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19.09.20121B.-Eng. Christian Petri. Abb. 1 Erdfall unterhalb einer Straße (Quelle: Genske-2011) 19.09.20122B.-Eng. Christian Petri.

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1 B.-Eng. Christian Petri

2 Abb. 1 Erdfall unterhalb einer Straße (Quelle: Genske-2011) B.-Eng. Christian Petri

3 Geophysikalische Methoden zur Vermeidung von Erdfällen -Geoelektrik und Georadar- B.-Eng. Christian Petri

4 Gliederung 1.Problemdarstellung Erdfälle (Bergsenkungen) 2.Methoden der angewandten Geophysik 2.1 Geoelektrik (Gleichstromgeoelektrik) 2.2 Georadar (Hochfrequenzverfahren) 3. Verfahrensschritte 4. Zusammenfassung 5. Quellen B.-Eng. Christian Petri

5 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) B.-Eng. Christian Petri

6 1. Problemdarstellung Erdfälle Definition Verkarstung -ist eine von Lösungsvorgängen hervorgerufene Hohlraumbildung im Gestein -ist abhängig von der Löslichkeit des Gesteins - Karstfähiges Gestein:Anhydrit/Gips Kalk/Dolomit Steinsalz B.-Eng. Christian Petri

7 1. Problemdarstellung Erdfälle GesteinLöslichkeitKarst Anhydrit/Gips-Sulfatkarst Kalk/Dolomit+/-Carbonatkarst Steinsalz+Chloridkarst B.-Eng. Christian Petri Tab. 1: Verkarstung Abhängig von Löslichkeit des Gesteins

8 1. Problemdarstellung Erdfälle KarstformAbbildung Stalaktiten (St) Stalagmiten (Sm) Pinge (Pi) =Erdfall Dolinen (D) =Absenkung Polje (Po) Canyon (C) Karren (K) B.-Eng. Christian Petri K C St Sm D Pi Po U Tab. 2: Karstformen (Quelle: Genske-2011, verändert)

9 B.-Eng. Christian Petri Abb. 2: natürlicher Erdfall in Schmalkalden (Thüringen) am (Quelle: MRD-2010)

10 1. Problemdarstellung Erdfälle B.-Eng. Christian Petri Salz SoleWasser Bergsenkung Hohlräume Abb. 3 anthropogene Erdfälle durch Salzgewinnung (Quelle: Genske-2011)

11 1. Problemdarstellung Erdfälle B.-Eng. Christian Petri Tagesbruch Nach- bruch Migration Abb. 4: anthropogene Erdfälle durch Bergbau (Quelle: Genske-2011)

12 2. Methoden der angewandten Geophysik B.-Eng. Christian Petri PotentialverfahrenWellenverfahrenRadiometrische 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)

13 2.1 Geoelektrik Geoelektrische Verfahren: Eigenpotentialmessung Gleichstromgeoelektrik (für Sondierung, Kartierung, Tomographie) – Potentiallinienverfahren – Widerstandsverfahren Wechselstromgeoelektrik – Niederfrequenzverfahren – Hochfrequenzverfahren (Georadar) B.-Eng. Christian Petri13

14 2.1 Geoelektrik Grundlagen: Ohm`sche Gesetz R=U/I R: elektr. Widerstand [] (Temperaturabhängig!) U: elektr. Spannung [V] I: elektr. Stromstärke bei Zeit t [A] Q: elektr. Ladung [As] (Voraussetzung: Vorhandensein von beweglichen Ladungsträgern) B.-Eng. Christian Petri14 Abb. 5: Ohmsche Gesetz

15 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Valenzelektronen Abb. 6: Leitfähigkeit von Atombindungen (Quelle: Cumschmidt.de, verändert) Leitfähigkeit

16 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Valenzelektronen Abb. 7: Leitfähigkeit von Ionenbindungen (Quelle: Cumschmidt.de, verändert) Leitfähigkeit

