Untersuchung von 3D-Konfigurationen für Bildgebungsverfahren der Spektralen Induzierten Polarisation

Abstract

3D-Verfahren der Induzierten Polarisation (IP) werden gewöhnlich unter Verwendung paralleler 2D-Elektrodenlinien mit Messungen innerhalb der einzelnen Linien durchgeführt. Die Anwendung solcher Messkonfigurationen führt jedoch zu einer verringerten Auflösung zwischen den Linien, was besonders im Falle heterogen verteilter elektrischer Eigenschaften im Untergrund, wie z.B. in Deponien, kritisch ist. Um derartige Probleme zu vermeiden, untersuchen wir im Rahmen dieser Arbeit, wie 3D-Konfigurationen die Auflösung bei Messungen der Spektralen IP verbessern können, genauer gesagt wurde untersucht wie gut verschiedene 2D- und 3D-Elektrodenkonfigurationen bei Verfahren der Einzel- und Multi-Frequenz IP die elektrischen Eigenschaften des Untergrundes wiedergeben können. Dazu wurden zuerst die Unterschiede zwischen parallelen 2D-Linien und zwei 3D-Konfigurationen mithilfe einer numerischen Modellierung herausgearbeitet. Als 3D-Konfigurationen wurden eine Grid-Konfiguration, bei der die Elektroden in einem quadratischen Raster angeordnet wurden, sowie eine Kreis-Konfiguration, bei der die Elektroden in vier konzentrischen Kreisen angeordnet wurden, getestet. Um die Konfigurationen unter richtigen Feldbedingungen zu testen, wurden Messungen mit den 2D- und 3D-Konfigurationen im nächsten Schritt in zwei Deponien durchgeführt. Sowohl die Ergebnisse der numerischen Modellierung als auch die Ergebnisse der Feldmessungen zeigen, dass sich bei Messungen mit den parallelen 2D-Linien Artefakte und eine verringerte Auflösung im resultierenden 3D-Modell bilden, besonders im Falle polarisierbarer Anomalien. Im Gegensatz dazu zeigen die Ergebnisse der numerischen Modellierung und der Felddaten, dass 3D-Konfigurationen IP-Anomalien gut detektieren können und tragen so zu einer Verbesserung der Abschätzung der räumlichen Verbreitung von Müll bei. Weiters zeigen die Ergebnisse, dass die Raster-Konfiguration mit Messungen über Elektrodenlinien hinweg und verschiedenen Dipolrichtungen bessere Ergebnisse liefert als die Kreis-Konfiguration, die im Zentrum ihrer konzentrischen Kreise eine verringerte Auflösung aufweist. Zusätzliche Untersuchungen der Frequenzabhängigkeit der synthetischen Daten und der Felddaten zeigen, dass 3D-Konfigurationen stabilere Spektren der komplexen Leitfähigkeit liefern als 2D-Konfigurationen. Stabile Spektren sind für eine genaue Schätzung von Parametern, die die Frequenzabhängigkeit beschreiben (z.B. Cole Cole), nötig.

3D induced polarization (IP) surveys are commonly conducted by using a series of parallel 2D electrode lines with collinear measurements. However, such measurements are limited in the resolution between the lines which is critical in the case of highly heterogeneous subsurface conditions, such as in landfills. To overcome this, we investigate here the enhanced resolution in spectral IP (SIP) measurements through 3D imaging measurements, i.e., we investigate the resolving capabilities of different electrode configurations for 3D single- and multi-frequency IP surveys. First, we investigate, through a numerical study, the difference between results from using 2D parallel collinear electrode arrays and true 3D configurations. In particular for 3D settings, we investigate (1) a grid array with electrodes set in a quadratic mesh, and (2) a circular array with electrodes set in four concentric circles. Second, we collected SIP data using 2D and 3D configurations in two landfills to evaluate the application of our results in real field conditions. Both the numerical and the field experiments demonstrate that measurements of parallel 2D collinear arrays result in the creation of artifacts and the loss of resolution in the 3D structure, especially of polarizable features. In contrast, the two 3D configurations are able to resolve IP anomalies in synthetic simulations and in the field trials, resulting in a better delineation of the geometry of waste units. Furthermore, our results show that the 3D grid array with crossline measurements and multiple dipole orientations provides better results than the 3D circular array, as the latter lacks resolution in the central area of the survey region. Additional investigations of the frequency-dependence of the synthetic and field data demonstrate that 3D configurations provide more stable spectra of the conductivity magnitude and phase than 2D configurations, which is essential for an accurate estimation of relaxation (e.g., Cole Cole) parameters.