Bodenradar – Georadar

Bodenradar – Georadar – Ground Penetrating Radar (GPR)

Ein großartiges geophysikalisches Messverfahren – es verstehen und missverstehen (oder Gebrauch und Missbrauch)

1 Was ist Bodenradar, was ist Radar? Das gemeinsame Prinzip

Abb. 1. Das gemeinsame Prinzip aller Radar-Messungen.

2 Bodenradar in der Geophysik

Geologie – Ingenieurgeologie – Hydrogeologie – Baugrunderkundung – oberflächennahe Geothermie – Kampfmittelräumung – Archäologie 
Das Prinzip in der Geophysik: Reflexionsseismik mit anderen Mitteln

Von an der Erdoberfläche (z.T. auch in Bohrungen) geführten Antennen werden hochfrequente elektromagnetische Signale in den Untergrund abgestrahlt (Sendeantenne), an Diskontinuitäten (Einzelobjekten, Schichtgrenzen) reflektiert und – zurück an der Oberfläche – mit einer Empfangsantenne registriert (Abb. 2). Eine hoch präzise Zeitmessung der Laufzeit zwischen Senden und Empfangen zusammen mit der Geschwindigkeit der Signalausbreitung bestimmt die Länge des Laufweges, also Objekt- oder Schichttiefe (Abb. 1). Eine direkte und enge Beziehung zur Reflexionsseismik ist gegeben (Abb. 3).

Abb. 2. Das Prinzip aus Abb. 1 – angewandt auf das Bodenradar in der Geophysik.

 

Abb. 3. Die Verwandtschaft von Bodenradar (links, Radar-Equipment) und Reflexionsseismik (rechts, Hammerschlagseismik und Vibroseis).

3 Die Messgeräte

Abb. 4. Verschiedene Typen moderner Bodenradar-Messapparaturen.

Während die hier in Abb. 4 gezeigten Messgeräte zu den Ausrüstungen gehören, die in der Geophysik ihren – z.T. seit sehr langer Zeit – respektablen Ruf haben, gibt es eine Reihe von Radargeräten, bei denen das eher fraglich ist. Meist sind es einfache, und häufig billigste Geräte, die vor allem in den Schatzsucher-Szene Verbreitung finden (mit bereits einschlägig verräterischen Namen wie GOLD RADAR), denen sehr häufig unglaubliche Fähigkeiten und Erfolgsgeschichten zugeschrieben werden und die unglücklicherweise auch bei Bauingenieur-Arbeiten von Geophysik-Laien mit durchweg fraglichen Ergebnissen eingesetzt werden. Erinnert wird an die in den Medien eine Zeitlang hochgehaltene Geschichte von dem angeblich mit Georadarmessungen erkannten Nazi-Goldzug in einem polnischen Bergwerk, wo das benutzte Gerät, für das niemals Details zur Funktionsweise bekannt wurden, den Zug in ca. 50-60 m Tiefe erkannt haben wollte und sogar ein Auswertebild des Radar mit dem manifestierten Goldzug in dieser Tiefe zeitweise im Internet die Runde machte.

Obgleich sich der Ruf nach Scharlatanerie aufdrängte und aus der Wissenschaft vernichtende Beurteilungen kamen, war Radar bei Bodenuntersuchungen plötzlich in vieler Munde. Bis heute, einige Jahre nach der angeblichen Entdeckung des Goldzuges und ziemlich kostspieligen (man redet von mehreren 10 000 Euro) Erkundungen mit Bohrungen, Schürfen und erneuten Messkampagnen, haben sich nicht die geringsten Anhaltspunkte für die Existenz eines solchen Zuges ergeben und die „Schatzsucher“ wohl aufgegeben. Diese Geschichte leitet über zum nächsten wichtigen Punkt bei Bodenradar-Messungen: Untersuchungstiefen und Auflösungsvermögen.

4 Ein enger Zusammenhang beim Bodenradar: Wie tief kann ich mit Bodenradar-Messungen schauen, und was kann ich mit der Methode an Strukturen und Objekten auflösen?

Bodenradar gehört, physikalisch gesehen, zu den Prozessen mit Wellenausbreitung. Die Geschwindigkeit ist ein Merkmal der Ausbreitung, und ein wichtiger Parameter ist die Frequenz bzw. die inverse Größe der Wellenlänge. Das gilt für die verschiedensten Prozesse wie die Wellenausbreitung auf Wasseroberflächen, Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen (z.B. Radiowellen, Licht) oder Schallwellen (in der Geophysik: seismische Wellen).

