1 Einführung

1.1 Gliederung Teil Geoelektrik

Grundgleichungen und elektrische Felder
Petrophysikalische Grundlagen
Anordnungen, Profilmessungen und Sensitivitäten
Widerstandstiefensondierung
2D-Geoelektrik, Modellierung und Inversion
3D-Geoelektrik und crosshole-ERT
Prozessmonitoring und Timelapse-Verfahren
Induzierte Polarisation im Zeit- und Frequenzbereich

1.2 Gliederung Teil Elektromagnetik

Grundlagen der Geoelektromagnetik
Magnetotellurik
CSEM-Methoden im Frequenzbereich
Transientelektromagnetik
Gemeinsame Inversion
Nuklearmagnetische Resonanz

1.3 Empfohlene Lehrbücher

Telford, Geldart, Sherriff (1990): Cambridge

Knoedel, Krummel, Lange (2005): Springer

1.4 Literatur

Knödel/Krummel/Lange.: Geophysik, Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten, Springer frei über UB
Everett (2013): Near Surface Applied Geophysics, Cambridge
Binley (2015): Tools and Techniques: Electrical Methods, in Treatise on Geophysics, vol 11, 2nd ed., Elsevier, doi:10.1016/B978-0-444-53802-4.00192-5
Burger et al. (2023): Introduction to Applied Geophysics - Exploring the Shallow Subsurface, Cambridge

1.5 Lernpyramide

Vorlesung und Scripte
Notebooks zum Spielen
Übungen
praktische Messungen
gemeinsame Auswertung

2 Einführung

2.1 Elektromagnetische Größen

magn. Feldstärke \(H\) [A/m]
magn. Flussdichte \(B\) [Vs/m²] \(B=\mu H\) (oft “Magnetfeld”)
magn. Permeabilität \(\mu\) [Vs/Am] \(\mu=\mu_0\mu_r\) , \(\mu_0\)=4\(\pi\) 1e-7Vs/Am
mag. Suszeptibilität \(\chi_m=\mu_r\)-1
magn. Fluss \(\Phi\) [Vs]
spez. el. Widerstand \(\rho\) [\(\Omega\)m]

elektr. Feldstärke \(E\) [V/m]
dielektr. Verschiebung \(D\) [As/m²] \(D=\epsilon E\) (Hilfsfeld)
elektr. Permittivität \(\epsilon\) [As/Vm] \(\epsilon=\epsilon_0\epsilon_r\) , \(\epsilon_0\)=8.854e-12As/Vm
el. Suszeptibilität \(\chi_e=\epsilon_r\)-1
elektr. Stromdichte \(j\) [A/m²]
el. Leitfähigkeit \(\sigma\) [S/m]

2.2 Maxwell-Gleichungen

\[ \curl\vb E = -\pdv{\vb B}{t} \]

\[ \curl \vb H = \pdv{\vb D}{t} + \vb j \]

2.3 Maxwell - Quellen und Material

Ladungsträger erzeugen eine elektrische Verschiebung \[\div \vb D = \varrho\]

Das Magnetfeld ist frei von Quellen und Senken \[\div \vb B = 0\]

Materialgleichungen: \(\vb B=\mu\vb H\), \(\vb D=\epsilon\vb E\), \(\vb j=\sigma\vb E\)

2.4 Amperesches Gesetz in der Geophysik

\[ \curl \vb H = \pdv{\vb D}{t} + \vb j \]

Wellenausbreitung \(\curl\vb H=\pdv*{\vb D}{t}\): Georadar
Induktion \(\curl\vb H=\vb j\), \(\curl\vb E=-\pdv*{\vb B}{t}\)
Magnetotellurik, EMI in Zeit- und Frequenzbereich
Magnetostatik \(\curl\vb H=\vb j\), \(\curl\vb E=0\)

2.5 Näherung und Methoden

\[ \curl \vb H = \pdv{\vb D}{t} + \vb j \qquad \curl\vb E = -\pdv{\vb B}{t} \]

