Tiefengeoelektrik

Geoelektrische Messungen können oft wesentliche Beiträge zur geologischen Erkundung liefern. Um große Erkundungstiefen, z.B. bei der Abbildung von Störungszonen, zu erreichen, führen wir Dipol-Dipol-Experimente mit einer selbst entwickelten Hochstromquelle und autark messenden 3-Kanal-Datenloggern durch.

Die Tiefengeoelektrik stellt eine Besonderheit des Instituts dar. Seit den 70er Jahren wurden zahlreiche Schlumberger-Sondierungen mit Halbauslagen bis 5km vermessen, um für verschiedene geologische Fragestellungen Hinweise über die elektrischen Eigenschaften des tiefen Untergrundes zu geben. Alternativ zu den klassischen Sondierungen können großskalige Dipol-Dipol-Experimente Informationen über den 2D/3D Aufbau des Untergrundes liefern. Dabei erfolgen Stromeinspeisung und Spannungsmessung durch Dipole begrenzer Länge, aber großen Abständen bis zu mehreren km. Zur Stromeinspeisung kommt ein Eigenbau-Hochstromquelle zum Einsatz, die mit einer Leistung von 40kVA bei maximaler Spannung von 1500V Stromstärken bis 50A in den Boden einspeisen kann. Die Rechtecksignale können damit in großer Entfernung noch detektiert werden und eine große Eindringtiefe garantieren.

Die Messung der Signale erfolgt kontinuierlich mit Hilfe von Datenloggern, früher mit niederfrequenten Magnetotellurik-Datenlogger der Universität Frankfurt. Zur besseren Kontrolle der Aufzeichnung und verbesserten Datenqualität wurde allerdings ein fernsteuerbarere Datenlogger am LIAG entwickelt, der dreikanalig bis 1kHz Samplingrate aufzeichnen kann. Zur Auswertung der Zeitreihen wurde ein neuer Algorithmus auf Basis der Lock-In-Technik entwickelt, der robuster und genauer als die etablierten Methoden Stapelung und FFT Auswertung ist (Oppermann & Günther, 2018).

Für die Erstellung von 3D-Modellen werden leistungsfähige Modellierungs- und Inversionsverfahren auf der Basis von Finiten Differenzen und Finiten Elementen eingesetzt und weiter entwickelt. Durch synthetische Modelle und Sensitivitätsstudien wird das Verständnis der gemessenen Anomalien und ihr Auflösungsvermögen definiert. Besondere Berücksichtigung erfährt dabei die Berechnung des scheinbaren spezifischen Widerstandes als (makroskopischer) Tensor mit Hilfe von je zwei Einspeisungs- und Messrichtungen. Das Institut kooperiert dabei eng mit den Universitäten in Leipzig und Frankfurt, die wertvolle Erfahrungen in der Tiefengeoelektrik gemacht haben.

Seit 2005 hat die Arbeitsgruppe in einer Reihe von Projekten und Messkampagnen zur zwei- und dreidimensionale Erkundung des Untergrundes beigetragen. Darüber soll hier ein kurzer Überblick gegeben werden:

Messkampagnen

Cuxhaven-Bremerhavener Rinne

Die erste Messkampagne wurde im Frühjahr 2006 im Gebiet der Cuxhaven-Bremerhavener Rinne im Rahmen des Burval-Projekts durchgeführt. Ziel war die Erkundung der Sedimentverteilung innerhalb und außerhalb der dort vorhandenen quartären Rinne. Dazu wurden an 21 Stationen mit je 3 Messrichtungen die Signale von knapp 30 Einspeisungen registriert. Zentraler Punkt in der Methode ist eine entwickelte Zeitbereichsmethode auf Basis einer Ausgleichsrechnung. Die Auswertung gibt Aufschluss über die Verteilung von Tonen, Süß- und Salzwasser in einem Tiefenbereich, der die EM-Messungen nach unten hin ergänzt (Schünemann et al. 2007).

