Geoelektrische und seismische Untersuchungen an Problemzonen im Salinar

A. Just, C. Schütze, C. Rücker, U. Serfling, H. Zöllner

www.geo.uni-leipzig.deemail: ajust@rz.uni-leipzig.de

Institut für Geophysik und Geologie

4. Fachgespräch „Geophysik und Barrieresysteme“, 8.3.2007

Gliederung:

1. Motivation/ Forschungsprojekt

2. Lokationen

3. Geoelektrische und seismische Messungen

4. Zusammenfassung und Ausblick

Geoelektrische und seismische Untersuchungen an Problemzonen im Salinar

UTD(Müll)

technische Barriere

geologische Barriere(Gestein)

Erdoberfläche

Schema einer Untertagedeponie

Problemzone

Problemzonen im Salinar

Klüfte

Subrosion

Verw

erfu

ngsz

one

Kluf

tzon

e

Subrosion

Feuchtigkeit

0 100 %

Schichtgrenze

UTD(Müll)

technische Barriere

geologische Barriere(Gestein)

Erdoberfläche

Schema einer Untertagedeponie

Problemzone

Zwingend erforderlich: zerstörungsfreie Erkundung und Charakterisierung der geologischen Barriere

BMBF-Verbund-Projekt SALINARGEOPHYSIK III„Universelles integriertes geophysikalisches Mess- und Auswerte-instrumentarium zur Charakterisierung von Problemzonen im Salinar“

• Universität Leipzig, Institut für Geophysik und Geologie:- Projektkoordination- Geoelektrik- Seismik (mit K-UTEC GmbH Sondershausen) - Geologie (mit Büro Dr. Schwandt, Erfurt)

• Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren Dresden:- Sonarverfahren

• GGA-Institut Hannover:- Elektromagnetik- Georadar- Kombination der Verfahren; Quantitative Charakterisierung

(FKZ: 02C1305, 02C1315, 02C1325), Laufzeit: 2005 –2008

www.geo.uni-leipzig.deemail: ajust@rz.uni-leipzig.de

Salinargeophysik III

Kali- und SalzbergbauReferenzmessorte

Universelles integriertes geophysikalischesMess- und Auswerteinstrumentarium

Messkampagnen• Geologie• Geoelektrik• Seismik• Elektromagnetik• Geosonar

Gesteinsparameter im Labor und in situ

Quantitative Charakterisierung von anomalen Bereichen(Anomaliekriterien)

Quantitative Charakterisierung

Problemzonen ProblemzonenfreieEntsorgungsbereiche

Szenarienmodellierungfür verschiedene Standorttypen

FEM-Modellierungen

? !

4. Fachgespräch „Geophysik und Barrieresysteme“, 8.3.2007

Messobjekte:

• SALINARGEOPHYSIK I (1998-2001): - ehemaliges Kali-Bergwerk Bischofferode im Südharz- flache Lagerung- Problemzone im Hangenden einer Abbaustrecke

• SALINARGEOPHYSIK II (2001-2003):- in Betrieb befindliches Bergwerk in Niedersachsen- Salzstock- Problemzone in 50 m horizontaler Entfernung von der Strecke

• SALINARGEOPHYSIK III (2005-2008):- ehemaliges Kali-Bergwerk Sollstedt

und- ehemaliges Kali-Bergwerk Teutschenthal- beide in flacher Lagerung, Problemzonen im Liegenden

Messobjekte:

• SALINARGEOPHYSIK I (1998-2001): - ehemaliges Kali-Bergwerk Bischofferode im Südharz- flache Lagerung- Problemzone im Hangenden einer Abbaustrecke

• SALINARGEOPHYSIK II (2001-2003):- in Betrieb befindliches Bergwerk in Niedersachsen- Salzstock- Problemzone in 50 m horizontaler Entfernung von der Strecke

• SALINARGEOPHYSIK III (2005-2008):- ehemaliges Kali-Bergwerk Sollstedt

und- ehemaliges Kali-Bergwerk Teutschenthal- beide in flacher Lagerung, Problemzonen im Liegenden

Salzbergbau in Mitteldeutschland

Schichtenfolge des Zechsteinsim Raum Bleicherode/ Sollstedt

(schematisch, nach A. Schwandt 2006)

Staßfurtsteinsalz

Werra-Folge

BasalanhydritHauptdolomit

Buntsandstein

Kaliflöz StaßfurtGT

100 200 m0

Basalanhydrit-Aufsattelung

Geophysikalisches Messprofil auf der Hauptförderstrecke

Gleichstrom-Geoelektrik:

• Parameter: elektrische Leitfähigkeit/ spez. elektrischer Widerstand

• starke Abhängigkeit vom Wassergehalt

besonders geeignet zur Detektion von Feuchtezonen oder Salzlösungsvorkommen

1.0e-7 1.0e-6 1.0e-5 1.0e-4 1.0e-3 1.0e-2 1.0e-1Wassergehalt (Gewichtsprozent)

