Seismische Messverfahren : Refraktionsseismik , Reflexionsseismik, Oberflächenwellenseismik, seismische Tomografie.

Bei seismischen Messungen wird der Untergrund durch künstlich angeregte seismische Wellen untersucht. Man unterscheidet nach dem Messort zwischen Landseismik, Seeseismik oder Bohrlochseismik und nach der Messgeometrie und der Datenauswertung in Refraktionsseismik, Reflexionsseismik, Oberflächenwellenseismik oder seismische Tomografie. An Land werden als seismische Quellen Hammerschläge, Fallgewichte, Sprenungungen oder Vibratoren eingesetzt, auf See finden Airguns Verwendung. Die angeregten seismischen Wellen breiten sich im Untergrund aus, werden bei Änderungen der elastischen Parameter gebeugt, gebrochen oder reflektiert  und gelangen so zu den Empfängern, Geophonen oder Hydrophonen. Meßgröße ist meist die Schwinggeschwindigkeit, ggf. auch die Verschiebung oder die Beschleunigung.

Reflexionsseismik : Bei den Messungen sind die Abstände zwischen Geophonen und  seismischen Quellen kleiner als die Erkundungstiefe. Die Meßanordnung wird entlang von Profilen (2D-Seismik) oder in der Fläche (3D-Seismik) versetzt. Aus den Meßwerten werden durch computergestützte Algorithmen jene Seismogramme berechnet, die bei gleicher Lage von seismischer Quelle und Empfänger zu erwarten sind. Auffällige Reflektoren in diesen Seismogrammen zeigen Änderungen der Dichte oder der seismischen Impedanz und weisen auf geologische Schichtgrenzen hin. Eine Abschätzung der Geschwindigkeitsverteilung im Untergrund führt zu einem Tiefenprofil (2D-Seismik) oder einem Tiefenmodell (3D-Seismik) geologischer Schichtgrenzen. Bei kleinen Laufzeiten überlagern Oberflächenwellen die reflektierten Raumwellen, so daß die Reflexionsseismik i. allg. erst ab Tiefen von ca. 50 m eingesetzt werden kann. Das räumliche Auflösungsvermögen des Verfahrens ist gut, seismische Geschwindigkeiten können meist nur abgeschätzt werden.

Refraktionsseismik : Bei den Messungen werden auch Abstände zwischen Geophonen und seismischen Quellen benutzt, die  größer sind als die Erkundungstiefe. Beobachtet werden die Laufzeiten refraktierter Raumwellen. Diese Raumwellen werden an Schichtgrenzen gebrochen, bei denen seismische Geschwindigkeiten zunehmen. Das Verfahren ermöglicht die Bestimmung seismischer Geschwindigkeiten und die Ortung seismischer Schichtgrenzen. Üblich ist eine Meßanordnung entlang von Profilen mit dem Ziel ein Tiefenprofil mit seismischen Geschwindigkeiten und geologischen Schichtgrenzen zu erstellen. Das räumliche Auflösungsvermögen ist meist geringer als in der Reflexionsseismik.

 Seismische Tomografie : Kann das zu untersuchende Volumen aus vielen Raumrichtungen "durchschallt" werden, ist das Verfahren der seismischen Tomografie anwendbar. In einer typischen Meßanordnung wird die Lage von seismischen Quellen und Hydrophonen in Bohrlöchern variiert und das Volumen zwischen den Bohrlöchern "durchschallt". Bei der Auswertung wird ein seismisches Modell ermittelt, das die gemessenen Laufzeiten oder Amplituden hinreichend genau beschreibt. Das Verfahren eignet sich z.B. für die Ortung von Hohlräumen oder Störungszonen. Die GUS führt keine bohrlochgeophysikalischen Messungen durch, kann aber die Auswertung der Meßdaten übernehmen.