17 2.1 Geoelektrik petrophysikalische Parameter: spezif. elektr. Widerstand R=ρ*l/A R: elektr. Widerstand [] ρ: spezifischer elektr. Widerstand [m] 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] B.-Eng. Christian Petri17

18 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri 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

19 2.1 Geoelektrik Materialρ [m]σ [mS/m] Schotter, Sand (feucht/trocken) ,2-2 Schotter, Sand (gesättigt) Tone, Lehme Bauschutt Deponiesickerwasser0,9-1, Grundwasser gesteinsbildene Minerale- 10 ¯¹¹-10¯ Braunkohle Torf destilliertes Wasser>10³< B.-Eng. Christian Petri Tab. 5: spezifische elektrische Wiederstände und Leitfähigkeiten (Quelle: Stuth-2011)

20 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 B.-Eng. Christian Petri

21 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 8: Messprinzip der Geoelektrik (Quelle: Stuth-2011, verändert) ρ=(ΔU/I)*K ΔU=UM-UN) K: Konfigurationskonstante Messprinzip

22 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri ρ=(ΔU/I)*K ΔU=UM-UN) K: Konfigurationskonstante Messprinzip Da der Untergrund inhomogen oder geschichtet Ist, verwendet man scheinbaren spezifischen Widerstand ρs. Wichtig: Eindringtiefe und Abstand der Stromelektroden!

23 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 9: Elektrodenanordnungen und dazugehörigen Konfigurationsfaktoren K (Quelle: Stuth-2011, verändert)

24 Geoelektrik Wenner-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 B.-Eng. Christian Petri24 Abb. 10: häufigsten Elektrodenanordnungen

25 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 11: Sondierungskurve Darstellung der Messergebnisse

26 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 12: Sondierungskurve (Quelle: BGR b, unv.) Modelbildung Schritte: 1.Modelerstellung 2.Modellierung 3.Vergleich mit Modelkurve 4.Modelanpassung an Modelkurve (Modelparameter) 5.Schritt 2 6.Schritt 3

27 2.1 Geoelektrik Verfahrensvarianten Sondierung (stellenhafte Aussage über vertikale Schichtenabfolge) Kartierung/Profilierung (flächenhafte oder linienhafte Aussage) Sondierungskartierung (Aussage entlang einer Linie über ungefähren Schichtenaufbau) B.-Eng. Christian Petri

28 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 13: Sondierung (Quelle: GGU, unv.) Sondierungsverfahren

29 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 14: Modelbildung aus Sondierung (Quelle: Stuth-2011, verändert) Sondierungsverfahren

30 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 15: Kartierung (Quelle: GGU, unv.) Kartierung-/Profilierungsverfahren

31 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 16: Modelbildung aus Kartierung (Quelle: GGU, unv.) Kartierung-/Profilierungsverfahren

32 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 17: Sondierungskartierung (Quelle: GGU, unv.) Sondierungskartierungsverfahen (Tomographie)

33 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb.18 : Wiederstandstomographie für spätere 2D/3D Modelbildung (Quelle: GGU b, unv.)

34 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Abb. 19:Modelbildung aus Sondierungskartierung (Quelle: GGU, unv.) Sondierungskartierungsverfahen (2D-/3D-Tomographie)

35 2.1 Geoelektrik B.-Eng. Christian Petri Einfluss auf Messwerte u.a. durch -Porosität -Leitfähigkeit des Porenfluids -Tonanteil -Topographie -Messgeometrie (Elektrodenanordnung) -Schichtdicke, Widerstandskontrast, Messüberdeckung -Elektrodenpolarisation

36 2.2 Georadar B.-Eng. Christian Petri Grundlagen

37 2.2 Georadar B.-Eng. Christian Petri Grundlagen Phasengeschwindigkeit c (Ausbreitungsgeschw. freien elektromagnetischen Welle)

