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Geoelektrik

Geophysikalische Messmethoden liefern Informationen über oberflächennahe Erdschichten, ohne sie zu zerstören. Die Gleichstromgeoelektrik gibt dabei Aufschluss über die Leitfähigkeitsstruktur im Untergrund. Ein Strom bekannter Stromstärke wird in den Untergrund eingespeist, die zugehörige Spannung gemessen und daraus unter Berücksichtigung eines Geometriefaktors der scheinbare spezifische elektrische Widerstand berechnet. Je größer der Widerstand, desto weniger leitfähig ist der Untergrund.

 

Informationen über den Erdboden zu gewinnen, ohne bleibende Schäden zu hinterlassen, ist in vielen Bereichen sinnvoll. Geoelektrische Messmethoden finden beispielsweise Anwendung bei

  • Baugrunduntersuchungen.
    Hier dienen geoelektrische Messungen z.B. dazu Hohlräume zu orten, die einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen. So können sie lokalisiert werden und Einsturzgefahren verringert werden.
  • der Grundwasserprospektion.
    Wasserführende Schichten weisen einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand auf und können so mithilfe der Geoelektrik sichtbar gemacht werden. 
  • der Deichanalyse.
    Stellen mit sehr hohem und niedrigem elektrischen Widerstand werden auch bei der Deichanalyse durch eine Widerstandstomographie sichtbar gemacht. Mögliche Bruchstellen werden ausfindig gemacht.
  • der Untersuchung von Mülldeponien auf Dichtigkeit.

 

Wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist, führen Geophysiker die Messungen in großen Auslagen im freien Gelände durch.

 

 


 

Feldmessung

Studenten bei einer gleichstromgeoelektrischen Messung im Hegau;
Quelle: Dr. Andreas Barth, GPI, KIT

 

 

Im Schülerlabor haben wir die Gleichstromgeoelektrik auf kleine Dimensionen reduziert.

 

Gleichstromgeoelektrik – Das Messprinzip

Bei gleichstromgeoelektrischen Messungen wird ein Strom bekannter Stromstärke I über zwei Stromelektroden A und B in den Untergrund eingespeist. Dabei bildet sich ein Potentialfeld aus, das von der Struktur des Untergrunds abhängt. Über zwei Spannungssonden M und N wird die Spannung U gemessen. Dies bezeichnet man als Vier-Elektroden-Anordnung (siehe Abbildung):

 

 

E-Feld Geoelektrik

Vier-Elektroden-Anordnung
Quelle: Knödel, K,; Krummel, H.; Lange, G.: „Handbuch zur Erkundung des Untergrudens von Deponien und Altlasten, Band 3, Geophysik“; Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1997

 

Obwohl sich die Messmethode „Gleichstromgeoelektrik“ nennt, wird in der Praxis keine Gleichspannung verwendet, um einen Strom einzuspeisen, sondern eine niederfrequente Wechselspannung. Dadurch kehren sich elektrochemische Prozesse und Polarisationseffekte immer wieder um und mitteln sich im Verlauf einer Periode heraus.

Die Spannungsmessung könnte im Prinzip auch über die Elektroden A und B erfolgen. Man verwendet aber die separaten Elektroden M und N, da man sonst im Wesentlichen den Erdungswiderstand der Stromelektroden bestimmen würde.

Aus den Größen U und I kann man unter Berücksichtigung des Geometriefaktors K, der die geometrische Anordnung der Elektroden berücksichtigt, den spezifischen Widerstand ρ berechnen, für den Fall, dass der Untergrund homogen ist (aus nur einem Material besteht). Besteht der Untergrund aus mehr als einem Material, ist also z.B. wie in obiger Abbildung aus mehreren übereinanderliegenden Schichten mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand aufgebaut, kann man lediglich den scheinbaren spezifischen Widerstand ρs berechnen:

spezifischer Widerstand

 
der durch die gegenseitige Beeinflussung der unterschiedlich leitfähigen Materialien zustande kommt (verändertes Potentialfeld). Der Geometriefaktor K hängt ab von der geometrischen Anordnung der Elektroden zueinander. 

Wie man die Elektroden zueinander anordnet, hängt davon ab, welche Widerstandsverteilung man mit der Messung bestimmen möchte. Für eine Widerstandskartierung, also die Bestimmung der flächenhaften Verteilung des scheinbaren spezifischen Widerstands, wird in der Praxis meist die Wenner-Anordnung der Elektroden verwendet. Dabei handelt es sich um eine gleichabständige Messanordnung, mit der man eine Untersuchungsfläche kartieren kann, wenn man an vielen Stellen mit dem gleichen Elektrodenabstand misst, wie im folgenden beschrieben:

 

Die Wenner Anordnung

In der Wenner-Anordnung sind alle vier Elektroden auf einer Linie angebracht und haben den gleichen Elektrodenabstand a voneinander.

