Geophysik

 

Mit geophysikalischen Messmethoden werden physikalische Größen aus der Luft, an der Erdoberfläche oder im Untergrund erfasst. Anhand der gemessenen Daten werden durch Umformungen und Modellberechnungen Anomalien aufgezeigt und Rückschlüsse auf  Struktur, Kontur  und Tiefenlage geologischer Körper und Einlagerungen gezogen.

Häufig sind  geo-physikalische  Messverfahren jedoch in ihrer Anwendbarkeit begrenzt. Sie verlieren rasch ihre Effizienz bei regionalen Erkundungen, zu großen, in Frage kommenden  Verdachtsflächen, nicht oder kaum begehbaren Geländeteilen, stark zerklüfteten oder inhomogenen Untergründen und tief unter der Erde liegenden Vorkommen. Suchprojekte werden dadurch technisch zu aufwendig, zu zeitaufwendig, zu personalintensiv und zu teuer. Der Aufwand steht in keinem Verhältnis mehr zum angestrebten Erfolg. In diesen Fällen ist der Einsatz radiästhetischer Verfahren vor der Durchführung von Messungen sinnvoll.

Nachfolgend wird auf die physikalischen Bestimmungsgrößen, die die Grundlage jeder Messung sind sowie auf einige wichtige geophysikalische Verfahren kurz eingegangen. Es werden die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen kurz beschrieben. Grundsätzlich sind zu unterscheiden:

Geomagnetische Verfahren
Geoelektrische Verfahren
Elektro-magnetische Verfahren
Georadar
Geoakustische Verfahren (Seismik)
Thermografische Verfahren

 

Geomagnetische Verfahren

Magnetfed 3 DimensionalDas die Erde umgebende Magnetfeld ist ein Dipolfeld mit Nord- und Südpol. Geomagnetische Verfahren nutzen die unterschiedliche Magnetisierbarkeit von Gegenständen im Untergrund aus.. Befinden sich magnetisierte Gegenstände im Untergrund, verändert sich die Stärke des Magnetfeldes der Erde an dieser Stelle. Die Stärke der Magnetfelder wird in Nanotesla (nT) gemessen.   Ferromagnetische Materialien wie z.B. Eisen und Stahl im Untergrund bewirken, dass signifikante Anomalien auftreten. Das nebenstehende Bild und das sich darunter befindliche  zeigen Bereiche mit deutlichen Anomalien auf. Im Rahmen der Auswertung sind insbesondere die positiven oder negativen Anomalien, d.h. die Abweichungen von der normalen örtlichen Magnetfeldstärke zu interpretieren.

Magnetfeld 2 Dimensional und farbig Ein Bild vom Untergrund wird über mehrere rasterförmig parallel nebeneinander liegende Messstrecken aufgezeichnet. Die Messungen können  dann auf Diagrammen oder auf Plänen mit Isolinien in 2 D oder 3 D dargestellt werden. PC - unterstützt, ist eine zügige Erkundung überschaubarer Geländeflächen (ca. 50.000 m²/d bei entsprechendem Abstand der Messstrecken) möglich. Die Eindringtiefe ist von der Magnetisierbarkeit und Größe der Objekte abhängig. Sie liegt in der Regel bei bis zu 6 Metern bei einem Objektdurchmesser von ca. 1 Meter.  Gut feststellbar sind Lage, Ausmass, Breite und Tiefe von vergrabenen Objekten aus Eisen, Stahlbeton, Mauerwerksreste, Bombenblindgängern.  Geräte sind z.B. Protonen-Magnetometer und die sog. Förster-Sonde.

 

Geoelektrische Verfahren

Böden, Gesteine und Objekte unterscheiden sich hinsichtlich ihres spezifischen Widerstandes. Die physikalische Einheit ist  ein Ohmmeter (Ohm). Mit geo-elektrischen Verfahren werden  spezifischen Widerstände im Untergrund gemessen. Die Datenaufnahme erfolgt computergesteuert, entlang von mehreren Elektroden, die in einer Line in den Boden gesteckt werden.

Dargestellt werden senkrechte Querschnitte durch den Untergrund. Aufgezeigt wird der Verlauf  der Bodenwiderstände in unterschiedlichen Tiefen.