Kinzig-Tal

Ähnliche Aufstellungen wie im vorigen Projekt wurden im Herbst 2006 unter Leitung der Universität Frankfurt im Bereich der Kinzigtalsperre (zwischen Frankfurt und Fulda) realisiert. Ziel  war die Erkundung von Störungszonen zwischen Vogelsberg und Spessart. Dabei wurden erstmalig Unterwasser-Stationen erfolgreich betrieben. Die Auswertung floss in die Doktorarbeit von Thomas Agricola (Universität Frankfurt) ein. Anders als im Cuxhaven-Projekt wurden hier Frequenzbereichsmethoden untersucht. 

Hoher Vogelsberg

Der Vogelsberg ist der einzige Schildvulkan und zugleich das größte Basaltmassiv Europas. Ziel der Messkampagne im Sommer 2008 war ein möglicher endogener Lavadom am Rand der Caldera. Dazu wurden 21 Empfänger-Stationen mit 2 oder 3 Mess-Richtungen aufgebaut. An 13 Senderstationen wurden in 2 senkrechte Richtungen Ströme bis 30A eingespeist. Zum ersten Mal konnte eine vorhandene Bohrung, die 300m tiefe Forschungsbohrung Eschenwald, zur Einspeisung genutzt werden. Die Auswertung lieferte Einsicht in die Ausbreitung des vulkanischen Materials (Agricola, 2017). 

Leinetalgraben (Projekt gebo-G2)

Im Rahmen des Geothermie-Projekts gebo-G2 wurden 2010 und 2011 großskalige Untersuchungen an der Ostrandstörung des Leinetalgrabens mit Seismik und Tiefengeoelektrik durchgeführt. Dabei wurden seismische Reflektoren als Strukturinformation in die Inversion eingebaut, woduch ein deutlich verbessertes Abbild des Untergrundes erreicht werden konnte (Günther et al., 2011). 

Briesen (SaMoLEG-Projekt)

Im Rahmen des BFBF-Projekts SaMoLEG (Salzwasser-Monitoring mittels Langelektroden-Geoelektrik) wurde in den Jahren 2013 und 2014 auf einer 4x3km großen Fläche zwei große 3D-Experimente unter Verwendung von stahlverrohrten Bohrlöchern als lange Elektroden durchgeführt (Günther et al., 2015). Damit konnte die Salzwasser-Intrusion im Raum Briesen dreidimensional abgebildet werden (Ronczka, 2015). Dabei kam zum ersten mal der selbst entwickelte Datenlogger (Oppermann & Günther, 2017) zum Einsatz. 

Esperstedter Ried (Bad Frankenhausen)

Ziel der im Rahmen der Nachwuchsgruppe Subrosion wurden im Bereich der Subrosions-Senke Esperstedter Ried seismische und geoelektrische Untersuchungen zur Abbildung der Kyffhäuser-Südrand-Störung sowie der durch Salzwasser-Aufstieg beeinflussten Sedimente durchgeführt. 

Schleiz (DESMEX-Projekt)

Im Rahmen der Vorerkundung im Testgebiet des BMBF-Projekts DESMEX wurden 2015 und 2016 zwei jeweils 4.5km lange Tiefengeoelektrik-Profile mit jeweils 36 Elektroden im Abstand von 125m durchgeführt, die dann zu einem 7.5km langen Profil kombiniert wurden. 

Eger-Graben (EgerERT-Projekt)

Im DFG-geförderten Projekt "Large-scale geoelectrical survey in the Eger Rift zone (W-Bohemia) at proposed PIER-ICDP fluid monitoring drill sites to image fluid-related conductivity structures" (EgerERT) geht es in Zusammenarbeit mit der Universität Leipzig um die Abbildung fluid-relevanter Strukturen im Bereich der Pozatky-Plesna-Störungszone. Dazu wurde im Jahre 2017 ein 6km langes Profil vermessen.

Publikationen

  • Günther, T., Rochlitz, R. & Oppermann, F. (2017): A processing workflow for large-scale ERT: the example pre-investigation in Schleiz (DESMEX). Poster, 77. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft (DGG), 27.-30.03.2017, Potsdam.
  • Agricola, T. (2017): Großskalige 3D-Geoelektrik im Hohen Vogelsberg und auf dem Seeboden der Kinzigtalsperre. PhD thesis, Universität Frankfurt.