Universität Augsburg
Fakultät für Angewandte Informatik - Institut für Geographie
Diplomarbeit am Lehrstuhl für Physische Geographie

ANWENDUNG UND VERIFIZIERUNG VON 2-D GEOELEKTRIK (ERT)
AUF GEOMORPHOLOGISCHE FRAGESTELLUNGEN IN VERBINDUNG
MIT ANDEREN GEOPHYSIKALISCHEN METHODEN

eingereicht von:
 Georg Ruhland

Mai 2005

Inhaltsverzeichnis

Symbol- und Abkürzungsverzeichnis ... 6
Abbildungsverzeichnis ... 7
Tabellenverzeichnis ... 10

1 Einleitung ... 11
1.1 Fragestellung und Zielsetzung ... 11
1.2 Untersuchungsgebiete ... 13

2 Das Prinzip geoelektrischer Messungen ... 15
2.1 Grundlagen ...  15
2.2 Die elektrische Leitfähigkeit ... 15
2.3 Verfahren geoelektrischer Messungen ... 18
2.3.1 Die Eigenpotentialmethode ...  19
2.3.2 Widerstandsgeoelektrik ... 21
2.3.3 Induktionsgeoelektrik ... 22
2.3.4 Magnetotellurik ... 23

3 Elektrische Widerstandstomographie (ERT) ... 24
3.1 Methodik ...  24
3.2 Instrumentarium ... 26
3.3 Praktische Durchführung ... 29
3.3.1 Gesteinsfeuchtemessung ... 29
3.3.2 Messungen auf Hangrutschung und Schutthalden ... 31
3.4 Modellierung ... 33
3.5 Inversionsparameter ... 37

4 Weitere geophysikalische Methoden ... 39
4.1 Georadar (GPR) ... 39
4.2 Refraktionsseismik ... 42
4.3 Leitfähigkeitsmessung ...44
4.4 TDR-Feuchtemessung ...46

5 Untersuchung der Gesteinsfeuchte und ihrer Entwicklung beim Frostwechsel an alpinen Felswänden ... 47
5.1 Beschreibung der Untersuchungsgebiete ... 47
5.1.1 Am Seinsbach ... 47
5.1.2 Wendelstein ...48
5.1.3 Karwendel  ... 48
5.2 Monitoring eines Frostzyklus im Messgebiet „Am Seinsbach“ ... 50
5.3 Monitoring eines Frostwechsels im Karwendel ...  61
5.4 Weitere Messungen an alpinen Felswänden ... 72
5.5 Abschätzung der spezifischen Widerstände von Kalkstein ... 76

6 Ermittlung von Mächtigkeit und Struktur alpiner Lockersedimente ... 78
6.1 Beschreibung der Untersuchungsgebiete ... 78
6.1.1 Tegelberg ... 78
6.1.2 Kühtai ...  79
6.1.3 Parzinn ...  80
6.2 Untersuchung der Schutthalden im Grüble auf dem Tegelberg ...  80
6.2.1 Geoelektrische Erkundung in Verbindung mit Kleinrammbohrungen ... 80
6.2.2 Vergleich mit den Ergebnissen einer GPR-Messung ... 86
6.3 Geoelektrische Messungen auf den Schutthalden am Neunerkogel im Messgebiet Kühtai ... 89
6.4 Untersuchung der Schutthalden an der Dremelspitze im Messgebiet Parzinn ... 94
6.4.1 Geoelektrische Erkundung ... 94
6.4.2 Vergleich mit den Ergebnissen von Georadar und Refraktionsseismik ... 98
6.5 Abschätzung der spezifischen Widerstände von alpinen Lockersedimenten ... 103

7 Untersuchung von Aufbau und Mächtigkeit eines randalpinen Rutschkörpers am Schliersberg ... 104
7.1 Beschreibung des Untersuchungsgebiets ... 104
7.2 Anordnung der Messprofile ... 105
7.3 Untersuchung der Hangrutschung in vier differenzierten Abschnitten ... 106
7.3.1 Erkundung des Schuttstroms im zentralen Rutschungsabschnitt ... 106
7.3.2 Geoelekrische Messung im Bereich des Anrisses ... 110
7.3.3 Erkundung der Hangstruktur seitlich des Schuttstroms ... 112
7.3.4 Untersuchung des unteren Rutschungsbereichs ... 113

