Geoelektrische In-situ-Messungen
Für untertägige Messungen werden klassische geoelektrische Verfahren, die von der Oberfläche bekannt sind (z.B. Sondierungen, Profilmessungen in Wenner- oder Dipol-Dipol-Konfiguration), an die besonderen Anforderungen in Bohrungen bzw. Strecken adaptiert.
Das Ergebnis geoelektrischer Messungen ist die räumliche Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstands. Dieser physikalische Parameter wird von vielen unterschiedlichen Faktoren beeinflusst. Dazu gehören unter anderem:
- Art und Zusammensetzung der Matrix
- Porosität des Materials und Porenraumgeometrie
- Wassergehalt bzw. Sättigungsgrad
- Mineralisierung des Porenfluids
- Tongehalt
Aus geoelektrischen Messungen allein lassen sich deshalb Ursachen von Kontrasten nie eindeutig zuordnen, aber in Kombination mit anderen Verfahren (z. B. Ultraschallverfahren) können weitere Rückschlüsse gezogen werden.
Aufgaben und Schwerpunkte:
- Detektion gestörter Bohrlochwandbereiche
- Untersuchung kleinräumiger Gesteinsheterogenitäten
- Bestimmung von Grad und Ausmaß der Auflockerungszone um Bohrungen
- Bestimmung von Grad und Ausmaß der Auflockerungszone um Auffahrungen
- Erfassung der zeitlichen bzw. räumlichen Änderung von Feuchteverteilungen
Geoelektrische Bohrlochmessungen
Abbildung 1: BGR-Sonde für hochauflösende geoelektrische Messungen in trockenen Bohrungen
Quelle: BGR
Im Gegensatz zu senkrechten, fluidgefüllten Bohrungen an der Oberfläche, in denen klassische elektrische Bohrlochmessverfahren (z.B. ELKN, ELGN, FEL, LL,…) zum Einsatz kommen, sind die Bohrungen zur Standorterkundung üblicherweise trocken und überwiegend horizontal oder geneigt. Dies erfordert es, die Elektroden direkt an die Bohrlochwand anzudrücken, um den notwendigen Kontakt mit dem Gebirge herzustellen. An der BGR wurden dazu zwei Sonden (bestehend aus 25 bzw. 50 Elektroden) entwickelt, bei denen die Elektroden mittels Druckluft an die Bohrlochwand angepresst werden (vgl. Abbildung 1). Der äquidistante Elektrodenabstand von 15 mm erlaubt hochauflösende Untersuchungen der Bohrungsumgebung, die maximale Eindringtiefe beträgt dabei ca. 20 cm (abhängig vom Gestein).
Ein weiteres, selbst entwickeltes Sondensystem besteht aus 4 Einzelmodulen, die jeweils 16 Elektroden tragen und beliebig kombiniert werden können, mit Elektrodenabständen von 10 cm (vgl. Abbildung 2). Damit sind deutlich größere Eindringtiefen in das Gebirge möglich. Dieser Sondentyp wird primär für tomografische Messungen zwischen zwei benachbarten Bohrungen eingesetzt („Cross-Hole“-Messungen).
Abbildung 2: BGR-Sondensystem mit 10 cm Elektrodenabstand, primär für Messungen zwischen Bohrungen
Quelle: BGR
Der wesentliche Unterschied zu klassischen Messungen über Tage besteht darin, dass man unter Tage keinen leitfähigen Halbraum, der eventuell von einer Topografie überlagert wird, betrachtet, sondern immer einen Mischzustand zwischen Halb- und Vollraum. Dies hat unterschiedliche Auswirkungen auf die verschiedenen Mess-Konfigurationen (s. Abbildung 3) und muss bei der Auswertung der Daten unbedingt berücksichtigt und kompensiert werden.
Die Methode wurde bisher erfolgreich in verschiedenen Tongesteinen (Opalinuston, Mont Terri Felslabor, Schweiz; Callovo-Oxfordian-Ton (COX), Meuse/Haute-Marne Felslabor, Frankreich) und im Steinsalz (Erkundungsbergwerk Gorleben) eingesetzt.
Die Abbildung 4 zeigt ein Beispiel aus dem Felslabor Mont Terri. Zielstellung der Messung war die Lokalisierung des Übergangs von der tonigen in die karbonatreiche Fazies. Deutlich zu erkennen ist der sprunghafte Anstieg des spez. Widerstands bei einer Bohrlochteufe von 7,6 m, an der der Übergang erfolgt.
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Abbildung 5: Beispiel einer hochauflösenden Bohrlochmessung im Salinar
Quelle: BGR
In der Abbildung 5 ist ein weiteres Beispiel einer hochauflösenden Bohrlochmessung dargestellt. Diese Messung fand in einer Erkundungsbohrung im Steinsalz statt. Die Aufgabenstellung war die Bestimmung der Ausdehnung einer möglichen Auflockerungszone um die Bohrung. Man erkennt deutlich einen Bereich deutlich geringeren Widerstands entlang der Bohrung, der etwa 2-3 cm in das Gebirge hineinreicht. Diese Leitfähigkeitserhöhung wird durch die Aufnahme von Feuchtigkeit aus der Luft in den aufgelockerten Bereich verursacht. Messungen mit dem Ultraschallverfahren bestätigen die Ergebnisse aus der Geoelektrik.
Abbildung 6: Beispiel einer Cross-Hole-Messung im Mont Terri Felslabor. Die verwendeten Elektrodenpositionen sind durch die hellen Kreise markiert
Quelle: BGR
Ein Beispiel einer Cross-Hole-Messung zeigt die Abbildung 6. Man erkennt einerseits höhere Widerstände entlang der Bohrungen unterschiedlicher Ausdehnung (Auflockerungszone) als auch einen Bereich erhöhten Widerstands, der sich im Bereich zwischen 4 m und 6 m zwischen den Bohrungen erstreckt. Dieser Bereich wird mit einer lokalen Störungsstruktur in Verbindung gebracht.
Messungen in Strecken
Abbildung 7: Beispiel einer Streckenmessung am seitlichen Stoß im Salinar. Die Unebenheit des Stoßes wurde als lokale Topografie berücksichtigt (die Positionen der Elektroden sind als schwarze Punkte dargestellt), der Geometrieeinfluss der Strecke wurde kompensiert
Quelle: BGR
Für geoelektrische Untersuchungen in Strecken werden Profilmessungen (auch geschlossene Profile in Ringanordnung) bzw. Sondierungen durchgeführt. Dazu werden Elektroden fest in das Gebirge eingebracht. Je nach Auslagelänge bzw. Leitfähigkeitsniveau ergeben sich unterschiedliche Eindringtiefen. Wichtig ist wiederum die Berücksichtigung der Streckengeometrie bei der Auswertung. Ein aktuelles Beispiel ist in Abbildung 7 dargestellt.
Aktuelle Entwicklungen
Dreidimensionale Erfassung der Widerstandsverteilung im Gebirge durch den gleichzeitigen Einsatz von Sonden in drei unterschiedlichen Bohrungen.
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