19.09.20121b.-eng. christian petri. abb. 1 erdfall unterhalb einer straße (quelle: genske-2011)...

B.-Eng. Christian Petri 119.09.2012

B.-Eng. Christian Petri 2

Abb. 1 Erdfall unterhalb einer Straße (Quelle: Genske-2011)19.09.2012

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Geophysikalische Methoden zur Vermeidung von Erdfällen

-Geoelektrik und Georadar-

B.-Eng. Christian Petri19.09.2012

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Gliederung

1. Problemdarstellung Erdfälle (Bergsenkungen)

2. Methoden der angewandten Geophysik

2.1 Geoelektrik (Gleichstromgeoelektrik)

2.2 Georadar (Hochfrequenzverfahren)

3. Verfahrensschritte

4. Zusammenfassung

5. Quellen

19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri

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1. Problemdarstellung Erdfälle

Definition Erdfälle

- sind Bergsenkungen, d.h. Reaktionen des Bodens auf einen vorhandenen Hohlraum

- sind keine Bergsetzung, d.h. keine Reaktionen des Bodens auf die Gewichtskraft der aufliegenden Masse

- anthropogenen Ursache: Bergbau, Kalisalzabbau (irreguläre Auslaugung)

- natürliche Ursache: Karst (reguläre Auslaugung)


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Definition Verkarstung - ist eine von Lösungsvorgängen hervorgerufene

Hohlraumbildung im Gestein- ist abhängig von der Löslichkeit des Gesteins

- Karstfähiges Gestein: Anhydrit/Gips

Kalk/Dolomit

Steinsalz


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Gestein Löslichkeit Karst

Anhydrit/Gips - Sulfatkarst

Kalk/Dolomit +/- Carbonatkarst

Steinsalz + Chloridkarst


Tab. 1: Verkarstung Abhängig von Löslichkeit des Gesteins

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1. Problemdarstellung ErdfälleKarstform Abbildung

Stalaktiten (St)

Stalagmiten (Sm)

Pinge (Pi)=Erdfall

Dolinen (D)=Absenkung

Polje (Po)

Canyon (C)

Karren (K)


K

C

St

Sm

D

Pi

PoU

Tab. 2: Karstformen (Quelle: Genske-2011, verändert)


Abb. 2: natürlicher Erdfall in Schmalkalden (Thüringen) am 01.11.10 (Quelle: MRD-2010)

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• Salz

• Sole• Wasser • Bergsenkung

• Hohlräume

Abb. 3 anthropogene Erdfälle durch Salzgewinnung (Quelle: Genske-2011)

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• Tagesbruch

• Nach-• bruch

• Migration

Abb. 4: anthropogene Erdfälle durch Bergbau (Quelle: Genske-2011)

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2. Methoden der angewandten Geophysik


Potentialverfahren Wellenverfahren Radiometrische Methoden

Gravimetrie (natürliche Schwerefeld)

Seismik (elastische Wellen)

Geomagnetik(natürliche Magnetfeld)

Georadar(elektromagnetische

Wellen)

Geothermie(Temperaturfluss)

Transiten Elektro-magnetik TEM

(elektromagnetische Wellen)

Geoelektrik(künstliche o. natürliche Elektrostatische Felder)

Tab. 4: Methoden der angewandten Geophysik (Quelle: Stuth-2011, verändert)


2.1 Geoelektrik

Geoelektrische Verfahren:• Eigenpotentialmessung• Gleichstromgeoelektrik (für Sondierung, Kartierung,

Tomographie)– Potentiallinienverfahren–Widerstandsverfahren

• Wechselstromgeoelektrik– Niederfrequenzverfahren– Hochfrequenzverfahren (Georadar)

19.09.2012


2.1 Geoelektrik

Grundlagen:

Ohm`sche Gesetz

R=U/I

R: elektr. Widerstand [Ω]

(Temperaturabhängig!)

U: elektr. Spannung [V]

I: elektr. Stromstärke bei Zeit t [A]

Q: elektr. Ladung [As]

(Voraussetzung: Vorhandensein von beweglichen Ladungsträgern)

19.09.2012

Abb. 5: Ohmsche Gesetz

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2.1 Geoelektrik


Valenzelektronen

Abb. 6: Leitfähigkeit von Atombindungen (Quelle: Cumschmidt.de, verändert)

Leitfähigkeit

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2.1 Geoelektrik


Valenzelektronen

Abb. 7: Leitfähigkeit von Ionenbindungen (Quelle: Cumschmidt.de, verändert)

Leitfähigkeit


2.1 Geoelektrik

petrophysikalische Parameter:

spezif. elektr. Widerstand

R=ρ*l/A

R: elektr. Widerstand [Ω]

ρ: spezifischer elektr. Widerstand [Ωm]

l: Länge des Leiters [m]

A:Querschnittsfläche des Leiters [m²]

spezif. elektr. Leitfähigkeit

L=1/R → σ=1/ ρ

L:elektr. Leitfähigkeit [S]

σ: spezifische elektr. Leitfähigkeit [S/m]

