] (DK: Specifik elektrisk modstand, resistivitet) Conductivity: (1 / ) [S/m] (DK: Elektrisk ledningsevne) Resistance: (DK: Modstand) R = l A [ ]

43 Geofysisk kortlægning Forskellig geologi, forskellige resistivitet Kortlægge resistvitetsforskelle Low Resistivity Saturated Clay saltwater Contaminated High Resistivity Unsaturated Sand Freshwater uncontaminated

44 Metoder

45 Geoelektriske metoder

46 2D sensitivity distribution

47 Grindsted

48 Pseudo-section

49 Elektromagnetiske metoder Secondary field Primary field I Current flow

50 Current diffusion in the Earth 100 ohmm Log time sampled showing maximum amplitude

51 Current diffusion in the Earth 10/100 ohmm

52 Current diffusion in the Earth

53 db/dt [V/m^2] The signal - high moment 1e-02 1e-03 2 decades in time - 5 decades in signal 1e-04 1e-05 1e-06 Deep information 1e-07 1e-08 1e-09 1e-06 1e-05 1e-04 1e-03 1e-02 1e-01 Time [s]

54 db/dt [V/m^2] The signal - high + low moment 1e-02 1e-03 2 decades in time - 5 decades in signal 1e-04 Near surface information 1e-05 1e-06 Deep information 1e-07 1e-08 1e-09 1e-06 1e-05 1e-04 1e-03 1e-02 1e-01 Time [s]

55 db/dt [V/m^2] The signal - high + low moment + noise 1e-02 1e-03 2 decades in time - 5 decades in signal 1e-04 Near surface information 1e-05 1e-06 Deep information 1e-07 1e-08 Noise 1e-09 1e-06 1e-05 1e-04 1e-03 1e-02 1e-01 Time [s]

56 Applied TEM methods TEM-method (40x40) The first ground based TEM survey, TEM soundings were carried out covering ~7 km2.

57 Power supply Receiver Transmitter Coil Laser altimeters Transmitter Inclinometer GPS Inclinometer Receiver coil

58 Senderen Pre-SkyTEM: PaTEM [before 2002]

59 1. SkyTEM September 2002

60 Senderen SkyTEM December 2002

61 SkyTEM 2003

62 SkyTEM Galapagos 2007

63 SkyTEM i dag 2011 Radiosender Generator Modtager- & StyreElektronik Sender Areal: m2 18:00

64

65 The Tønder survey kilometers

66 The Tønder survey Resistivity map and profile -50 m

67 Buried valleys

68 Local scale detailed geological model

69 Local scale detailed geological model

70 Eksempel: Aarhus N, Kasted/Ristrup

71 What is MRS? Magnetic Resonance Sounding (MRS) is a noninvasive geophysical method - direct study of groundwater reservoirs from surface measurements. Based on physical principal of NMR Protons of the water molecules in the subsurface

72 Different applications of NMR The resonance frequency and signal strength depends on: Static magnetic field intensity 21.2 T NMR Magnet at HWB-NMR, Birmingham, UK Rock Core Analyzer, Magritek.

73 Basic principle MRS application The earth s magnetic field acts as the static field min. max. ~22000 nt < B 0 < ~60000 nt ~800 Hz < f L < ~2500 Hz

74 Basic principle MRS application Trajectory of the Net magnetization vector MRS signal B 0 2 Measurement sequence of NUMIS Poly system Large investigated volume Conditions in MRS experiment Equilibrium

75 Basic principle MRS application Trajectory of the Net magnetization vector On-site magnetometer Measurement sequence of NUMIS Poly system Conditions in MRS experiment Equilibrium Excitation

76 Basic principle MRS application Trajectory of the Net magnetization vector Free Induction Decay Measurement sequence of NUMIS Poly system Conditions in MRS experiment Equilibrium Excitation Recording

77 Basic principle MRS application Trajectory of the Net magnetization vector Single-pulse acquisition scheme E 0 W T 2 Measurement sequence of NUMIS Poly system Conditions in MRS experiment Equilibrium Excitation Recording

78

79 Resistivity of geological formations Sediment type sand or clay (or a mixture) Ion content of the pore water Clay type Porosity and Saturation

80 Borehulslogging

81