Geoelektrik

Widerstandsgeoelektrik

Elektromagnetik (EM)

Magnetotellurik (MT)

Weitere Verfahren der Geoelektrik

Magnetometrische Widerstands-Methode (MMR)

Radiowellen-Methode (VLF und VLF-R; Very Low Frequency)

Eigenpotential (SP; self potential oder spontaneous potential)

Mise-à-la-masse-Methode (Methode des geladenen Körpers)

Induzierte Polarisation (IP)

Electrical Imaging

MIKRO-VLF


Widerstandsgeoelektrik

Messung des spezifischen Widerstandes von Gesteinen oder anderen Materialien über direkte Einspeisung von Gleichströmen oder sehr niederfrequenten Wechselströmen in den Untergrund.

Widerstands-Tiefensondierung
Messung über einem geschichteten Untergrund zur Ermittlung von Schichtmächtigkeiten bzw. Tiefenlage von Horizonten sowie der vertikalen Widerstandsverteilung.

Widerstands-Horizontalsondierung
Messung von lateralen Widerstandsänderungen, meist zur Erfassung steil stehender Strukturen.

Electrical Imaging
Kombination von Tiefen- und Horizontalsondierung zur Untersuchung und Modellierung zweidimensionaler Widerstandsstrukturen.

Widerstands-Tomographie
Untersuchung dreidimensionaler Widerstandsstrukturen

Elektromagnetik (EM)

Teil der Geoelektrik; meist (aber nicht sehr sinnvoll) der Gleichstrom-Widerstandsgeoelektrik gegenübergestellt. Betrachtet und nutzt die elektromagnetischen Felder von kontinuierlichen (sinusförmigen) und impulsförmigen Wechselströmen. Feldaufbau im Untergrund über elektromagnetische Induktion mit Induktionsspulen oder langen linienförmigen Leitern. Wegen der ablaufenden Induktionsprozesse Name auch: Induktions-Geoelektrik.

Frequenzsondierungen (FEM)

Frequenz-Tiefensondierung: Untersuchung eines geschichteten Untergrundes.

Frequenz-Horizontalsondierung: Untersuchung steil stehender Leitfähigkeitsstrukturen, Ortung gut leitender Störkörper; meist: gute Leiter, eingebettet in schlechte Leiter, oder allgemein Kontakte von guten gegen schlechte elektrische Leiter. Messverfahren: SLINGRAM, Kompensator-Verfahren, TURAM.

2D-Frequenzsondierung zur Erfassung und Modellierung zweidimensionaler Widerstandsverteilungen.


EM-Apparatur (Ebinger TREX) für geringe Untersuchungstiefen (Bodenwiderstand; Altlasten-, Kampfmittelortung)

Impulssondierungen; transiente Messungen (TEM)

TEM-Tiefensondierungen: Untersuchung eines geschichteten Untergrundes.

TEM- Horizontalsondierungen: Untersuchung steil stehender Leitfähigkeitsstrukturen, Ortung gut leitender Störkörper.

2D-TEM zur Erfassung und Modellierung zweidimensionaler Widerstandsverteilungen.

Magnetotellurik (MT)

Messung der elektrischen und magnetischen Felder (mit geerdeten Elektroden sowie Induktionsspulen oder Magnetometern) natürlicher, im Untergrund fließender Wechselströme. Ursprung: Induktion verknüpft mit Stromsystemen in der Ionosphäre (siehe auch Geomagnetik) sowie Gewittertätigkeit der äquatorialen Zonen.

MT- Tiefen- und Horizontalsondierungen: Bevorzugt Untersuchung sehr großer Teufenbereiche und sehr großer geologischer Strukturen in Erdkruste und oberem Erdmantel.

Tellurik: Beschränkung auf Messung der elektrischen tellurischen Felder und großräumige lateraler Widerstandsänderungen.

CSAMT (Controlled Source Audio Magnetotellurics): Simulierung der natürlichen EM-Felder durch künstlich erzeugte Felder (mit sehr großdimensionierten Induktionsrahmen oder sehr langen, linienförmigen Leitern). Tiefen- und Horizontalsondierungen; Erfassung und Modellierung von 2D-Strukturen.