2 D GeoelektrikNebenstehend das Ergebnis einer geoelektrischen Messung zwecks Nachweis eines vorher mit radiästhetischer Methodik georteten Hohlraumes. Der Hohlraum zeichnet sich als roter Bereich ab. Es ist der Bereich mit dem höchsten Widerstand,  da die sich im Hohlraum befindliche "Luft" den elektrischen Strom nicht leitet. Bei dem "blauen Feld" handelt es sich um einen Bereich mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit und einem dementsprechend geringem spezifischem Widerstand. In diesem Fall eine Verfüllung mit durchfeuchtetem Sand.

Geoelektrische Verfahren sind zerstörungsfrei. Die Bearbeitung der anfallenden Datenmengen ist nur mit PC möglich. Der Zeitbedarf pro Messstrecke (120 m) liegt bei ca. 2  bis 2,5 Stunden. Gut nachweisbar sind Lage, Ausmass, Breite und Tiefe vom archäologischen Objekten; Tanks, Fässer, Mauerwerksresten und unterirdischen Hohlräumen bis zu einer Tiefe von 15 Metern. Die Erdoberfläche sollte möglichst eben sein und es muss möglich sein, Elektroden in den Boden zu stecken. Felsiges Gelände kommt somit kaum für dieses Verfahren in Frage.

 

Elektro-magnetische Verfahren

Bei elektro-magnetischen Verfahren ist die elektrische Leitfähigkeit im Untergrund und der sich darin befindlichen Objekte relevant. Die elektrische Leitfähigkeit wird meist in MilliSiemens /Meter (mS/m) erfasst und entspricht dem mathematischen Kehrwert des spezifischen Bodenwiderstandes.

Es gibt verschiedene Verfahren in der Elektromagnetik, wobei das sog. Slingram - Verfahren das wichtigste ist. Dabei wird ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer festen Frequenz von einer Spule ausgestrahlt. Dieses primäre Feld induziert bei leitfähigen  Objekten im Boden ein sekundäres Feld. Mittels einer zweiten Spule werden primäres und sekundäres Feld gemessen und, da das primäre Feld bekannt ist, kann das sekundäre Feld durch Kompensation genau bestimmt werden. Manche Verfahren ziehen auch die Phasenverschiebung zwischen den beiden Feldern in die Auswertung mit ein. Bei diesen Verfahren kommt es auf die Leitfähigkeit der Metalle an und nicht auf deren Magnetisierbarkeit.

Kartiert wird entlang von Messstecken oder punktuell. Die Eindringtiefe der Frequenzen begrenzt den Einsatz dieser Verfahren auf den oberflächennahen Bereich je nach Größe des Objektes, bis max. ca. 4 Meter. Mit niedrigen Frequenzen (VLF-Verfahren) lassen sich die größten Eindringtiefen erzielen.   Erforderlich sind dann jedoch immer größere Suchspulen. Störend können sich Wechselfelder von Sendeanlagen oder Wechselfelder aus der Atmosphäre auswirken. Auch Metallzäume oder Gebäude können die Messergebnisse beeinträchtigen. Mit größeren Suchspulen nimmt auch die Auflösung, d.h. die Detailgenauigkeit ab, d.h. die gesuchten Objekte müssen eine gewisse Mindestgröße haben.

Der Einsatz elektromagnetischer Verfahren mittels sog. Metalldetektoren ist weit verbreitet. Gesucht werden damit meist Buntmetalle (z.B. Münzen) und vergrabene archäologische Objekte in geringen Tiefen bis 3 Metern.   Unterirdische Hohlräume sind mit diesem Verfahren nicht ortbar.

 

Georadar-Verfahren

Georadargeräte zeichnen die Reflexion elektromagnetischer Impulse an Grenzflächen im Untergrund auf. Hochfrequente elektromagnetische Impulse werden mittels einer Sendeantenne kontinuierlich ausgestrahlt und von einer Empfangsantenne wieder aufgefangen. Bedingt durch den elektromagnetischen Kontrast zwischen  einem Objekt und dem umgebenden Erdreich oder zwischen unterschiedlichen Erdschichten zeigt die Messung Anomalien auf. Ein Bild vom Untergrund wird über mehrere parallel nebeneinander liegende Messstrecken aufgezeichnet.

Ergebnisse einer GeoradarmessungNebenstehend das Ergebnis einer Messung mit Georadar. Es handelt sich um zwei durch eine Mauer getrennte gewölbte Kellerräume in einer verfallenen Burgruine. Die Lage der Kellerdecke ist rot gekennzeichnet.