Frequenz  phi (die wir bereits bei den Radar-Antennen kennengelernt haben) und Wellenlänge  sind mit der Geschwindigkeit v der Wellenausbreitung (die uns weiter oben beim Prinzip der Radar-Messung (Abb. 1) begegnet ist) verknüpft:

Nehmen wir aus der Abb. 2 für die Geschwindigkeit 0,1 m/ns und für die Frequenz 400 MHz, so erhalten wir eine Wellenlänge von

und gerechnet

Dies ist eine sehr stark vereinfachende Darstellung des Zusammenhanges von Geschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz beim Bodenradar, die aber die generellen Merkmale des Auflösungsvermögens (Abb. 5) gut verdeutlicht. Tatsächlich ist es so, dass die Bodenradar-Antennen keine Mono-Frequenz sondern ein Frequenzband mit einer Schwerpunktfrequenz, in Sonderausführungen auch Impuls- oder frequenzmodulierte Signale (siehe weiter unten) abstrahlen, was an der generellen Physik aber nichts ändert.

Abb. 5. Zum Auflösungsvermögen von wellenförmigen Signalen.

Modulierte Signale kennen wir z.B. vom Rundfunk, bei dem niederfrequente und hochfrequente Signale zusammengeführt und abgestrahlt werden, um die Vorteile beider Charakteristika miteinander zu verknüpfen. Schatzsucher oder andere, der Geophysik eher fernstehende Laien, sind beim Bodenradar damit meist überfordert.

Alle Wellenausbreitungen in einem Medium unterliegen einer Schwächung mit zunehmender Entfernung. Das kann unterschiedlichen Prozessen zugeschrieben werden, aber in aller Regel gilt, dass langwellige (niederfrequente) Schwingungen (Signale) weniger als kurzwellige (hochfrequente) Schwingungen geschwächt werden. In dem speziellen Bereich der Oberflächenwellen-Seismik nutzt man z. B die Abhängigkeit der Eindringtiefe der Wellen von ihrer Wellenlänge, um Strukturen zu erkunden, und bei allen elektromagnetischen Verfahren der Geophysik spielt der sogenannte Skin-Effekt (Haut-Effekt) eine ganz entscheidende Rolle. Er ist eine Folge der elektromagnetischen Selbstinduktion in elektrischen Leitern und maßgeblich von der Frequenz des Signals und der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums abhängig.

Als Skintiefe d wird die Tiefe bezeichnet, in der – geologisch-geophysikalisch gesehen – die Stärke (Amplitude) des Signals an der Erdoberfläche auf 1/e (e = Eulersche Zahl, e = 2,81), also grob ein Drittel abgefallen ist. Mit üblichen Maßeinheiten hat man, d in Metern,

Der vielfach benutzte Begriff der Eindringtiefe der elektromagnetischen Signale für die Größe d ist grundsätzlich unbrauchbar und letztlich auch bei Bodenradar-Messungen nicht hilfreich, wie Proberechnungen mit der Formel rasch zeigen. Denn mögliche Untersuchungstiefen hängen natürlich ganz erheblich von der eingebrachten Energie der Sender-Antennen ab und können auch sehr stark von reinen Oberflächeneffekten wie Bodenbeschaffenheit (Vegetation, Durchfeuchtung, Versiegelungen usw.) und Ankopplung an den Boden beeinflusst werden. Nicht vergessen werden darf der entscheidende Punkt, dass ein erfahrener Bodenradar-Anwender mit ausgeklügelter Datenverarbeitung, Auswertung und Interpretation die möglichen Untersuchungstiefen ganz erheblich mitbestimmen kann.

Aber qualitativ wichtig ist die Formel schon. Sie sagt beim spezifischen Widerstand r im Zähler und bei der Messfrequenz f im Nenner, dass in elektrisch schlecht leitenden Gesteinen und bei niedrigen Messfrequenzen höhere Untersuchungstiefen erzielt werden. Umgekehrt können gutleitende Gesteine die Untersuchungstiefen drastisch reduzieren, was durch den Einsatz von Antennen höherer Frequenzen einleuchtender Weise erheblich gefördert wird. Elektrisch sehr gut leitende Gesteine wie Tone, Tonsteine, Lehme, Mergel können für Antennen im Hunderter-Megahertzbereich schon bei 1 m Überdeckung das Ende der Messung bedeuten oder abrupt die Untersuchung an einer solchen, in der Tiefe anstehenden Schicht beenden.

Andererseits können in elektrisch sehr schlecht leitenden Gesteinen im Kristallin-, Kalkstein- oder Salzgebirge ganz erhebliche Reichweiten und Untersuchungstiefen erzielt werden, insbesondere wenn niederfrequente Antennen höherer Leistung zum Einsatz kommen (Abb. 6). Die Konsequenz: Bei Bodenradar-Messungen tun man gut daran, sich mit den elektrischen Leitfähigkeiten von Böden und Gesteinen zu beschäftigen, was in vielen Fällen zu der sehr sinnvollen Kombination von Bodenradar-Messungen und Widerstandsmessungen der Geoelektrik führt.