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9lo

g(ρ

/Ωm

)

AA

A A AAAAA

A

HH

HHHHHHHH

HH

HH

HH

HH

HH

HH

TT

TT

TT TT TTTT

TT

Geophysikalisches Bewertungsinstrumentarium - Geoelektrik, Labor -

www.geo.uni-leipzig.de

Institut für Geophysik und Geologie

Ergebnisse der simultanen Messungen von Wassergehalt und elektrischem Widerstand. Farbige Punkte: KF-Feuchtigkeit und 4-Elektrodenwiderstand (Halit+Sylvinit-Hartsalz) Buchstaben: Feuchtigkeit bestimmt aus Probenmasse und 2-Elektrodenwiderstand T-Salzton; A: Anhydrit, H: Halit

Institut für Geophysik und Geologie

(J. Kulenkampff 2001)

Geophysikalisches Bewertungsinstrumentarium - Geoelektrik, Labor -

www.geo.uni-leipzig.de

Institut für Geophysik und Geologie

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

log( / m)ρ Ω

Widerstandstomogramm Kern in der Meßebene aufgeschnitten

Widerstandstomographie am BohrkernHartsalz (Sylvinit+Halit), Kerndurchmesser 8 cm

Institut für Geophysik und Geologie

Geoelektrik - Messtechnik

RESECS (GeoServe Kiel):- Konstantspannung (0-120 V intern), Strommessung- intelligente Elektroden (max. 6 Ketten a 16 Elektroden)

Transientenrekorder RefTek(Refraction Technology, USA)

- 3 überlappende Dipol-Dipol- und Wenner-Pseudosektionen mit RESECS, je 96 Elektroden, 2m Elektrodenabstand 190 m Profillänge; Gesamtprofil 400 m

- zusätzliche Spannungsregistrierungen mit RefTeks- Elektroden: Stahlbolzen

RESECS - Signal

Einspeisung: RechtecksignalLänge: 800 msSpeisespannung: 20 V

Strom

Wenner-betaa = 2 mlevel 1

Strom

Spannung

RESECS - Signal

Einspeisung: RechtecksignalLänge: 800 msSpeisespannung: 20 V

Strom

Spannung

Dipol-Dipola = 2 m, 12 m Dipolabstandlevel 5

Reftek – Aufzeichnung über 8 Stunden

5000 10000 15000 20000 25000 Time [s]6 h 14 h

RESECS-Profil192 m

Reftek 4 m

86 m

Reftek – Aufzeichnung über 8 Stunden

5000 10000 15000 20000 25000 Time [s]6 h 14 h

RESECS-Profil192 m

Reftek 4 m

86 m

Reftek – Aufzeichnung (Ausschnitt 30s) driftkorrigiert und gefiltert

(10 Hz Tiefpass)

1.25 Hz

Reftek – Aufzeichnung- Frequenzspektrum -

Rohdaten als PseudosektionenDipol-Dipol

Wenner beta

NW

NW

SE

SE

Scheinbarer spez. Widerstand in Ωm

150 100 50 0 -50 -100 -150

150 100 50 0 -50 -100 -150

Ergebnis: Widerstands-Tiefen-Modell

NW SE

200

0salzlösungsführende Zonen

trockener Bereich, Hohlraum ?

feuchte Zone

Seismik

Henning Zöllner Thomas Schicht(Universität Leipzig) (K-UTEC Sondershausen)

Eignung der Hammerschlag-Seismik zur Strukturerkundung im Salinar

• akustische Eigenschaften:• sehr hohe Schallhärte • keine störende Verwitterungsschicht

– sehr geringe Dämpfung – keine Dispersion der OF-Welle– sehr breites Nutzfrequenzspektrum

• relativ homogene Lagerungsverhältnisse – geringe Streuung

• In der Praxis – relativ große Erkundungstiefe (>100m)– Auflösung im Meter-Bereich

K-UTEC GmbH:•Bison, 48 Kanäle•3-Komponenten Piezoschwinger mit Vorverstärker•5kg Hammer

dGP: 1mdSP: 4m/1mStapelgrad:18/72

Messausrüstung und Konfiguration

Uni Leipzig:•DMT-Summit, 72 Kanäle•100Hz Vertikal-Geophone•5kg Hammer

dGP: 1mdSP: 1mStapelgrad:72

DatenprozessingUni Leipzig: ProMAX, Version 2003

Lokation Sollstedt

0 10 20 m

P-stack, bottom-mute vor OF-Welle; Stapel- und T-D-C-Geschwindigkeit 4700m/s

150 50100 0

Stapelsektion P-Welle

NW SE

S-stack, Stapel- und T-D-C-Geschwindigkeit 2700m/s; migriert

150 50100 0NW SE

Grubenriss

Grubenriss mit nachgezeichneten markanten Strecken

Nachgezeichnete markanten Strecken

150 50100 0 SENW

S-stack, Stapel- und T-D-C-Geschwindigkeit 2700m/s; migriert, mit nachgezeichneten Strecken