In der Regel sind mit dem Georadar Eindringtiefen von 10 bis 15 Metern  erreichbar. Bei Objektgrößen ab einem Qubikmeter und entsprechend günstigen Kontrasten in Bezug auf die Leitfähigkeit können auch Tiefen bis 30 m erreicht werden. Grundsätzlich sinkt jedoch mit steigender Eindringtiefe die Detailauflösung. Bei durchfeuchtetem Untergrund ist die Eignung des Verfahrens eingeschränkt. Ebenso bei felsigem inhomogenem Gelände.  Eine zügige Erkundung überschaubarer Geländeflächen (ca. 50.000 m²/d bei entsprechendem Abstand der Messstrecken)  ist möglich. Gut feststellbar sind Lage, Ausmass, Breite und Tiefe vom vergrabenen archäologischen Objekten,  Mauerwerks- und Fundamentresten sowie von Hohlräumen, Rohrleitungen, Stromkabeln und Kanälen.

 

Geo-akustische Verfahren

Bei seismischen Erkundungen werden akustische Wellen eingesetzt, mit denen der Untergrund durchschallt wird. An Grenzschichten im Untergrund kommt es zur  Reflexion der Schallwellen. Die Wellen werden durch eine Schallquelle ausgelöst und an vielen, auf der Erdoberfläche ausgelegten Geophonen wieder aufgezeichnet.  Schallquellen sind dabei z.B. Sprengstoff, Hammerschläge auf eine, auf dem Boden liegende Metallplatte oder Schüsse in den Boden. Die entscheidende Größe ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Meter/sec) , die von den Wellen selbst und von der Dichte  des Untergrundes bestimmt wird. Nach der Art der Aufzeichnung der Wellen unterscheidet man Reflexionsseismik und Refraktionseismik .

Gemessen wird entlang einer Messstrecke. Beim Vorgehen im Gelände wird an einem Punkt, der Schallquelle,  die Welle ausgelöst und gleichzeitig an mehreren Geophonen registriert. Typisch sind 6, 12, 24, 48 oder mehr Geophone. Danach verschiebt man  die ganze Auslage (Quelle und Geophone) entlang der Messstrecke und um ein bis zwei Geophonabstände und durchschallt den Boden erneut. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis man das  Ende der Messstrecke erreicht hat.

Man erhält auf dise Wiese riesige Datenmengen und mehrfache Überdeckungen der Wellen an den geologischen Schichten im Untergrund . Die Daten werden dann mittels Computer zu seismischen Sektionen zusammengestellt und interpretiert.

Mit seismischen Verfahren können Eindringtiefen von mehreren tausend Metern erreicht werden, weshalb diese Verfahren bei der Suche nach Grundwasser-, Erdöl- und Erdgasvorkommen eingesetzt werden.  Hochauflösende  Nahseismik ist gut geeignet, über 30 Meter tief liegende Stollen und Bunkeranlagen nachzuweisen.

 

Thermografische Verfahren

Die Infrarot-Thermografie macht sich die Temperatur und deren Verteilung auf der Erdoberfläche zu nutze. Es gibt hochauflösende Thermografiesysteme, die pro Aufnahme  bis zu 86.400  Temperaturmessungen durchführen und Temperaturunterschiede bis zu 0,03 K Ergebnis einer Thermographieaufnahme im Jonastal messen.  Thermografische Aufnahmen aus der Luft eignen sich gut zur Durchführung großflächiger Erkundungen. Bei der Suche nach verschütteten Stollenzugängen,  Gräberfeldern, Mauerwerksresten   kann durch Aufnahmen in kurzem zeitlichen Abstand der Temperaturverlauf  an der Erdoberfläche gemessen und Anomalien lokalisiert werden.

Nebenstehend das Ergebnis einer thermografischen Analyse zum Nachweis eines verschütteten Stolleneinganges (Jonastal, Thüringen). Von einem festen, unveränderten Standort aus wurde jeweils bei Sonnenauf- und Sonnenuntergang, 1,5 Stunden (von 07.00 Uhr bis 09.30 Uhr) lang alle 4 Minuten die Temperatur an der Oberfläche gemessen.  Anhand des Temperaturverlaufes im Bereich bestimmter Flächen oder Punkte können Rückschüsse auf ehemalige Stolleneingänge gezogen werden. Die Auswertung zeigt in der rechten Bildhälfte den Temperaturverlauf an vier ausgewählten Punkten über den genannten Zeitraum im Vergleich. Dieser ist bei drei der  Punkte weitgehend gleichmäßig, während er bei einem Punkte deutlich von der Norm abweicht. Hier könnte der gesuchte Stolleneingang liegen.

 

 

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