38 2.2 Georadar B.-Eng. Christian Petri38 Grundlagen Abb. 20: Reflexion an der Schichtgrenze Schichtgrenze Ausbreitungsgeschwindigkeit c

39 2.2 Georadar -Verfahrensgrundlage ist die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen und deren Reflexionsverhalten -hochfrequent (Arbeitsbereich 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) B.-Eng. Christian Petri

40 2.2 Georadar -Nutzt das Echoprinzip durch Laufzeitmessung des reflektierten Sendeimpuls (gesendete Welle) -Aufzeichnung der reflektierten Welle: Laufzeit T Phase Amplitude B.-Eng. Christian Petri

41 2.2 Georadar B.-Eng. Christian Petri Messprinzip Abb. 21: Messprinzip des Georadars (Quelle: GGU c, unv.)

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43 2.2 Georadar B.-Eng. Christian Petri Abb. 22: Hohlraumsuche mittels Georadar Hohlraum SendeantenneEmpfangsantenne

44 2.2 Georadar B.-Eng. Christian Petri Abb. 23: Hohlräume im Radargramm (Quell: Stuth-2011)

45 2.2 Georadar Einfluss auf Messwerte – spezifische Widerstand – Dielektrizitätszahl der Schichtgrenze – Bodenfeuchte – Wellendämpfung durch Untergrund B.-Eng. Christian Petri

46 3. Verfahrensschritte Historische Erkundung Einsicht in Geologische/Hydrologische Karten Orientierende Untersuchung Gleichstromgeoelektrik Niederfrequenzverfahren ggf. Rahmkernsondierung Detailuntersuchung Georadar Gefährdungsabschätzung B.-Eng. Christian Petri

47 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) B.-Eng. Christian Petri

48 4. Zusammenfassung Die angegebenen Methoden müssen nicht zwangsweise an der Erdoberfläche durchgeführt werden, sondern können auch in dem sog. Bohrlochverfahren eingesetzt werden B.-Eng. Christian Petri

49 5. Quellen Genske-2011: Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript Boden und Felsmechanik, Studiengang Umwelt- und Recyclingtechnik, Wintersemester ; unv. MDR-2010:Mitteldeutscher Rundfunk: Riesen Krater nach Erdfall in Schmalkalden, Stand thueringen/artikel html, zuletzt besucht am Stuth-2011:Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript spezielle Geountersuchung, Studiengang Umwelt- und Recyclingtechnik, Wintersemester ; unv B.-Eng. Christian Petri

50 5. Quellen Cumschmidt:Internet: Leitfähigkeit, Stand zuletzt besucht am BGR a:Internet: BGR: Geoelektrik. sik/Bodengeophysik/Geoelektrik/geoelektrik_ inhalt.html?nn= , zuletzt besucht am BGR b:Internet: BGR: 5-Schicht-Modell. GG_Geophysik/Bodengeophysik/Geoelektrik/geoel ektrik_bild4.html?nn= , zuletzt besucht am B.-Eng. Christian Petri50

51 5. Quellen GGU:Internet: GGU-Karlsruhe: Die Widerstandsgeoelektrik, Gleichstromgeoelektrik. CFSVvMAod3VTUJQ, zuletzt besucht am GGU b:Internet: GGU-Karlsruhe: Fotos zur Geoelektrik QCFSVvMAod3VTUJQ, zuletzt besucht am GGU c:Internet: GGU-Karlsruhe: Das Georadar. QCFSVvMAod3VTUJQ, zuletzt besucht am B.-Eng. Christian Petri51

52 5. Quelle Haupt-2009Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript Physik II, Studiengang Umwelt- und Recyclingtechnik, Sommersemester 2009 Jacobs/Meyer-1992Jacobs, 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, B.-Eng. Christian Petri52

53 Danke für Ihre Aufmerksamkeit B.-Eng. Christian Petri53


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