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2.1 Geoelektrik


spezifische elektrische Leitfähigkeit σ

-ist materialeigenschaft und beschreibt wie gut die elektr. Stromleitung ist

-hängt ab von:• Porosität• Wassersättigung• Porenflüssigkeit (Art und Konzentration)• Tonanteil• Temperatur und Druck

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2.1 Geoelektrik

Material ρ [Ωm] σ [mS/m]

Schotter, Sand (feucht/trocken)

500-5.000 0,2-2

Schotter, Sand (gesättigt) 50-500 2-20

Tone, Lehme 3-100 10-300

Bauschutt 150-1.000 1-6

Deponiesickerwasser 0,9-1,3 800-1.100

Grundwasser 30-60 16-33

gesteinsbildene Minerale - 10¯¹¹-10¯⁷

Braunkohle 10-150 6-100

Torf 15-25 40-65

destilliertes Wasser >10³ <1


Tab. 5: spezifische elektrische Wiederstände und Leitfähigkeiten (Quelle: Stuth-2011)

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2.1 Geoelektrik

- sehr geringe elektr. Leitfähigkeit von gesteinsbildenden Mineralen (Silikate, Karbonate, Sulfate)

- geringe Porosität → hohe Widerstande, geringe elektr. Leitfähigkeit

- geringe Wassersättigung → verringerte elektr. Leitfähigkeit

- Ausnahme: stark tonhaltige Sedimentgesteine haben aufgrund der Oberflächenleitfähigkeit und Kationenaustauschkapazität kleine elektr. Widerstände und hohe elektr. Leitfähigkeit


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2.1 Geoelektrik


Abb. 8: Messprinzip der Geoelektrik (Quelle: Stuth-2011, verändert)

ρ=(ΔU/I)*K

ΔU=UM-UN)K: Konfigurationskonstante

Messprinzip

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2.1 Geoelektrik


ρ=(ΔU/I)*K

ΔU=UM-UN)K: Konfigurationskonstante

Messprinzip

Da der Untergrund inhomogen oder geschichtet Ist, verwendet man scheinbaren spezifischenWiderstand ρs.Wichtig: Eindringtiefe und Abstand der

Stromelektroden!


GeoelektrikWenner-Anordnung

- für Kartierung/Profilierung

- verringerte Empfindlichkeit auf

horizontale Inhomogenität

Dipol-Dipol-Anordnung- liefert höhere horizontale Auflösung

Schlumberger-Anordnung

- hohe Schichtenauflösung

- Abstand der Stromelektroden wird schrittweise vergrößert

Gradienten-Anordnung

- für geringe Tiefen

- Potentialelektroden fixiert

- keine Berechnung des spezifischen Widerstand erforderlich

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Abb. 10: häufigsten Elektrodenanordnungen

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2.1 Geoelektrik


Abb. 11: Sondierungskurve

Darstellung der Messergebnisse

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2.1 Geoelektrik


Abb. 12: Sondierungskurve (Quelle: BGR b, unv.)

Modelbildung

Schritte:1. Modelerstellung2. Modellierung3. Vergleich mit

Modelkurve4. Modelanpassung an

Modelkurve(Modelparameter)

5. Schritt 26. Schritt 3

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2.1 Geoelektrik

Verfahrensvarianten• Sondierung

(stellenhafte Aussage über vertikale Schichtenabfolge)

• Kartierung/Profilierung

(flächenhafte oder linienhafte Aussage)• Sondierungskartierung

(Aussage entlang einer Linie über ungefähren Schichtenaufbau)


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2.1 Geoelektrik


Abb. 13: Sondierung (Quelle: GGU, unv.)

Sondierungsverfahren

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2.1 Geoelektrik


Abb. 14: Modelbildung aus Sondierung (Quelle: Stuth-2011, verändert)

Sondierungsverfahren

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2.1 Geoelektrik


Abb. 15: Kartierung (Quelle: GGU, unv.)

Kartierung-/Profilierungsverfahren

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2.1 Geoelektrik


Abb. 16: Modelbildung aus Kartierung (Quelle: GGU, unv.)

Kartierung-/Profilierungsverfahren

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2.1 Geoelektrik


Abb. 17: Sondierungskartierung (Quelle: GGU, unv.)

Sondierungskartierungsverfahen (Tomographie)

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2.1 Geoelektrik


Abb.18 : Wiederstandstomographie für spätere 2D/3D Modelbildung (Quelle: GGU b, unv.)

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2.1 Geoelektrik


Abb. 19:Modelbildung aus Sondierungskartierung (Quelle: GGU, unv.)

