Geoelektrische Messung - Prinzip

Das Prinzip der geoelektrischen Erkundung ist die Messung des scheinbaren elektrischen Widerstandes des Untergrundes über eine Vier-Elektrodenanordnung: Über zwei Stromelektroden wird ein Stromsystem I in den Untergrund eingebracht, zwischen zwei weiteren Elektroden die sich einstellende Spannung U gemessen (Bild 1). Der spezifische elektrische Widerstand (Einheit Wm) folgt aus dem Quotienten U/I multipliziert mit einem Geometriefaktor, der sich aus den Elektroden­abständen ergibt. Wird der Abstand (Auslage) zwischen den Stromsonden erhöht, dringt das Stromsystem tiefer in den Untergrund ein. Auf diese Weise ist es möglich, zunehmende Tiefenniveaus zu erfassen. Zur Messung können verschiedene Elektrodenanordnungen verwendet werden. Die Anordnungen Wenner und Schlumberger sind die am häufigsten verwendeten. Kommt es auf ein hohes laterales Auflösungsvermögen bei gleichzeitig guter Tiefenschärfe an, sollte die Pol-Dipol-Anordnung gewählt werden (= Halbe Schlumberger).

Bild 1: Links: Prinzip der geoelektrischen Messung über vier Elektroden. Rechts: häufigst verwendete Elektrodenanordnungen

Multielektroden-Messung

Bei der geoelektrischen Profiltomographie (auch Multielektrodengeoelektrik genannt) ist der Messvorgang entlang eines Profils automatisiert: Es werden äquidistant Elektroden ausgesteckt (Bild 2 oben), wobei der Elektrodenabstand durch die geforderte laterale Auflösungsgenauigkeit bestimmt wird. Das Profil wird zuerst mit der kleinsten Elektrodenauslage bis zum Ende durch­gemessen, danach wird die Elektrodenauslage erhöht und wieder bis zum Profilende durchgemessen. Dies wird fortgeführt bis zur maximal möglichen Auslage. Auf diese Weise erhält man eine zwei­dimensionale Widerstands­verteilung entlang des Profils, die sogenannte Pseudosektion (Bild 2 unten), die die Messwerte für zunehmende Auslagen, aber noch ohne Tiefenzuordnung entlang des Profils darstellt.

Bild 2: Oben: Messung mit Multielektrodenanordnung. Unten:  Messbild (Pseudosektion)

Auswertung

Die tomographische Auswertung berechnet aus den Messwerten tatsächliche spezifische elektrische Widerstandswerte und ordnet diesen eine Tiefenlage zu. Die Berechnung erfolgt numerisch über einen mathematischen Rekonstruktionsalgorithmus, der in einem vorgegebenen x-z-Raster die Widerstandswerte umrechnet. Hierzu verwenden wir das Programm Resistivity Imager der Firma Geotomographie GmbH (Neuwied).

Bild 3: Oben: Tomogramm nach 2D-Inversion. Unten: Interpretation mithilfe von Bohrungen

Die Geländetopographie wird dabei für die Berechnung berücksichtigt, was insbesondere bei größeren Tiefenlagen bzw. starkem Oberflächenrelief zu einer verbesserten Anpassung führt. Das Ergebnis ist ein 2-dimensionales Widerstandsprofil (Bild 3 oben), das sogenannte Tomogramm, das die tatsächliche Verteilung des elektrischen Widerstandes im Untergrund entlang des Profils angenähert wiedergeben soll. Tomogramme zeigen im Ergebnis jedoch immer kontinuierliche Widerstandsbilder mit mehr oder weniger starken Übergängen. Im Gegensatz zur Schichtgrenzenberechnung von Tiefensondierungskurven (1D-Inversion) ergeben sich an Schichtgrenzen jedoch keine diskreten Widerstandssprünge. Sie treten im Idealfall als deutlicher Widerstandsübergang hervor. Das Tomogramm wird abschließend unter Berücksichtigung vorhandener geologischer Daten, Bohrungen, Aufschlüssen bzw. anhand von Literaturwerten und eigenen Erfahrungswerte interpretiert.

