29.04.2015

Grundwassererkundung mittels Helium-Ballon-Kernspinresonanz

Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) plant, die Helium-Ballon-Kernspinresonanz für die Erkundung von Grundwasservorkommen einsetzen. Hierfür hat die BGR Mitte April das neuartige geophysikalische Messsystem erfolgreich auf einem Bundeswehr-Truppenübungsplatz getestet. Die Messung der Kernspinresonanz funktioniert laut der BGR nach den gleichen grundlegenden physikalischen Konzepten wie die medizinische Magnetspinresonanz. Sie wird seit ca. zwei Jahrzehnten zunehmend zur Grundwassererkundung genutzt. Dafür wird je nach gewünschter Erkundungstiefe eine zehn bis 150 Meter große Kabelschleife auf dem Boden ausgelegt, mit der die kernmagnetische Resonanz der Wasserstoff-Atomkerne in den Grundwassermolekülen gemessen wird. Die Wasserstoff-Protonen im Wasser sind durch ihren Kernspin wie kleine Kompassnadeln im Erdmagnetfeld ausgerichtet. Werden sie mithilfe eines elektromagnetischen Impulses durch die Kabelspule an der Oberfläche angeregt, kehren sie innerhalb kürzester Zeit (maximal einige hundert Millisekunden) in den Gleichgewichtszustand zurück. Diese Bewegung, auch Relaxation genannt, lässt sich wiederum an der Erdoberfläche messen und in der Tiefe zuordnen. Auf diese Weise werden Grundwasserleiter aufgefunden und in ihren hydraulischen Eigenschaften charakterisiert. Ein wesentlicher Nachteil des herkömmlichen Verfahrens - im Gegensatz zur jetzt getesteten Methode - ist der langwierige Auf- und Abbau des Messsystems im Gelände. Mithilfe des jetzt eingesetzten ringförmigen Helium-Ballons („Torus“), dessen Eignung für elektromagnetische Messungen bereits im Sommer 2014 durch die BGR demonstriert, kann die schwebende Messspule schnell und effektiv durch das Untersuchungsgebiet transportiert werden. Damit hat die BGR in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) erstmalig gezeigt, dass mit diesem System auch Messungen der Kernspinresonanz des Grundwassers durchgeführt werden können. Die maximale Eindringtiefe des Verfahrens ist allerdings noch auf ca. 40 Meter beschränkt. Es ist zu erwarten, dass zukünftige Entwicklungen in der Messtechnik für die geophysikalische Kernspinresonanz die Leistungsfähigkeit des Verfahrens verbessern werden, so dass ein flugfähiges System in Zukunft effektiv und kostensparend eingesetzt werden kann.