Abb. 6. Große Untersuchungstiefen mit langwelligen Bodenradar-Signalen (25 MHz-Antenne) im Kalksteingebirge. Quelle RTG, R.Tengler. Viele Beugungseffekte charakterisieren das Radargramm (siehe weiter unten).

Anschaulich führt die Formel für die Skintiefe die beiden zuvor erörterten Gesichtspunkte bei Bodenradarmessungen, Auflösungsvermögen und Untersuchungstiefe, zusammen. Wir lesen ab:

Signale tiefer Frequenzen (= großer Wellenlängen) dringen weiter ein, haben dabei aber ein geringeres Auflösungsvermögen, was gleichermaßen Einzelobjekte und Schichtdicken betrifft. Umgekehrt lösen Radarsignale hoher Frequenzen (= kleine Wellenlängen) besser auf bei gleichzeitig reduzierter Eindringtiefe.

Vielfach erweist es sich dann als klug, bei einem Projekt nacheinander mit zwei oder sogar drei Antennen unterschiedlicher Frequenz zu messen (Abb. 7), um optimale Ergebnisse zu erhalten, was natürlich stets den Faktor Kosten impliziert.

Abb. 7. Kombinierte Bodenradar-Messung mit 200- und 400 MHz-Antennen zur Kanaldamm-Untersuchung. Untersuchungstiefen und Auflösungsvermögen ergänzen sich.

5 Bodenradar und das Wasser

 

Mit der Sonderstellung der hohen (relativen) Dielektrizitätskonstante von 80 für Wasser wird der besondere Einfluss von Porosität, Korngrößen und Kapillarität in den mit dem Bodenradar erreichbaren Schichten offenkundig, und sehr viele Fehlschläge bei Radarmessungen resultieren einfach aus einem zu „sorglosen“ Umgang mit diesen wichtigen Parametern. Der Einfluss des Wassers zeigt sich an einigen charakteristischen Werten für trockenen Sand (Dielektrizitätskonstante 3–5), wassergesättigten Sand (20–30), dichte Kristallingesteine (um 5), Schluff, Ton (bis 40) und dichten Kalkstein (4-8). Bei der Dielektrizitätskonstanten 1 pflanzen sich die Radarsignale in der Luft mit der Lichtgeschwindigkeit von 0,3 m/ns fort, um im Gestein um ganz grob den Faktor 10–20 zurückzugehen. Im Wasser beträgt die Geschwindigkeit 0,033 m/ns.

6 Spezielle Radarsignale: Beugungseffekte (Diffraktionen)

Typisch für Wellenvorgänge sind außer Reflexionen an Grenzen zu anderen Medien Beugungseffekte (Diffraktionen). Im Physikunterricht lernt man über Lichtbeugung an schmalen Öffnungen, und an Meeresküsten sieht man Beugungseffekte von Wasserwellen an Hindernissen (Inseln, Dämme, Durchlässe usw.) (Abb. 8). In der Seismik sind Diffraktionen meist unerwünscht, weil sie für Unschärfe in den Seismogrammen sorgen, aber in der Regel mit einem Datenprocessing beseitigt werden können. Aspekte der Diffraktion übertragen sich wegen der engen Verwandtschaft von Seismik und Bodenradar auch auf letzteres (Abb. 9), wenngleich beim Bodenradar vielfach ganz gezielt auf gewünschte Diffraktionen in den Radargrammen geachtet wird (Leitungssuche, Hohlraumerkundung) (Abb. 10).

Abb. 8. Diffraktion von Wasserwellen.

Abb. 9. Modelle für Bodenradar-Anwendungen mit charakteristischen Radargrammen bei Diffraktion. Eine Modellierung der Hyperbelkrümmung erlaubt bei der Auswertung von Radargrammen die Ableitung der Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Abb. 10. Bodenradar-Diffraktionshyperbeln über unbekannten technischen Konstrukten im Untergrund.

7 Reflektoren über der Erdoberfläche: Zäune, Leitungen, Bäume

Obgleich Radarantennen meist so konstruiert sind, dass sie die Signale bevorzugt etwa kegelförmig in den interessierenden Untergrund schicken und Abstrahlungen zur Seite und nach oben durch instrumentelle Abschirmungen reduziert werden, kann es immer wieder zu Einstreuungen reflektierter Signale durch Leitungen, Zäune, Bäume usw. kommen. Da diese sich in Luft praktisch mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen, erkennt man sie im Radargramm in der Regel durch eine passende Krümmung der Reflexionshyperpel (Abb. 11). Haben echte Reflektoren im Untergrund, z.B. geologische Schichten, aber dieselbe Krümmung, mögen Überprüfungen notwendig werden (Abb. 12).