 

 

Wenner-Anordnung

Wenner-Anordnung der Elektroden

 

In der Wenner-Anordnung sind alle vier Elektroden auf einer Linie angebracht und haben den gleichen Elektrodenabstand a voneinander. Die Gesamtauslage L der Anordnung beträgt 3a. Der Geometriefaktor errechnet sich zu

 

 Geometrie-Faktor

 

Misst man in dieser Anordnung, erhält man einen Widerstandswert in der Mitte der Elektroden (an der Stelle 0).

Versetzt man die Elektroden mit einem bestimmten Elektrodenabstand seitlich, sodass der Abstand zwischen den Elektroden immer gleich bleibt, erhält man Widerstandswerte für verschiedene Messpunkte. So kann man eine Widerstandskartierung durchführen und laterale Leitfähigkeitsheterogenitäten sichtbar machen.

Um außerdem Informationen darüber zu erlangen, wie sich die Leitfähigkeit mit der Tiefe ändert, muss die Gesamtauslage der Elektroden variiert werden. Je größer L bzw. im Fall der Wenner-Anordnung auch a wird, desto größer wird die Eindringtiefe d. Diese Eindringtiefe lässt sich grob nach der Faustformel

Fuastformel d

 berechnen. Für die Wenner-Anordnung bedeutet das

                                                                                                                   

 

Führt man die Wenner-Kartierung also mit mehreren Elektrodenabständen und damit unterschiedlichen Eindringtiefen durch, erhält man eine räumliche Widerstandsverteilung. Dies wird im Schüler-Versuch so gemacht.

 Um vorrangig zu untersuchen, wie sich der scheinbare spezifische Widerstand mit der Tiefe ändert, verwenden Geophysiker meist mit die Schlumberger-Anordnung der Elektroden, wie sie im folgenden beschrieben wird.

 

Die Schlumberger-Anordnung

Die Elektroden sind hierbei ebenfalls in einer Linie angeordnet. Die äußeren beiden Elektroden sind auch hier die Stromelektroden A und B und die inneren beiden Elektroden werden als Spannungssonden M und N verwendet.

 

 

 

                  Schlumberger Anordnung

                  Schlumberger-Anordnung der Elektroden



 

Für die Tiefensondierung bleibt der Abstand der Spannungssonden a konstant. Der Abstand der beiden Stromelektroden L wird sukzessive vergrößert. So erreicht man immer größere Eindringtiefen und erhält Widerstandswerte für zunehmende Tiefen. Um auch hier eine räumliche Widerstandsverteilung zu erhalten, muss die Anordnung seitlich versetzt werden und jeweils eine Tiefensondierung durchgeführt werden.

Der Geometriefaktor beträgt für die Schlumberger-Anordnung:

                                                                                        

    

Der Versuchsaufbau im Labor

In der folgenden Abbildung sehen Sie den Laboraufbau für den Geoelektrik-Versuch:

 

 

Laboraufbau Geoelektrik-Versuch

Laboraufbau des Geoelektrik-Versuchs

Die Abbildung zeigt den Behälter mit der Modell-Landschaft, zu erkennen ist nur die oberste Sandschicht.

Auf der Oberfläche aufliegend erkennt man den Messschlitten aus Plexiglas, in dem die Messelektroden eingearbeitet sind (1).

Über einen Frequenzgenerator (2) wird über ein Elektrodenpaar wie oben beschrieben ein niederfrequenter Wechselstrom eingespeist ("Quasigleichstrom") und an einem anderen Paar die Spannung gemessen. Die Messung erfolgt jeweils mit einem empfindlichen Multimeter (3).

Die Messung wird im Versuch an verschiedenen Positionen durchgeführt (z.B. an den mit den Fähnchen markierten Stellen) und somit der Untergrund kartiert. Nach genügend Messwerten lassen sich dann Rückschlüsse über die Untergrundstruktur ziehen. Um die Vermutungen zu kontrollieren, können nach der Messung die Pappverkleidungen an den Seiten des Kastens abgenommen werden und durch die durchsichtigen Seitenwände sowie durch Graben an interessanten Stellen die Struktur freigelegt und gesehen werden.