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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)
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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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 B.-Eng. Christian Petri
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1. Problemdarstellung Erdfälle
Gestein Löslichkeit Karst
Anhydrit/Gips - Sulfatkarst
Kalk/Dolomit +/- Carbonatkarst
Steinsalz + Chloridkarst
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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)
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
K
C
St
Sm
D
Pi
PoU
Tab. 2: Karstformen (Quelle: Genske-2011, verändert)
919.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Abb. 2: natürlicher Erdfall in Schmalkalden (Thüringen) am 01.11.10 (Quelle: MRD-2010)
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1. Problemdarstellung Erdfälle
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
• Salz
• Sole• Wasser • Bergsenkung
• Hohlräume
Abb. 3 anthropogene Erdfälle durch Salzgewinnung (Quelle: Genske-2011)
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1. Problemdarstellung Erdfälle
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
• Tagesbruch
• Nach-• bruch
• Migration
Abb. 4: anthropogene Erdfälle durch Bergbau (Quelle: Genske-2011)
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2. Methoden der angewandten Geophysik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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)
B.-Eng. Christian Petri 13
2.1 Geoelektrik
Geoelektrische Verfahren:• Eigenpotentialmessung• Gleichstromgeoelektrik (für Sondierung, Kartierung,
Tomographie)– Potentiallinienverfahren–Widerstandsverfahren
• Wechselstromgeoelektrik– Niederfrequenzverfahren– Hochfrequenzverfahren (Georadar)
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B.-Eng. Christian Petri 14
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
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Valenzelektronen
Abb. 6: Leitfähigkeit von Atombindungen (Quelle: Cumschmidt.de, verändert)
Leitfähigkeit
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Valenzelektronen
Abb. 7: Leitfähigkeit von Ionenbindungen (Quelle: Cumschmidt.de, verändert)
Leitfähigkeit
B.-Eng. Christian Petri 17
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
19.09.2012 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
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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
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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
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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!
B.-Eng. Christian Petri 24
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
19.09.2012
Abb. 10: häufigsten Elektrodenanordnungen
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Abb. 11: Sondierungskurve
Darstellung der Messergebnisse
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Abb. 12: Sondierungskurve (Quelle: BGR b, unv.)
Modelbildung
Schritte:1. Modelerstellung2. Modellierung3. Vergleich mit
Modelkurve4. Modelanpassung an
Modelkurve(Modelparameter)
5. Schritt 26. 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 B.-Eng. Christian Petri
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Abb. 13: Sondierung (Quelle: GGU, unv.)
Sondierungsverfahren
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Abb. 14: Modelbildung aus Sondierung (Quelle: Stuth-2011, verändert)
Sondierungsverfahren
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2.1 Geoelektrik
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Abb. 15: Kartierung (Quelle: GGU, unv.)
Kartierung-/Profilierungsverfahren
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Abb. 16: Modelbildung aus Kartierung (Quelle: GGU, unv.)
Kartierung-/Profilierungsverfahren
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Abb. 17: Sondierungskartierung (Quelle: GGU, unv.)
Sondierungskartierungsverfahen (Tomographie)
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Abb.18 : Wiederstandstomographie für spätere 2D/3D Modelbildung (Quelle: GGU b, unv.)
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Abb. 19:Modelbildung aus Sondierungskartierung (Quelle: GGU, unv.)
Sondierungskartierungsverfahen (2D-/3D-Tomographie)
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2.1 Geoelektrik
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Grundlagen
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2.2 Georadar
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
GrundlagenPhasengeschwindigkeit c
(Ausbreitungsgeschw. freien elektromagnetischen Welle)
B.-Eng. Christian Petri 38
2.2 Georadar
19.09.2012
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)
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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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
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
Messprinzip
Abb. 21: Messprinzip des Georadars (Quelle: GGU c, unv.)
4219.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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2.2 Georadar
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Abb. 22: Hohlraumsuche mittels Georadar
Hohlraum
Sendeantenne Empfangsantenne
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2.2 Georadar
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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
19.09.2012 B.-Eng. Christian Petri
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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.
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B.-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.
19.09.2012
B.-Eng. Christian Petri 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.
19.09.2012
B.-Eng. Christian Petri 52
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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B.-Eng. Christian Petri 53
Danke für Ihre Aufmerksamkeit.
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