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Methodencombo für die Tiefenforschung

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Die Messung von Magnetfeldern und elektrischen Spannungen öffnet Fenster ins Innere unseres Planeten. Im Zuge des GEOTECHNOLOGIEN-Projekts Multi-EM sollen nun mehrere dieser Verfahren kombiniert werden, um eine genauere Kartierung des Untergrundes zu ermöglichen.

Wer heute zum Arzt geht, muss im Allgemeinen keine Sorge haben, sofort auf dem Operationstisch zu landen. Denn von der Hirnstrommessung bis zur Ultraschalldiagnostik stehen der modernen Medizin diverse Möglichkeiten zur Verfügung, um in den menschlichen Körper hinzublicken, ohne dafür ein Skalpell bemühen zu müssen. In ähnlicher Weise verfahren Wissenschaftler bei der Untersuchung des Erdinneren: Weil „operative Eingriffe“ – etwa in Gestalt von Tiefbohrungen – aufwändig, teuer oder technisch unmöglich sind, setzen auch Geoforscher auf die Erkundungsmethoden der Geophysik.

Beispiele dafür sind die „Gravimetrie“, die auf einer Messung des irdischen Schwerefeldes beruht, und „seismische Methoden“ wie die Analyse von Erdbebenwellen. Von Bedeutung sind überdies elektromagnetische Verfahren. Dabei werden über im Boden oder auf der Erdoberfläche befindliche Sensoren elektrische Spannungen oder auch magnetische Felder erfasst. Die Messdaten liefern Informationen über die elektrische Leitfähigkeit von Gesteinen und damit über die Beschaffenheit des Untergrundes – mitunter bis hin zu Tiefen von mehreren hundert Kilometern. Eingesetzt werden solche Verfahren beispielsweise bei der Suche nach Erzlagern sowie nach Öl- und Gasvorkommen oder zur Erkundung der Umwelt.

Derlei elektromagnetische Methoden – kurz EM – stehen auch im Fokus des Projekts Multi-EM, das im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN gefördert wird. „In diesem Projekt sollen verschiedene Verfahren zur Tiefenerkundung der elektrischen Leitfähigkeit zusammengeführt werden“, so Oliver Ritter, Leiter der Arbeitsgruppe Geo-Elektromagnetik am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam. „Es geht uns darum, neue methodische Ansätze zu entwickeln, von denen wir uns eine höhere Auflösung versprechen.“

Untersuchung des Untergrunds

Das Projekt Multi-EM kombiniert verschiedene geophysikalische Methoden zur Erfroschung des Untergrundes. (Bild: Multi-EM / GEOTECHNOLOGIEN, W. Dransch)


Untergrund aus dem Computer

Dafür kooperiert Ritters Team mit den Geophysikern der TU Bergakademie Freiberg, die Spezialisten auf dem Gebiet der Computersimulation sind. Ein wesentlicher Aspekt von Multi-EM ist nämlich die Entwicklung dieser Computeralgorithmen. Modelle des Erdinneren könnten nicht direkt aus Messwerten abgeleitet werden, erläutert der Geoforscher. Für die Datenauswertung seien aufwändige numerische Verfahren erforderlich. „Wir sprechen hier von sogenannten Inversionsverfahren. Wir haben nun den besonderen Ansatz, die Daten verschiedener Messmethoden, gemeinsam zu invertieren.“

Ziel ist es, die unterschiedlichen, jedoch an einem gemeinsamen Ort erhobenen Daten in ein konsistentes Modell des Untergrundes einfließen zu lassen. Die Datensätze würden sich dann wie Teile eines Puzzles zusammenfügen, so die Hoffnung der Wissenschaftler. Darin liegt die besondere Stärke der Methodenkombination: Manche Messverfahren würden auf Erdschichten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit besonders gut ansprechen, andere seien eher für schwachleitende Strukturen empfindlich, sagt Ritter. „Wenn es uns gelingt, in einer gemeinsamen Inversion die Vorteile der jeweiligen Verfahren zu kombinieren, sollten wir ein Untergrundmodell erhalten, das gut- und schlechtleitende Bereiche gleichermaßen präzise auflöst.“


Eine Frage der Interpretation

Die Inversion der Messwerte liefert Angaben über die elektrische Leitfähigkeit von Erdschichten. Das Interpretieren der so gewonnen Daten ist jedoch alles andere als einfach. „Wie gut einzelne Gesteinsschichten den elektrischen Strom leiten, hängt ab von ihrem Wassergehalt, ihrer chemischen Zusammensetzung und  vom Grad ihrer Mineralisation“, sagt Ritter. „So sind Erze, Graphit und viele schwefelhaltige Gesteine gute unterirdische Leiter. Dennoch kann man Leitfähigkeiten nur schwer einem bestimmten Gesteinstyp zuordnen.“ In ein Modell des Untergrundes würden daher in der Regel auch Daten zusätzlicher Messverfahren einfließen. „Bei der Interpretation spielen zudem Erfahrungen eine Rolle. Denn es zeigt sich, dass man in gewissen Situationen bestimmte geologische Gegebenheiten ein- oder ausschließen kann.“


Methodenmix

Zur Sondierung des Untergrundes arbeiten die Forscher unter anderem mit der „Gleichstromgeoelektrik“. Dabei wird über in den Boden gesteckte Elektroden das Erdreich unter elektrische Spannung gesetzt und mit weiteren Sonden gemessen, wie sich das eingespeiste elektrische Feld im Untergrund ausbreitet. „Mit diesem Verfahren lassen sich besonders gut oberflächennahe Horizonte auflösen, typischerweise in Tiefenbereichen von einigen Metern bis wenigen hundert Metern“, meint Ritter. „Geoelektrik wird deshalb oft zur Kartierung von grundwasserführenden Schichten verwendet. Die resultierenden Modelle werden zum Beispiel zur Projektierung von Trinkwasserbrunnen herangezogen. Geoelektrische Verfahren werden aber auch in Bohrlöchern angewandt, um dort Gesteinsschichten oder Speicherhorizonte in der Tiefe direkt zu vermessen.“

Ein anderes Verfahren, die „passive Magnetotellurik“, macht sich die natürlichen Variationen des Erdmagnetfeldes zunutze. „Deren Ursache sind Schwankungen des Sonnenwindes und auch Blitze, die ständig irgendwo auf der Erde auftreten“, erläutert Ritter. „Beide Naturphänomene erzeugen zeitlich veränderliche elektromagnetische Felder, die im Erdboden wiederum elektrische Ströme induzieren.“ Insbesondere Magnetfeldsensoren können diese „tellurischen“ Ströme nachweisen – denn sie rufen ihrerseits ein veränderliches Magnetfeld hervor, das als Reaktion auf die natürlichen Feldvariationen entsteht. Das Frequenzspektrum dieser Veränderungen umfasst einen riesigen Bereich: mit Schwankungen sowohl im Wochenrhythmus als auch innerhalb von Sekundenbruchteilen. Dabei sind es gerade die langsamen Schwankungen, die den Forschern Informationen über tiefliegende Erdschichten preisgeben. „Je nachdem wie weit ich damit in den Untergrund schauen will, messe ich an einer Stelle für ein paar Stunden bis mehrere Wochen“, sagt Ritter.


Einsatzgebiete

Anwendungen für die von Multi-EM vorangetriebene Methodenkombination sieht der Potsdamer Geoforscher bei der Suche nach unterirdischen Rohstoffen, aber auch im Bereich der Geothermie und der CO2-Lagerung. Ob poröses Gestein von Gas oder Flüssigkeiten durchsetzt ist, habe deutlichen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit der betreffenden Erdschichten. Infolgedessen würden elektromagnetische Verfahren erfolgreich zur Suche nach Öl- und Gasvorkommen eingesetzt. „Eine Erkundungsmethode, die die Vorteile verschiedener EM-Verfahren geschickt zusammenführt, wird auf erhebliches Interesse in der Explorationsindustrie stoßen“, meint Oliver Ritter. „Dies gilt ebenso für die Erkundung fluider Phasen in Kluftsystemen unter dem Aspekt einer geothermischen Nutzung. Weiteres Einsatzgebiet ist das Monitoring von CO2 nach dessen Verpressung in tiefe, salzwasserführende Erdschichten.“

MN, iserundschmidt 09/2011


Mehr Informationen zu Multi-EM finden Sie auf der Projekt-Homepage und auf den Seiten der GEOTECHNOLOGIEN.

Verweise
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