geoelektrische und seismische untersuchungen an...
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Geoelektrische und seismische Untersuchungen an Problemzonen im Salinar
A. Just, C. Schütze, C. Rücker, U. Serfling, H. Zöllner
www.geo.uni-leipzig.deemail: [email protected]
Institut für Geophysik und Geologie
4. Fachgespräch „Geophysik und Barrieresysteme“, 8.3.2007
Gliederung:
1. Motivation/ Forschungsprojekt
2. Lokationen
3. Geoelektrische und seismische Messungen
4. Zusammenfassung und Ausblick
Geoelektrische und seismische Untersuchungen an Problemzonen im Salinar
UTD(Müll)
technische Barriere
geologische Barriere(Gestein)
Erdoberfläche
Schema einer Untertagedeponie
Problemzone
Problemzonen im Salinar
Klüfte
Subrosion
Verw
erfu
ngsz
one
Kluf
tzon
e
Subrosion
Feuchtigkeit
0 100 %
Schichtgrenze
UTD(Müll)
technische Barriere
geologische Barriere(Gestein)
Erdoberfläche
Schema einer Untertagedeponie
Problemzone
Zwingend erforderlich: zerstörungsfreie Erkundung und Charakterisierung der geologischen Barriere
BMBF-Verbund-Projekt SALINARGEOPHYSIK III„Universelles integriertes geophysikalisches Mess- und Auswerte-instrumentarium zur Charakterisierung von Problemzonen im Salinar“
• Universität Leipzig, Institut für Geophysik und Geologie:- Projektkoordination- Geoelektrik- Seismik (mit K-UTEC GmbH Sondershausen) - Geologie (mit Büro Dr. Schwandt, Erfurt)
• Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren Dresden:- Sonarverfahren
• GGA-Institut Hannover:- Elektromagnetik- Georadar- Kombination der Verfahren; Quantitative Charakterisierung
(FKZ: 02C1305, 02C1315, 02C1325), Laufzeit: 2005 –2008
www.geo.uni-leipzig.deemail: [email protected]
Salinargeophysik III
Kali- und SalzbergbauReferenzmessorte
Universelles integriertes geophysikalischesMess- und Auswerteinstrumentarium
Messkampagnen• Geologie• Geoelektrik• Seismik• Elektromagnetik• Geosonar
Gesteinsparameter im Labor und in situ
Quantitative Charakterisierung von anomalen Bereichen(Anomaliekriterien)
Quantitative Charakterisierung
Problemzonen ProblemzonenfreieEntsorgungsbereiche
Szenarienmodellierungfür verschiedene Standorttypen
FEM-Modellierungen
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4. Fachgespräch „Geophysik und Barrieresysteme“, 8.3.2007
Messobjekte:
• SALINARGEOPHYSIK I (1998-2001): - ehemaliges Kali-Bergwerk Bischofferode im Südharz- flache Lagerung- Problemzone im Hangenden einer Abbaustrecke
• SALINARGEOPHYSIK II (2001-2003):- in Betrieb befindliches Bergwerk in Niedersachsen- Salzstock- Problemzone in 50 m horizontaler Entfernung von der Strecke
• SALINARGEOPHYSIK III (2005-2008):- ehemaliges Kali-Bergwerk Sollstedt
und- ehemaliges Kali-Bergwerk Teutschenthal- beide in flacher Lagerung, Problemzonen im Liegenden
Messobjekte:
• SALINARGEOPHYSIK I (1998-2001): - ehemaliges Kali-Bergwerk Bischofferode im Südharz- flache Lagerung- Problemzone im Hangenden einer Abbaustrecke
• SALINARGEOPHYSIK II (2001-2003):- in Betrieb befindliches Bergwerk in Niedersachsen- Salzstock- Problemzone in 50 m horizontaler Entfernung von der Strecke
• SALINARGEOPHYSIK III (2005-2008):- ehemaliges Kali-Bergwerk Sollstedt
und- ehemaliges Kali-Bergwerk Teutschenthal- beide in flacher Lagerung, Problemzonen im Liegenden
Salzbergbau in Mitteldeutschland
Schichtenfolge des Zechsteinsim Raum Bleicherode/ Sollstedt
(schematisch, nach A. Schwandt 2006)
Staßfurtsteinsalz
Werra-Folge
BasalanhydritHauptdolomit
Buntsandstein
Kaliflöz StaßfurtGT
100 200 m0
Basalanhydrit-Aufsattelung
Geophysikalisches Messprofil auf der Hauptförderstrecke
Gleichstrom-Geoelektrik:
• Parameter: elektrische Leitfähigkeit/ spez. elektrischer Widerstand
• starke Abhängigkeit vom Wassergehalt
besonders geeignet zur Detektion von Feuchtezonen oder Salzlösungsvorkommen