8 Zusammenfassung ...115
8.1 Gesteinsfeuchtemessungen ... 115
8.2 Erkundung alpiner Lockersedimente ... 116
8.3 Erkundung eines Rutschkörpers ... 117
8.4 Schlussbetrachtung ... 118

Literaturverzeichnis ... 119

1 Einleitung
1.1 Fragestellung und Zielsetzung

Viele Fragestellungen in der Geomorphologie beziehen sich auf die Beschaffenheit des Untergrunds. Informationen über die Beschaffenheit und Struktur des Untergrunds sind nach traditionellen Arbeitsmethoden jedoch oft nur schwer oder gar nicht zu beschaffen. Geophysikalische Methoden, wie sie in vielen Bereichen bereits eingesetzt werden, können hier einen großen Beitrag leisten. In dieser Arbeit sollen die Möglichkeiten der 2-D Geoelektrik für die Anwendung auf verschiede Fragestellungen in der Geomorphologie untersucht und beschrieben werden. Die 2-D Geoelektrik ermöglicht die Aufzeichnung von zweidimensionalen Widerstandsprofilen des Untergrunds. Dieses Verfahren wird als Elektrische Widerstandstomographie (ERT) bezeichnet und ist prinzipiell auf zahlreiche Untersuchungsgegenstände anwendbar. In vielen Bereichen ist der Kenntnisstand über die Verwendbarkeit dieser Methode jedoch eher gering (Kneisel 2003; Hoffmann & Schrott 2003). Speziell Untersuchungen zur Gesteinsfeuchte an alpinen Felswänden stellen als Einsatzgebiet geoelektrischer Messungen Neuland dar (Sass 2005). Verbreitet ist die Anwendung der Geoelektrik in den Geowissenschaften dagegen bei der Erkundung von Permafrost (Rennert 1991; Hauck & Vonder Mühll 2003; Kneisel & Hauck 2003).

In dieser Arbeit soll nun die Eignung der Methode für folgende drei Einsatzzwecke untersucht werden:

• Die Messung der Gesteinsfeuchte im Zuge der Forschungen zu Frostsprengung und Steinschlag an alpinen Felswänden stellte bislang ein Problem dar und konnte nur exemplarisch und punktuell erfolgen. Eine Methode ist die gravimetrische Bestimmung des Feuchtegehalts (Sass 1998). Dabei werden Proben aus dem Fels geschlagen und möglichst vor Ort gewogen. Im Labor erfolgt eine Trocknung der Proben, so dass aus der Gewichtsdifferenz der Feuchtegehalt bestimmt werden kann. Gesteinsfeuchtemessungen mittels Leitfähigkeitsmessung stellen demgegenüber einen großen Fortschritt dar. Dabei wird der Leitwert zwischen zwei im Fels angebrachten Leitfähigkeitssonden gemessen und daraus der Feuchtegehalt des Gesteins berechnet (Sass 1998). Auch diese Methode kann jedoch nur punktuelle Aussagen liefern. Mithilfe der 2-D Geoelektrik sollen eine genauere Analyse der kleinräumigen Feuchteverteilung erfolgen und Informationen über das Verhalten der Gesteinsfeuchte beim Frostwechsel gewonnen werden. Erste Voruntersuchungen wurden von Sass (2003) durchgeführt.

• Die Mächtigkeit und Struktur alpiner Schutthalden steht in unmittelbarem Zusammenhang mit dem alpinen Steinschlag. Die zeitliche Entstehung und der stratigraphische Aufbau wurden bislang in erster Linie über Berechnungen bezüglich der Abtragsmengen ermittelt (Sass 1998). Auch der Einsatz geoseismischer Methoden ist in dieser Disziplin bereits erprobt (Hoffmann & Schrott 2003; Hecht 2003. Über die Möglichkeiten geoelektrischer Erkundungen liegen jedoch nur vereinzelt Ergebnisse vor, zumeist in Verbindung mit Untersuchungen zu alpinem Permafrost (Hauck & Vonder Mühll 2003; Kneisel & Hauck 2003; Rennert 1991). Die prinzipielle Eignung der Geoelektrik ist diesbezüglich bekannt, Untersuchungen zu Aufbau und Struktur sind jedoch bislang stets mit einem Fragezeichen behaftet. Vergleichende Untersuchungen mit verschiedenen Methoden können dem Abhilfe schaffen. Aus diesem Grund werden die geoelektrischen Untersuchungen in dieser Arbeit zum Teil von parallel durchgeführten Messungen mit alternativen Methoden begleitet. Zum Einsatz kommen Bodenradar und Refraktionsseismik, sowie Kleinrammbohrungen. Dies soll der Verifizierung der durch die ERT gewonnenen Erkenntnisse dienen.