Anwendungen : Seismische Verfahren besitzen zahlreiche Anwendungen, z.B:

• Exploration und Prospektion von Rohstoffen, wie Erdöl, Erdgas, Grundwasser, Kies und Sand ...
• Erkundung der Geologie, z.B.  des Schichtaufbaus,  des Felshorizonts etc.
• Ortung von Störungszonen, Hohlräumen, Fundamenten etc.
• Ermittlung elastischer Parameter, z.B. der Scherfestigkeit, im Untergrund
• Zerstörungsfreie Prüfung von Werkstoffen oder Bauwerken mit hochfrequenten seismischen Messungen

Beispiel :

Refraktionsseismische Messungen : seismisches Modell mit Topografie

Gravimetrie : Messung der Schwerebeschleunigung zur Ortung von Lagerstätten oder Störkörpern (z.B. Hohlräume) im Untergrund.

Gravimetrie ist die Messung des lokalen Schwerefelds mit sog. Gravimetern. Meßgröße ist die Schwerebeschleunigung. Die Messungen erfolgen an einzelnen Meßpunkten, in der Mikrogravimetrie meist auf einem engem quadratischen Raster.

In der angewandten Geophysik ist das Ziel die Ortung von Lagerstätten oder Störkörpern im Untergrund mit einem Dichtekontrast zur Umgebung. Vor einer Interpretation der Meßwerte sind zahlreiche Korrekturen anzubringen, die z.B. den Einfluß der Gezeiten, der Höhe des Meßpunktes über einem Bezugsniveau und der Topographie auf die Meßwerte berücksichtigen. Da die Gravimetrie ein Potentialverfahren ist sind die Meßergebnisse nicht eindeutig. So können verschiedene Störkörper identische Meßdaten verursachen. Vorteilhaft ist deshalb die Kombination der Gravimetrie mit weiteren Verfahren oder Erkenntnissen, etwa aus Bohrungen.

Anwendungen : Gravimetrische Messungen werden u.a. eingesetzt zur

• Exploration und Prospektion von Rohstoffen, wie Salz, Erze, Kohlenwasserstoffe
• Geotechnik und Archäologie : v.a. Ortung von Hohlräumen
• Geodäsie : Bestimmung des Geoids

Georadar (GPR) : Die Georadarmessung ist ein hochauflösendes Verfahren zur Ortung von Strukturen oder Objekten (Spannglieder, Rohre, Hohlräume ...)  im Untergrund oder in Bauwerken.

Das Georadar-Verfahren wird auch als Bodenradar oder als elektromagnetisches Reflexionsverfahren (EMR) bezeichnet, englisch Ground Penetrating Radar (GPR). Das Verfahren untersucht den Untergrund zerstörungsfrei mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen. Eine Sendeantenne mit einer Mittenfrequenz zwischen ca. 20 MHz und 2.6 GHz sendet einen kurzen Impuls aus. Diese elektromagnetische Welle breitet sich im Untergrund aus und wird bei Änderungen elektrischer oder magnetischer Parameter (elektrische Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, magnetische Permeabilität) reflektiert, transmittiert, gestreut oder gebeugt. Das in eine Empfangsantenne reflektierte elektrische Feld wird aufgezeichnet.

Meist werden Sender und Empfänger gemeinsam entlang von Profilen über das Untersuchungsgebiet bewegt. Dabei strahlt der Sender in regelmäßigen Intervallen Impulse ab. Der Untergrund wird sozusagen "durchleuchtet". Für jedes Messprofil bilden die aufgenommenen Messdaten ein Radargramm, aus dem bei Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Untergrund ein Tiefenprofil berechnet werden kann. Wird die Messung in der Fläche durchgeführt können ein 3D-Modell des Untergrundes oder Tiefenschnitte berechnet werden.

Die maximale Erkundungstiefe des Verfahrens wird von der Absorption und Streuung der elektromagnetischen Wellen im Untergrund und durch die Sendefrequenz bestimmt. Die Absorption steigt i. allg. mit dem Wassergehalt und der Mineralisation der Wässer, sowie mit dem Gehalt polarisierbarer Materialien (z.B. Tonmineralien) im Untergrund. Je kleiner die Sendefrequenz und die Absorption desto größer die Erkundungstiefe. Je kleiner die Sendefrequenz, desto geringer ist aber auch das räumliche Auflösungvermögen des Verfahrens. Bei einer Zentralfrequenz von 500 MHz (300 MHz) kann bei üblichem Baugrund in Deutschland mit einer Erkundungstiefe von 150 cm (200 cm) gerechnet werden.