Vorgänge/Felder	\(\curl\vb H\)	\(\curl\vb E\)	Methoden
Stationär	\(\vb j\)	0	Geoelektrik
Quasistationär	\(\vb j\)	\(-\pdv*{\vb B}{t}\)	Induktion
Wellenvorgänge	\(\pdv*{\vb D}{t}+\vb j\)	\(-\pdv*{\vb B}{t}\)	Georadar

2.6 Elektrische Leitfähigkeit

Länge \(L\), Querschnitt \(A\)
Spannung \(U\) [V], Stromstärke \(I\) [A]
Ohmscher Widerstand \(R\)=\(U\)/\(I\) [\(\Omega\)]

Stromdichte \(j\)=\(I\)/\(A\) [A/m²]
Elektr. Feld \(E\)=\(U\)/\(L\) [V/m]

Ohmsches Gesetz
\(j=\sigma E\) (Leitfähigkeit \(\sigma\) [A/Vm])
\(\Rightarrow \rho=1/\sigma=E/j\) [\(\Omega\)m] spezifischer Widerstand

\(\Rightarrow \rho = \frac{U/L}{I/A}=\frac{U}{I}\frac{A}{L}=R\cdot k\) Konfigurations-Faktor \(k\) [m]

2.7 Spezifischer Widerstand (Knödel, 2005)

25 Dekaden:

Diamant: 1e18 \(\Omega\)m
Kupfer: 1e-7 \(\Omega\)m

abhängig von:

Wassergehalt
Fluidleitfähigkeit
Tonanteil

3 Anwendung

Ingenieurgeophysik (Festgestein, Hohlräume, Bäume/Wurzeln)
Hydrogeologie (Aquifer-Architektur, Kontaminationen)
Salzwasser-Intrusion in Grundwasser-Aquifere
Geologisch/tektonische Untersuchungen (Störungen)
Archäologie (Fundamente, Hütten und Schlacken)
Landwirtschaft (Feuchtigkeit und Tonanteil)
Georisiken (Hangrutschungen, Verkarstung)
Prozessmonitoring (Wasser- und Stoff-Transport)

3.1 Kleinskalig (Martin&Günther, 2013)

3.2 Mittelskalig: Geologie

Tanner et al. (2019): Störungszone Irland

3.3 Großskalig: Geologie

Nickschick et al. (2017): CO2-Aufstieg an Störung im Egergraben

3.4 Salzwasser-Intrusion von Süßwasseraquiferen

3.5 Hydrogeologie (Hübner et al., 2015)

Wasserspeicher in Hangdellen am Teststandort Mulda

3.6 Untersuchung von Halden (Günther et al., 2006)

3.7 Zielfunktion guter Leiter

3-Schicht-Fall
Mächtigkeiten 20m
spez. Widerstände 100/1000/100 \(\Omega\)m

3.8 Sensitivitäten

3.9 Wenner-Anordnung

3.10 Schlumberger-Anordnung

3.11 Wenner-\(\beta\) Anordnung

3.12 Dipol-Dipol-Anordnung

3.13 Mess-Strategien

Kartierung

“Bewegung” einer festen Anordnung entlang eines Profils

Sondierung

Vergrößerung der Auslage bei festem Mittelpunkt

Sondierungskartierung/2D-Geoelektrik

Kombination aus Kartierung und Sondierung, meist bei festem Aufbau einer Elektrodenkette (Multielektroden-Geoelektrik): Electrical Resistivity Tomography (ERT)

3.14 Widerstands-Kartierung (Wenner)

3.15 Tiefensondierung (Schlumberger)

4 2D-Geoelektrik

Kombination aus Kartierung und Sondierung, automatisiert mit Relais
Entwicklung von Multi-Elektroden-Apparaturen (1990er Jahre)
Hersteller weltweit: ABEM (GeoGuideline, SE), IRIS Instruments (FR), SuperSting (US), Resecs, Lippmann, GeoTom (DE), ARES (CZ), Eigenbau-Systeme (OhmPi, FR)