Grundwasser Hydrogeologie

Verbreitete Einsatzmöglichkeiten und große Erfolgsaussichten bietet die Geophysik bei der Erkundung des geologischen Untergrundes, um Bohrungen für Brunnen (Trinkwasser, Brauchwasser, Mineralwasser usw.) optimal zu platzieren. Grundwasser bestimmter Eigenschaften und ausreichender Schüttungsmengen ist nicht zufällig im Untergrund verteilt. Es gibt Gesetzmäßigkeiten, die Geologen und Geophysiker kennen und ihren Untersuchungen und Messungen zugrunde legen.

Anwendungen der Geophysik in Stichworten

Grundwasser, Trinkwasser, Brauchwasser, Betriebswasser, Mineralwasser, Thermalwasser

Erschließung; Optimierung von Versuchsbohrungen und Brunnen; im Festgestein, im Lockergestein; Grundwasserleiter, Grundwasserstauer (Geringleiter); Transmissivität; Kontaminierung; Optimierung von Schluckbrunnen, Versickerungen; Untersuchung von Quellen.

Sole Erschließung von Sole, Auslaugung, Bodensenkung, Bodenhebung

Grundwassermodellierung

 

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Gartiser, A. & Ernstson, K. (2014): Trinkwassererschließung im Buntsandstein des Main-Spessart-Gebietes. – bbr Fachmagazin für Leitungsbau, Brunnenbau und Geothermie, 11, 54-61. – Download

 

BEISPIELE

Beispiele Lockergesteine

Bei der Wassererschließung aus sandig-kiesigen Grundwasserleitern ist es üblich, mit geoelektrischen Widerstands-Tiefensondierungen die Mächtigkeiten der Sande und Kiese über tonigen Grundwassergeringleitern zu ermitteln. Man kann einen Schritt weiter gehen und aus den gemessenen Daten die elektrischen Querwiderstände modellieren, die als ein relatives Maß für die Transmissivitäten betrachtet werden können. Für die Anlage von Brunnengalerien, aber auch für Einzelbrunnen kann das sinnvoll genutzt werden. Damit umgeht man das große Problem der Mehrdeutigkeit bei der Auswertung von Tiefensondierungen (Äquivalenzprinzip). Im gezeigten Beispiel werden die Brunnen am besten in den roten Bereichen mit den höchsten Querwiderständen platziert.

Aufwendiger werden die Untersuchungen, wenn das Liegende des sandig-kiesigen Grundwasserleiters aus elektrisch schlecht leitendem Festgestein (Kalkstein, Sandstein, Grauwacken usw.) besteht. Dann führt die Geoelektrik meist allein nicht zum Ziel, und zusätzliche seismische Messungen zur Ermittlung der Festgesteins-Oberkante sind angesagt.

Dann gibt es Fälle im Lockergestein, wo weder Geoelektrik noch Seismik die gewünschten Informationen liefern. Ein ganz charakteristisches Beispiel ist eine Trinkwassererschließung aus Rheinkiesen, in die z.T. mächtige, durch Kalk dicht verkittete Bänke (Nagelfluh) einschaltet sind, die zum Wasserfluss nicht beitragen. Die Geoelektrik “sieht” die Bänke nicht bzw. kann diese in ihren Mächtigkeiten nicht auflösen, und für die Seismik bildet die allererste Bank eine harte Barriere, die sie nicht von dem Kalkstein in der Tiefe unter den Kiesen unterscheiden kann.

Hier kann die sonst kaum bekannte Gravimetrie optimale Ergebnisse liefern. Sie reagiert primär auf die grundwassererfüllten und -durchflossenen unverfestigten Kiese und zeigt im Messgebiet durch Schwereminima, wo die Orte mit den größten Zuflüssen für einen Brunnen liegen.

