Projekt 06016/01

Verfahren zur Untersuchung oberflächennaher Schichten unter Altlasten und Deponien

Projektdurchführung

Geo-Meßtechnik
Birkenweg 20
31162 Bad Salzdetfurth

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die zurzeit verwendeten Verfahren gestatten es nicht, Schichten unterschiedlicher Eigenschaften im Untergrund mit Hilfe der Seismik mit ausreichender Genauigkeit zu erkennen und zu kartieren. Der Grund dafür ist unter anderem das Fehlens geeigneter seismischer Quellen, die umweltverträglich eingesetzt werden können. Gegenstand der Entwicklung war daher der Bau verschiedener Ausführungs-formen von seismischen Quellen für den Einsatz in Flachbohrungen. (Ausführungen für 36 mm Rammkernsonden und 50 mm Bohrgestänge) und Erprobung dieser Quellen unter verschieden geologischen Bedingungen in Lockergestein. Ziel des Projektes war es, ein seismisches Verfahren zum Einsatz zu bringen, um mit dessen Hilfe zuverlässigere Aussagen über stratigraphische und lithologische Eigenschaften des Untergrundes in der Umgebung von Deponien machen zu können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung der Quelle erfolgte in zwei Schritten. Im ersten Schritt wurden anhand einer 36-mm-Version die grundsätzlichen Probleme der Beanspruchung der seismischen Quelle bei dem Einsatz im Bohrloch geklärt. In Versuchsreihen mit geeigneten Hochspannungs-Isolierstoffen wurde die elektrische und thermische Beanspruchung unter Kontrolle untersucht. Ferner wurde durch verschiedene konstruktive Maßnahmen die durch den Bohr- und Rammvorgang verursachte mechanische Beanspruchung reduziert, so daß sich bei verschiedenartigen Belastungszyklen eine möglichst hohe Standzeit ergab. Die Standzeit konnte in Langzeituntersuchungen in einer Versuchsbohrung nachge-wiesen werden. In einem zweiten Schritt wurden die mit der 36-mm-Version gewonnen Erfahrungen auf eine Version mit 50 mm Gestängedurchmesser übertragen. Auch die dabei erzielte Lösung wurde in Langzeituntersuchungen auf ihre Standzeit hin untersucht.
Beide Ausführungen wurden in Feldversuchen in verschiedenen Meßgebieten im Raum Hildesheim auf ihre praktische Anwendbarkeit hin erprobt. Im Hinblick auf die kommerzielle Verwendung des Verfahrens beschränkte sich diese Erprobung nicht auf den Nachweis der erzielten technischen Eigenschaften. In allen Gebieten wurden nach Möglichkeit auch seismische Registrierungen vorgenommen, so daß eine erste geologische Interpretation möglich war. Eine abschließende Messung wurde auf der Seismischen Meile im Gebiet der Deponie Schöneiche/Gallun durchgeführt. Die Messungen wurden in Zusammenarbeit der Firma Geo-Infometric, Hildesheim durchgeführt. An der Auswertung wa-ren die Hochschulen Clausthal und Potsdam beteiligt.


