Einsatz von In-Situ Erkundungsmethoden

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1 Einsatz von In-Situ Erkundungsmethoden Direct Push Systeme - Messsonden - Kriterien Dr. Markus Hirsch - Fugro Consult GmbH - Department In-Situ GeoTechnologies

2 Übersicht Übersicht: Was ist Direct-Push? Minimal-invasive Verfahren: Direct-Push (DP) Systemeund Anwendungsbereiche Verschiedene Sonden: Direct-sensing Probenahme Installationen Vorteile und Anwendungsgrenzen von Direct-Push 2

3 Hochauflösende Standorterkundung mittels In-Situ Messungen CPT -Direct Push Sondierungen In-situ-Messung von Parametern Entscheidung vor Ort Probenahme / Installationen Boden Bodenluft Grundwasser

4 CPT-Sondiergeräte 4

5 CPT-Sondiergeräte 5

6 CPT-Sondiergeräte 6

7 CPT-Sondiergeräte 7

8 8

9 9

10 CPT + Direct Push Sondiergeräte GEOPROBE 6610DT 20t-Minicrawler Stand-Alone-CPT-Rig (15 t) Mobile statische und dynamisch schlagende Sondiergeräte 10

11 Minicrawler & Stand-Alone-System 11

12 Richtwerte für Direct-Push Sondierungen Sondiertiefen m abhängig von den Untergrundgegebenheiten, Sondierdurchmesser und Art der Sondiereinheit Sondierdurchmesser Außendurchmesser: bis max. 100 mm; typisch: mm Dauer für eine Sondierung (bis in 15 m Tiefe) Einfache Sondierungen : ca. 30 Minuten Sondierungen mit GW-Probenahme (5 Tiefen): ca. 3 Stunden Installation 1 -Messstellen: ca Minuten Größe der Sondiereinheiten Von handgehaltenen Sondierhämmern bis hin zu LKW-Größe aus Leven et al. (2010) 12

13 Sonden für In-situ-Messungen

14 Verfügbare Technologien Echtzeit Technoloien CPT / EC Logging(Lithologie / Geologie) - zur Bodenklassifizierung MIP / LIF / XRF (Kontamination) - MIP (Membrane Interface Probe) - für - leichtflüchtige Stoffe (CKW, BTEX) - LIF (Laser Induced Fluorescence: ROST, UVOST, TarGOST) - für Kohlenwasserstoff (MKW, Kerosin, Teeröl) - XRF (Röntgenfluoreszenz) zur Schwermetallerkundung Hydraulische Profilierung (HPT = Hydraulischer Index) In-Situ Slug-Test (hydraulische Durchlässigkeit) 14

15 CPT-und Leitfähigkeitssondierungen 15

16 In-situ-Messung CPT: Geologie/Lithologie CPT (Cone Penetration Test) Sonde: Spitzendruck & Mantelreibung 16

17 In-situ-Messung CPT: Geologie/Lithologie 17

18 In-situ-Messung EC: Geologie/Lithologie EC Sonde: Elektrische Leitfähigkeit => Geologie/Lithologie m ugok EC-Signal Schluff 2 Kies 4 Schluff 6 Kies 8 10 Ton Geoprobe 20 18

19 MIP MEMBRANE INTERFACE PROBE 19

20 In-situ-Messung Schadstoffe: MIP(-HPT-)CPT MIP Sonde (Membrane Interface Probe) 20

21 In-situ-Messung Schadstoffe: MIP Detektierbare Schadstoffe Empfindlichkeit der Detektoren für Schadstoffe CONTAMINANT PID FID DELCD PCE TCE cis DCE / trans - DCE PID (Photo-Ionisations-Detektor) Alle Substanzen mit Ionisationspotential unterhalb der Ionisationsenergie der PID- Lampe (10.2 oder 10.6 ev) VC TCA Benzene Toluene Ethylbenzene Xylene (Sensitivity +++ = good, ++ = moderate, + = low, - = no detection) Beispiel: Nachweisgrenze für TCE ist geringer als für PCE PCE: Hoch chloriert aber hoher Siedepunkt (121 C) TCE: Niedriger chloriert aber niedriger Siedepunkt (86 C) FID (Flammen-Ionisations-Detektor) Alle Moleküle mit C-H Bindung DELCD (Dry Electrolytic Conductivity Detector) Alle chlorierten oder bromierten Moleküle 21

