Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten

Band 3

Dieses Methodenhandbuch „Deponieuntergrund“ ist im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) geförderten Forschungsverbund-vorhabens „Methoden zur Erkundung und Beschreibung des Untergrundes von Deponien und Altlasten“ (Projektträger „Abfall-wirtschaft und Altlastensanierung“ im Umweltbundesamt; Förder-kennzeichen 1460605, 1460605A und 1460605B) entstanden. Die Verantwortung für den Inhalt der jeweiligen Beiträge liegt bei den Autoren.

Mit Beiträgen von Alfred Berktold, Norbert Blindow, Frank Börner, Gerhard Brandt, Ewald P. Brückl, Thomas Büttgenbach, Günter Buntebarth, Uwe Casten, Wolfgang G. Debschütz, Lothar Dresen, Hans A. K. Edelmann, Jürgen Fertig, Imre Fejes, Helmut Gaertner, Christoph Gelbke, Siegfried Greinwald, Eckart Hurtig, Bernhard Illich, Franz Jacobs, Wolfgang Jäger, Franz Kirchheimer, Klaus Knödel, Franz König, Artur Wilhelm Kolodziey, Johannes M. Kulenkampff, Heinrich Krummel, Gerhard Lange, Kurt Lhotzky, Gerd Liebhardt, Harald Lindner, Hans-Henrik Mittenzwey, Martin Müller, Christian Oelsner, Dirk Orlowsky, Hellfried Petzold, Burkhard Pfeifer, Ernö Prácser, Carsten Pretzschner, Tino Radic, Lutz Reimers, Géza Rezessy, Thomas Richter, Karl-Josef Sandmeier, Jochen Schade, Gerlinde Schaumann, Christian Schneider, Jürgen R. Schopper, Joachim Sebulke, Heinz Schubert, Knut Seidel, Klaus-Peter Sengpiel, Dieter Steinbrecher, János Stickel, László Szabadváry, Tomm Utecht †, László Vértesy, László Verö, Richard Vogt, Andreas Weller, Peter Weidelt, Thomas Witka, Uwe Wolf, Ugur Yaramanci und Gerhard Zscherpe †

Klaus KnödelHeinrich KrummelGerhard Lange (Herausgeber )

Geophysik2. überarbeitete Auflage

mit 431 Abbildungen, 122 in Farbe und 57 Tabellen

Dr. Klaus Knödel Dr. Heinrich Krummel Dipl. Geophys. Gerhard Lange

Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Dienstbereich Berlin Wilhelmstraße 25-30 D-13593 Berlin

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ISBN 3-540-22275-8 Springer Berlin Heidelberg New York

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Umschlaggestaltung: Erich Kirchner, Heidelberg Herstellung: Almas Schimmel Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren Druck: Mercedes-Druck, Berlin Bindung: Stein + Lehmann, Berlin

Gedruckt auf säurefreiem Papier 30/3141- 5.4 3 2 1 0 -

Dank

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat in den ver-gangenen Jahren über seinen Projektträger ”Abfallwirtschaft und Altlastensa-nierung” im Umweltbundesamt das Verbundvorhaben ”Methoden zur Erkun-dung und Beschreibung des Untergrundes von Deponien und Altlasten” (Kurztitel ”Deponieuntergrund”) gefördert. Als ein Produkt des Verbundvor-habens wird das „Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten“ vorgelegt. Der Herausgeber dankt dem BMBF für die Förde-rung des Vorhabens und des Handbuchs. Zu danken ist Herrn Dr. Heidborn und Mitarbeitern (BMBF) und dem Projektträger für die fachliche und admi-nistrative Betreuung des Verbundvorhabens und des Methodenhandbuchs. Die Ermutigungen, kritischen Fragen und zahlreichen Hinweise durch die Mitar-beiter des Projektträgers und der Fachreferate im Umweltbundesamt haben das Projekt wesentlich vorangebracht.

Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) hat in Zu-sammenarbeit mit den Autoren nach Beendigung des Verbundvorhabens ”De-ponieuntergrund” im Rahmen ihrer Querschnittsaufgaben „Beratung der Mi-nisterien“ und „Beratung der deutschen Wirtschaft“ die aktualisierte Neuauf-lage des Bandes Geophysik vorbereitet.