Ergebnisse und Diskussion

Das Entwicklungsziel, ein Verfahren zur Kartierung oberflächennaher Schichten mit akustischen Signalen unter Verwendung einer neuartigen Quelle bis zur Marktreife zu entwickeln, konnte in den we-sentlichen Punkten erreicht werden. Die Anpassung und der Einbau der Quelle wurde mit Rücksicht auf die kommerzielle Verwertbarkeit zunächst nur auf die 36 mm Rammsonde und den 50 mm Bohrmeißel beschränkt. Auf eine tomographische Bearbeitung der Meßdaten im Feld mußte aus finanziellen Gründen zunächst verzichtet werden.
Der Erfolg seismischer Meßverfahren ist bestimmt durch die Eindringtiefe in den Untergrund und durch das räumliche Auflösungsvermögen. Beide Größen stehen in engem Zusammenhang zueinander. Daneben spielen Störsignale eine maßgebende Rolle. Mit dem hier verwendeten Verfahren gelingt es, systembedingte Störsignale wie Rohrwellen und Oberflächenwellen niedrig zu halten. Das Auflösungsvermögen ist durch den Spektralgehalt der Signale bestimmt. Daher wurde dieser Punkt besonders berücksichtigt. Sowohl die Art der Quelle als auch die Tatsache, daß die Quelle im Bohrloch angekoppelt wird schaffen gute Voraussetzungen dafür, daß auch hohe Frequenzen in den Untergrund abgestrahlt werden. Darüber hinaus wurde besondere Sorgfalt bei der Auswahl und der Ankopplung der Geophone an der Erdoberfläche aufgewandt. Die Meßergebnisse zeigen, daß Reichweite und Spektralgehalt sehr stark von den örtlichen Bedingungen, wie Festigkeit der Gesteinsmatrix und Porenwassergehalt des Lockergesteins abhängig sind. Als Richtwerte des Spektralgehaltes seismischer Signale ergeben sich Mittenfrequenzen von 400 Hz bis zu Entfernungen von ca. 20 m. Bis zu Entfernungen von ca. 100 m wurden Spektren mit Mittenfrequenzen von 200 Hz erreicht. In Anbetracht der Fortpflanzungsgeschwindigkeit seismischer Wellen im oberflächennahen Bereich ist daher im Teufenbereich bis 50 m mit Wellenlängen von mehr als 1 m zu rechnen. Bei reflexionsseismischen Messungen ist ein derartiges Auflösungsvermögen ist für bestimmte Fragestellungen im oberflächennahen Bereich zu gering. Die Entwicklung wurde daher mit Blick auf tomographische Meßverfahren weiter verfolgt um auf diese Weise ein höheres Auflösungsvermögen zu erreichen.
Eine wesentlich höhere Auflösung ergab sich bei der Messung der Aufzeiten. Hier konnten die Ersteinsätze der aus der Bohrung an die Erdoberfläche gelaufenen Wellen ausgewertet werden. Aufgrund dieser Messungen konnten sehr genaue Geschwindigkeitsbestimmungen vorgenommen werden. Es wurden für die Charakterisierung von Lockergestein typische Schichtgeschwindigkeiten ermittelt. Mit Hilfe spezieller Geophone wurden neben den Ersteinsätzen der Kompressionswellen auch die Ersteinsätze der Scherwellen ausgewertet. Aus den Geschwindigkeiten beider Wellentypen wurde die für die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften des Bodens wichtige Poisson-Zahl bestimmt.
Die im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß in Verbindung mit dem Abteufen einer Bohrung eine genauere Überwachung des Bohrvorganges und eine physikalische Bewertung der während des Bohrvorganges angetroffenen Schichten möglich ist. Durch die Auswertung der mit der Bohrung verknüpften seismischen Messung sind darüber hinaus Aussagen über Schichtgrenzen im größeren Abstand von der Bohrung möglich. Auf diese Weise gelingt es, in Bereichen sensibler Untergrundstrukturen mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand die Zahl der Bohrungen und damit die Gefahr der Zerstörung von natürlichen Barrieren im Untergrund zu verringern.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Über das Förderungsprojekt wurde an verschiedenen Stellen mit Hinweis auf die Deutsche Bundesstiftung Umwelt mündlich vorgetragen.
Schriftliche Veröffentlichungen wurden bisher nicht vorgenommen.


Fazit

Die durch das Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, daß mit Hilfe der im Rahmen des Projektes entwickelten Techniken mit akustischen Signalen sehr genaue Angaben über oberflächennahe Lockergesteinsschichten gemacht werden können. Die Untersuchungen zeigen jedoch auch, daß auf-grund der Übertragungseigenschaften des Untergrundes für akustische Signale Grenzen in Reichweite und Auflösungsvermögen gesetzt sind, die durch die Übertragungseigenschaften des Untergrundes ge-setzt sind. Der technische und operative Stand des entwickelten Verfahrens gestattet unter gegebenen Umständen einen Einsatz im Zusammenhang mit der Erkundung von Deponiestandorten.