Werden Schichtgrenzen gesucht, wenden wir zusätzlich die 1D-Schichtgrenzenberechnung (1D-Inversion) auf die Datensätze an. Diese Methode dient üblicherweise der Auswertung von punktuellen Tiefensondierungskurven. Sie setzt einen horizontal geschichteten Untergrund voraus. Schichtgrenzen können hiermit wesentlich besser bestimmt werden, da nur die an den tatsächlichen Schichtgrenzen erforderlichen Widerstandssprünge diskret berechnet werden. Hierfür werden aus dem 2D-Datensatz Tiefensondierungskurven extrahiert und mittels eines geeigneten Programms (IX1D der Firma Interpex Ltd.) mittels 1D-Inversion schichtmodelliert. Die Kombination von 2D- und 1D-Inversion liefert das bestmögliche Ergebnis.

Bild 4: Erweiterte Auswertung 2D + 1D (Kombination aus 2D-Inversion und 1D-Schichtgrenzenberechnung) Oben: Tiefensondierungskurve wird extrahiert aus Multielektrodendatensatz und mit Schichtgrenzenberechnung (1D-Inversion) ausgewertet. Unten: Ergebnisse der Schichtgrenzenberechnung auf Tomogramm.

Unsicherheiten des Verfahrens und Aussagewahrscheinlichkeit

Die Geoelektrik ist ein indirektes Aufschlussverfahren, das den Untergrund durch Messung von der Oberfläche aus erkundet. Geoelektrische Ergebnisse haben aufgrund physikalisch-mathematischer Gründe[1]) grundsätzlich den Charakter einer Voraussage, die mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, d.h. innerhalb eines mehr oder weniger großen Schwankungsbereiches, zutrifft. Daher ist es nicht möglich, eine Garantie auf geoelektrisch ermittelte Schichtmächtigkeiten und Materialbeurteilungen zu geben. Geophysikalische Ergebnisse müssen immer mit Bohrungen verifiziert werden.

Beim Vergleich von Bohrung und Geoelektrik ist zu beachten, dass die geoelektrische Messung nicht wie eine Bohrung punktuell erkundet, sondern über einen Volumenbereich mittelt, dessen Erstreckung etwa der Auslage der Stromelektroden entspricht. Um beispielsweise bis zu einer Tiefe von 30 m zu erkunden, wird eine Elektrodenauslage bis 100 m benötigt, über welchen Bereich die Messung dann mittelt. Laterale Inhomogenitäten (geneigte Schichtgrenzen, Materialwechsel, Topographie) erhöhen die Unsicherheit für die Geoelektrik. Ist der Schichtaufbau lateral stark variabel, z.B. in glazialen und fluviatilen Ablagerungen, wo starke Materialwechsel gegeben sind, können das punktuelle Bohrergebnis und das integrale Geoelektrikergebnis erheblich von einander abweichen. In einem stark variablen Untergrund ist jedoch auch eine Bohrung nur bedingt aussagekräftig.

Ein vollständiger Wissenstand um den Aufbau und die Zusammensetzung eines geologischen Untergrundes ist in der Praxis nicht möglich und kann andererseits auch mit einer großen Anzahl von Bohrungen kaum realisiert werden, um so weniger, je stärker der Untergrund räumlich variiert. Die Aufgabe der Geoelektrik ist es, Bohrungen gezielt anbringen zu können und die Bereiche zwischen den Bohrungen soweit wie möglich zu erfassen. Das Ziel dabei ist die Entwicklung einer Modellvorstellung des Schichtaufbaus. Wie zutreffend dieses Modell die tatsächlichen Verhältnisse wiedergibt, hängt von der Anzahl der geoelektrischen Messpunkte und Bohrungen ab, von der Erkundungstiefe, sowie davon, wie stark der Untergrund lateral variiert.