Beispiele sedimentäre Festgesteine

Komplexe geophysikalische Messungen bedeuten nicht komplizierte, “undurchsichtige” Messungen sondern die Kombination sich ergänzender Verfahren bei einer bestimmten Problemstellung. Geoelektrik und Seismik, Seismik und Gravimetrie und andere können sich sinnvoll ergänzen. Ein besonderer Fall ist die komplexe Widerstandsmessung der Geoelektrik. Der Begriff “komplex” ist hier aus der Wechselstromtechnik übernommen worden und bezeichnet die synchrone Messung von reeller (0° Phase) und imaginärer (90° Phase) Komponente des komplexen elektrischen Wechselstromwiderstandes. In der Geophysik entspricht das der Messung von Ohmschem Widerstand und Induzierter Polarisation (IP) der Gesteine. Beide Parameter unterscheiden und ergänzen sich.

Im gezeigten Beispiel aus einer Trinkwassererschließung wird deutlich, dass auf demselben Messprofil die IP die Schichtlagerung des Untergrundes viel schärfer als die reine Widerstandsmessung abbildet.

In günstigen Fällen sieht die Geophysik das sich bewegende Grundwasser durch die erzeugten elektrischen Strömungspotentiale (elektrokinetische Potentiale, Filtrationspotentiale).

Beispiel Bruchtektonik

Zur Optimierung der Lage von Brunnen bei der Grundwassererschließung sind in der Regel auch geophysikalische Detailuntersuchungen notwendig. Das Beispiel zeigt das Ergebnis von komplexen Widerstandsmessungen (Widerstand und Induzierte Polarisation) auf einer Fläche von 150 m x 40 m in einer Gradienten-Konfiguration. Hierbei befinden sich die Stromerder weit außerhalb der eigentlichen Messfläche, auf der das elektrische Feld mit einer Dipolanordnung der Spannungssonden engständig ausgemessen und in Werte des scheinbaren spezifischen Widerstandes und der scheinbaren IP überführt wird. Die komplexen lateralen Widerstandsänderungen ergeben sich primär aus einer tektonisch kontrollierten Verkarstung des Oberen Muschelkalk mit eingespülten Verwitterungslehmen und eingespültem tonigen Material des Unteren Keuper. Die Interpretation des berechneten Horizontalgradienten) führt zu Bruchsystemen mit unterschiedlichen tektonischen Richtungen.

Beispiel Festgestein Karst

Ganz anders sieht es im Karstgebirge mit seinen häufig ganz speziellen Grundwasserverhältnissen aus. Das Abbildung zeigt eine negative Eigenpotential-Anomalie, die eine breite Infiltrationszone im Karst markiert. Eine erfolgreiche Trinkwasserbohrung wurde im Zentrum der Anomalie abgeteuft.

Beispiel Festgestein Kristallin

Im kristallinen Grundgebirge ist die Grundwassererschließung ohne Geophysik in der Regel hoffnungslos. Versucht werden kann, mit geophysikalischen Messungen die Ausdehnung und die Mächtigkeit meist aber nur wenig Wasser führender Zersatzzonen zu erkunden. Sonst bleibt die Möglichkeit, langgestreckte Bruchzonen im Kristallingestein nachzuweisen, die geophysikalisch gut zu messen sind. Das Beispiel stammt aus dem Granit des Fichtelgebirges. Mit VLF-Messungen erkennt der Geophysiker auf drei parallelen Messprofilen sehr gut eine elektrisch gut leitende Bruchzone. Die korrelierbaren Anomalien zeigen, dass die Bruchzone hier stückweise versetzt ist (Fachausdruck: en échelon), was nicht unbedingt günstig für eine Trinkwasserentnahme ist.

Beispiel (modifiziert) aus Ernstson, K. & Kirsch, R.: Aquifer structures: fracture zones and caves. In: Kirsch (ed.) Groundwater Geophysics. A tool for hydrogeology. 493 pp, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2006.

Daten für Grundwassermodellierungen

 

Nicht nur bei der Trinkwassererschließung sondern generell bei Grundwassermodellierungen geben geophysikalische Messungen wichtige Basisdaten.

Synoptisches Strukturmodel aus Refraktionsseismik und Widerstandsgeoelektrik (oben) und modellierter elektrischer Querwiderstand als Maß für die Transmissivität.

Kontaminiertes Grundwasser

Beispiel Kontamination: Kiesrinnen als Transportwege für CKW-kontaminiertes Grundwasser. Electrical Imaging – Pseudosektionen des scheinbaren spezifischen Widerstandes.