Sondierungskartierungsverfahen (2D-/3D-Tomographie)

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2.1 Geoelektrik


Einfluss auf Messwerte u.a. durch- Porosität- Leitfähigkeit des Porenfluids- Tonanteil- Topographie- Messgeometrie (Elektrodenanordnung)- Schichtdicke, Widerstandskontrast, Messüberdeckung- Elektrodenpolarisation

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2.2 Georadar


Grundlagen

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2.2 Georadar


GrundlagenPhasengeschwindigkeit c

(Ausbreitungsgeschw. freien elektromagnetischen Welle)


2.2 Georadar

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Grundlagen

Abb. 20: Reflexion an der Schichtgrenze

Schichtgrenze

Ausbreitungsgeschwindigkeit c

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2.2 Georadar

- Verfahrensgrundlage ist die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen und deren Reflexionsverhalten

- hochfrequent (Arbeitsbereich 1-1000 MHz) und kurzwellig

- Eignung bei hochohmigen Gesteinen (z.B. Steinsalz)• hoher spezifische Widerstand ergibt hohe Eindringtiefe• geringer spezifischer Widerstand ergibt geringe

Eindringtiefe (meist nur in obere Bodenschichten)


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2.2 Georadar

- Nutzt das Echoprinzip durch Laufzeitmessung des reflektierten Sendeimpuls (gesendete Welle)

- Aufzeichnung der reflektierten Welle:Laufzeit TPhaseAmplitude


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2.2 Georadar


Messprinzip

Abb. 21: Messprinzip des Georadars (Quelle: GGU c, unv.)

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2.2 Georadar


Abb. 22: Hohlraumsuche mittels Georadar

Hohlraum

Sendeantenne Empfangsantenne

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2.2 Georadar


Abb. 23: Hohlräume im Radargramm (Quell: Stuth-2011)

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2.2 Georadar

• Einfluss auf Messwerte– spezifische Widerstand– Dielektrizitätszahl der Schichtgrenze– Bodenfeuchte–Wellendämpfung durch Untergrund


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3. Verfahrensschritte

Historische Erkundung Einsicht in Geologische/Hydrologische Karten Orientierende Untersuchung

Gleichstromgeoelektrik Niederfrequenzverfahren ggf. Rahmkernsondierung

Detailuntersuchung Georadar

Gefährdungsabschätzung


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4. Zusammenfassung

Was ist bei der Auswahl der einzusetzenden Verfahren zu beachten?

- Erkundungsaufgabe (Was soll nachgewiesen werden)

- petrophysikalische Eigenschaft des Objekts- ausreichend Kontrast zur Umgebung- vermutliche Tiefenlage und Größe (wichtig für

Auflösungs- und Eindringtiefe des Verfahrens)- äußere Störeinflüsse (Hochspannungsleitung)


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4. Zusammenfassung

Die angegebenen Methoden müssen nicht zwangsweise an der Erdoberfläche durchgeführt werden, sondern können auch in dem sog. Bohrlochverfahren eingesetzt werden.


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5. Quellen

• Genske-2011: Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript Boden und Felsmechanik, Studiengang

Umwelt- und Recyclingtechnik, Wintersemester 2010-2011; unv.

• MDR-2010: Mitteldeutscher Rundfunk: „Riesen Krater nach Erdfall in Schmalkalden“, Stand 2010. http://www.mdr.de/thueringen/sued-thueringen/artikel102442.html, zuletzt besucht

am 25.07.12.• Stuth-2011: Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript

spezielle Geountersuchung, Studiengang Umwelt- und Recyclingtechnik, Wintersemester 2010-2011; unv.



5. Quellen

• Cumschmidt: Internet: „Leitfähigkeit“, Stand 01.12.2001.

http://www.cumschmidt.de/s_leitf_el01.htm,

zuletzt besucht am 26.07.2012.• BGR a: Internet: BGR: „Geoelektrik“.

http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/GG_Geophy

sik/Bodengeophysik/Geoelektrik/geoelektrik_

inhalt.html?nn=1556142, zuletzt besucht am 01.08.2012.

• BGR b: Internet: BGR: „5-Schicht-Modell“. http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/GG_Geophysik/Bodengeophysik/Geoelektrik/geoel

ektrik_bild4.html?nn=1556142, zuletzt besucht am

01.08.2012.

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5. Quellen

• GGU: Internet: GGU-Karlsruhe: „Die Widerstandsgeoelektrik“, Gleichstromgeoelektrik.

http://www.ggukarlsruhe.de/?gclid=CJr605SU3oQ CFSVvMAod3VTUJQ, zuletzt besucht am

01.08.2012.• GGU b: Internet: GGU-Karlsruhe: „Fotos zur Geoelektrik“

http://www.ggukarlsruhe.de/?gclid=CJr605SU3o

QCFSVvMAod3VTUJQ, zuletzt besucht am 01.08.2012.

• GGU c: Internet: GGU-Karlsruhe: „Das Georadar“ .

http://www.ggukarlsruhe.de/?gclid=CJr605SU3o

QCFSVvMAod3VTUJQ, zuletzt besucht am 01.08.2012.

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5. Quelle

• Haupt-2009 Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript Physik II, Studiengang Umwelt-und Recyclingtechnik, Sommersemester 2009

• Jacobs/Meyer-1992 Jacobs, Franz; Meyer, Helmut: Geophysik: Signale aus der Erde, aus Band Einblicke in die

Wissenschaft. Stuttgart, Leipzig: Teubner Verlagsgesellschaft; Zürich: vdf Verlag der Fachvereine an der schweizer Hochschulen und Technik, 1992.

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