Geoelektrikund Seismik (migriert, S-Welle)

NW SE

200 -200

0NW SE

Geoelektrikund Seismik (migriert, S-Welle)

NW SE

200 -200

0NW SE

salzlösungsführende Zonen

gasgefüllte Kluftzone im Anhydrit

feuchte, aufgelockerte Zone

Anhydritoberkante ?

Messobjekte:

• SALINARGEOPHYSIK I (1998-2001): - ehemaliges Kali-Bergwerk Bischofferode im Südharz- flache Lagerung- Problemzone im Hangenden einer Abbaustrecke

• SALINARGEOPHYSIK II (2001-2003):- in Betrieb befindliches Bergwerk in Niedersachsen- Salzstock- Problemzone in 50 m horizontaler Entfernung von der Strecke

• SALINARGEOPHYSIK III (2005-2008):- ehemaliges Kali-Bergwerk Sollstedt

und- ehemaliges Kali-Bergwerk Teutschenthal- beide in flacher Lagerung, Problemzonen im Liegenden

Lokation II:Verbindungsstrecke,Westliche Bruchfeldgrenze

Lokation I:VerbindungsstreckeWetterschleuse

Grube Teutschenthal - Übersicht

AS12/04

+ 200

+ 100

± 0

- 100

- 200

- 300

- 400

- 500

- 600

- 700

- 800

- 900

- 1000

S N

GRUBE TEUTSCHENTHAL SICHERUNGS GMBH & CO.KGGeologischer Profilschnitt im Bereich des Ostfeldes - Schemamit Verbindungsstrecke Teutschenthal - Angersdorf ( Meßstrecke Geophysik ) AS

12/04

Klüftung ( Schema )

Schichtgrenze

Strecke

850 Abbau - Bezeichnung im Kaliflöz

mNN

S N

Myophorien - Salinarröt - Folge

Solling - Volpriehausen - Folge

Bernburg - Calvörde - Folge

Ohre - Bröckelschiefer - FolgeAller - Folge

Leine - Folge

Staßfurt - Folge

Werra - Folge

Staßfurtsteinsalz

KaliflözStaßfurt

Leineanhydrit u.a.Leinesteinsalz

Staßfurtanhydrit/ - ton

1a - Sohle 1. - Sohle

2. - Sohle

Kal. Hollb. VI

3. - Sohle 4. - Sohle

5. - Sohle 6. - SohleTEUTSCHENTHALER SATTEL

Verbindungsstrecke Teutschenthal - Angersdorf ( Meßstrecke Geophysik )

850 750 650 550 450 350 250 150 9 29 49 69 89

Stand: 16.12.2004

0 100 200 300 400 500 m

Geologischer Schnitt im Bereich des Ostfeldes der Grube Teutschenthal

Teutschenthal, Verbindungsstrecke im Bereich westliche Bruchfeldkante

Lage der Geoelektrikprofile

BruchfeldWestliche Bruchfeldgrenze

1942 m 1560 m1780 m

W E

nach Teutschenthal nach Angersdorf

1750 m

Nord-Stoß

Teutschenthal, Verbindungsstrecke im Bereich der westlichen Bruchfeldkante

Inversionsergebnis aller Dipol-Dipol-artigen RESECS-Daten, nach Schichtkorrektur

1942 m 1560 m1780 m

BruchfeldWestliche Bruchfeldgrenze

Radarreflektor

P-stack; Stapel- und T-D- Konversionsgeschwindigkeit 5200m/s, (nicht migriert!)

W E

Radar 25MHz, T-D- Konversionsgeschwindigkeit 0,125m/ns P-stack; Stapel- und T-D- Konversionsgeschwindigkeit 5200m/s

Zusammenfassung und Ausblick

• Geoelektrik: Detektion von Feuchtezonen, bis 40 m Tiefe

• Seismik: strukturelle Informationen, Schichtgrenzen, Hohlräume, über 100 m Tiefe

• Zusammenführen der Daten der verschiedenen geophysikalischen Verfahren, quantitative Charakterisierung durch statistische Verfahren wie SVM, Bestimmung des Problemindex (Federführung: GGA Institut)

Dank

• BMBF: Förderung des Verbundprojektes(FKZ: 02C1305, 02C1315, 02C1325)

• GVV Sondershausen GmbH und GTS Teutschenthal GmbH für die Unterstützung der Messungen