Geophysikalische Erkundung

Informationen über den geologischen Aufbau des tieferen Untergrunds sind direkt nur aus Bohrungen und dem gewonnenen Material (Bohrkerne, Spülproben) erhältlich. Trotz einer Vielzahl solcher Bohrungen in Bayern stellen sie nur relativ wenige und lediglich punktuell verteilte Datenquellen dar. Daneben liefern mehrere indirekte geophysikalische Messmethoden weitaus großräumigere Erkenntnisse über den Untergrund, die geophysikalisch und geologisch interpretiert werden müssen.

Geophysikalische Geländemessungen

Das LfU führt geophysikalische Messungen mit einer Reihe unterschiedlicher Feldmethoden durch. Sie kommen vor allem bei geowissenschaftlichen Fragestellungen zum tieferen Untergrund Bayerns, aber auch im Rahmen von geologischen Kartierungen, hydrogeologischen Erkundungen oder Abgrenzung von Georisiken (Hangrutschungen) zum Einsatz.

Geoelektrische Messungen (Electrical Resistivity Tomography - ERT)

Bei diesem relativ einfachen und schnellen Verfahren wird in verschiedenen Abständen ein geringer Gleichstrom in den Untergrund eingespeist, dessen Spannung über eine Vielzahl von Sonden an unterschiedlichen Punkten entlang eines Profils gemessen wird. Die Technik erlaubt ein vollautomatisches Messen des elektrischen Gesteinswiderstands. Nach Durchführung einiger Optimierungs-Rechnungen ergibt sich ein Bild der Verteilung der Gesteinswiderstände und damit der Gesteinsstrukturen beziehungsweise deren Wasserführung.

Errechnetes Bild der elektrischen Widerstandsverteilung im Boden

ERT wird am LfU zur Kartierung von Kristallin-Sediment-Übergängen bzw. von geologischen Diskontinuitäten (Störungen und Klüften) und zur Abschätzung der Tiefe und Mächtigkeit von Lockergesteinen herangezogen. Letzteres steht z. B. bei der Kartierung von Hangrutschungen im Vordergrund.

Kabelauslage der ERT-Anlage (GeoTom) im Gelände

Koordinierung und Auswertung der Messung am Feldrechner.

Verteilung des elektrischen Widerstands im Gelände nach Auswertung des Datensatzes und geologische Abgrenzung der Rutschmasse.

3D-Visualisierung der ausgewerteten ERT-Profile und Darstellung im digitalen Höhenmodell.

Refraktionsseismische Messungen

Auf einer Länge bis zu 940 Metern werden entlang eines Profils 24 Geophone ausgelegt. Diese zeichnen die Ausbreitung von Schallwellen künstlicher Anregungen (kleine Explosionen bzw. Hammerschläge) auf. Dadurch kann – ähnlich wie bei einer Ultraschall-Untersuchung beim Arzt - ein Abbild des Untergrundes bis in eine Tiefe von etwa 150 Metern errechnet werden. Insbesondere lassen sich die Schichtgrenzen von Gesteinen mit starkem physikalischen Kontrast abgrenzen.

Ausgelegtes Geophon

Feldcomputer zur Überwachung der Geophone und Aufzeichnung der Seismik-Schüsse.

Vorbereitung einer Sprengung mit Zündschnur, Sprengkapsel und Sprengstoffmasse.

Versenken der Sprengkapsel im vorgebohrten Bohrloch und Einmessen des Schusspunktes mit differenziellem GPS-Gerät

Am LfU wird Refraktionsseismik unter anderem zur Erkundung schüsselförmiger Aushebungen im Kristallingestein Ostbayerns angewendet, die mit dem Ausbruch Tertiärer und Quartärer Maar-Vulkane in Verbindung gebracht werden. Ebenso werden Messungen zur Tiefenlage wichtiger bayerischer Grundwasserleiter, zum Beispiel des Malm-Karstgrundwasserleiters bzw. Quartäre Schotterkörper oder Flussschotter im Alpenvorland durchgeführt.

Weitere geophysikalische Erkundungsmethoden

Am LfU kommen auch Magnetik- und Elektromagnetik-Verfahren zum Einsatz, bei denen Anomalien des Erdmagnetfelds bzw. elektromagnetische Anomalien gemessen werden und zur Interpretation von Strukturen des geologischen Untergrunds beitragen.

Kombinierte Ausrüstung mit Magneto-/Gradiometer (Messstab mit Zylindern) sowie der rückseitig befestigten VLF-Antenne.

Die natürliche Magnetisierbarkeit oder auch magnetische Suszeptibilität von Gesteinen wird am LfU mit einem Suszeptibilitäts-Messgerät bestimmt, das bei der Abgrenzung zum Beispiel unterschiedlicher kristalliner Gesteinsarten zum Einsatz kommt.