Das Georadar-Verfahren eignet sich v.a. zur Ortung starker Anomalien der elektrischen oder magnetischen Eigenschaften in einem einheitlichen Milieu. Dies können Leitungen oder Rohre (metallisch, Beton, Kunststoff), Armierungen oder Reflektoren wie Fässer, Hohlräume, Steine etc. sein.

Anwendungen : Georadarmessungen werden u.a. eingesetzt für

• Kartierung geologischer oder hydrogeologischer Verhältnisse
• Exploration und Prospektion von Rohstoffen wie Salz, Kies und Sand ...
• Geotechnik und Archäologie : Ortung von Rohren, Leitungen, Tanks, Mauern, Fundamenten, Hohlräumen ...
• Strassen und Schienenwege : Überprüfung von Aufbau und Mächtigkeit der Trassen
• Zerstörungsfreie Prüfung an Bauwerken : Ortung von Armierungen, Spanngliedortung, Ortung von Hohlräumen
• Spezialaufgaben, etwa in der Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Forensik oder zur Ortung von Kampfmitteln
• Bohrlochradar: z.B. Salzexploration, Tunnelvortrieb oder Hohlraumortung

Beispiel :

Georadarmessung auf einem Sportplatz zur Ortung von Drainagerohren (D) und Leitungen der Beregnungsanlage (B). Die Unterkante (U) des Sportplatzaufbaus zeigt sich als Reflexionsband aus nahezu konstanter Tiefe.

Geomagnetik : Messung von Anomalien des erdmagnetischen Feldes zur Ortung magnetisierbarer Materialien im Untergrund.

Geomagnetische Messungen erfassen Anomalien des erdmagnetischen Feldes.Die Anomalien setzen sich aus einem induzierten und einem remanenten Anteil zusammen. Die induzierte Magnetisierung wird im magnetisierbaren Material durch das äußere Magnetfeld erzeugt. Die remanente Magnetisierung ist dauerhaft und unabhängig vom Erdmagnetfeld. In der Praxis relevant sind magnetisierbare Materialien aus Eisen (Zäune, Leitungen, Fässer, Rohre, Metallschrott etc.). Magnetisierbare Mineralien sind meist Oxide (z.B. Magnetit) oder Sulfide des Eisens.

Ziel geomagnetischer Messungen ist meist die Ortung magnetisierbarer Körper im Untergrund. Für diese Ortung müssen Störsignale in den Meßdaten korrigiert werden, dies sind v.a. das Erdmagnetfeld und dessen tageszeitliche Schwankung und Störsignale durch Stromleitungen, Fahrleitungen, Zäune etc. Spezielle Meßanordnungen unterdrücken diese Störsignale, etwa die Messung des Vertikalgradienten der Totalintensität. Dadurch wird auch die Abschätzung der Tiefe eines Störkörpers verbessert.

Da die Geomagnetik ein Potentialverfahren ist sind die Meßergebnisse nicht eindeutig. So können verschiedene Störkörper identische Meßdaten verursachen. Zudem kann sich die remanente und die induzierte Magnetisierung eines Störkörpers aufheben. Dies kann bei der Ortung von Blindgängern zu ernsthaften Problemen führen. Vorteilhaft ist deshalb die Kombination der Geomagnetik mit weiteren Verfahren oder Erkenntnisssen.

Anwendungen : Geomagnetische Messungen werden u.a. eingesetzt zur

• Geotechnik : Ortung von Tanks, Fässern, Leitungen, Kampfmitteln v.a. Blindgänger
• Archäologie : Erkundung von Siedlungen, Fundamenten, Mauern ...