Der Erde unter die Haut schauen

Rohstoffvorkommen, Wasseradern, Munition und prähistorische Siedlungen – was die nicht invasiven Messmethoden in der angewandten Geophysik sichtbar machen

Als am 11. März 2021 in einem 1945 stillgelegten sächsischen Braunkohletagebau auf einer Länge von 500 Metern ein Hang abrutschte und eine 1,50 Meter hohe Flutwelle auslöste, horchte Johannes Hanigk auf. Mit seiner Apparatur und der Messmethode der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) untersucht der Student am Fachgebiet Angewandte Geophysik genau dieses Phänomen von Rutschungen in Tagebauen durch aufsteigendes Grundwasser.

Hanigks Apparatur ist eine etwa ein Meter hohe, durchsichtige Kunststoffsäule. Die hat er locker mit Sanden bestimmter Korngröße befüllt und von unten mit Wasser gesättigt. Um eine Verdichtung der Sande zu „provozieren“, wird die Versuchssäule künstlich erschüttert. Dadurch verringern sich die Poren zwischen den Sandkörnern, das Wasser steigt nach oben und kann zur Folge haben, dass sich der Boden verflüssigt, wodurch es in der Realität zu Rutschungen kommt. Damit bildet er im Labor in etwa ab, was draußen in den ehemaligen Tagebauen geschieht. Die Säule ist mit der SIP verbunden, mit deren Hilfe er nun verstehen will, wie dieser Verdichtungs- und Verflüssigungsprozess abläuft, um herausfinden, ob mit dieser Messmethode die Braunkohlekippen beobachtet werden können. Ein – wenn auch noch in weiter Ferne liegendes – Ziel ist, auf Grundlage des Monitorings ein Verfahren zu entwickeln, mit dem vorhergesagt werden kann, wo solche Rutschungen möglich sind.

„SIP ist eine nicht invasive Messmethode in der angewandten Geophysik, und diese spielen bei uns in der Lehre eine dominierende Rolle – sowohl auf unserem Testfeld im brandenburgischen Nauen als auch auf dem TU-Campus-Testfeld“, sagt Prof. Dr. habil. Frank Börner, Leiter des Fachgebietes. „Wie es die Mediziner beim Menschen mit Ultraschall- oder Röntgentomografie tun, schauen wir Geophysiker mit nicht invasiven Methoden der Erde unter die Haut und erstellen ein Abbild der geologischen oder künstlichen Strukturen im Untergrund, das Auskunft gibt über Rohstoffvorkommen, Kontaminationen, Baugrund, aber auch über Georisiken oder durch den Klimawandel bedingte Veränderungen.“

Geologische Struktur bestimmt die Haushöhe

Für ein solches Abbild muss Dr. Hortencia Flores Estrella einen zehn Kilogramm schweren Hammer auf eine Metallplatte sausen lassen. Mit dem Hammer erzeugt sie künstlich seismische Wellen. Die Seismik ist ein Teilgebiet der angewandten Geophysik. Geophone, eine einfache Form eines Seismografen zur Schwingungsaufnahme, messen diese Mikroerdbeben. Die Geophone sind an eine Box angeschlossen, die, vollgepackt mit Elektronik, wiederum mit ihrem Computer verbunden ist. Auf ihm sieht sie, mit welcher Geschwindigkeit sich die Wellen ausbreiten und in welchen Abständen sie aufeinander folgen. „Anhand dieser Daten kann ich die Beschaffenheit des Untergrundes definieren. Bei jedem Hausbau ist diese Kenntnis zwingend. Die geologische Struktur zum Beispiel bestimmt die Höhe eines Hauses“, sagt die Geophysikerin. Sie selbst erforscht die von Windkrafträdern erzeugten Wellen und deren Auswirkungen.