Radiomagnetotellurik (RMT)/ Low-Frequency Resistivity (LF-R): Magnetotellurik mit Nutzung der elektromagnetischen Felder von Rundfunksendern im Mittel-, Lang- und Ultralangwellenbereich (siehe auch VLF). Flachgründige Tiefensondierungen.

Weitere Verfahren der Geoelektrik

Magnetometrische Widerstands-Methode (MMR)

Aufbau eines sehr niederfrequenten elektrischen Feldes mit geerdeten Elektroden; Messung der Magnetfelder der im Untergrund fließenden Ströme mit Magnetometern.

Untersuchung lateraler Widerstandsänderungen, bevorzugt in größerer Tiefe bei widerstandsmäßig sehr inhomogenen oberflächennahen Schichten.

Radiowellen-Methode (VLF und VLF-R; Very Low Frequency)

Messung der elektromagnetischen Felder von Radiosendern im Ultralangwellenbereich (10 kHz – 150 kHz).

VLF: Messung des Magnetfeldes mit Antennen. Bevorzugt Untersuchung steil stehender Strukturen mit starken Widerstandskontrasten.

VLF-R (R steht für Resistivity): Messung des Magnetfeldes mit Antenne und des elektrischen Feldes mit geerdeten Elektroden. Widerstands-Horizontalsondierung (siehe auch Magnetotellurik. RMT).

Eigenpotential (SP; self potential oder spontaneous potential)

Messung des elektrischen Feldes natürlicher, im Untergrund fließender Gleichströme. Ursprung: elektrochemische und elektrokinetische Prozesse im Untergrund unter Beteiligung des Porenelektrolyten im Gestein; biophysikalische Potentiale.

Elektrochemische Potentiale durch Konzentrationsunterschiede im Porenwasser, durch Membraneffekte von Tonmineralen, durch Oxidations- und Reduktionsprozesse unter Beteiligung von Elektronenleitern (z.B. Erze; Erzprospektion) und anderes.

Elektrokinetische Potentiale durch Strömung eines Elektrolyten in einem porösen Medium. Enge Beziehung zwischen elektrischem und hydraulischem Potential; Untersuchung von Grundwasserströmungen.


Negative 5 Millivolt-Eigenpotentialanomalie über breiter Infiltrationszone im Karst.

Mise-à-la-masse-Methode (Methode des geladenen Körpers)

Eine Art Mischung aus Widerstandsgeoelektrik und Eigenpotentialmethode. Erzeugung eines elektrischen Feldes durch Einspeisung von Gleich- oder niederfrequenten Wechselströmen in einen elektrischen Leiter (Erzkörper, Grundwasserleiter, Deponie o.ä.); Messung der oberflächlichen Potentialverteilung.

Ziel: Untersuchung der Geometrie (Form, Ausdehnung, zeitliche Änderung) elektrischer Leiter.

Induzierte Polarisation (IP)

Messung transienter Effekte nach Abschalten eines Gleichstroms im Gestein (IP im Zeitbereich); Messung der Frequenzabhängigkeit des spezifischen Widerstandes (IP im Frequenzbereich; spektrale IP); Messung des komplexen spezifischen elektrischen Widerstandes mit 0°- und 90°-Phase bzw. der Phasenverschiebung zwischen eingespeistem Strom und gemessener Spannung.

IP-Effekte durch Grenzflächenprozesse im Gestein im Kontakt fluide Phase – Gesteinsmatrix. Elektrodenpolarisation im Kontaktbereich Elektronenleiter (Erz) – Ionenleiter (Porenelektrolyt); Membranpolarisation im Kontaktbereich Tonminerale – Porenelektrolyt; spezielle Effekte durch andere Stoffe im Porenelektrolyten.

Untersuchung eines geschichteten Untergrundes (IP-Tiefensondierung) und lateraler IP-Änderungen (IP-Horizontalsondierung). Erzprospektion – Permeabilität im Grundwasserleiter – organische Verbindungen im Grundwasser (Forschungsphase).