Abb. 11. Starke Reflexion an einer Hochspannungsleitung mit typischer Hyperbelkrümmung im Radargramm.

Abb. 12. Mögliche Fehlinterpretation bei Diffraktion aus der Luft: hier dichtbelaubte Baumkronen am Rande der Messfläche.

8 Bodenradar – von den Anfängen bis heute

Als vor grob 30 Jahren die ersten Bodenradar-Geräte auf den Markt kamen, erregten Anzeigen wie die in Abb. 13 beträchtliches Aufsehen, und z.B. in vielen Gemeinden war man rasch überzeugt, damit das Wunderwerkzeug für die Ortung aller Leitungen, Schächte und grundsätzlich aller sonstigen Problemstellen zu Händen zu haben. Und die Bürgermeister kauften die Geräte, mussten dann aber sehr (!) schnell feststellen, dass alle Versprechungen mehr oder weniger für die Katz waren, solange nicht ein ausgebildeter, erfahrener Geophysiker damit umzugehen begann.

Abb. 13. Nachempfundenes Bild eines Prospektes für den Verkauf von Bodenradar-Geräten bei der Markteinführung.

Das damalige – neudeutsch ausgedrückt – Hype um das Bodenradar klang sehr schnell ab, leitete aber in der Folgezeit eine Phase der ernsteren Beschäftigung mit dieser neuen Methode und vor allem auch mit der Entwicklung neuer und leistungsfähiger Apparaturen ein. Einher damit ging die zunehmende Digitalisierung in allen Zweigen der Geophysik, was nicht ohne ganz wichtigen Einfluss auf die damit ebenfalls zunehmende Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der Bodenradar-Messungen blieb.

Geblieben aus der Frühzeit des Georadar ist die Skepsis gegenüber einer Anwendung der Methode und dem Einsatz von Messgeräten durch absolut nicht qualifiziertes Personal, was heute anscheinend wieder enorm zuzunehmen scheint. Vielfach entsteht der Eindruck, dass das Bodenradar zu seinen Anfängen zurückgekehrt ist: Der Nazi-Goldzug in 60 m Tiefe, der Goldschatz in 6 m Tiefe, der Geheimgang in 12 m Tiefe …“direkte Visualisierung“ (!) von Objekten in 2D und 3D, Detektoren mit Videobrillen (!) für den Untergrund und vieles mehr.

Solange Schatzsucher damit zufrieden sind und kein weiteres Unheil anrichten … Schwamm drüber. Aber dass in Bereichen mit sicherheitsrelevanten Aspekten z.B. bei der Arbeit von Bauingenieuren und dem zu erkundenden Untergrund mit einfachsten Messgeräten und Auswerteprozeduren operiert wird, stimmt schon nachdenklich.

Deshalb: Bevor hier auf der Webseite eine ganze Reihe von Beispielen aus der Praxis mit sehr unterschiedlichen Zielsetzungen gebracht werden, soll hier noch einmal ausdrücklich betont werden, dass das Bodenradar ein höchst effektives Messverfahren der Geophysik ist, wenn es von langjährig erfahrenen, mit Physik, Messtechnik, Datenaufnahme, Datenprocessing und sachgerechter geologisch-geophysikalischer Interpretation bestens vertrauten Anwendern angeboten und praktiziert wird. Und an Ingenieurbüros und Bauingenieure ergeht der Appell, zu überlegen, ob in sehr vielen Fällen der übliche Einsatz von wenigen „Bleistift“-Rammsondierungen bzw. Rammkernsondierungen wirklich das Optimum der Untergrunderkundung darstellt.

Dabei stellt sich zunehmend die spannende Frage, ob nicht in Zukunft bei manchen, wenn nicht gar vielen Projekten der Untersuchung oberflächennaher Untergrundbereiche (Meter- bis Dekameter-Bereich) seismische Messungen durch das sehr viel raschere (Abb. 14) (und preiswertere) und vielfach höher auflösende Bodenradar ersetzt werden kann, wenn es um eine Strukturerkundung geht. Das Beispiel der Abb. 5 mit der Radarerkundung im Kalkstein-Karst zeigt, dass Radar keineswegs auf die oberen Meterbereiche beschränkt ist, wie fälschlich immer wieder angenommen und behauptet wird. Natürlich reagieren beide Verfahren auf ganz unterschiedliche petrophysikalische Parameter, und vom Schreibtisch aus kann die anfängliche Frage ohnehin nicht beantwortet werden.

Abb. 14. Mobilität und Auflösungsvermögen: Konkurrenz für seismische Messungen der oberen Dekameter?