Geophysik für Ihre Anwendungen: Einige Beispiele aus den Bereichen Grundwasser- Hydrogeologie
Neuer Artikel zur Trinkwassererschließung: Gartiser, A. und Ernstson, K. (2014): Trinkwassererschließung im Buntsandstein des Main-Spessart-Gebietes. -bbr Fachmagazin für Leitungsbau, Brunnenbau und Geothermie, 11, 54-61.
Lockergesteine
sedimentäre Festgesteine
Festgestein Karst
Festgestein Kristallin – Grundgebirge
Grundwassermodellierung
Kontamination
Wichtiges Verfahren Gravimetrie in der Grundwassererschließung
… und einige Anmerkungen zum Wünschelrutengehen
Die verbreitetsten Einsatzmöglichkeiten und die größten Erfolgsaussichten in diesen Bereichen bietet die Geophysik bei der Erkundung des geologischen Untergrundes, um Wasserbohrungen 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 wir als Geologen und Geophysiker kennen und unseren Untersuchungen und Messungen zugrunde legen. Mit diesen Gesetzmäßigkeiten, eingebunden in unsere langjährige Erfahrung, empfehlen wir Standorte, weisen auf mögliche Risiken hin oder raten von Versuchsbohren ab. Wir kennen uns in den verschiedenen Bereichen der Grundwassererschließung aus Lockergesteinen (Sande, Kiese), sedimentären Festgesteinen (Sandsteine, Kalksteine, Konglomerate, Schiefer usw.) und kristallinen Festgesteinen (Granit, Gneis usw.) aus und passen die Messverfahren und Vorgehensweisen entsprechend an.
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. Wir gehen einen Schritt weiter und modellieren aus den gemessenen Daten die elektrischen Querwiderstände, die ein relatives Maß für die Transmissivitäten, also vereinfacht gesagt für die Ergiebigkeiten, sind. Für die Anlage von Brunnengalerien, aber auch für Einzelbrunnen ist das eine optimale Vorgabe. Damit umgehen wir das große Problem der Mehrdeutigkeit bei der Auswertung von Tiefensondierungen (Äquivalenzprinzip). Im gezeigten Beispiel werden die Brunnen am besten in den dunklen Bereichen mit den höchsten Querwiderständen platziert.
Aufwendiger werden die Untersuchungen, wenn die Unterlage des sandig-kiesigen Grundwasserleiters aus elektrisch schlecht leitendem Festgestein (Kalkstein, Sandstein, Grauwacken usw.) besteht. Dann führt die Geoelektrik meist allein nicht zum Ziel, und wir müssen zusätzlich mit seismischen Messungen die Festgesteins-Oberkante ermitteln.
Dann gibt es Fälle im Lockergestein, wo weder Geoelektrik noch Seismik die gewünschten Informationen geben, aber die sonst kaum bekannte Gravimetrie optimale Ergebnisse liefert. Im gezeigten Beispiel geht es um die 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 unterschieden kann. Die Gravimetrie reagiert primär auf die grundwassererfüllten und -durchflossenen unverfestigten Kiese und zeigt im Messgebiet, wo die Orte mit den größten Zuflüssen für einen Brunnen liegen.
Beispiele sedimentäre Festgesteine
Komplexe Widerstandsmessung bedeutet nicht komplizierte, „undurchsichtige“ Messung sondern die in einem einzigen Messvorgang kombinierte Messung aus elektrischem Widerstand und Induzierter Polarisation (IP). Beide Parameter unterscheiden und ergänzen sich. Unsere Widerstandsmessungen führen wir stets komplex aus und nutzen auf Wunsch auch eine Art spektrale IP mit verschiedenen Messfrequenzen. Im gezeigten Beispiel wird deutlich, dass auf demselben Messprofil die IP die Schichtlagerung des Untergrundes viel schärfer als die reine Widerstandsmessung abbildet. In den Bändern deutlich erhöhter IP mögen sich schwebende Grundwasserstockwerke abzeichnen.
Bruchtektonik
Zur Optimierung der Lage von Versuchsbohrungen und letztlich Brunnen bei der Grundwassererschließung sind in der Regel auch geophysikalische Detailuntersuchungen notwendig. Das hier gezeigte Beispiel zeigt das Ergebnis von komplexen Widerstandsmessungen (Widerstand und Induzierte Polarisation) auf einer Fläche von 150 m x 40 m in einer Gradienten-Konfiguration. Bei dieser Erder-Konstellation 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. Im Beispiel hier liegt die Messfläche im stratigraphischen Übergangsbereich Unterer Keuper – Oberer Muschelkalk. Die komplexen lateralen Widerstandsänderungen ergeben sich primär aus einer tektonisch kontrollierten Verkarstung des kalkig-dolomitischen Oberen Muschelkalk mit eingespülten Verwitterungslehmen und eingespültem tonigen Material des Unteren Keuper. Die Interpretation der Widerstandsstrukturen (insbesondere in Form des berechneten Horizontalgradienten) führt zu Bruchsystemen mit drei unterschiedlichen tektonischen Richtungen. Die daraufhin angesetzte Bohrung erbrachte das dringend benötigte Brauchwasser (Bewässerung für einen Golfplatz) in ausreichender Menge.
Beispiele Festgestein Karst
Ganz anders sieht es im Karstgebirge mit seinen häufig ganz speziellen Grundwasserverhältnisse aus. Das Beispiel hier zeigt eine negative Eigenpotential-Anomalie, die eine breite Infiltrationszone im Karst markiert. Eine Trinkwasserbohrung im Zentrum der Anomalie war sehr erfolgreich.
Ungewöhnlich aber erfolgreich: Magnetfeldmessungen zur raschen Kartierung tiefgreifender Verkarstung im Jura-Kalkstein. Die Konturen der Magnetik-Anomalien korrespondieren mit den bekannten tektonischen Richtungen. Die deutlichen magnetischen Anomalien resultieren von magnetithaltigen tonigen Sanden der Karstfüllungen.
Beispiel Festgestein Kristallin
Auch im kristallinen Grundgebirge sind wir tätig. Dort ist die Grundwassererschließung ohne Geophysik in den meisten Fällen 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 aufzufinden, die geophysikalisch gut zu messen sind. Das hier gezeigte Beispiel stammt aus dem Granit des Fichtelgebirges. Mit VLF-Messungen, die weltweit bei der Trinkwassererschließung in Kristallingebieten eingesetzt werden, 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.
Wesentliche Daten für Grundwassermodellierungen
Synoptisches Strukturmodel aus Refraktionsseismik und Widerstandsgeoelektrik … und … modellierter elektrischer Querwiderstand als Maß für die Transmissivität.
Nicht nur bei der Trinkwassererschließung sondern generell bei Grundwassermodellierungen geben geophysikalische Messungen wichtige Basisdaten.
Kontaminiertes Grundwasser
Beispiel Kontamination: Kiesrinnen als Transportwege für CKW-kontaminiertes Grundwasser. Electrical Imaging – Pseudosektionen des scheinbaren spezifischen Widerstandes.