22 Beispiel Schadensquelle Vertical Scale 1:125 (DIN A3) AR 1 CPT MIP HPT Cone Resist. [MPa] PWP [MPa/50] Friction Ratio [%] EC [ms/m*10] DELCD [V] PID [V] FID [V] Temp. [ C] Speed [m/min] Flow [ml/min] Press P [kpa] Q/P [ml/min/kpa] ,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 0,0 0,8 1,6 2,4 3,2 4, Depth [m] Depth [m] CKW in bindigen Böden akkumuliert, Fracht gering, kaum Abbau, alter Schaden Robertson CPT Soil Classification (modified) Cone Resistance in MPa 100,0 10,0 1,0 0, Friction Ratio in % Legend (Colors in Friction Ratio Profile) 1 Sensitive, fine grained 2 Organic soils, peat 3 Clay 4 Clay to silty clay 5 Clayey silt to silty clay 6 Sandy silt to clayey silt 7 Silty sand to sandy silt 8 Sand to silty sand 9 Coarse to medium sand 10 Gravel to gravelly sand 11 Very stiff, fine grained 12 Very stiff sand to clayey sand Soil types 11 und 12 are heavily overconsolidated or cemented. Cone Resistance [MPa] Soil Density and Consistency (interpreted) 100,0 10,0 1,0 0, Friction Ratio [%] Depth [m bgs] Estimated VOCL-Concentration in TCE-Equivalents ,01 0,10 1,00 DELCD [V] Legend (Colors in Cone Resistance Profile) very loose loose medium dense dense very dense Project: MIP-HPT-CPT Test Location: AR 1 Client: Contractor: Fugro Consult GmbH Processed by: Test Date: very soft soft firm stiff very stiff hard Legend (Colors in DELCD Profile) 0,3-1,0 mg/l 1-10 mg/l mg/l mg/l > 100 mg/l Depth (CPT): 15,60 m bgs Fugro Consult GmbH In-Situ Technologies Burgwedel Braunschweig Mössingen

23 Qualitätssicherung bei MIP Kalibrierung des Systems: Tests vor und nach jeder Sondierung Responsetests mit verschiedenen Konzentrationen relevanter Kontaminanten 23

24 LIF LASER INDUCEDFLUORESCENCE 24

25 Laser Induzierte Fluoreszenz: Technologie ROST (Rapid Optical Screening Tool) Nd-YAG-Laser/Dye-Laser Anregung 290 nm Emissions-Wellenlänge nm UVOST (UltraVioletOptical Screening Tool) Excimer Laser Anregung 308 nm Emissions-Wellenlänge nm 25

26 UVOST Systemspezifikationen Stromversorgung: 110V/ 220V AC (>= 2kW Generator) Maße: HxBxL 65x60x70 cm Gewicht: 55 kg Arbeitstemperatur: 0 bis 45 C 26

27 Laser Induzierte Fluoreszenz: Technologie 27

28 Fluoreszenz-Prozess an PAKs (Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe) PAK Molekül im Grundzustand Molekül absorbiert Photon PAKs: natürlich vorkommende Stoffe (z.b. in Erdöl, Kohle und Teer) Organische Verbindungen aus mindestens zwei verbundenen aromatischen Ringsystemen Angeregter Zustand Beispiel: Benzopyren (enthalten in Steinkohlenteer) oder Fluoreszenz 28

