Elektrische Verfahren

Geoelektrik

Geoelektrische Verfahren bestimmen die Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes im Boden. Beim so genannten Gleichstromverfahren werden Widerstandsmessungen in Form von Strom-Spannungsmessungen in verschiedenen Elektrodenkonfigurationen ausgeführt. Dazu wird im Boden zwischen zwei Elektroden ein Stromfluss erzeugt. Die zufolge des elektrischen Feldes im Untergrund an der Oberfläche vorhandenen Potentialdifferenzen werden über zwei weitere Elektroden gemessen. Der Abstand der Stromelektroden bedingt eine bestimmte "Erkundungstiefe" der Messanordnung. Da der Untergrund normalerweise geschichtet ist, ändert sich das Messergebnis mit diesem Abstand, man spricht daher von einem "scheinbaren spezifischen Widerstand" für eine bestimmte Messanordnung. In Abhängigkeit vom Elektrodenabstand erhält man "Sondierungskurven".

Das Gleichstromverfahren kann für zwei Aufgabenstellungen eingesetzt werden: Die Tiefensondierung an einem Messpunkt ermittelt unter Annahme horizontaler Schichtung und eines Schichtmodells die spezifischen elektrischen Widerstände und die Mächtigkeiten dieser Schichten (1D-Sondierung). Die Kartierung entlang eines Messprofiles ermittelt die laterale Widerstandsverteilung für eine bestimmte Erkundungstiefe.

Besonders bewährt hat sich die Sondierungs-Kartierung, die beide Verfahren zusammenführt und die mit Multielektroden-Anordnungen ausgeführt wird. Damit besteht die Möglichkeit zweidimensionale Widerstandsstrukturen zu modellieren (2D-imaging). Die einfachste Form der Darstellung der Ergebnisse von Multielektrodenmessungen ist der "Pseudotiefenschnitt". Dabei werden die gemessenen scheinbaren spezifischen Widerstände in Form einer Tiefensektion dargestellt. Da es sich weder um wahre Tiefen noch um wahre spezifische Widerstände handelt, gibt diese Ergebnisdarstellung nur einen qualitativen Eindruck von der tatsächlichen Widerstandsverteilung. Diese kann durch zweidimensionale Modellrechnungen bestimmt werden. Die Modelle werden dabei iterativ an die gemessenen Werte angepasst.

Elektromagnetik

Die elektromagnetischen Messverfahren umfassen eine sehr große Gruppe von Messmethoden, die den Untergrund unter der Verwendung von elektromagnetischen Signalen erkunden. Die Ausbreitung von elektromagnetischen Signalen wird durch die Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante der Gesteine im Untergrund bestimmt.

Elektromagnetische Signale können in einem weiten Frequenzbereich, der sich von unter einem Hertz (Magnetotellurik) bis zu mehreren Gigahertz (Radar) erstreckt, erzeugt werden. Je nach Anwendungsgebiet werden die geeigneten Frequenzen verwendet, wobei die Signale sowohl aktiv über Sender erzeugt werden können (z.B. Slingram, Turam, Controlled Source Audio Magnetotellurik (CSAMT)) als auch passiv bereits vorhandene elektromagnetische Signale, die sich auf Grund verschiedenster Ursachen im Erdboden ausbreiten verwendet werden (z.B.Magnetotellurik, Audio Magnetotellurik (AMT)). Passiv können auch technische Signale z.B. die elektromagnetischen Wellen, die von militärischen Sendern (Very Low Frequency –VLF-Verfahren) zum Zweck der Kommunikation mit U-Booten ausgestrahlt werden (Reichweiten bis 5000km) für geophysikalische Zwecke verwendet werden. VLF Messungen können aber auch aktiv unter Verwendung eines eigenen Senders durchgeführt werden.

Bei der Anwendung passiver Verfahren ist der gerätetechnische Aufwand etwas geringer, da im Feld nur ein entsprechendes Empfangsgerät ausreichend ist, während bei den aktiven Verfahren das elektromagnetische Signal zusätzlich mit einem Sender erzeugt werden muss.

Die erzielbare Eindringtiefe elektromagnetischer Verfahren hängt auf Grund des Skineffekts im Wesentlichen von der verwendeten Messfrequenz ab, je niedriger die Frequenz, desto größer ist die Eindringtiefe. Somit erstreckt sich die Eindringtiefe vom cm-Bereich (Radar) bis in den Bereich von mehreren 10er Kilometern (Magnetotellurik).

Prinzipiell unterscheidet man Nahfeldverfahren (niedriger Frequenzbereich), bei denen die Messgeometrie klein im Vergleich zur Wellenlänge des elektromagnetischen Signals ist und Fernverfahren (hoher Frequenzbereich), bei denen die verwendete Wellenlänge kleiner als das Untersuchungsobjekt ist. Zu den Fernverfahren, bei denen die Ausbreitung, Reflexion und Dämpfung der elektromagnetischen Wellen erfasst werden muss zählen die Radarverfahren. Diese sind in einem eigenen Punkt beschrieben.

Nachfolgend wird daher nur die elektromagnetischen Nahfeldmethoden näher eingegangen.

Bei den aktiven Nahfeldverfahren wird im Untergrund ein Wirbelstrom induktiv über eine mit Wechselstrom beschickte Spule erzeugt. Die Stärke des erzeugten Wirbelstromes ist direkt proportional zur Leitfähigkeit des Untergrundes. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits wiederum elektromagnetische Sekundärfelder, deren Stärke und Phasenverschiebung über eine Empfängerspule gemessen werden kann. Damit kann ein zur Leitfähigkeit des Untergrundes proportionales Messsignal erhalten werden. Im Unterschied zu den Gleichstromverfahren ist damit kein direkter Kontakt mit dem Untergrund notwendig, sodass es möglich ist, diese Verfahren auch unter Verwendung von Luftfahrzeugen einzusetzen (Aeroelektromagnetische Verfahren). Damit können große und möglicherweise am Boden schwer zugängliche Gebiete sehr effizient vermessen werden. Auch bei Messungen am Boden ist damit der Messfortschritt größer als bei gleichstromgeoelektischen Methoden.

Weiters unterschieden werden können elektromagnetische Breitbandverfahren (Transiente EM-Verfahren) – hier werden Signale in einem breiten Frequenzband erzeugt und Verfahren die mit scharf abgegrenzten Frequenzen arbeiten. Über die transienten Verfahren lassen sich sowohl Geometrie- als auch Leitfähigkeitsinformationen ableiten, wobei diese Verfahren aber anfälliger auf Störsignale sind. Bei den schmalbandigen Verfahren lassen sich Störfrequenzen sehr effektiv durch Filter eliminieren.

Einfrequenzverfahren liefern nur Informationen von einem eingeschränkten Tiefenbereich der durch die eingesetzte Frequenz und dem Abstand von Sender und Empfänger bestimmt wird. Diese Verfahren können daher zur profil- bzw. flächenmäßigen Kartierung eingesetzt werden. Sind zusätzlich Informationen von verschiedenen Tiefenbereichen notwendig müssen Multifrequenzverfahren bzw. Transiente Verfahren eingesetzt werden.