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Dienstag, 25.07.2017
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Mit elektrischem Strom Süßwasservorkommen erkunden

Geophysik unterscheidet Salzwasser und Süßwasser führende Sedimente

Der Zugang zu sauberem Trinkwasser gehört zu unseren Lebensgrundlagen und ist daher nicht nur in Trockenregionen, sondern auch in unseren Breiten von großer Bedeutung. Doch häufig herrscht Unklarheit über die wahre Mächtigkeit und Ausdehnung der Grundwasservorkommen im Untergrund. Diese lassen sich aber mithilfe von geophysikalischen Untersuchungsmethoden flächendeckend vermessen. Die Geoelektrik macht sich dabei die Unterschiede im spezifischen elektrischen Widerstand zwischen den Gesteinen zu Nutze.
Trinkwasser

Trinkwasser

„So weisen beispielsweise die für die Trinkwassergewinnung interessanten, Süßwasser führenden sandigen und kiesigen Sedimente höhere spezifische elektrische Widerstände auf als Salzwasser führende Bereiche“, erklärt Michael Grinat vom Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben (GGA-Institut). „Tonige Ablagerungen, die möglicherweise diese Schichten überdecken und damit vor Verunreinigungen von der Erdoberfläche aus schützen, haben niedrigere spezifische Widerstände.“ Entsprechend lässt sich die Struktur des Grundwassersystems relativ gut vermessen.

Salzwassergrenze im Visier


So führt das GGA-Institut seit einigen Jahren geophysikalische Untersuchungen im Gebiet zwischen Cuxhaven und Bremerhaven durch. Hier sollen exemplarisch Fragen zur Struktur des Grundwassersystems und zur zeitlichen Entwicklung insbesondere der Salz-/Süßwassergrenze geklärt werden.

„Dieses Gebiet ist besonders interessant, da hier unterschiedliche Landschaftstypen wie Geest und Marsch in Wechselwirkung mit der Nordsee und dem Mündungsbereich der Elbe stehen“, beschreibt Grinat die Region. „Es kommt sowohl zum Eindringen von salzhaltigem Meerwasser landeinwärts als auch zu Süßwasseraustritten ins Wattenmeer. Hinzu kommen im Untergrund verfüllte Rinnenstrukturen der Elster-Eiszeit, die als Teil des von der EU geförderten Projektes „Groundwater Resources in Buried Valleys“ bereits intensiver untersucht wurden.“


Strom im Untergrund


Elektroden-Messung

Elektroden-Messung

Zur Analyse des Grundwassersystems machen sich die Forscher dabei unter anderem die unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerstände von Salz- und Süßwasser zu Nutze. Die klassische Geoelektrik benötigt dazu zwei Elektroden, über die an der Erdoberfläche ein Strom in den Untergrund eingespeist wird. Hinzu kommen zwei Sonden (ebenfalls an der Erdoberfläche), zwischen denen die elektrische Spannung aufgenommen wird, die durch den Stromfluss im Untergrund entsteht. „Unter Verwendung von Modellrechnungen können wir dann auf den spezifischen Widerstand in verschiedenen Tiefen und damit auf den Aufbau des Untergrundes schließen“, erläutert Grinat die Vorgehensweise.

Die Aussagetiefe hängt letztendlich vom Abstand der Stromelektroden ab und wächst mit diesem an: Zur Erkundung bis in Tiefen von 50 – 100 Metern werden heute computergesteuerte Multielektrodensysteme verwendet. Diese ermöglichen Aussagen über den Verlauf des spezifischen Widerstandes sowohl entlang der ausgelegten Messprofile als auch in unterschiedlichen Tiefen. Die Wissenschaftler vom GGA-Institut führen aber auch die oben beschriebenen klassischen Geoelektrik-Messungen mit Elektrodenabständen bis zu zehn Kilometern durch und können so den Untergrund bis in ca. zwei Kilometer Tiefe untersuchen.

Elektromagnetische Erkundung aus der Luft


Hubschrauber-Messsystem

Hubschrauber-Messsystem

Neben der Geoelektrik setzen die Geophysiker aber auch die Elektromagnetik ein, die den Induktionseffekt ausnutzt. „Informationen über den spezifischen Widerstand in unterschiedlichen Tiefen ergeben sich aus der Verwendung verschiedener Messfrequenzen“, so Grinat. „Denn höhere Frequenzen dringen weniger tief in den Untergrund ein als tiefere.“ Der große Vorteil: Die Messsysteme bestehen zumeist nur aus jeweils einer Sender- und einer Empfängerspule, die keinen direkten Kontakt zum Untergrund benötigen. Zudem lassen sie sich für großflächige Untersuchungen auch unter einen Spezial-Hubschrauber hängen, über den beispielsweise die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) verfügt.

Weitere Einsatzfelder


Doch damit sind die Einsatzmöglichkeiten der geoelektrischen und elektromagnetischen Verfahren bei weitem nicht erschöpft. „Denn darüber hinaus haben sie auch eine große Bedeutung bei der Erkundung von Deponien und Altlasten. Aber auch in der modernen Landwirtschaft, der Bodenkunde und der Archäologie wird das geophysikalische Know-how inzwischen eingesetzt“, weiß Grinat zu berichten.
(Michael Grinat - Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben (GGA-Institut), 22.06.2007 - AHE)
 
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