Trinkwasser schützen

Das geoelektrische Messgerät, mit dem Robert Herold arbeitet, dient zum Auffinden von Grundwasser. Das Messgerät kann über ein Multi-Elektrodenkabel mit bis zu 96 Elektroden, die in den Boden gesteckt werden, verbunden sein. Über ein elektrisches Signal werden die Elektroden angesteuert. Es wird ein elektrisches Feld erzeugt, was es ermöglicht, die elektrische Leitfähigkeit des Untergrundes zu messen. „Aus den Daten der elektrischen Leitfähigkeit ziehe ich Rückschlüsse auf die hydraulischen Eigenschaften des Untergrundes. Man kann damit die Durchlässigkeit von Grundwasserleitern erkunden und Eigenschaften des Wassers untersuchen, zum Beispiel seinen Salzgehalt – je größer die Leitfähigkeit, umso größer der Salzgehalt“, erklärt Robert Herold. In Brandenburg, so Frank Börner, spüre man damit geogene Versalzungen auf, um zu verhindern, dass das Salzwasser zu den Trinkwasserbrunnen strömt und das Trinkwasser kontaminiert.

Magnetometer ist vielseitig einsetzbar

Das neueste Gerät, an dem die Studierenden am Fachgebiet ausgebildet werden, ist das Magnetometer, das lokale Veränderungen im Magnetfeld der Erde misst. Eines seiner wichtigsten Anwendungen neben der Rohstoffsuche ist das Aufspüren von Munition im Boden. Und in der Archäologie werden damit untergegangene Siedlungen aus der Ur- und Frühgeschichte wieder sichtbar. „Bei uns in der Lehre fokussieren wir uns jedoch darauf, dass die Studierenden lernen, mit dem Magnetometer geologische Strukturen nachzuweisen“, so Frank Börner.

 

Autorin: Sybille Nitsche

Das Team

Prof. Dr. habil. Frank Börner, Gastprofessor und kommissarischer Leiter des Fachgebietes Angewandte Geophysik

Schwerpunkt am Fachgebiet ist die Untersuchung von Strukturen, Eigenschaften und Prozessen im Untergrund mit physikalischen Methoden zum Beispiel für die Erkundung von Grundwasser oder die Beseitigung von Bergbaufolgen und Kontaminationen. Dafür entwickeln wir komplexe Messmethoden wie das Datenprozessing, die Modellierung und Visualisierung. Das Testfeld Nauen mit seiner 60 Meter tiefen Bohrung und bekannter Untergrundstruktur wird zum Kalibrieren und begründeten  Kombinieren der Verfahren benötigt. Grundlagenuntersuchungen führen wir im petrophysikalischen Labor an Gesteinsproben sowie an Aquifer- und Kippenmodellen durch.

Dr. Hortencia Flores Estrella, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachgebiet Angewandte Geophysik

Inspiriert durch große Erdbeben und mit der Motivation zu verstehen, wie seismische Wellen ins Landesinnere übertragen werden, um Katastrophen zu vermeiden, habe ich in Mexiko geophysikalische Ingenieurwissenschaften studiert. Die Seismologie ermöglicht es mir, der Erde „zuzuhören" und die Struktur unter unseren Füßen zu erkennen. Mit der angewandten Seismologie kann ich auch feststellen, wie weit entfernt die von Windkraftanlagen erzeugten Wellen registriert werden oder die Interaktion zwischen der Atmosphäre und der Erde bei  extremen Wetterereignissen verstehen.

Robert Herold, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Angewandte Geophysik

Die Untersuchung von Grundwasserleitern mittels geoelektrischer Methoden hat steigende Relevanz in Anwendungsbereichen der Umwelt- und Hydrogeophysik. In Versuchen unter Laborbedingungen ist es mein Ziel, das Verständnis über diese Methoden zu erweitern. Besonders interessant ist es für mich, Gestein als kompliziert aufgebautes, heterogenes Material in physikalischen Modellen zu beschreiben.

Johannes Hanigk, Student des Studiengangs Geotechnologie

Motivation für den Bau der Anlage zur Untersuchung von Sanden im Labor ist die Suche nach Verfahren zur großräumigen Verdichtungskontrolle von Folgelandschaften des Braunkohlebergbaus. Diese Halden sind durch den Grundwasserwiederanstieg anfällig für Rutschungen, die häufig große Schäden verursachen. Aus den Erkenntnissen im Labor werden die Grundlagen für Untersuchungen vor Ort gewonnen.

Publikation

Der Artikel ist ursprünglich in der Dezemberausgabe der Hochschulzeitung „TU intern“ erschienen. Zur Gesamtausgabe (e-Paper)