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 19.09.20121B.-Eng. Christian Petri

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

3 Geophysikalische Methoden zur Vermeidung von Erdfällen -Geoelektrik und Georadar- B.-Eng. Christian Petri 19.09.2012 3

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 19.09.2012 4B.-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) 19.09.2012 5B.-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 19.09.2012 6B.-Eng. Christian Petri

7 1. Problemdarstellung Erdfälle GesteinLöslichkeitKarst Anhydrit/Gips-Sulfatkarst Kalk/Dolomit+/-Carbonatkarst Steinsalz+Chloridkarst 19.09.2012 7B.-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) 19.09.2012 8B.-Eng. Christian Petri K C St Sm D Pi Po U Tab. 2: Karstformen (Quelle: Genske-2011, verändert)

9 19.09.2012 9B.-Eng. Christian Petri Abb. 2: natürlicher Erdfall in Schmalkalden (Thüringen) am 01.11.10 (Quelle: MRD-2010)

10 1. Problemdarstellung Erdfälle 19.09.2012 10B.-Eng. Christian Petri Salz SoleWasser Bergsenkung Hohlräume Abb. 3 anthropogene Erdfälle durch Salzgewinnung (Quelle: Genske-2011)

11 1. Problemdarstellung Erdfälle 19.09.2012 11B.-Eng. Christian Petri Tagesbruch Nach- bruch Migration Abb. 4: anthropogene Erdfälle durch Bergbau (Quelle: Genske-2011)

12 2. Methoden der angewandten Geophysik 19.09.2012 12B.-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) 19.09.2012B.-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) 19.09.2012B.-Eng. Christian Petri14 Abb. 5: Ohmsche Gesetz

15 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 15B.-Eng. Christian Petri Valenzelektronen Abb. 6: Leitfähigkeit von Atombindungen (Quelle: Cumschmidt.de, verändert) Leitfähigkeit

16 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 16B.-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] 19.09.2012B.-Eng. Christian Petri17

18 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 18B.-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) 500-5.0000,2-2 Schotter, Sand (gesättigt)50-5002-20 Tone, Lehme3-10010-300 Bauschutt150-1.0001-6 Deponiesickerwasser0,9-1,3800-1.100 Grundwasser30-6016-33 gesteinsbildene Minerale- 10 ¯¹¹-10¯ Braunkohle10-1506-100 Torf15-2540-65 destilliertes Wasser>10³<1 19.09.2012 19B.-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 19.09.2012 20B.-Eng. Christian Petri

21 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 21B.-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 19.09.2012 22B.-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 19.09.2012 23B.-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 19.09.2012B.-Eng. Christian Petri24 Abb. 10: häufigsten Elektrodenanordnungen

25 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 25B.-Eng. Christian Petri Abb. 11: Sondierungskurve Darstellung der Messergebnisse

26 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 26B.-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) 19.09.2012 27B.-Eng. Christian Petri

28 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 28B.-Eng. Christian Petri Abb. 13: Sondierung (Quelle: GGU, unv.) Sondierungsverfahren

29 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 29B.-Eng. Christian Petri Abb. 14: Modelbildung aus Sondierung (Quelle: Stuth-2011, verändert) Sondierungsverfahren

30 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 30B.-Eng. Christian Petri Abb. 15: Kartierung (Quelle: GGU, unv.) Kartierung-/Profilierungsverfahren

31 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 31B.-Eng. Christian Petri Abb. 16: Modelbildung aus Kartierung (Quelle: GGU, unv.) Kartierung-/Profilierungsverfahren

32 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 32B.-Eng. Christian Petri Abb. 17: Sondierungskartierung (Quelle: GGU, unv.) Sondierungskartierungsverfahen (Tomographie)

33 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 33B.-Eng. Christian Petri Abb.18 : Wiederstandstomographie für spätere 2D/3D Modelbildung (Quelle: GGU b, unv.)

34 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 34B.-Eng. Christian Petri Abb. 19:Modelbildung aus Sondierungskartierung (Quelle: GGU, unv.) Sondierungskartierungsverfahen (2D-/3D-Tomographie)

35 2.1 Geoelektrik 19.09.2012 35B.-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 19.09.2012 36B.-Eng. Christian Petri Grundlagen

37 2.2 Georadar 19.09.2012 37B.-Eng. Christian Petri Grundlagen Phasengeschwindigkeit c (Ausbreitungsgeschw. freien elektromagnetischen Welle)

38 2.2 Georadar 19.09.2012B.-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 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) 19.09.2012 39B.-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 19.09.2012 40B.-Eng. Christian Petri

41 2.2 Georadar 19.09.2012 41B.-Eng. Christian Petri Messprinzip Abb. 21: Messprinzip des Georadars (Quelle: GGU c, unv.)

42 19.09.2012 42B.-Eng. Christian Petri

43 2.2 Georadar 19.09.2012 43B.-Eng. Christian Petri Abb. 22: Hohlraumsuche mittels Georadar Hohlraum SendeantenneEmpfangsantenne

44 2.2 Georadar 19.09.2012 44B.-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 19.09.2012 45B.-Eng. Christian Petri

46 3. Verfahrensschritte Historische Erkundung Einsicht in Geologische/Hydrologische Karten Orientierende Untersuchung Gleichstromgeoelektrik Niederfrequenzverfahren ggf. Rahmkernsondierung Detailuntersuchung Georadar Gefährdungsabschätzung 19.09.2012 46B.-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) 19.09.2012 47B.-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. 19.09.2012 48B.-Eng. Christian Petri

49 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. 19.09.2012 49B.-Eng. Christian Petri

50 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. 19.09.2012B.-Eng. Christian Petri50

51 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. 19.09.2012B.-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, 1992. 19.09.2012B.-Eng. Christian Petri52

53 Danke für Ihre Aufmerksamkeit. 19.09.2012B.-Eng. Christian Petri53