1.0e-7 1.0e-6 1.0e-5 1.0e-4 1.0e-3 1.0e-2 1.0e-1Wassergehalt (Gewichtsprozent)
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9lo
g(ρ
/Ωm
)
AA
A A AAAAA
A
HH
HHHHHHHH
HH
HH
HH
HH
HH
HH
TT
TT
TT TT TTTT
TT
Geophysikalisches Bewertungsinstrumentarium - Geoelektrik, Labor -
www.geo.uni-leipzig.de
Institut für Geophysik und Geologie
Ergebnisse der simultanen Messungen von Wassergehalt und elektrischem Widerstand. Farbige Punkte: KF-Feuchtigkeit und 4-Elektrodenwiderstand (Halit+Sylvinit-Hartsalz) Buchstaben: Feuchtigkeit bestimmt aus Probenmasse und 2-Elektrodenwiderstand T-Salzton; A: Anhydrit, H: Halit
Institut für Geophysik und Geologie
(J. Kulenkampff 2001)
Geophysikalisches Bewertungsinstrumentarium - Geoelektrik, Labor -
www.geo.uni-leipzig.de
Institut für Geophysik und Geologie
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
log( / m)ρ Ω
Widerstandstomogramm Kern in der Meßebene aufgeschnitten
Widerstandstomographie am BohrkernHartsalz (Sylvinit+Halit), Kerndurchmesser 8 cm
Institut für Geophysik und Geologie
Geoelektrik - Messtechnik
RESECS (GeoServe Kiel):- Konstantspannung (0-120 V intern), Strommessung- intelligente Elektroden (max. 6 Ketten a 16 Elektroden)
Transientenrekorder RefTek(Refraction Technology, USA)
- 3 überlappende Dipol-Dipol- und Wenner-Pseudosektionen mit RESECS, je 96 Elektroden, 2m Elektrodenabstand 190 m Profillänge; Gesamtprofil 400 m
- zusätzliche Spannungsregistrierungen mit RefTeks- Elektroden: Stahlbolzen
RESECS - Signal
Einspeisung: RechtecksignalLänge: 800 msSpeisespannung: 20 V
Strom
Wenner-betaa = 2 mlevel 1
Strom
Spannung
RESECS - Signal
Einspeisung: RechtecksignalLänge: 800 msSpeisespannung: 20 V
Strom
Spannung
Dipol-Dipola = 2 m, 12 m Dipolabstandlevel 5
Reftek – Aufzeichnung über 8 Stunden
5000 10000 15000 20000 25000 Time [s]6 h 14 h
RESECS-Profil192 m
Reftek 4 m
86 m
Reftek – Aufzeichnung über 8 Stunden
5000 10000 15000 20000 25000 Time [s]6 h 14 h
RESECS-Profil192 m
Reftek 4 m
86 m
Reftek – Aufzeichnung (Ausschnitt 30s) driftkorrigiert und gefiltert
(10 Hz Tiefpass)
1.25 Hz
Reftek – Aufzeichnung- Frequenzspektrum -
Rohdaten als PseudosektionenDipol-Dipol
Wenner beta
NW
NW
SE
SE
Scheinbarer spez. Widerstand in Ωm
150 100 50 0 -50 -100 -150
150 100 50 0 -50 -100 -150
Ergebnis: Widerstands-Tiefen-Modell
NW SE
200
0salzlösungsführende Zonen
trockener Bereich, Hohlraum ?
feuchte Zone
Seismik
Henning Zöllner Thomas Schicht(Universität Leipzig) (K-UTEC Sondershausen)
Eignung der Hammerschlag-Seismik zur Strukturerkundung im Salinar
• akustische Eigenschaften:• sehr hohe Schallhärte • keine störende Verwitterungsschicht
– sehr geringe Dämpfung – keine Dispersion der OF-Welle– sehr breites Nutzfrequenzspektrum
• relativ homogene Lagerungsverhältnisse – geringe Streuung
• In der Praxis – relativ große Erkundungstiefe (>100m)– Auflösung im Meter-Bereich
K-UTEC GmbH:•Bison, 48 Kanäle•3-Komponenten Piezoschwinger mit Vorverstärker•5kg Hammer
dGP: 1mdSP: 4m/1mStapelgrad:18/72
Messausrüstung und Konfiguration
Uni Leipzig:•DMT-Summit, 72 Kanäle•100Hz Vertikal-Geophone•5kg Hammer
dGP: 1mdSP: 1mStapelgrad:72
DatenprozessingUni Leipzig: ProMAX, Version 2003
Lokation Sollstedt
0 10 20 m
P-stack, bottom-mute vor OF-Welle; Stapel- und T-D-C-Geschwindigkeit 4700m/s
150 50100 0
Stapelsektion P-Welle
NW SE
S-stack, Stapel- und T-D-C-Geschwindigkeit 2700m/s; migriert
150 50100 0NW SE
Grubenriss
Grubenriss mit nachgezeichneten markanten Strecken
Nachgezeichnete markanten Strecken
150 50100 0 SENW
S-stack, Stapel- und T-D-C-Geschwindigkeit 2700m/s; migriert, mit nachgezeichneten Strecken
Geoelektrikund Seismik (migriert, S-Welle)
NW SE
200 -200
0NW SE
Geoelektrikund Seismik (migriert, S-Welle)
NW SE
200 -200
0NW SE
salzlösungsführende Zonen
gasgefüllte Kluftzone im Anhydrit
feuchte, aufgelockerte Zone
Anhydritoberkante ?