• Ein weiteres Einsatzgebiet der Geoelektrik im Rahmen dieser Arbeit stellt die Untersuchung eines alpinen Rutschkörpers am bayerischen Alpenrand dar. Den Fragen zu Mächtigkeit und Bewegung des Schuttstroms wurde bereits mit vielfältigen Methoden begegnet (Sass & Wetzel, unveröffentlicht). Erkenntnisse zur Bewegung wurden mittels kontinuierlich nachgemessenen Pflockreihen und durch Extensometermessungen ermittelt. Weitere Erkenntnisse konnten mittels Vegetationskartierung und Luftbildauswertung gewonnen werden. Der Aufbau und die Struktur der Rutschung wurden durch bodenhydrologische Messungen und Kleinrammbohrungen untersucht. In dieser Arbeit sollen die Erkenntnisse über Struktur und Mächtigkeit durch die Erstellung von Widerstandsprofilen mithilfe der 2-D Geoelektrik erweitert werden.

Ziel dieser Arbeit ist, neben der Datengewinnung für verschiedene universitäre Forschungsprojekte, die Beurteilung der 2-D Geoelektrik bezüglich ihrer Eignung für Einsatzzwecke in der Geomorphologie. Es soll deshalb gezeigt werden, welche Informationen mithilfe der ERT gewonnen werden können und mit welchem Aufwand die Untersuchungen verbunden sind. Zudem soll eine Beurteilung der Qualität und der Zuverlässigkeit der gewonnenen Daten erfolgen.

1.2 Untersuchungsgebiete

Die im Zuge dieser Arbeit durchgeführten Messungen erfolgten an sieben verschiedenen Standorten im nördlichen Alpenraum. Die Auswahl der Messstellen erfolgte abhängig vom Untersuchungszweck. Die Lage der Untersuchungsgebiete ist in Abb. 1 dargestellt. Abb. 1: Lage der Untersuchungsgebiete

• Aus Darstellungsgründen sind die Abbildungen nur in der Kaufversion enthalten.

Für die Messungen zur Gesteinsfeuchte wurden Standorte gewählt, die in erster Linie ideale Vorraussetzungen für die Messungen boten und zudem gut erreichbar waren. Die drei gewählten Untersuchungsgebiete lagen alle in den Nördlichen Kalkalpen. Da für die Messungen spezifische Temperaturen vorhanden sein sollten, wurde vor allem die Höhenlage abhängig von der Witterung gewählt.

Die Messungen auf alpinen Schutthalden wurden an zwei Standorten in den Nördlichen Kalkalpen und an einem Standort in den Zentralalpen durchgeführt. Als Auswahlkriterien waren in erster Linie die Ausprägung der Schutthalde und, aufgrund des Zusammenhangs mit dem Forschungsprojekt Steinschlag, ein gut abgrenzbarer Abtragsraum von Bedeutung. Eine gute Erreichbarkeit des Untersuchungsgebietes war aufgrund der teilweise umfangreichen Ausrüstung unabdingbar.

Im Untersuchungsgebiet „Schliersberg“ wurden die Messungen auf einem alpinen Rutschkörper durchgeführt. Der Standort liegt am Nordhang des Schliersbergs im Mangfallgebirge, nordöstlich des Schliersees. Die Messungen fanden im Rahmen eines Geländepraktikums im Juni 2004 statt.

2 Das Prinzip geoelektrischer Messungen
2.1 Grundlagen

Sämtliche Bestandteile der Erdoberfläche wirken als mehr oder weniger guter elektrischer Leiter. Dies betrifft sowohl Festgestein und Sedimente, als auch organische und flüssige Substanzen (Berckhemer 1997). Da sich die Leitfähigkeiten der verschiedenen Materialien gravierend voneinander unterscheiden, ermöglicht es eine systematische Erfassung der Leitfähigkeiten an verschiedenen Punkten, Aussagen über den Aufbau der untersuchten Räume zu treffen. Hierbei ist es von Bedeutung, mit welcher Genauigkeit die erfassten Leitfähigkeiten lokal zugeordnet werden können. Bezieht sich eine Messung auf einen größeren Raum, so erhält man lediglich einen undifferenzierten Durchschnittswert.

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