Electrical Imaging

2D- und 3D-Widerstandsmessungen (Stichworte: Electrical Imaging, Widerstandstomographie, hochauflösende Geoelektrik) haben in der Geoelektrik seit einiger Zeit beachtlich an Bedeutung gewonnen, seitdem Rechnerprogramme zur 2D- und 3D-Modellierung am PC verfügbar sind und Messgeräte mit Multielektrodenarrays auf dem Markt angeboten werden.

In Erweiterung der 1D-Geoelektrik (Tiefensondierung) und der geoelektrischen Kartierung (Horizontalsondierung) werden beide Verfahren methodisch zusammengeführt mit dem Messresultat zwei- und dreidimensionaler Verteilungen scheinbarer spezifischer Widerstände, die mit entsprechenden Verteilungen wahrer spezifischer Widerstände modelliert werden können.

Die gebräuchlichsten Elektrodenkonfigurationen sind in der oberen Abbildung skizziert, und in der unteren wird gezeigt, wie für eine Pol-Dipol-Anordnung (auch: Halbschlumberger- oder Hummel-Anordnung) die zweidimensionale Verteilung der scheinbaren spezifischen Widerstände in Form von Isolinien oder Isoflächen (englisch: pseudo section; eingedeutscht: Pseudosektion) aus einer Vielzahl von Elektrodenpositionen konstruiert wird.

Die obere Sektion zeigt das meist gewählte Konstruktionsverfahren, während in der unteren Sektion logarithmische Abstände bei den Auslagen gewählt und die Messwerte unmittelbar unter die Potentialsonden M, N projiziert sind. Obgleich methodisch viel sinnvoller, wird die logarithmische Aufstellung unverständlicherweise nur selten angewendet.

Ein Beispiel aus der Praxis im Rahmen der Trinkwassererschließung bringt die nachfolgende Abbildung, in der außer der Widerstandssektion (logarithmisch!) auch die synchron gemessene Sektion für die induzierte Polarisation (IP) gezeigt wird. Es wird hier ganz besonders darauf aufmerksam gemacht, dass in den Isoflächen der Pseudosektion zunächst keinerlei geologische Schichten oder Strukturen gesehen werden dürfen.

Pseudosektionen für scheinbaren spezifischen Widerstand und scheinbare Induzierte Polarisation (Phasenwinkel). Man beachte die merklich unterschiedlichen Verteilungsbilder für die beiden petrophysikalischen Parameter.

MIKRO-VLF

Unter MIKRO-VLF verstehen wir die Messung auch sehr schwacher Anomalien, was mit dem Einsatz einer speziellen, stativgestützten Antenne möglich ist. Während bei herkömmlichen VLF-Messungen – vor allem in der Erz- und Grundwasserexploration – vorwiegend Kippwinkelanomalien (reelle Komponente) mit Amplituden von 10, 20 oder mehr Grad gemessen werden, kann mit MIKRO-VLF eine ganze Größenordnung kleiner registriert werden. Das betrifft Anomalien von nicht mehr als 1 – 2 Grad Amplitude, was sonst die Fehlergröße konventionell gemessener VLF-Daten ist.

Ein charakteristisches Beispiel zeigt die nachfolgende Abbildung mit einem etwa 1300 m langen VLF-Profil. Es stammt aus einer Messkampagne zum Auffinden von Bruchzonen im mesozoischen Festgestein. Man erkennt außer einem lang anhaltenden Trend von negativen zu positiven Kippwinkeln mehrere deutlich ausgeprägte langwellige Anomalien mit Halbwertsbreiten der Größenordnung 50 – 100 m und sehr kleinen Amplituden.

Mikro-VLF bei der strukturellen Erkundung im Rahmen einer Mineralwasser-Erschließung.

Solche Messungen sind dann interessant, wenn gut leitende Überdeckungsbildungen und geringe Widerstandskontraste die VLF-Anomalien drastisch reduzieren. Es versteht sich, dass Morphologieeffekte und Leitfähigkeitsänderungen in der Überdeckung entsprechend viel stärker beachtet werden müssen. Vergleichbares ist z.B. aber auch bei der Mikrogravimetrie gegeben.