Der vorliegende Band ist ein Gemeinschaftswerk von Geophysikern in Firmen, Hochschulen, Forschungsinstituten und Behörden. Die Forschung an den Teststandorten, wo instruktive Beispiele für das Handbuch gewonnen so-wie die Methoden nach Kosten und Nutzen bewertet wurden, ist nachhaltig von den zuständigen Geologischen Landesämtern, Kreisbehörden und Depo-niebetreibern unterstützt worden. Zu danken ist neben den Autoren allen Fachkollegen und Firmen, die durch Beiträge und Fallbeispiele den Band Geophysik mitgestaltet haben.

Ein besonderer Dank gilt den Revisoren, die in der Liste der Reviewer ge-nannt werden, für die gründliche Durchsicht der Manuskripte und zahlreiche konstruktive Hinweise zu deren Verbesserung.

Frau Ingrid Boller hat zielstrebig die Überarbeitung des Bandes Geophysik koordiniert und vorangetrieben. Sie hat unterstützt durch Frau Claudia Wieß-ner mit Fleiß, Kreativität und Umsicht Text und Abbildungen in die vorlie-gende Form gebracht. Für ihre mühevolle Arbeit gebührt ihnen der herzliche Dank der Autoren und des Herausgebers.

Inhaltsverzeichnis

EinleitungKlaus Knodel, Heinrich Krummel & GerhardLange

Vorbereitung geophysikalischer MessungenJochen Schade

2.12.22.3

3

3.13.23.33.43.53.63.73.83.93.10

4

4.14.24.34.44.54.64.74.84.94.10

Information und Genehmigungen (Permitting)Mobilisation und DemobilisationVermessungsarbeiten

MagnetikKlaus Knodel

Prinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenMefigerateFeldarbeitenBearbeitung und Interpretation der MeftdatenQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandAbschatzung der zu erwartenden MeBeffekteBeispiele

GravimetrieHarold Lindner & Uwe Cas ten

Prinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenMeiigerateFeldarbeitenBearbeitung und Interpretation der MeJidatenQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandAbschatzung der zu erwartenden MefieffekteBeispiele

71111

17

17181822242630313133

43

43454650515355565658

Inhaltsverzeichnis VII

5 Geoelektrik 71AlfredBerktold, Thomas Bilttgenbach, Siegfried Greinwald,Bernhard Illich, Franz Jacobs, Artur Wilhelm Kolodziey, GerhardLange, Hans-Martin Maurer, Erno Prdcser, Burkhard Pfeiffer,Carsten Pretzschner, Tino Radic, Gerlinde Schaumann, GezaRezessy, Joachim Sebulke, Knut Seidel, Ldszlo Szabaavary, LdszloVertesy, Richard Vogt, Peter Weidelt, Andreas Weller & Uwe Wolff

5.1 Grundlagen 71Peter Weidelt

5.1.15.1.25.1.35.1.3.15.1.3.25.1.3.3

5.1.45.1.5

5.2

5.2.15.2.25.2.35.2.45.2.55.2.65.2.75.2.85.2.95.2.10

5.3

5.3.15.3.25.3.35.3.45.3.55.3.65.3.75.3.85.3.9

Klassifizierung der VerfahrenGrundgleichungenEinfache Anwendungen der GrundgleichungenDie Gleichstrom-GrundgleichungDie Wellengleichung fur homogene BereicheTypischer Frequenzgang einer induktiven Ubertra-gungsfunktionTypische Signalamplituden kiinstlicher QuellenDie elektiische Leitfahigkeit

EigenpotentialmethodeRichard Vogt, Thomas Buttgenbach, Uwe Wolf & Burkhard PfeifferPrinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenMeBgerate und AusriistungFeldarbeitenBearbeitung und InterpretationQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandAbschatzung der zu erwartenden MeBeffekteBeispiele

GleichstromgeoelektrikGerhard Lange & Franz JacobsPrinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenMeftgerate und AusriistungFeldarbeitenAuswertung und InterpretationQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandBeisDiele

717479798082

8689

101

101103103107108110111111112116

128

128132132138140152160162163

VIII

5.4

5A15.4.25.4.35.4.3.1

5.4.3.25.4.3.35.4.45.4.55.4.65.4.75.4.85.4.95.4.10

5.5

5.5.15.5.25.5.35.5.45.5.55.5.65.5.7

5.6

5.6.15.6.25.6.35.6.45.6.5

5.7

5.7.1

5.7.25.7.35.7.4

Inhaltsverzeichnis

Induzierte PolarisationTinoRadic & Andreas WelterPrinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenUrsachen und Modelle zur Beschreibung des IP-Effektsim Zeit- und FrequenzbereichMeiigrolien und MeiieffekteDie Aufladbarkeit von GesteinenMeJigerate und AusriistungFeldarbeitenAuswertung, Ergebnisdarstellung und InterpretationQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandAbschatzung der zu erwartenden MeflgroflenBeispiele

Mise-a-la MasseGerhardLange, Carsten Pretzschner & Knut SeidelAnwendungsmoglichkeitenMeBgerate und AusriistungFeldarbeitenBearbeitung und InterpretationQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandBeispiel

Geoelektrische Messung der GrundwasserbewegungJoachim SebulkeMeftgerate und AusriistungBearbeitung und Interpretation der MeJidatenQualitatssicherungPersoneller und zeitlicher AufwandBeispiel

ElektromagnetischeZweispulen-SystemeArtur Wilhelm Kolodziey, Erno Pracser, Geza Rezessy, Knut Seidel,Laszlo Szabadvary & Laszlo VertesyPrinzip der MethodeKnut SeidelAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenFeldarbeiten

174

174176176177

183187187190192194195196199

215

217217218219222223223

228

232232235236236

241

241

244245255

Inhaltsverzeichni s

5.7.55.7.65.7.7

5.7.8

5.7.9

5.7.10

Auswertung und InterpretationFehlermoglichkeitenEM 38, EM 31, EM 34Artur Wilhelm KolodzieyMAXMINKnutSeidelGENIEArtur Wilhelm KolodzieyMAXIPROBEErno Prdcser, Geza Rezessy, Ldszlo Szabadvdry & Ldszlo Vertesy

IX

258264265

273

285

292

5.8 Transientelektromagnetik 313Siegfried Greinwald, Bernhard Illich & Gerlinde Schaumann

5.8.1 Transientelektromagnetische Sondierung 313Siegfried Greinwald & Gerlinde Schaumann

5.8.1.1 PrinzipderMethode 3135.8.1.2 Anwendungsmoglichkeiten 3145.8.1.3 Grundlagen 3155.8.1.4 Meflgerate 3195.8.1.5 Feldarbeiten und Aufwand 3225.8.1.6 Auswertung und Interpretation der Mefidaten 3225.8.1.7 Qualitatssicherung 3235.8.1.8 Beispiel 323

5.8.2 TiefeindringenderMetalldetektor 327Bernhard Illich

5.8.2.1 Prinzip der Methode 3275.8.2.2 Anwendungsmoglichkeiten 3285.8.2.3 Grundlagen 3285.8.2.4 Meflgerate 3295.8.2.5 Feldarbeiten 3295.8.2.6 Bearbeitung und Interpretation der MeJJdaten 3305.8.2.7 Qualitatssicherung 3305.8.2.8 Personeller, technischer und zeitlicher Aufwand 3305.8.2.9 Abschatzung der zu erwartenden MeJigrolien 3315.8.2.10 Beispiele 332

5.9 VLF, VLF-R und Radiomagnetotellurik 335Alfred Berktold

5.9.1 Prinzip der Methode 3355.9.2 Anwendungsmoglichkeiten 3365.9.3 Grundlagen 3365.9.4 MeBgerate 3455.9.5 Feldarbeiten, Qualitatssicherung, personeller, technischer 347

und zeitlicher Aufwand

X

5.9.65.9.7

5.10

5.10.15.10.25.10.35.10.45.10.55.10.65.10.75.10.85.10.9

6

6.16.26.36.46.56.66.76.86.9

Inhaltsverzeichnis

Bearbeitung und Interpretation der MelidatenBeispiel

Oberflachen-Nuklear-Magnetische ResonanzGerhard Lange & Ugur YaramanciPrinzip des VerfahrensAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenMeJigerateFeldarbeitenBearbeitung und Interpretation der MeiidatenQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandBeispiele

BodenradarNorbert Blindow, Thomas Richter & Hellfried Petzold

Prinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenApparaturenFeldarbeiten

348351

362

362363364369370374376377378

389

389391391402405

Auswertung, Darstellung der Melidaten und Interpretation 406QualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandAbschatzune der zu erwartenden Eindrinetiefen und

408409409

Amplituden6.10 Beispiele 410

7 Seismik 425EwaldBruckl, Lothar Dresen, Hans A. K. Edelmann, Jiirgen Fertig,Helmut Gaertner, Christoph Gelbke, Franz Kirchheimer, HeinrichKrummel, Gerd Liebhardt, Dirk Orlowsky, Lutz Reimers, Karl-JosefSandmeier, Christian Schneider, Tom Utecht *f & Thomas Wittka

7.1 Prinzip der Methode 425Jiirgen Fertig

12 Anwendungsmoglichkeiten 426

7.3 Grundlagen 4297.3.1 Einfuhrung in die Elastizitatstheorie 429

Inhaltsverzeichni s

7.3.27.3.37.3.4

7.3.57.3.67.3.77.3.87.3.9

7.47.4.1

7.4.1.17.4.1.27.4.1.2.17.4.1.2.27.4.1.37.4.2

7.4.2.17.4.2.1.17.4.2.1.27.4.2.1.37.4.2.1.47.4.2.1.57.4.2.27.4.2.2.17.4.2.2.27.4.2.2.37.4.2.2.4

7.4.2.3

Elastische Parameter und seismische GeschwindigkeitenRaumliche Wellenausbreitung und AbsorptionDas Reflexions- und Transmissionsverhalten von ebenenWellen an ebenen GrenzflachenReflexion und RefraktionOberflachenwellenDiffraktionDas Auflosungsvermogen seismischer DatenGeschwindigkeits- und Dichtewerte in Sedimenten

MeftgerateSeismische QuellenHeinrich KrummelQuellmechanismen zur Anregung seismischer WellenTypen seismischer QuellenP-Wellen-QuellenS-Wellen-QuellenQualitatssicherung beim Einsatz seismischer QuellenAufnehmer und AufnahmeapparaturenHans A. K. EdelmannAufnehmerDas GeophonAndere AufnehmertypenDer praktische Feldeinsatz von GeophonenTypische GeophondatenQualitatssicherungAufnahmeapparaturenDer technische AufbauTechniken der StorsignalunterdruckungTypische DatenvonAufnahmeapparaturenPraktische Bedienung im Feld, Optimierung derAufnahmeparameterQualitatssicherung bei der Datenerfassung

XI

433437439

448454457458462

467467

469475478493498505

505505509510513515516516522524525

526

7.5 Refraktionsseismik 530Ewald Brtickl, Franz Kirchheimer, Heinrich Krummel, GerdLiebhardt, Lutz Reimers, Karl-Josef Sandmeier & Tom Utecht *f

7.5.1 Prinzip der Methode 530Karl-Josef Sandmeier & Heinrich Krummel

7.5.2 Anwendungsmoglichkeiten 5357.5.3 Datenakquisition 535

EwaldBruckl7.5.3.1 Modelle 5367.5.3.2 Meiigeometrie 5377.5.3.3 Wahl der Feldparameter 539

All

7.5.3.47.5.4

7.5.4.17.5.4.27.5.4.37.5.4.47.5.5

7.5.5.17.5.5.27.5.5.37.5.5.47.5.6

7.5.6.17.5.6.27.5.6.3

7.5.6.3.17.5.6.3.27.5.6.3.37.5.6.3.47.5.6.3.57.5.7

7.5.7.17.5.7.27.5.7.37.5.7.47.5.7.57.5.8

7.5.9

7.5.9.17.5.9.27.5.9.37.5.9.47.5.9.57.5.9.67.5.10

Inhaltsverzeichnis

QualitatskontrolleErstellung und Interpretation von LaufzeitfeldernEwaldBriicklDarstellungInterpretationAnwendung auf klassische InversionsverfahrenSchluftfolgerungenStandard-InversionsverfahrenKarl-Josef SandmeierInteraktive 1-D-ModellierungIntercept-Zeit-MethodeGeneralized Reciprocal Method (GRM)WellenfrontenverfahrenIterative InterpretationsmethodenKarl-Josef Sandmeier & Gerd LiebhardtIterative 2-D- und 3-D-VorwartsmodellierungsverfahrenBeispieleRefraktionstomographieTomm UtechtPrinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenPraktische DurchfuhrungBeispieleCMP-Refraktionsseismik(Wellenfeldverfahren)Lutz Reimers & Dirk OrlowskyPrinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenKombination der CMP-Refraktionsseismik mit der GRMBeispieleEinsatz der refraktionsseismischen Standard- unditerativen Interpretationsverfahren in der PraxisKarl-Josef Sandmeier