Hochempfindliches, tragbares Gamma-Spektrometer.

Zur Bestimmung der natürlichen radioaktiven Hintergrundstrahlung von Gesteinen wird am LfU ein Gamma-Spektrometer eingesetzt. In Kombination mit Messungen aus Flugzeugen oder Helikoptern ergibt sich ein Bild der unterschiedlichen Strahlungseigenschaften der Gesteine. Auf diese Weise lassen sich Störungen und bestimmte Gesteinsarten kartieren oder Hintergrundwerte für Korrekturrechnungen zum Beispiel bei Wasser-, Boden- und Luftmessungen verbessern.

Interpretation reflexionsseismischer Daten und Bohrlogs

Während kleinräumige geophysikalische Messungen vom Geophysik-Team des LfU durchgeführt werden, verwaltet das LfU auch Daten von großräumigen 2D und 3D reflexionsseismischen Messungen der Erdöl/Erdgas-Industrie sowie von tiefengeothermischen Erkundungskampagnen in Bayern. Mit der Interpretation dieser Groß-Datensätze gelingt die Erzeugung eines räumlichen Bildes des Untergrundes und der Schichtlagerungsverhältnisse bis in mehrere Kilometer Tiefe. Mit Hilfe dieser Daten können wertvolle Aussagen über die Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie, der Nutzung geologischer Strukturen für die Speicherung von Gasen und der Lokalisierung von Erdbeben gemacht werden. Durch das Bayerische Lagerstättengesetz ist das LfU zentrale Sammelstelle dieser industriellen, geophysikalischen Messungen und kann diese im Rahmen überregionaler Bearbeitungen und unter Wahrung der Eigentümerrechte nutzen.

• 3D-Modelle

Messkonvoi aus 3 Vibro-Lastwagen

Vibro-Schwingaufsatz auf der Straße

Das LfU sammelt auch bohrlochgeophysikalische Daten, d.h. geophysikalische Messungen entlang von Tiefbohrungen, die als sogenannte Bohrlogs bezeichnet werden. Mit der aufwendigen Digitalisierung der meistens analog abgelegten Log-Kurven können die Bohrlogs zur Ableitung wichtiger Parameter, wie der Verteilung seismischer Geschwindigkeiten im gesamten südbayerischen Raum, verwendet werden. Auch lassen sich wichtige Gesteinsparameter wie die Porosität oder der Wasser- und Tongehalt geologischer Tiefenformationen aus bohrlochgeophysikalischen Log-Kurven errechnen.

In Archiven abgelegte analoge Bohrlogs werden einzeln strukturiert und gescannt.

Digitalisierung von Scans analoger Log-Kurven mit Spezialsoftware.

Visualisierung von Log-Kurven entlang mehrerer Bohrprofile am Computer.

Geophysikalische Daten und Karten

Viele geophysikalische Messmethoden werden stark durch tiefe und damit überregionale Krustenstrukturen beeinflusst. Daher ist auch für die Erkundung lokaler geologischer Verhältnisse ein Blick auf "das große Ganze" immer notwendig, um entsprechende Korrekturen durchführen und Besonderheiten (Anomalien) auch erkennen und interpretieren zu können. Geophysikalische Daten aus Bayern finden sich daher auch in Datenbanken der bundesweit arbeitenden öffentlichen Institutionen, insbesondere dem Leibnitz-Institut für angewandte Geophysik (LIAG) in Hannover. Folgende Datenbanken mit geophysikalischen Daten aus Bayern können dort abgefragt werden:

• Fachinformationssystem Geophysik am LIAG Hannover
• Fachinformationssystem Geothermie am LIAG Hannover
• Kartendienst Kohlenwasserstoffe am LBEG Hannover

Fallstudie zur Erkundung des Maars Neualbenreuth

Zur Erkundung der im Untergrund verborgenen Maar-Vulkane Ostbayerns wurden in einer mehrjährigen Messkampagne zur Auffindung des Neualbenreuther Maares unterschiedliche geophysikalische Methoden kombiniert eingesetzt. Gleich anhand mehrerer geophysikalischer Größen, wie zum Beispiel der seismischen Wellengeschwindigkeit oder der elektrischen Widerstandsverteilung, konnte eine schüsselförmige Struktur abgegrenzt werden, bei der es sich um einen natürlich verfüllten Maar-Krater handelt. Eine Erkundungsbohrung im Zentrum des geophysikalisch bestimmten Maar-Kraters bestätigte die zuvor getroffenen Vermutungen. Über die Zusammenarbeit mit Geophysik-Dienstleistern konnte mit Hilfe der Schweremessungen der Umgriff des Kratersees bestimmt werden.

• Jüngster Vulkan Bayerns