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Geoelektrik (Gleichstrom)

2D-Darstellung (Schnitt) vom elektrischen Widerstand unter der untersuchten Fläche (Inversion). Quelle: Zondgeo
Prinzip der geoelektrischen Gleichstrommessung (Dipol-Dipol - Anordnung). Quelle: HarbourDom

Die Geoelektrik gehört zur Angewandten Geophysik und umfasst Verfahren zur Erforschung der Erdkruste durch Messung von elektrischer Spannung und Stromstärke an der Erdoberfläche. Dazu gehören:

Geoelektrik im engeren Sinn ist die Gleichstrom- (DC) Geoelektrik. Zur Wechselstromgeoelektrik siehe Elektromagnetik.

Verfahren mit künstlicher Stromzufuhr verwenden häufig Vierpunktanordnungen (zwei Elektroden A, B (in der Abb. C1, C2) zur Stromzufuhr, zwei Sonden M, N (in der Abb. P1, P2) zur Potentialmessung), da nur auf diese Weise der an den Elektroden auftretende Übergangswiderstand eliminiert werden kann. Bei der Anordnung der Elektroden in einer Linie (z. B. Stromzufuhr durch die äußeren Elektroden, Messung an den inneren Elektroden = Sonden) gibt es verschiedene Möglichkeiten, z. B.:

Konfigurationen

  • Wenner-Verfahren: Alle Elektroden haben den gleichen Abstand zueinander,
  • Schlumberger-Verfahren: Die Stromelektroden haben einen größeren Abstand als die Potentialsonden,
  • Dipol-Dipol: Die Spannungs- und Stromelektroden bilden jeweils einen Dipol in größerem Abstand zueinander,
  • Pol-Dipol forward und reverse: Die Spannungselektroden bilden einen Dipol, eine Stromelektrode befindet sich in größerem Abstand zu den Spannungselektroden, die zweite Stromelektrode befindet sich im Unendlichen.
  • Mise-A-La-Masse.
  • Induzierte Polaritation
  • Das Wenner-Verfahren eignet sich gut zur Kartierung von Leitfähigkeitsänderungen über einer größeren Fläche, das
  • Schlumberger-Verfahren wird vor allem zur Sondierung - zur Tiefenerkundung verwendet.
  • Die Dipol-Varianten bieten hingegen bessere Auflösungen von Leitfähigkeitskontrasten vor allem für kleinere Strukturen. Das Pol-Dipol-Verfahren kann in Kombination mit einer forward und reverse-Variante besonders gut zur Kartierung von Grenzen - z. B. an Störungszonen - eingesetzt werden, an denen sich bedingt durch Wasser die Leitfähigkeit ändert.

Problematisch verhalten sich in der Praxis Übergangswiderstände, so dass die zu messenden Spannungsdifferenzen teilweise sehr klein werden können. Die Auswahl der für die Messaufgabe geeigneten Konfiguration entscheidet wesentlich über die späteren Aussagemöglichkeiten der Messergebnisse.

Grundsätzlich werden zwei Hauptziele verfolgt:

  • Die Sondierung, die die Struktur unter dem Sondierungspunkt mit zunehmender Tiefe liefert und die
  • Kartierung, die die flächenhafte Struktur in der gewählten Schwerpunktstiefe darstellt.

Neuere Multi-Elektrodenmethoden erlauben die gleichzeitige Sondierung und Kartierung eines begrenzten Bereiches und werden auch als geoelektrische Tomographie bezeichnet.

Induzierte Polarisation

Das Phänomen der induzierten Polarisation ist wieder verbunden mit dem Namen Conrad Schlumberger, der diesen Effekt schon 1912 entdeckte. Aber erst in den 1940er Jahren wurde es zur ersten Explorationsreife gebracht, wobei ab den 1990er Jahren ein Wiederaufleben dieser Methode zu bemerken ist. Haupteinsatzgebiete der IP sind Erzlagerstätten und daneben auch Grundwassersuche sowie geo-thermalen Prospektion. Heutige Messinstrumente, die einen niederfrequenten Wechselstrom ein-speisen (Ein- und Ausschaltvorgänge - siehe Gleichstromgeoelektrik) eignen sich auch zur Messung der IP.

Beim Ausschalten des Einspeisestroms wird an den Messelektroden eine Zeit- und Spa nungsab-hänige Abklingkurve gemessen. Wird der Strom dagegen eingespeist, so ergibt sich eine typische Anstiegszeit, bevor der Maximalwert der Spannung gemessen wird. Abkling- und Anstiegskur-ven sind abhängig von eingesetztem Gerät und der geologischen Untergrundstruktur. Die Messung des IP-Effekts selbst lässt sich in vier Gruppen fassen:

  • Zeitbereichsverfahren
  • Frequenzbereichsverfahren (es wird an zwei oder mehreren Frequenzen gemessen)
  • Phasenbereichsverfahren (es wird das Phasenspektrum der IP gemessen)
  • spektrales IP (Phase und Amplitude werden in einem sehr breiten Frequenzband vermessen)

Anwendung in der Geothermie

In der Geothermie spielen die Methoden der Geoelektrik insbesondere zur Exploration gutleitender Deckschichten (caprock) über Hochenthalpielagerstätten eine Rolle. Gelegentlich auch zur Erarbeitung statischer Korrekturen für die Magnetotellurik (MT).

Geothermiesysteme haben üblicherweise kleinere elektrische Widerstände als die Umgebung. Diese können entweder auf eine hohe Ionenkonzentration in den geothermalen Fluiden zurückzuführen sein, oder eben auf Mineralalterationen, die durch Thermalwasserzirkulation entstanden sind. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Fluids und den Temperaturen können bei Temperaturen von 50-250 Grad Celsius Minerale wie Smektite oder Schichttone entstehen, bei höheren Temperaturen aber auch Chlorite und Epidot. Dies kann einen  typischen Anstieg der Widerstände unterhalb einer gutleitenden Schicht bewirken, der mit Geoelektrik kartiert werden kann.

Weblink

https://de.wikipedia.org/wiki/Geoelektrik

Literatur

https://www.geophysik.uni-muenchen.de/~jowa/obs/Geoelektrik_bach.pdf

Alfano, L., Carrara, G., Pascale, G., Rapolla.: Analysis procedure and equipment for deep geoelectrical soundings in noisy areas. In: Geothermics Nummer 11(4) (1982), S. 269-280

Baemisch, D.,: A deep geoelectric survey of the Carmenellis granite. In: Geophys.J. Int Nummer 102 (3) (1990), S. 679-693

Calgar, I., Demirörer, M.: Geothermal exploration using geoelectric methods in Kestanopol, Turkey. In: Geothermics Nummer 28 (1999), S. 803-819

Ganalopoulos, G., H., F., Dawes, G., J., K., Hobbs, B., A.: Geoelectrical structures of Sousaki geothermal area (Greece) deduced from two dimensional magnetotelluric studies. In: J. Balkan Geophys. Soc Nummer 1 (4) (1998), S. 60-74

Vargemezis, G.: 3D geoelectrical model of geothermal spring mechanism derived from VLF measurements: A case study from Aggistro (Northern Greece). In: Geothermics Nummer 51 (2014), S. 1-8

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/ oder Konferenzdatenbank.

zuletzt bearbeitet April 2020