Messobjekte:
• SALINARGEOPHYSIK I (1998-2001): - ehemaliges Kali-Bergwerk Bischofferode im Südharz- flache Lagerung- Problemzone im Hangenden einer Abbaustrecke
• SALINARGEOPHYSIK II (2001-2003):- in Betrieb befindliches Bergwerk in Niedersachsen- Salzstock- Problemzone in 50 m horizontaler Entfernung von der Strecke
• SALINARGEOPHYSIK III (2005-2008):- ehemaliges Kali-Bergwerk Sollstedt
und- ehemaliges Kali-Bergwerk Teutschenthal- beide in flacher Lagerung, Problemzonen im Liegenden
Lokation II:Verbindungsstrecke,Westliche Bruchfeldgrenze
Lokation I:VerbindungsstreckeWetterschleuse
Grube Teutschenthal - Übersicht
AS12/04
+ 200
+ 100
± 0
- 100
- 200
- 300
- 400
- 500
- 600
- 700
- 800
- 900
- 1000
S N
GRUBE TEUTSCHENTHAL SICHERUNGS GMBH & CO.KGGeologischer Profilschnitt im Bereich des Ostfeldes - Schemamit Verbindungsstrecke Teutschenthal - Angersdorf ( Meßstrecke Geophysik ) AS
12/04
Klüftung ( Schema )
Schichtgrenze
Strecke
850 Abbau - Bezeichnung im Kaliflöz
mNN
S N
Myophorien - Salinarröt - Folge
Solling - Volpriehausen - Folge
Bernburg - Calvörde - Folge
Ohre - Bröckelschiefer - FolgeAller - Folge
Leine - Folge
Staßfurt - Folge
Werra - Folge
Staßfurtsteinsalz
KaliflözStaßfurt
Leineanhydrit u.a.Leinesteinsalz
Staßfurtanhydrit/ - ton
1a - Sohle 1. - Sohle
2. - Sohle
Kal. Hollb. VI
3. - Sohle 4. - Sohle
5. - Sohle 6. - SohleTEUTSCHENTHALER SATTEL
Verbindungsstrecke Teutschenthal - Angersdorf ( Meßstrecke Geophysik )
850 750 650 550 450 350 250 150 9 29 49 69 89
Stand: 16.12.2004
0 100 200 300 400 500 m
Geologischer Schnitt im Bereich des Ostfeldes der Grube Teutschenthal
Teutschenthal, Verbindungsstrecke im Bereich westliche Bruchfeldkante
Lage der Geoelektrikprofile
BruchfeldWestliche Bruchfeldgrenze
1942 m 1560 m1780 m
W E
nach Teutschenthal nach Angersdorf
1750 m
Nord-Stoß
Teutschenthal, Verbindungsstrecke im Bereich der westlichen Bruchfeldkante
Inversionsergebnis aller Dipol-Dipol-artigen RESECS-Daten, nach Schichtkorrektur
1942 m 1560 m1780 m
BruchfeldWestliche Bruchfeldgrenze
Radarreflektor
P-stack; Stapel- und T-D- Konversionsgeschwindigkeit 5200m/s, (nicht migriert!)
W E
Radar 25MHz, T-D- Konversionsgeschwindigkeit 0,125m/ns P-stack; Stapel- und T-D- Konversionsgeschwindigkeit 5200m/s
Zusammenfassung und Ausblick
• Geoelektrik: Detektion von Feuchtezonen, bis 40 m Tiefe
• Seismik: strukturelle Informationen, Schichtgrenzen, Hohlräume, über 100 m Tiefe
• Zusammenführen der Daten der verschiedenen geophysikalischen Verfahren, quantitative Charakterisierung durch statistische Verfahren wie SVM, Bestimmung des Problemindex (Federführung: GGA Institut)
Dank
• BMBF: Förderung des Verbundprojektes(FKZ: 02C1305, 02C1315, 02C1325)
• GVV Sondershausen GmbH und GTS Teutschenthal GmbH für die Unterstützung der Messungen