29 Beispiel: Fluoreszenz in Tonic Water und Diesel Chinin 29

30 Laser Induzierte Fluoreszenz Ergebnisse in Echtzeit 30

31 Laser Induzierte Fluoreszenz Ergebnisse in Echtzeit 31

32 Laser Induzierte Fluoreszenz - fingerprints WAVELENGTH DISTRIBUTION PETROL WAVELENGTH DISTRIBUTION KEROSENE WAVELENGTH DISTRIBUTION HYDRAULIC OIL WAVELENGTH DISTRIBUTION TAR 340nm 390nm 440nm 490nm 340nm 390nm 440nm 490nm 340nm 390nm 440nm 490nm 340nm 390nm 440nm 490nm WAVELENGTH DISTRIBUTION TURPENTINE WAVELENGTH DISTRIBUTION DIESEL WAVELENGTH DISTRIBUTION CREOSOTE WAVELENGTH DISTRIBUTION 0IL 340nm 390nm 440nm 490nm 340nm 390nm 440nm 490nm 340nm 390nm 440nm 490nm 340nm 390nm 440nm 490nm 32

33 Laser Induzierte Fluoreszenz - Labortest 33

34 In-situ-Messung - geophysikalische Parameter - Kampfmittel Photo: Luftbilddatenbank Dr. Carls GmbH Photo: dpa 34

35 In-situ-Messung - geophysikalische Parameter - Kampfmittel CPT-Magnetometersonde: Geologie + magnetische Anomalien UXO (unexploded ordnance) Blindgänger 35

36 Typische Anwendung von Direct Push Direct Push Sondierungen In-situ-Messung von Parametern Entscheidung vor Ort Probenahme / Installationen Boden Bodenluft Grundwasser Sensor Response Geologie / Schadstoff Tiefe [m] 4 36

37 Sonden für die Probenahme Boden Bodenluft Grundwasser 37

38 Probenahme Grundwasser SP-16 Screen Point Sampler Mikro-Pumpe Geoprobe 38

39 Probenahme aus Grundwassersondierung 39

40 Typische Anwendung von Direct Push Direct Push Sondierungen In-situ-Messung von Parametern Entscheidung vor Ort Probenahme / Installationen Brunnen / Messstellen Beobachtungspunkte In-Situ-Sensoren Sensor Response Geologie / Schadstoff Tiefe [m] 4 40

41 Installationsvorgang Mikromessstellen (1 ) 41

42 Anwendungsgrenzen Direct-Push Probenahmen sind Punktmessungen und zwar in Raum und Zeit es sind keine Wiederholungsmessungen an ein und der selben Stelle möglich (außer bei Installationen) Indirekte Messungen brauchen z.t. eine Kalibrierung an Bohrungen / erfordern Bodenprobenahme Verschleppung möglich (gilt für alle invasiven Methoden!) während der Sondierung durch offene Sondierkanäle Einsatz nur in Lockersedimenten und bis Sondierteufen von ca. 50 m 42

43 Vorteile gegenüber anderen Verfahren Direct Push funktioniert meist schneller und kann flexibler eingesetzt werden als traditionelle Bohrsysteme schnelle Probenahme und Datenerhebung bei gegebenem Zeit- und Geldbudget kann die maximal mögliche Anzahl an Messungen und Probenahmen erreicht werden flexible und mobile Ausrüstung Minimal-invasive Methode es entsteht kein Bohrklein: kein kontaminiertes Bodenmaterial muss gehandhabt werden, weniger Entsorgungskosten minimale Störungen der Formation entlang des Sondierkanals minimierte Veränderungen der in-situ-bedingungen (z.b. chemisch) sehr große Anzahl verschiedener Sonden und Probenahmewerkzeuge verfügbar, große Bandbreite an Installationsmöglichkeiten 43

44 2D/ 3D Datenvisualisierung 44

45 2D/ 3D Daten Visualisierung 3D Model: Räumliche Schadstoffausbreitung 45 3D Model: Lithologischer Untergrundaufbau und Schadstoffausbreitung

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47 2D/ 3D Daten Visualisierung 3D Model = Werkzeug 2 m zur Planung und Entscheidungsfindung bgl 3 m bgl Volumen = m³ 9 m bgl 10 m bgl Teufe = 10 u.gok Grenzwert= 1000 mg/kg 47

48 Vielen Dank! Fragen?