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07.06.09 · 12:00 Uhr

In den Boden gesehen mit ERT

Kategorie: Naturwissenschaften  ·  Kommentare: 5

Im ersten Teil des Beitrag habe ich erzählt, wie man mit der Methode der Electrical Resistivity Tomography (ERT) oder einfach der Geoelektrik in den Boden sehen kann. Heute dazu zwei Beispiele, also ein bißchen bunte Bilder zum angucken :) Alle Bilder sind anklickbar für eine Großansicht.

Deichmodell

Das erste Beispiel stammt aus meiner Doktorarbeit/dem ersten Paper. In Karlsruhe gibt es diesen wunderbaren Modelldeich, also ein vollmaßstäbliches Modell eines Flussdeiches, an der Bundesanstalt für Wasserbau:

Das schöne ist: Hier hat man ein Laboratorium, auf dem man auf einem homogen aufgebauten Objekt messen kann, und auch noch Wassergehalte erzeugen kann, die man in der Natur nicht einfach erreicht. Denn das Modell kann man links einstauen, also den Wasserstand im Becken erhöhen. Dann wird sich ein gesättigter Bereich im Deich ausbilden, der sich bis rechts auf der Landseite erstreckt, wo ein Drän im Fuß des Deiches das Wasser ableitet.
Wir haben den Deich senkrecht zur Krone mit ERT instrumentiert, eine Linie mit 48 Elektroden von der Krone bis zum Fuß des Deichmodells, und während simulierten Regenereignissen und einem Einstauversuch gemessen. Hier eine Zeitlinie des Einstauversuches, gesehen von der Oberfläche mit ERT:

Die Farben hin zu blau zeigen niedrigeren elektrischen Widerstand, man sieht auch den Verlauf des gesättigten Bereiches und den Wasserstand im Becken mit einer schwarzen Linie gekennzeichnet. Ihr könnt also in den letzten Bildern in den ERT-Daten deutlich identifizieren, dass hier der Widerstand abgenommen hat, hier sieht man also das Wasser! Jetzt kann man das umrechnen in Änderungen im Wassergehalt und verknüpfen mit einer Messung oder Abschätzung des Wassergehaltes mit einer anderen Methode, um den Wassergehalt permanent zu überwachen, z.B. so im eingestauten Zustand:

Im violetten Bereich hat es Auflösungsprobleme gegeben durch die initiale Methode, aber der ganze blaue Bereich hat schön den richtigen Wassergehalt!

Feldmessung

Jetzt zurück zum konventionelleren Einsatz von ERT, aber hochaufgelöst. Wir haben jetzt hier einen Tag Messkampagne auf dem Feld gehabt, wo in den nächsten Wochen immer wieder verschiedene Verfahren eingesetzt werden sollen, um verschiedene Eigenschaften des Bodens zu überwachen. Entlang des größten Transekts habe ich (mit viel guter Unterstützung beim Aufbauen) eine ERT-Messung gemacht, um ein gutes Bild des Untergrundes zu bekommen. Unsere neue Geoelektrik-Kiste hier kann bis zu 120 Elektroden ansteuern, und auch noch auf bis zu 10 Kanälen gleichzeitig messen, was viel mehr Kombinationen in gleicher Zeit zulässt. Wenn man sich die Dipol-Dipol-Konfiguration ansieht, kann man sich vorstellen, nicht nur an einem Dipol die Spannung zu messen, sondern gleich daneben an noch einem, usw., an bis zu 10 Stellen halt. So kann man in der Zeit, in der ich in Karlsruhe mit der einfacheren Geoelektrik 340 Kombinationen gemessen habe (30-40 Minuten), die zehnfache Menge messen. Verblüffend!
Die Messstrecke war 120 m lang, für eine gute Auflösung wollten wir 0,25 m Elektrodenabstand haben.
Deswegen haben wir ein Roll-Along-Array gewählt. Das funktioniert so:

Links in Farbe sieht man die Kombinationen, die mit der ersten Messstrecke gemessen werden. Das sind 120 Elektroden über 30 m Strecke. Hat man die gemessen, nimmt man die ersten 60 Elektroden, hämmert die am anderen Ende wieder ein, schließt es alles an und misst die grauen Punkte, die sich anschließen. Die Software hilft diese Kombinationen automatisch zu berechnen. Das wiederholt man dann, bis man die gesamten 120 m überwunden hat.
Und so sieht das im Feld aus:

Wir waren mit einem Haufen Leute da, und haben mit vielen Methoden entlang der Strecke gemessen, u.a. Bodenradar:

Elektromagnetischer Induktion:

Und der großen Offground-Radar-Antenne, die vom Unimog gefahren werden muss:

Bei der Auswertung meiner Messung dann erstmal ein Schreck: Sehr viele der Messungen haben leider ein flasches Ergebnis gelifert. Vielleicht, weil die interne Batterie nicht genug Strom geliefert hat. Trotzdem bleiben über 8300 Kombinationen (von ca. 15000) übrig, genug für ein schönes Bild des Untergrundes:

Man sieht schön eine 20-30cm mächtige Bodenschicht, darunter ein anderes Material. Gerade in den blauen Bereichen fehlen viele Messungen, da ist durch die Regularisierung dann einiges mehr oder minder interpoliert worden, aber der Fehler ist klein dank der hohen Auflösung, daher habe ich ziemliches Vertrauen in dieses Ergebnis (stimmt auch mit ersten Ergebnissen vom Radar überein). Nur die Kanten zwischen den Bereichen, da würde ich mich generell nicht zu sehr drauf verlassen, eben wegen der Regularisierung. Und diese vertikalen Streifen, das liegt auch an der Art des Array, mit mehr wesentlich kürzeren Abständen zwischen den Elektroden als zwischen den Tiefenniveaus. Aber die Art des Untergrundes mit einem Bereich höheren Widerstandes zwischen 30 und 50 m, und nochmal zwischen 80 und 90 m, das ist real. Oben wird die Bodenschicht nach rechts trockener (vormittags hat es geregnet und dann wurde es sonniger im Verlauf der Messung, das Bild ist ja schließlich aus Messungen über 4 Stunden zusammengesetzt), daher ist es schwierig zu interpretieren ob dort wirklich der Widerstand zunimmt oder ob es nur trockener geworden ist. Aber bei 24 m scheint wirklich ein Übergang in den Widerständen in der Bodenschicht zu sein, passt auch zusammen mit der Grenze in der tieferen Schicht.

 

Autor: Jörg· 5 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

Tags: deich· deichmodell· electrical resistivity tomography· elektrischer strom· ert· experiment· feld· forschung· geoelektrik· geophysik· hydrogeophysik· hydrologie· messen· radar· wasser· wassergehalt