Ansatze zur flachenhaften RefraktionsseismikFranz KirchheimerPrinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenPraktische DurchfuhrungEinordnung der von der Methode gelieferten ResultateBeispielPersoneller, technischer und zeitlicher Aufwand

544545

546549552553553

556558559563566

566569573

573574574575576583

583583584590592599

600

600601602606609610616

Inhaltsverzeichnis XIII

7.6

7.6.1

7.6.1.17.6.1.27.6.1.37.6.1.47.6.1.57.6.1.67.6.2

7.6.2.17.6.2.27.6.2.37.6.2.47.6.2.57.6.2.67.6.2.77.6.2.87.6.2.9

7.7

7.7.17.7.27.7.37.7.47.7.57.7.67.7.77.7.8

ReflexionsseismikHelmut Gaertner & Thomas Wittka2-D-ReflexionseismikHelmut GaertnerPrinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenMethodik der FeldarbeitenProzessingInterpretation und Zeit-Tiefen-TransformationBeispiele3 -D-ReflexionsseismikThomas WittkaPrinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenEntwurf eines 3-D-seismischen MeftschemasMeBgerateFeldarbeitenProcessing und InterpretationQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandBeispiele

OberflachenwellenseismikLothar Dresen & Christian SchneiderPrinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenFeldarbeitenAuswertung und InterpretationQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandBeispiel

620

620

620625625632639644651

651652652661661664667669670

683

683685685688690691693693

7.8 Bohrlochseismik 699Christoph Gelbke

7.8.1 Prinzip der Methode 6997.8.2 Anwendungsmoglichkeiten 7027.8.3 Meftmethoden mit Beispielen 7037.8.3.1 Hochfrequenz-Bohrlochseismik beim Logging 7037.8.3.2 Quelle und Aufnehmer im selben Bohrloch 7047.8.3.3 Quelle und Aufnehmer in unterschiedlichen Bohrlochern 7077.8.3.3.1 Paralleldurchschallung 7077.8.3.3.2 Tomographie 7107.8.3.4 Vertikale Seismische Profile (VSP) 714

XIV Inhaltsverzeichnis

7.8.4 Mefigerate 7177.8.5 Personeller, technischer und zeitlicher Aufwand 7207.8.6 Qualitatssicherung 722

7.9 Mefigrofien und MaBeinheiten der seismischen Verfahren 725

8 Geothermik 727Christian Oelsner, EckartHurtig & Gerhard Brandt

8.1 Prinzip der Methode 7278.2 Anwendungsmoglichkeiten 7288.3 Grundlagen 7288.4 Mefigerate 7308.5 Feldarbeiten 7338.6 Bearbeitung und Interpretation der Mefidaten 7348.7 Qualitatssicherung 7358.8 Personeller, technischer und zeitlicher Aufwand 7368.9 Zu erwartende Mefteffekte 7368.10 Beispiele 737

9 Radiometrie 747Christian Oelsner & Heinz Schubert

9.19.29.39.49.59.69.79.89.99.10

10

10.110.2

10.310.3.110.3.2

Prinzip der MethodeAnwendungsmoglichkeitenGrundlagenMefigerateFeldarbeitenBearbeitung und Interpretation der MefidatenQualitatssicherungPersoneller, technischer und zeitlicher AufwandAbschatzung der zu erwartenden MefieffekteBeispiele

AerogeophysikKlaus-Peter Sengpiel

Prinzip der MethodenAnwendungsmoglichkeiten

Aeroelektromagnetische VerfahrenGrundlagen der aktiven FlugelektromagnetikBeispiele

747748749756758759760761761762

771

771773

774111788