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The nuclear magnetic resonance investigation of pore coupling effects in near-surface environments
Francisca Antonia Soto Bravo
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Environmental Science
Betreuer*in
Chi Zhang
DOI
10.25365/thesis.72247
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24575.46271.794687-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Charakterisierung oberflächennaher Bereiche ist von großer Wichtigkeit für die Überwachung und Verwaltung unterirdischer Wasserressourcen. Zu diesen gehören vollständig gesättigte Grundwasserleiter, in der ungesättigten Zone transportiertes oder gespeichertes Wasser und sogar in verwittertem Gestein eingeschlossene „rock moisture“. Als Werkzeug in der Geophysik ursprünglich zur Erforschung von Kohlenwasserstoffressourcen entwickelt, gewinnt die Kernspinresonanz (engl. Nuclear magnetic resonance, NMR) zunehmend auch im Bereich der Hydrogeophysik an Bedeutung. Durch Messung der Magnetisierung und des Entspannungsverhaltens des Protonenspins von Wasserstoffatomen in externen Magnetfeldern ist NMR besonders sensitiv im Hinblick auf Porenwasser unter der Erdoberfläche und kann zur Charakterisierung der Porenstruktur im geologischen Material genutzt werden. Dabei ist NMR zusätzlich nichtinvasiv und kostengünstig. Die Interpretation mit dieser Methode gewonnenen Daten kann allerdings unter Umständen komplex sein. So können bei stark verbundenen und komplexen Geometrien mit zwei charakteristischen Porengrößen so genannte „pore coupling effects“ auftreten. Systeme mit verbundenen Poren zeigen während der NMR-Messung einen unerwünschten Magnetisierungsaustausch, was die Charakterisierung der einzelnen Poreneigenschaften erschwert. Materialien, die zu solchen Effekten neigen, sind Karbonatgesteine, Schiefer und Gesteine mit hohem Tonanteil. Diese Masterarbeit untersucht zwei Hauptfaktoren, die diese Pore-Coupling-Effekte beeinflussen: Die geochemischen Eigenschaften der Porenoberflächen und die Verbundenheit des Porennetzwerks. Diese werden mit Hilfe von numerischen Random-Walk-Simulationen untersucht. Getestet wurden vier Werte für die „surface relaxivity“ (10μm/s, 40μm/s, 100μm/s, and 250μm/s), vier Porenhalsbreiten (0.1μm, 0.5μm, 1μm, and 2μm) und vier Porenhalslängen (0.1μm, 1μm, 10μm, and 100μm) bei zwei einfachen, synthetischen Geometrien mit dualer Porosität (eine mit ähnlich großen Poren und eine mit stark unterschiedlichen Porengrößen). Die verschiedenen Szenarien wurden sowohl im Hinblick auf die Abnahme der Magnetisierung und auf die invertierten charakteristischen Relaxionszeiten verglichen. Dieser Vergleich suggeriert, dass die unterschiedlichen Porenumgebungen unter- schiedlich durch pore coupling beeinflusst werden können, je nachdem, welcher Faktor für die Kopplung maßgeblich ist. Das Porengrößenverhältnis der jeweiligen Geometrie scheint hierbei die Empfindlichkeit des Systems gegenüber seinen Kontrollfaktoren zu bestimmen. Bei beiden Geometrien wurde die Porenhalslänge als zentraler Kontrollfaktor identifiziert. Die Kopplung reagiert auch auf kleine Änderungen der „surface relaxivity“ empfindlich, was die Wichtigkeit genauer Parameterschätzungen hierfür unterstreicht. Damit NMR sein volles Potential als hydrogeophysisches Werkzeug entfalten kann, müssen NMR-Signale aus zu Porenkopplungen neigenden Materialien besser untersucht und interpretiert werden. Weitere Forschung, besonders in ungesättigten Regimen, ist hierfür vonnöten.
Abstract
(Englisch)
The characterisation of near-surface environments is of great importance for monitoring and managing underground water resources. These include fully saturated groundwater aquifers, water being transported or stored in the unsaturated vadose zone and even water trapped in weathered rocks as rock moisture. Nuclear magnetic resonance (NMR) as a geophysics tool was originally developed for the exploration of hydrocarbon resources but it is gaining popularity in the field of hydrogeophysics. By probing the magnetisation and relaxation behaviour of the spin magnetic moment of hydrogen atoms in external magnetic fields, NMR is uniquely sensitive to pore water in the subsurface and can help characterise the pore spaces in geologic material. As a technology, it is also non-invasive and cost-effective. However, the interpretation of NMR data is not always straightforward. In certain scenarios, with highly connected, complex, dual-porosity geometries, pore coupling effects can emerge. Pore-coupled systems show undesired magnetisation exchange between pore environments during an NMR measurement, which makes the characterisation of the individual pore environments difficult. Materials prone to pore coupling are carbonate rocks, shales and rocks with high clay contents. In this master’s thesis, two main factors controlling pore coupling, surface geochemistry and network connectivity, are explored through Random Walk numerical simulations. Four values for the surface relaxivity are tested (10μm/s, 40μm/s, 100μm/s, and 250μm/s), four throat widths (0.1μm, 0.5μm, 1μm, and 2μm), and four throat lengths (0.1μm, 1μm, 10μm, and 100μm) for two simple, synthetic, geometries with dual-porosity (one with similar pore sizes, one with largely dissimilar pore sizes). The resulting magnetisation decay curves and the inverted characteristic relaxation times were compared for the different scenarios. This comparison suggests that pore coupling can affect the two different pore environments differently depending on the driving factor of the coupling. The pore-size ratio of the geometry seems to determine the sensitivity of the system to any given control factor. For both pore-size ratios, pore throat length is identified as a key control factor. The high sensitivity of pore coupling to surface relaxivity highlights the importance of the correct value estimation even within small ranges. For NMR to reach its full potential as a hydrogeophysics tool, signals from pore coupling-prone materials must be better understood and better interpreted. Knowledge gaps are identified, in particular for unsaturated conditions, such as in the vadose zone.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Kernspinresonanz NMR Hydrogeophysik Porenkopplungseffekten
Schlagwörter
(Englisch)
NMR hydrogeophysics pore-coupling near-surface
Autor*innen
Francisca Antonia Soto Bravo
Haupttitel (Englisch)
The nuclear magnetic resonance investigation of pore coupling effects in near-surface environments
Paralleltitel (Deutsch)
Die Kernspinresonanzuntersuchung von Porenkopplungseffekten in oberflächennaher Bereichen
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
x, 153 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Chi Zhang
Klassifikationen
38 Geowissenschaften > 38.79 Geophysik: Sonstiges ,
38 Geowissenschaften > 38.85 Hydrologie: Allgemeines
AC Nummer
AC16607825
Utheses ID
64478
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |