Anvendt geologi og geofysik

Anvendt geologi og geofysik Anders Vest Christiansen Hydrogeofysik-gruppen (HGG), Institut for Geoscience anders.vest@geo.au.dk Bygn. 1120.

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. 14-15

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

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)

Forbrug m3 Vand - baggrund From National Geographic

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

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

Vandets kredsløb

Grundvand

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

Porøsitet

Porøsitet Primær porøsitet

Porøsitet Sekundær porøsitet

Permeabilitet

Aquifer og Aquitard Vandførende og vandbremsende

Grundvandssystemer

Grundvandsspejlet (Water table) Umættede zone Mættede zone

Grundvandsspejlet (Water table)

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

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

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

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

Eksempel: Grindsted å Factory site Grindsted Landfill

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

Eksempel: Grindsted å Grundvandsmodellering

Eksempel: Grindsted å S N N S

Eksempel: Aarhus N, Kasted/Ristrup

Eksempel: Aarhus N, Kasted/Ristrup L E R

Eksempel: Horsens Nord

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

Er det vigtigt? Abstraction at Beder Site 1964 -> : Abstraction 3-4 mio. m3 GWL lowered 12 14 m SO 4 content increases drastically

National grundvandskortlægning Particular valuable areas for drinking water interests 40% ~ 17.400 km2 of the area of Denmark To be mapped!

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

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 [ ]

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

Metoder

Geoelektriske metoder

2D sensitivity distribution

Grindsted

Pseudo-section

Elektromagnetiske metoder Secondary field Primary field I Current flow

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

Current diffusion in the Earth 10/100 ohmm

Current diffusion in the Earth

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]

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]

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]

Applied TEM methods TEM-method (40x40) The first ground based TEM survey, 1990 70 TEM soundings were carried out covering ~7 km2.

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

Senderen Pre-SkyTEM: PaTEM [before 2002]

1. SkyTEM September 2002

Senderen SkyTEM December 2002

SkyTEM 2003

SkyTEM Galapagos 2007

SkyTEM i dag 2011 Radiosender Generator Modtager- & StyreElektronik Sender Areal: 300 500 m2 18:00

The Tønder survey 0 50 100 kilometers

The Tønder survey Resistivity map and profile -50 m

Buried valleys

Local scale detailed geological model

Eksempel: Aarhus N, Kasted/Ristrup

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

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.

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

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

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

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

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

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

Borehulslogging